Учебники Рудзитис / 10

общую электронную пару и приобретает частичный отрицательный заряд, а атом водорода — частичный положительный:

d– d+

Н3С—О—Н Благодаря подобному распределению зарядов молекулы спиртов

притягиваются друг к другу — возникает так называемая водородная связь:

(Углеводородный радикал обозначен латинской буквой R.)

Водородные связи между молекулами спиртов образуются за счёт свободных электронных пар у атомов кислорода: атом кислорода одной молекулы может взаимодействовать с атомом водорода другой молекулы, имеющим небольшой положительный заряд.

Прочность водородной связи примерно в 10 раз меньше прочности обычной ковалентной связи.

Спирты, в молекулах которых есть только одна функциональная группа

–ОН, называют ОДНОАТОМНЫМИ СПИРТАМИ. Общая формула предельных одноатомных спиртов СnН2n + 1ОН (или R–OH).

Изомерия и номенклатура. Из формулы метана можно вывести формулу только одного спирта — метанола:

В соответствии с правилами номенклатуры ИЮПАК названия спиртов образуют от названий соответствующих углеводородов с добавлением суффикса -ол.

90

Этану СН3–СН3 также соответствует один одноатомный спирт, формула которого СН3–СН2–ОН. Это этанол.

Из формулы пропана в зависимости от места гидроксильной группы в молекуле можно вывести формулы двух одноатомных спиртов:

Первичным называют такой атом углерода, который связан только с одним атомом углерода. Вторичный атом углерода связан с двумя, а третичный — с тремя атомами углерода.

Например, из формул бутана СН3—СН2—СН2—СН3 и изобутана (2-метилпропана) можно вывести формулы четырёх одноатомных спиртов (табл. 7).

Таблица 7

Одноатомные предельные спирты с общей формулой C4H9OH

Бутанол-1 (первичный бутиловый спирт) Бутанол-2 (вторичный бутиловый спирт)

2-Метилпропанол-1 (изобутиловый спирт)

2-Метилпропанол-2 (третичный бутиловый спирт)

91

Как видно из этих примеров, для спиртов характерны два вида изомерии:

1)изомерия углеродного скелета — прямая или разветвлённая цепь углеродных атомов;

2)изомерия положения гидроксильной группы в молекуле — у пер-

вичного, вторичного или третичного атомов углерода.

Физические свойства. Одноатомные предельные первичные спирты с короткой цепью углеродных атомов — жидкости, а высшие (начиная с С12Н25ОН) — твёрдые вещества.

С увеличением относительной молекулярной массы жидких спиртов повышаются их температуры кипения. Температуры кипения спиртов гораздо выше, чем у соответствующих углеводородов. Это можно объяснить существованием между молекулами спиртов водородных связей, на разрывание которых при нагревании спиртов тратится дополнительная энергия.

Водородная связь может возникнуть как между молекулами спиртов, так и между молекулами спиртов и воды:

Это объясняет хорошую растворимость спиртов в воде. Метанол, этанол и пропанол в воде растворяются в неограниченных количествах. Растворимость других гомологов значительно меньше. Высшие спирты (начиная с C11H23OH) в воде практически нерастворимы.

Метанол, этанол и пропанол-1 имеют специфический алкогольный запах, у следующих за ними гомологов сильный запах, у некоторых — неприятный. Высшие спирты запаха не имеют.

Все одноатомные спирты ядовиты! Самый ядовитый из них — метанол (метиловый спирт) СН3ОН. Даже небольшая его доза может вызвать слепоту или оказаться смертельной. В организме метанол превращается в муравьиную кислоту и её соли — формиаты, которые и оказывают токсическое действие на нервную систему. По запаху и вкусу метанол неотличим от этилового спирта, из-за чего и происходят случаи его употребления внутрь.

Кислородсодержащие органические соединения. Одноатомные предельные спирты. Функциональная группа спиртов. Метанол (метиловый спирт). Этанол (этиловый спирт). Первичный, вторичный и третичный атомы углерода. Водородная связь

92

1.Составьте электронные формулы метилового спирта, этилового спирта и воды. Поясните, как при перекрывании соответствующих электронных орбиталей образуются химические связи в молекуле воды

ив гидроксильной группе спиртов.

2.Как на основе экспериментальных данных можно вывести молекулярные и структурные формулы спиртов?

3.Один из атомов водорода в молекулах одноатомных спиртов является более подвижным. Поясните почему.

4.Почему температура кипения у спиртов намного выше, чем у соответствующих углеводородов?

5.Составьте структурные формулы всех одноатомных спиртов, молекулярная формула которых С5Н11ОН. Назовите их.

1.Общая формула одноатомных предельных спиртов

2. Вещества, имеющие формулы СН3—О—СН3 и СН3—СН2—ОН,

Язнаю состав и строение одноатомных предельных спиртов, их общую формулу.

Ямогу объяснить, как образуется водородная связь и как она влияет на физические свойства спиртов.

Яумею составлять структурные формулы спиртов и их изомеров, называть спирты по международной номенклатуре.

93

§20 Получение, химические свойства

иприменение одноатомных

предельных спиртов

•Составьте электронную формулу этанола и укажите наиболее реакционно-способные связи в его молекуле.

•Наличие каких химических свойств можно предположить у этанола?

•Какие реакции называют реакциями гидролиза? дегидрирования? дегидратации? Какие катализаторы используют в этих реакциях?

•Если человек выпил вино или другой алкогольный напиток, ему нельзя садиться за руль. С чем это связано?

Получение. Наибольшее промышленное значение имеют метанол и этанол. Метанол синтезируют главным образом из синтез-газа:

220–280 C, 5–20 МПа, Cu, ZnO

СO + 2H2 CH3OH

Раньше метанол выделяли из продуктов пиролиза древесины, поэтому сохранилось его старое название — древесный спирт.

Этанол в промышленности получают различными способами.

1.На современном производстве этанол получают гидратацией этилена при помощи водяного пара:

2.Наиболее древний метод получения этанола — сбраживание сахаристых веществ, содержащих глюкозу. Сбраживание глюкозы осуществляют с помощью дрожжевых грибков, выделяющих биологические катализаторы — ферменты. Процесс спиртового брожения глюкозы (виноградного сахара) в упрощённом виде можно изобразить так:

С6H12O6 ферменты 2C2H5OH + 2CO2

Этот процесс происходит при производстве вин.

3. Позднее этанол стали получать из крахмалсодержащих продуктов. По этому методу крахмал при гидролизе в присутствии ферментов превращается в глюкозу, из которой в процессе брожения образуется спирт.

94

4. Значительные количества этанола выделяют из древесины посредством гидролиза клетчатки и последующего сбраживания образовав-

шейся глюкозы.

Химические свойства. 1) Водные растворы спиртов на индикаторы не действуют.

2) Спирты, подобно воде, реагируют с активными металлами.

Так, например, при взаимодействии натрия с этанолом образуется этилат натрия и выделяется водород:

Этилат натрия в воде подвергается гидролизу: СН3—СН2—ОNa + HOH CH3—CH2—OH + NaOH

Равновесие этой реакции сильно смещено вправо.

3) В присутствии водоотнимающего средства — концентрированной серной кислоты спирты реагируют с галогеноводородными кислотами и образуются галогенопроизводные углеводородов:

4) В присутствии водоотнимающих веществ и при повышенной температуре происходит дегидратация спиртов (от их молекул отщепляется вода) и образуются непредельные углеводороды:

Н3С—СН2—OH t > 140 C, H2SO4(конц.) H2C=CH2 + H2O

При избытке спирта и более низкой температуре получаются простые эфиры:

t < 140 C, H2SO4(конц.)

СН3—СН2—OH + HO—СН2—СН3

СН3—СН2—O—СН2—СН3 + HOH

диэтиловый эфир

5) Одноатомные первичные спирты относительно легко окисляются. При этом образуются альдегиды (см. § 23). Если в этанол опустить накалённую медную спираль, покрытую чёрным оксидом меди(II), спираль становится блестящей, появляется специфический запах ацетальдегида:

95

Лабораторный опыт. Окисление этанола оксидом меди(II)

В пробирку налейте не более 0,5—1 мл этанола и погрузите в него раскалённую спираль из медной проволочки.

#Какие вещества образуются при взаимодействии этанола с оксидом меди(II)? Напишите уравнение реакции.

Этанол на воздухе горит:

С2H5OH + 3O2 2CO2 +3H2O

6)Спирты реагируют с кислотами с образованием сложных эфиров (см. § 26).

7)Спирты можно подвергать одновременно дегидрированию (отщеп-

лению водорода) и дегидратации (отщеплению воды).

Физиологическое действие этанола. Этанол служит основой для получения алкогольных напитков, оказывающих возбуждающее и наркотическое действие на нервную систему. Поскольку этанол легко растворяется в воде, он сразу же после приёма поглощается пищеварительными органами и разносится кровью по всему телу (в том числе и в ткани мозга). Максимальная концентрация алкоголя в крови наблюдается через 20—60 мин после его приёма.

Как и все предельные одноатомные спирты, этанол ядовит.

Возбуждение нервной системы, наступившее под влиянием алкоголя, сменяется резким угнетением её деятельности. У человека ослабляется внимание, затормаживается реакция на различные раздражители. Подобная реакция нервной системы наступает всегда, даже при приёме небольших доз алкоголя. Действие алкоголя на головной мозг таково, что однократный приём примерно 200 г спирта может быть смертельным, особенно для детей и подростков.

У тех, кто постоянно употребляет алкогольные напитки, может развиться тяжёлое неизлечимое заболевание — алкоголизм.

У алкоголиков обмен веществ перестраивается таким образом, что им постоянно требуется поступление в организм новых порций спирта.

96

Схема 4

Галогенопроизводные углеводородов

Спиртовое брожение. Ферменты. Простые эфиры. Алкоголизм

1.Как на производстве получают этанол и метанол? Приведите уравнения соответствующих реакций.

2.Составьте уравнения реакций, характеризующих химические свойства спиртов, на примере пропанола-1.

3.Какое применение имеют метанол и этанол? Ответ оформите в виде схемы.

4.Как действуют метанол и этанол на живые организмы?

5.Составьте уравнения реакций, при помощи которых можно осуществить следующие превращения:

а) СН4 СН3—СН3 СН3—СН2—ОН СН3—СН3 б) СН3—СН2—ОН СН2=СН2 СН3—СН3

СН3—СН2—Cl CH3—COH

в) СН3—СН2—ОН СН2=СН—СН=СН2

г) CaCO3 CaC2 C2H2 СН3—СН2—ОН СН3—СН2—Cl СН2=СН2

6.Какой объём воздуха (н. у.) необходим для сжигания 1 л метанола (r = 0,80 г/см3)?

7.Оксид углерода(IV), который образовался при сбраживании 100 г раствора глюкозы, пропустили через гидроксид кальция. В осадок выпало 10 г карбоната кальция. Вычислите массовую долю глюкозы в растворе.

98

8. Чтобы сжечь водород, который выделился при взаимодействии пропанола с металлическим натрием, потребовалось 10 л воздуха (н. у.). Вычислите, сколько пропанола (в граммах) прореагировало.

9. Какой объём раствора с массовой долей этанола 96 % (r =

=0,80 г/см3) можно получить из 1000 м3 этилена (н. у.)?

10.Напишите уравнения химических реакций, подтверждающих генетическую связь между классами органических соединений в схеме 4 (с. 98).

Используя Интернет или дополнительную литературу, узнайте, что означают выражения «эмбриотоксическое действие» и «тератогенное действие». Найдите информацию, подтверждающую эмбриотоксическое и тератогенное действие этилового спирта.

Ямогу объяснять зависимость свойств спиртов от наличия функциональной группы (— OH).

Яумею составлять уравнения реакций, подтверждающих свойства спиртов и их применение, и характеризовать физиологическое действие метанола и этанола.

99