Общая формула, гомологический ряд, изомерия, номенклатура

Общая формула предельных одноатомных спиртов — $\mathrm{C_nH_{2n+1}OH}$ или $\mathrm{C_nH_{2n+2}O}$ . Их гомологический ряд начинается с метанола ( $\mathrm{CH_3OH}$ ), этанола ( $\mathrm{C_2H_5OH}$ ), пропанола ( $\mathrm{C_3H_7OH}$ ) и так далее.

Для спиртов характерны следующие виды изомерии:

Изомерия углеродного скелета (начиная с бутанола).
Изомерия положения гидроксильной группы (начиная с пропанола): Например, пропанол-1 ( $\mathrm{CH_3{-}CH_2{-}CH_2OH}$ ) и пропанол-2 ( $\mathrm{CH_3{-}CH(OH){-}CH_3}$ ).
Межклассовая изомерия: Спирты являются межклассовыми изомерами с простыми эфирами. Например, формуле $\mathrm{C_2H_6O}$ соответствуют этанол ( $\mathrm{CH_3CH_2OH}$ ) и диметиловый эфир ( $\mathrm{CH_3OCH_3}$ ).

В зависимости от того, с каким атомом углерода связана $\mathrm{-OH}$ группа, спирты делятся на первичные ( $\mathrm{-CH_2OH}$ ), вторичные ( $\mathrm{>CHOH}$ ) и третичные ( $\mathrm{>COH}$ ). В первичном спирте $\mathrm{-OH}$ связана с атомом углерода, который связан только с одним другим атомом углерода (первичным углеродом); во вторичном — с двумя другими атомами углерода (вторичным углеродом); в третичном — с тремя другими атомами углерода (третичным углеродом).

По международной номенклатуре спирты называют, добавляя суффикс "-ол" к названию соответствующего алкана. Положение гидроксильной группы указывается цифрой. Нумерация главной цепи начинается с того конца, к которому ближе $\mathrm{-OH}$ группа. Например, $\mathrm{CH_3{-}CH_2{-}CH_2OH}$ — это пропанол-1.

Строение и физические свойства

В молекуле спиртов атом кислорода находится в $sp^3$ -гибридизации. В гидроксильной ( $\mathrm{-OH}$ ) группе атом водорода связан с высокоэлектроотрицательным атомом кислорода, поэтому связь $\mathrm{O{-}H}$ является полярной. Эта полярность приводит к образованию водородных связей между молекулами спиртов.

Водородные связи обусловливают значительно более высокие температуры кипения спиртов по сравнению с соответствующими алканами и эфирами сходной молярной массы. Например, температура кипения этанола составляет 78°C, а диметилового эфира с той же общей формулой — -24°C.

Низшие спирты (метанол, этанол, пропанол) смешиваются с водой в любых соотношениях, так как могут образовывать водородные связи и с молекулами воды. С увеличением длины углеродной цепи (размера гидрофобной части) растворимость спиртов в воде уменьшается.

Метанол и этанол при обычных условиях являются жидкостями, спирты с $\mathrm{C_{12}}$ и выше — твёрдые вещества. Метанол — ядовитое вещество, этанол — основной компонент алкогольных напитков.

Химические свойства

Химические свойства спиртов определяются наличием гидроксильной ( $\mathrm{-OH}$ ) группы.

Горение: При полном сгорании спирты образуют углекислый газ и воду: $\mathrm{C_nH_{2n+1}OH + \frac{3n}{2}O_2 \to nCO_2 + (n+1)H_2O}$ .
Реакции с активными металлами: Спирты проявляют слабые кислотные свойства и реагируют с активными металлами (Na, K) с образованием алкоголятов (спиртатов) и водорода: $\mathrm{2ROH + 2Na \to 2RONa + H_2}$ .
Реакции с галогеноводородами (замещение): Гидроксильная группа замещается на атом галогена с образованием галогеналканов: $\mathrm{ROH + HHal \to RHal + H_2O}$ .
Дегидратация (отщепление воды): Происходит в присутствии нагретой серной кислоты и зависит от температуры:
- Внутримолекулярная дегидратация ( $T>140^\circ C$ ): Образуются алкены. Например, $\mathrm{C_2H_5OH \xrightarrow{H_2SO_4, 170^\circ C} C_2H_4 + H_2O}$ .
- Межмолекулярная дегидратация ( $T \le 140^\circ C$ ): Образуются простые эфиры. Например, $\mathrm{2C_2H_5OH \xrightarrow{H_2SO_4, 140^\circ C} C_2H_5{-}O{-}C_2H_5 + H_2O}$ .
Окисление: Продукты окисления зависят от типа спирта:
- Первичные спирты окисляются до альдегидов, а затем до карбоновых кислот: $\mathrm{R{-}CH_2OH \xrightarrow{[O]} R{-}CHO \xrightarrow{[O]} R{-}COOH}$ .
- Вторичные спирты окисляются до кетонов: $\mathrm{R{-}CH(OH){-}R' \xrightarrow{[O]} R{-}CO{-}R'}$ .
- Третичные спирты в обычных условиях не окисляются.
Образование сложных эфиров (этерификация): Спирты реагируют с карбоновыми кислотами, образуя сложные эфиры: $\mathrm{RCOOH + R'OH \rightleftharpoons RCOOR' + H_2O}$ .

Получение и применение

Способы получения:

Гидратация алкенов: Присоединение воды к алкенам приводит к образованию спиртов (по правилу Марковникова): $\mathrm{CH_2{=}CH_2 + H_2O \xrightarrow{H^+} CH_3{-}CH_2OH}$ .
Гидролиз галогеналканов: Гидролиз галогеналканов в присутствии водного раствора щёлочи приводит к образованию спиртов: $\mathrm{RHal + NaOH \xrightarrow{\text{вода}} ROH + NaHal}$ .
Гидрирование (восстановление) альдегидов и кетонов: Гидрирование альдегидов даёт первичные спирты, а кетонов — вторичные: $\mathrm{RCHO + H_2 \xrightarrow{Ni} RCH_2OH}$ .
Промышленное получение метанола: Из синтез-газа (смеси CO и $\mathrm{H_2}$ ): $\mathrm{CO + 2H_2 \xrightarrow{\text{кат.}} CH_3OH}$ .
Промышленное получение этанола: Ферментативное брожение глюкозы (или других углеводов): $\mathrm{C_6H_{12}O_6 \xrightarrow{\text{фермент}} 2C_2H_5OH + 2CO_2}$ .

Применение: Спирты широко используются как растворители (краски, лаки, парфюмерия), топливо (биотопливо), в медицине (антисептики, производство лекарств). В химической промышленности они являются сырьём для производства пластмасс, синтетических волокон, каучуков, сложных эфиров и других органических веществ.

Запомните

Общая формула предельных одноатомных спиртов — $\mathrm{C_nH_{2n+1}OH}$ .
Водородные связи обусловливают высокие температуры кипения и растворимость в воде.
Спирты делятся на первичные, вторичные и третичные в зависимости от строения углеродного скелета у $\mathrm{-OH}$ группы.
В реакциях с активными металлами спирты проявляют кислотные свойства, выделяется водород, образуются алкоголяты: $\mathrm{2ROH + 2Na \to 2RONa + H_2}$ .
В реакциях дегидратации важны температурные условия: $T \le 140^\circ C$ — простой эфир, $T>140^\circ C$ — алкен.
Первичные спирты окисляются до альдегидов, вторичные — до кетонов, третичные — устойчивы к окислению.

Разобранные примеры

Пример 1
Найдите массу этанола (в граммах), который прореагирует с 10 г натрия.
Решение
Уравнение реакции: $\mathrm{2C_2H_5OH + 2Na \to 2C_2H_5ONa + H_2}$ .
1. Найдём количество вещества натрия: $\mathrm{M(Na) = 23}$ г/моль. $\nu(\mathrm{Na}) = \dfrac{10 \text{ г}}{23 \text{ г/моль}} \approx 0{,}4348$ моль.
2. По уравнению реакции 2 моль натрия реагируют с 2 моль этанола, то есть мольное соотношение 1:1. Следовательно, $\nu(\mathrm{C_2H_5OH}) = \nu(\mathrm{Na}) = 0{,}4348$ моль.
3. Молярная масса этанола: $\mathrm{M(C_2H_5OH) = 2 \cdot 12 + 6 \cdot 1 + 16 = 46}$ г/моль.
4. Масса этанола: $\mathrm{m(C_2H_5OH) = \nu \cdot M = 0{,}4348 \text{ моль} \cdot 46 \text{ г/моль} \approx 20{,}0}$ г.
Ответ: 20 г.
Пример 2
Напишите структурную формулу соединения 2,3-диметилбутанол-2 и определите, к какому классу спиртов оно относится.
Решение
1. Название "бутанол-2" указывает на то, что в главной цепи 4 атома углерода и гидроксильная ( $\mathrm{-OH}$ ) группа присоединена ко 2-му атому углерода.
2. Название "2,3-диметил" означает, что на 2-м и 3-м атомах углерода есть метильные ( $\mathrm{CH_3}$ ) группы.
Структурная формула: $\mathrm{CH_3{-}C(CH_3)(OH){-}CH(CH_3){-}CH_3}$
1. Для определения класса спирта смотрим на атом углерода, к которому присоединена $\mathrm{-OH}$ группа. Этот атом (2-й) связан с тремя атомами углерода: с 1-м атомом ( $\mathrm{CH_3}$ ), с метильным заместителем ( $\mathrm{CH_3}$ ) и с 3-м атомом ( $\mathrm{CH}$ ). Следовательно, это третичный спирт.
Ответ: $\mathrm{CH_3{-}C(CH_3)(OH){-}CH(CH_3){-}CH_3}$ ; третичный спирт.

Проверьте себя

Сначала решите сами, потом откройте ответ.

Какое соединение является межклассовым изомером метилэтилового эфира?
1. пропанол-1
2. бутанол-2
3. бутанол-1
4. этанол
5. диметиловый эфир
Показать ответСкрыть ответ
Правильный ответ: A пропанол-1
Формула метилэтилового эфира $\mathrm{CH_3{-}O{-}C_2H_5}$ , молекулярная формула $\mathrm{C_3H_8O}$ . Пропанол-1 ( $\mathrm{CH_3CH_2CH_2OH}$ ) имеет ту же формулу $\mathrm{C_3H_8O}$ и относится к спиртам, поэтому является межклассовым изомером эфира. Бутанол-1 и бутанол-2 ( $\mathrm{C_4H_{10}O}$ ), этанол и диметиловый эфир ( $\mathrm{C_2H_6O}$ ) имеют другие молекулярные формулы.
Какой спирт при окислении образует кетон?
1. метанол
2. этанол
3. пропанол-1
4. 2-метилпропанол-2
5. пропанол-2
Показать ответСкрыть ответ
Правильный ответ: E пропанол-2
Кетоны образуются в результате окисления вторичных спиртов. Пропанол-2 ( $\mathrm{CH_3CH(OH)CH_3}$ ) является вторичным спиртом. Метанол, этанол и пропанол-1 — первичные спирты (окисляются до альдегидов). 2-метилпропанол-2 — третичный спирт и не окисляется в обычных условиях.
Найдите массу диэтилового эфира, полученного межмолекулярной дегидратацией 18,4 г этанола (выход 80%).
1. 14,8 г
2. 11,84 г
3. 29,6 г
4. 23,68 г
5. 18,4 г
Показать ответСкрыть ответ
Правильный ответ: B 11,84 г
Уравнение реакции: $\mathrm{2C_2H_5OH \xrightarrow{H_2SO_4, 140^\circ C} C_2H_5{-}O{-}C_2H_5 + H_2O}$ .
1. Количество вещества этанола: $\mathrm{M(C_2H_5OH) = 46}$ г/моль. $\nu(\mathrm{C_2H_5OH}) = \dfrac{18{,}4 \text{ г}}{46 \text{ г/моль}} = 0{,}4$ моль.
2. По уравнению реакции, из 2 моль этанола образуется 1 моль диэтилового эфира. Следовательно, $\nu(\mathrm{C_2H_5OC_2H_5}) = \dfrac{\nu(\mathrm{C_2H_5OH})}{2} = \dfrac{0{,}4 \text{ моль}}{2} = 0{,}2$ моль.
3. Молярная масса диэтилового эфира: $\mathrm{M(C_2H_5OC_2H_5) = 74}$ г/моль.
4. Теоретическая масса диэтилового эфира: $m_{\text{теор}}(\text{эфир}) = 0{,}2 \text{ моль} \cdot 74 \text{ г/моль} = 14{,}8$ г.
5. С учётом выхода 80%, фактическая масса эфира: $m_{\text{факт}}(\text{эфир}) = 14{,}8 \text{ г} \cdot 0{,}80 = 11{,}84$ г.

Типичные ошибки

Забывать о кислотных свойствах спиртов и считать, что они не реагируют с активными металлами. Спирты проявляют слабые кислотные свойства и реагируют с активными металлами.
Путать температурные условия в реакциях дегидратации: при $T \le 140^\circ C$ образуется простой эфир, при $T>140^\circ C$ — алкен.
Неправильно определять продукты окисления первичных, вторичных и третичных спиртов. Первичные спирты окисляются до альдегидов, вторичные — до кетонов, третичные — не окисляются.

Всё ещё не до конца понятно?

Объяснит тему голосом, как на уроке, запишет всё на доске и проверит вопросами.

Изучить с Живым репетитором Решить задачу по фото