В помощь учителю и учащимся. Предельные одноатомные спирты.

Этиловый спирт (этанол) С₂Н₅ОН — бесцветная жидкость, легко испаряющаяся, температура кипения 64,7 °С, температура плавления -97,8 °С, оптическая плотность 0,7930; (физические свойства спиртов: одноатомные спирты, содержащие в своем составе до десяти атомов углерода, в обычных условиях - жидкости. Спирты, в составе которых 11 атомов углерода и более - твердые тела. Этиловый, бутиловый и изоамиловый спирт – жидкости.

Посмотрим, как спирты растворяются в воде. В три пробирки нальем по нескольку миллилитров спиртов и прибавим к ним подкрашенную воду. Спирты имеют плотность меньше единицы, поэтому они образуют верхний слой. При взбалтывании пробирок происходит полное растворение этилового спирта, частично растворяется бутиловый спирт, почти не растворяется изоамиловый спирт. Краситель из водного раствора переходит в спирты. С повышением молекулярной массы и увеличением углеводородного радикала растворимость спиртов в воде уменьшается).

Спирт, содержащий 4—5 % воды, называют ректификатом, а содержащий только доли процента воды — абсолютным спиртом. Такой спирт получают химической обработкой в присутствии водоотнимающих средств (например, свежепрокаленного СаО). Получают этиловый спирт следующими способами: 1) спиртовое брожение веществ, содержащих сахаристые вещества, в присутствии ферментов (например, зимазы — фермента дрожжей):

C₆H₁₂O₆ = C₂H₅OH + 2CO₂
Такой спирт называют пищевым или винным спиртом.
2) этиловый спирт можно получать из целлюлозы, которую предварительно гидролизуют. Образующуюся при этом глюкозу подвергают в дальнейшем спиртовому брожению. Полученный спирт называют гидролизным.
Для получения этилового спирта существуют и синтетические способы, такие, как 
сернокислотная или прямая гидратация этилена: H₂C=CH₂ + H₂О = H₃C—CH₂OH
Реакция проводится в присутствии катализаторов. При использовании в качестве катализатора серной кислоты (сернокислотная гидратация) реакция идет в две стадии:

H₂C=CH₂ + HO—SO₂—OH = H₃C—CH₂—OSO₂—OH
                                        этилсерная кислота
H₃C—CH₂—OSO₂—OH + H₂O = H₃C—CH₂—OH + H₂SO₄
                                                    этиловый спирт

Как у всех кислородосодержащих соединений, химические свойства этилового спирта определяются, в первую очередь, функциональными группами и, в известной степени, строением радикала. Характерной особенностью гидроксильной группы этилового спирта является подвижность атома водорода, что объясняется электронным строением гидроксильной группы. Отсюда способность этилового спирта к некоторым реакциям замещения, например, щелочными металлами. С другой стороны, имеет значение и характер связи углерода с кислородом. Вследствие большой электроотрицательности кислорода по сравнению с углеродом, связь углерод-кислород также в некоторой степени поляризована с частичным положительным зарядом у атома углерода и отрицательным – у кислорода. Однако, эта поляризация не приводит к диссоциации на ионы, спирты не являются электролитами, а представляют собой нейтральные соединения, не изменяющие окраску индикаторов, но они имеют определенный электрический момент диполя. Спирты являются амфотерными соединениями, то есть могут проявлять как свойства кислот, так и свойства оснований.

Качественная реакция на этанол

Чувствительной реакцией на этиловый спирт является так называемая йодоформная проба: образование характерного желтоватого осадка йодоформа при действии на спирт йода и щелочи. Этой реакцией можно установить наличие спирта в воде даже при концентрации 0,05%. Отберем пробу раствора и добавим раствор Люголя. Раствор Люголя содержит иод (1 часть иода, 2 части иодида калия, 17 частей стерильной дистиллированной воды). При охлаждении раствора появляется желтая взвесь йодоформа, при высоких концентрациях спирта выпадает желтый осадок йодоформа.

С₂Н₅ОН + 6 NaОН + 4 I₂ = CHI₃ +HCOONa  + 5 NaI +  H₂O

Реакции гидроксильного водорода:

1.Взаимодействие спиртов со щелочными металлами (образование алкоголятов)

2C₂H₅OH + 2Na = 2C₂H₅ONa + H₂

                       этилат натрия

При взаимодействии спиртов с натрием образуются газообразный водород и соответствующие алкоголяты натрия. Приготовим пробирки с метиловым, этиловым и бутиловым спиртами. Опустим в пробирку с метиловым спиртом кусочек металлического натрия. Начинается энергичная реакция. Натрий плавится, выделяется водород.

2СН₃ОН + 2 Na = 2 CH₃ONa + H₂

Опустим натрий в пробирку с этиловым спиртом. Реакция идет немного медленней. Выделяющийся водород можно поджечь. По окончании реакции выделим этилат натрия. Для этого опустим в пробирку стеклянную палочку и подержим ее над пламенем горелки. Избыток спирта испаряется. На палочке остается белый налет этилата натрия.

2С₂Н₅ОН + 2 Na = 2 C₂H₅ONa + H₂

В пробирке с бутиловым спиртом реакция с натрием идет еще медленнее.

2С₄Н₉ОН + 2 Na = 2 C₄H₉ONa + H₂

Итак, с удлинением и разветвлением углеводородного радикала скорость реакции спиртов с натрием уменьшается. Алкоголяты — твердые, неустойчивые вещества, легко подвергающиеся гидролизу:

C₂H₅ONa + H₂O = C₂H₅OH + NaOH

Алкоголяты щелочных металлов обладают более сильными основными свойствами, чем гидроксиды щелочных металлов. Образование простых эфиров. Взаимодействием алкоголятов с галогеналкилами можно получить простые эфиры:

C₂H₅—ONa + I—C₂H₅ = C₂H₅—O—C₂H₅ + NaI

                             диэтиловый эфир

Образование сложных эфиров (реакция этерификации). При реакции спиртов с кислотами (органическими или неорганическими) получаются соединения, которые называют сложными эфирами. Такая реакция получила название реакции  этерификации (от лат. aether — эфир). Если во взаимодействие со спиртом вводят органические (карбоновые) кислоты, то в качестве катализатора используют сильные минеральные кислоты: OH⁺

H₃C—С—OH + HO—C₂H₅ = H₃C—C—O—C₂H₅ + H₂O

уксусная кислота           этиловый эфир уксусной кислоты (этилацетат)

Замещение гидроксильной группы на галоген (образование галогенопроизводного):

C₂H₅OH + HCl = C₂H₅Cl + H₂O

Такая реакция обратима, но можно равновесие сдвинуть вправо, если ее проводить в присутствии водоотнимающих средств (например, H₂SO₄(конц.), ZnCl₂ и др.). Замещение гидроксильной группы на галоген происходит также при взаимодействии спирта с PCl₅. В прибор для получения галоидоалканов наливаем смесь этилового спирта с концентрированной серной кислотой. Прибавим к смеси вначале несколько капель воды, а затем – бромид натрия. В верхнюю часть прибора, холодильник, нальем воды и добавим кусочки льда. Нагреем колбу. Через некоторое время начинается реакция. Бромид натрия реагирует с серной кислотой с образованием бромоводорода.    NaBr + H₂SO₄ = NaHSO₄ + HBr

Бромоводород реагирует с этиловым спиртом с образованием бромэтана.

HBr +С₂Н₅ОН = C₂H₅Br  +  H₂O

Бромэтан - легкокипящая жидкость. Бромэтан испаряется, пары поступают в холодильник, где бромэтан конденсируется. Капли бромэтана падают в приемник. На дне приемника собирается тяжелая маслянистая жидкость – бромэтан. 
Дегидратация спиртов (отщепление воды).

При нагревании спиртов в присутствии серной кислоты проходят реакции дегидратации, причем в зависимости от температуры преимущественно протекает одна из двух конкурирующих реакций – внутримолекулярная или межмолекулярная дегидратация спирта:   внутримолекулярная (t>140⁰С):

межмолекулярная (t<140⁰С):

Первая реакция – это реакция элиминирования. А вторая, межмолекулярная дегидратация – это реакция нуклеофильного замещения, которая приводит к получению простых эфиров. Общая формула простых эфиров: R₁ - O - R₂ 
Внутримолекулярное отщепление воды от вторичных и третичных спиртов протекает согласно правилу Зайцева: протон предпочтительно отщепляется от соседнего менее гидрированного атома углерода. Легче дегидратируются третичные, затем вторичные и, наконец, первичные спирты.
Окисление

Низшие спирты горят на воздухе бледно-голубым пламенем:

С₂H₅OH + 3O₂ = 2CO₂ + 3H₂O + 1370 кДж

Опыт. Нальем понемногу этилового, бутилового и изоамилового спиртов в фарфоровые чашки. Поднесем к чашкам горящую лучину. Этиловый спирт быстро загорается и горит голубоватым, слабосветящимся пламенем. Бутиловый спирт горит светящимся пламенем. Труднее загорается изоамиловый спирт, он горит коптящим пламенем. С увеличением молекулярной массы одноатомных спиртов повышается температура кипения и возрастает светимость их пламени.

С₂Н₅ОН + 3О₂ = 2СО₂ + 3 Н₂О

С₄Н₉ОН + 6О₂ = 4СО₂ + 5 Н₂О

2С₅Н₁₁ОН + 15О₂ = 10СО₂ + 12 Н₂О

Эту реакцию применяют не только в спиртовках, но и в двигателях внутреннего сгорания, так как этанол в качестве добавки к моторному топливу повышает его октановое число. Более того, в ряде стран этиловый спирт рассматривается как альтернативное бензину экологически чистое автомобильное топливо.

В прибор для окисления спиртов нальем немного этилового спирта. Присоединим к газоотводной трубке прибор для подачи воздуха. Раскалим в горелке медную спираль и поместим ее в прибор. Подадим в прибор ток воздуха. Медная спираль в приборе продолжает быть раскаленной, так как начинается окисление спирта. Продукт окисления спирта - уксусный альдегид.

СН₃-СН₂-ОН + СuO  = CH₃ -COH + Cu  + H₂O

Альдегид обнаруживаем, пропуская через фуксинсернистую кислоту выходящие из прибора газы. Под действием альдегида фуксинсернистая кислота приобретает фиолетовую окраску. Покажем, что медная спираль раскалена. Извлечем спираль из прибора и поднесем к ней спичку. Спичка загорается. Мы убедились в том, что при окислении одноатомных спиртов образуются альдегиды. При окислении первичных спиртов образуются альдегиды, в случае вторичных – кетоны:

Третичные спирты не вступают в такую реакцию, у них нет атома водорода при третичном углеродном атоме, поэтому они не способны к реакциям с отщеплением водорода и образованием H₂O. Кроме оксида меди (II) в качестве окислителей можно использовать растворы дихромата или перманганата калия, кислород воздуха в присутствии катализатора. 
Каталитическое окисление этанола

Окисление этилового спирта кислородом воздуха происходит очень легко в присутствии оксида хрома (III). В фарфоровую чашку поместим кусочек ваты, смоченный спиртом. Подожжем вату. Осторожно насыпаем на горящую вату оксид хрома. Пламя гаснет. Но оксид хрома начинает раскаляться. Реакция окисления спирта протекает с выделением энергии. Продукт реакции окисления спирта - уксусный альдегид.

2СН₃-СН₂-ОН + О₂  = 2CH₃ -COH + 2H₂O

Окисление этанола (тест на алкоголь)

Реакцию окисления спиртов сильными окислителями используют для установления факта алкогольного опъянения. Приготовим трубку для определения алкоголя. Для этого разотрем в ступке хромовый ангидрид (оксид хрома (VI)) с небольшим количеством серной кислоты. Получается паста красного цвета. Нанесем пастой полосу на стенках трубки. Трубку соединим с прибором, подающим смесь воздуха с парами этилового спирта. Через некоторое время красная полоса в трубке зеленеет. Спирт окисляется в уксусный альдегид, а окислитель оксид хрома превращается в сульфат хрома (III), имеющий зеленую окраску.

K₂Cr₂O₇ + 3 C₂H₅OH + 4 H₂SO₄ = 3 CH₃COH + Cr₂(SO₄)₃ + K₂SO₄ + 7H₂O

Окисление этилового спирта раствором перманганата калия

Спирты легко окисляются раствором перманганата калия. В пробирку с этиловым спиртом прильем немного подкисленного раствора перманганата калия. Осторожно подогреем пробирку. Раствор постепенно обесцвечивается. В данных условиях этиловый спирт окисляется, превращаясь в уксусный альдегид.

СН₃-СН₂-ОН + [О]  = CH₃ -COH + H₂O

Применение.

Этиловый спирт широко используют в различных областях промышленности и прежде всего в химической. Из него получают синтетический каучук, уксусную кислоту, красители, эссенции, фотопленку, порох, пластмассы. Спирт является хорошим растворителем и антисептиком. Поэтому он находит применение в медицине, парфюмерии. В больших количествах этиловый спирт идет для получения ликёроводочных изделий. Этиловый спирт — сильный наркотик. Попадая в организм, он быстро всасывается в кровь и приводит организм в возбужденное состояние, при котором человеку трудно контролировать свое поведение. Употребление спирта часто является основной причиной тяжелых дорожно-транспортных аварий, несчастных случаев на производстве и бытовых преступлений. Спирт вызывает тяжелые заболевания нервной и сердечно-сосудистой систем, а также желудочно-кишечного тракта. Спирт опасен в любой концентрации (водка, настойки, вино, пиво и т.д.). Этиловый спирт, применяемый для технических целей, специально загрязняют дурно пахнущими веществами. Такой спирт называют денатуратом (для этого спирт подкрашивают, чтобы отличить его от чистого спирта).

Давыденко О.В.

Литература, использованная для написания статьи:

1. Глинка Н.Л. Общая химия. – Л.: Химия, 1978. – 720 с.

2. "Химическая энциклопедия" т.5 М.: Советская энциклопедия, 1999 стр. 501-503.

3. Метлин Ю.Г., Третьяков Ю.Д. Основы общей  химии. – М.: Просвещение, 1980. – 157 с.

4. Интернет – источники.