Этанол и металлический натрий реакция

Обновлено: 06.05.2024

В молекулах спиртов, помимо связей С–С и С–Н, присутствуют ковалентные полярные химические связи О–Н и С–О.

Электроотрицательность кислорода (ЭО = 3,5) больше электроотрицательности водорода (ЭО = 2,1) и углерода (ЭО = 2,4).

Электронная плотность обеих связей смещена к более электроотрицательному атому кислорода:

Атом кислорода в спиртах находится в состоянии sp 3 -гибридизации.

В образовании химических связей с атомами C и H участвуют две 2sp 3 -гибридные орбитали, а еще две 2sp 3 -гибридные орбитали заняты неподеленными электронными парами атома кислорода.

Поэтому валентный угол C–О–H близок к тетраэдрическому и составляет почти 108 о .

Водородные связи и физические свойства спиртов

Спирты образуют межмолекулярные водородные связи. Водородные связи вызывают притяжение и ассоциацию молекул спиртов:

Водородные связи образуются не только между молекулами спиртов, но и между молекулами спиртов и воды. Поэтому спирты очень хорошо растворимы в воде. Молекулы спиртов в воде гидратируются:

Чем больше углеводородный радикал, тем меньше растворимость спирта в воде. Чем больше ОН-групп в спирте, тем больше растворимость в воде.

Этанол смешивается с водой в любых соотношениях.

Изомерия спиртов

Структурная изомерия

Для этанола характерна структурная изомерия – межклассовая изомерия.

Межклассовые изомеры — это вещества разных классов с различным строением, но одинаковым составом. Спирты являются межклассовыми изомерами с простыми эфирами. Общая формула и спиртов, и простых эфиров — C_nH_2n+2О.

Например. Межклассовые изомеры с общей формулой С₂Н₆О этиловый спирт СН₃–CH₂–OH и диметиловый эфир CH₃–O–CH₃

Этиловый спирт	Диметиловый эфир
СН₃–CH₂–OH	CH₃–O–CH₃

Химические свойства этанола

Спирты – органические вещества, молекулы которых содержат, помимо углеводородной цепи, одну или несколько гидроксильных групп ОН.

1. Кислотные свойства

Спирты – неэлектролиты, в водном растворе не диссоциируют на ионы; кислотные свойства у них выражены слабее, чем у воды.

1.1. Взаимодействие с раствором щелочей

При взаимодействии этанола с растворами щелочей реакция практически не идет, т. к. образующийся алкоголят почти полностью гидролизуется водой.

Равновесие в этой реакции так сильно сдвинуто влево, что прямая реакция не идет. Поэтому этанол не взаимодействуют с растворами щелочей.

1.2. Взаимодействие с металлами (щелочными и щелочноземельными)

Этанол взаимодействует с активными металлами (щелочными и щелочноземельными).

Например, этанол взаимодействует с калием с образованием этилата калия и водорода .

Алкоголяты под действием воды полностью гидролизуются с выделением спирта и гидроксида металла.

Например, этилат калия разлагается водой:

2. Реакции замещения группы ОН

2.1. Взаимодействие с галогеноводородами

При взаимодействии спиртов с галогеноводородами группа ОН замещается на галоген и образуется галогеналкан.

Например, этанол реагирует с бромоводородом.

2.2. Взаимодействие с аммиаком

Гидроксогруппу спиртов можно заместить на аминогруппу при нагревании спирта с аммиаком на катализаторе.

Например, при взаимодействии этанола с аммиаком образуется этиламин.

2.3. Этерификация (образование сложных эфиров)

Одноатомные и многоатомные спирты вступают в реакции с карбоновыми кислотами, образуя сложные эфиры.

Например, этанол реагирует с уксусной кислотой с образованием этилацетата (этилового эфира уксусной кислоты):

2.4. Взаимодействие с кислотами-гидроксидами

Спирты взаимодействуют и с неорганическими кислотами, например, азотной или серной.

Например, при взаимодействии этанола с азотной кислотой образуется сложный эфир этилнитрат :

3. Реакции замещения группы ОН

В присутствии концентрированной серной кислоты от спиртов отщепляется вода. Процесс дегидратации протекает по двум возможным направлениям: внутримолекулярная дегидратация и межмолекулярная дегидратация.

3.1. Внутримолекулярная дегидратация

При высокой температуре (больше 140 о С) происходит внутримолекулярная дегидратация и образуется соответствующий алкен.

Например, из этанола под действием концентрированной серной кислоты при температуре выше 140 градусов образуется этилен:

В качестве катализатора этой реакции также используют оксид алюминия.

3.2. Межмолекулярная дегидратация

При низкой температуре (меньше 140 о С) происходит межмолекулярная дегидратация по механизму нуклеофильного замещения: ОН-группа в одной молекуле спирта замещается на группу OR другой молекулы. Продуктом реакции является простой эфир.

Например, при дегидратации этанола при температуре до 140 о С образуется диэтиловый эфир:

4. Окисление этанола

Реакции окисления в органической химии сопровождаются увеличением числа атомов кислорода (или числа связей с атомами кислорода) в молекуле и/или уменьшением числа атомов водорода (или числа связей с атомами водорода).

В зависимости от интенсивности и условий окисление можно условно разделить на каталитическое, мягкое и жесткое.

Типичные окислители — оксид меди (II), перманганат калия KMnO₄, K₂Cr₂O₇, кислород в присутствии катализатора.

4.1. Окисление оксидом меди (II)

Cпирты можно окислить оксидом меди (II) при нагревании. При этом медь восстанавливается до простого вещества.

Например, этанол окисляется оксидом меди до уксусного альдегида

4.2. Окисление кислородом в присутствии катализатора

Cпирты можно окислить кислородом в присутствии катализатора (медь, оксид хрома (III) и др.).

4.3. Жесткое окисление

При жестком окислении под действием перманганатов или соединений хрома (VI) первичные спирты окисляются до карбоновых кислот.

Например, при взаимодействии этанола с перманганатом калия в серной кислоте образуется уксусная кислота

4.4. Горение спиртов

Образуются углекислый газ и вода и выделяется большое количество теплоты.

Например, уравнение сгорания этанола:

5. Дегидрирование этанола

При нагревании спиртов в присутствии медного катализатора протекает реакция дегидрирования.

Например, при дегидрировании этанола образуется этаналь

Получение этанола

1. Щелочной гидролиз галогеналканов

При взаимодействии галогеналканов с водным раствором щелочей образуются спирты. Атом галогена в галогеналкане замещается на гидроксогруппу.

Например, при нагревании хлорэтана с водным раствором гидроксида натрия образуется этанол

2. Гидратация алкенов

Гидратация (присоединение воды) алкенов протекает в присутствии минеральных кислот. При присоединении воды к алкенам образуются спирты.

Например, при взаимодействии этилена с водой образуется этиловый спирт.

3. Гидрирование карбонильных соединений

Присоединение водорода к альдегидам и кетонам протекает при нагревании в присутствии катализатора. При гидрировании альдегидов образуются первичные спирты, при гидрировании кетонов — вторичные спирты, а из формальдегида образуется метанол.

Например, при гидрировании этаналя образуется этанол

4. Получение этанола спиртовым брожением глюкозы

Для глюкозы характерно ферментативное брожение, то есть распад молекул на части под действием ферментов. Один из вариантов — спиртовое брожение.

Строение этанола

Химические свойства спиртов

Химические реакции гидроксисоединений идут с разрывом одной из связей: либо С–ОН с отщеплением группы ОН, либо связи О–Н с отщеплением водорода. Это реакции замещения, либо реакции отщепления (элиминирования).

Свойства спиртов определяются строением связей С–О–Н. Связи С–О и О–Н — ковалентные полярные. При этом на атоме водорода образуется частичный положительный заряд δ+, на атоме углерода также частичный положительный заряд δ+, а на атоме кислорода — частичный отрицательный заряд δ–.

Такие связи разрываются по ионному механизму. Разрыв связи О–Н с отрывом иона Н + соответствует кислотным свойствам гидроксисоединения. Разрыв связи С–О соответствует основным свойствам и реакциям нуклеофильного замещения.

С разрывом связи О–Н идут реакции окисления, а с разрывом связи С–О — реакции восстановления.

слабые кислотные свойства, замещение водорода на металл;
замещение группы ОН
отрыв воды (элиминирование) – дегидратация
окисление
образование сложных эфиров — этерификация

1. Кислотные свойства

При взаимодействии спиртов с растворами щелочей реакция практически не идет, т. к. образующиеся алкоголяты почти полностью гидролизуются водой.

Равновесие в этой реакции так сильно сдвинуто влево, что прямая реакция практически не идет.

Спирты взаимодействуют с активными металлами. При этом образуются алкоголяты. При взаимодействии с металлами спирты ведут себя, как кислоты.

Многоатомные спирты также реагируют с активными металлами:

1.3. Взаимодействие с гидроксидом меди (II)

Многоатомные спирты взаимодействуют с раствором гидроксида меди (II) в присутствии щелочи, образуя комплексные соли (качественная реакция на многоатомные спирты).

Например, при взаимодействии этиленгликоля со свежеосажденным гидроксидом меди (II) образуется ярко-синий раствор гликолята меди:

Многоатомные спирты также, как и одноатомные спирты, реагируют с галогеноводородами.

Например, этиленгликоль реагирует с бромоводородом:

Многоатомные спирты вступают в реакции этерификации с органическими и неорганическими кислотами.

Например, этиленгликоль реагирует с уксусной кислотой с образованием ацетата этиленгликоля:

Например, глицерин под действием азотной кислоты образует тринитрат глицерина (тринитроглицерин):

Отщепление воды от несимметричных спиртов проходит в соответствии с правилом Зайцева: водород отщепляется от менее гидрогенизированного атома углерода.

Например, в присутствии концентрированной серной кислоты при нагревании выше 140 о С из бутанола-2 в основном образуется бутен-2:

4. Окисление спиртов

Вторичные спирты окисляются в кетоны: в торичные спирты → кетоны

Легкость окисления спиртов уменьшается в ряду:

Продукты окисления многоатомных спиртов зависят от их строения. При окислении оксидом меди многоатомные спирты образуют карбонильные соединения.

Cпирты можно окислить оксидом меди (II) при нагревании. При этом медь восстанавливается до простого вещества. Первичные спирты окисляются до альдегидов, вторичные до кетонов, а метанол окисляется до метаналя.

Например, пропанол-2 окисляется оксидом меди (II) при нагревании до ацетона

Третичные спирты окисляются только в жестких условиях.

Cпирты можно окислить кислородом в присутствии катализатора (медь, оксид хрома (III) и др.). Первичные спирты окисляются до альдегидов, вторичные до кетонов, а метанол окисляется до метаналя.

Например, при окислении пропанола-1 образуется пропаналь

Например, пропанол-2 окисляется кислородом при нагревании в присутствии меди до ацетона

При жестком окислении под действием перманганатов или соединений хрома (VI) первичные спирты окисляются до карбоновых кислот, вторичные спирты окисляются до кетонов, метанол окисляется до углекислого газа.

При нагревании первичного спирта с перманганатом или дихроматом калия в кислой среде может образоваться также альдегид, если его сразу удаляют из реакционной смеси.

Третичные спирты окисляются только в жестких условиях (в кислой среде при высокой температуре) под действием сильных окислителей: перманганатов или дихроматов. При этом происходит разрыв углеродной цепи и могут образоваться углекислый газ, карбоновая кислота или кетон, в зависимости от строения спирта.

Спирт/ Окислитель	KMnO₄, кислая среда	KMnO₄, H₂O, t
Метанол СН₃-ОН	CO₂	K₂CO₃
Первичный спирт R-СН₂-ОН	R-COOH/ R-CHO	R-COOK/ R-CHO
Вторичный спирт R₁-СНОН-R₂	R₁-СО-R₂	R₁-СО-R₂

Например, при взаимодействии метанола с перманганатом калия в серной кислоте образуется углекислый газ

Например, при взаимодействии изопропанола с перманганатом калия в серной кислоте образуется ацетон

Например, уравнение сгорания метанола:

5. Дегидрирование спиртов

При нагревании спиртов в присутствии медного катализатора протекает реакция дегидрирования. При дегидрировании метанола и первичных спиртов образуются альдегиды, при дегидрировании вторичных спиртов образуются кетоны.

Формула этилового спирта

Молярная масса равна г/моль.

Физические свойства – бесцветная летучая горючая жидкость с характерным спиртовым запахом, имеющая жгучий вкус.

Смешивается с водой в любых соотношениях и образует с ней нераздельно кипящую смесь, которая имеет состав 95,57% спирта и 4,43% воды.

В технике этанол занимает первое место по объему производства среди других органических веществ.

Химические свойства этилового спирта

Для этанола характерны слабые кислотные свойства, которые проявляются при взаимодействии с щелочными металлами. При этом образуются алкоголяты и происходит выделение газообразного водорода:

$C_2H_5OH + 2K = C_2H_5OK + H_2 \uparrow$

$C_2H_5OH+3O_2\rightarrow 2CO_2+3H_2O$

$C_2H_5OH+RCOOH\leftrightharpoons RCOOC_2H_5+H_2O$

$C_2H_5OH+HCl = C_2H_5Cl+H_2O$

$2C_2H_5OH\xrightarrow[120^{\circ} \text{C}]{H_2SO_4}C_2H_5-O-C_2H_5+H_2O$

$CH_3-CH_2-OH\xrightarrow[200^{\circ} \text{C}]{H_2SO_4}CH_2=CH_2+H_2O$

Качественной реакцией на этанол является йодоформная проба. При взаимодействии спирта, йода и щелочи происходит образование желтоватого осадка йодоформа:

$C_2H_5OH+6NaOH+4I_2=CHI_3+HCOONa+5NaI+H_2O$

Способ получения этанола основывается на брожении сахаристых веществ (виноградного сахара) под влиянием энзимов и дрожжей. Общую схему можно представить как:

$C_6H_{12}O_6\rightarrow C_2H_5OH+2CO_2$

Данный способ является весьма неэкономичным, поэтому стоит задача полной замены пищевых продуктов непищевым сырьем. Здесь существует два основных направления. Первый, замена крахмала (целлюлозы) клетчаткой. Второй — синтез спирта из этилена его гидратацией.

Применение

Этиловый спирт в огромных количествах используется в производстве дивинила, этилового эфира, хлороформа, этилацетата и других сложных эфиров, используемых в качестве растворителей лаков и душистых веществ.

Также этанол применяется в качестве растворителя в производстве фармацевтических, душистых, красящих веществ. Этанол — очень хорошее антисептическое средство.

Примеры решения задач

Задание	Этанол и метанол при смешении образуют почти идеальные растворы. При давление пара этанола равно кПа, а метанола кПа. Рассчитать давление пара раствора, состоящего из г этанола и г метанола.
Решение	Запишем выражения, показывающие, как определяются количества моль данных веществ:

$n\left ( CH_3OH \right )=\frac{m\left ( CH_3OH \right )}{M\left ( CH_3OH \right )}$

$n\left ( C_2H_5OH \right )=\frac{m\left ( C_2H_5OH \right )}{M\left ( C_2H_5OH \right )}$

где – масса соответствующего компонента, – молярная масса вещества.

Выразим мольные доли компонентов раствора через их количество моль :

$\chi \left ( CH_3OH \right ) = \frac{n\left ( CH_3OH \right )}{n\left ( CH_3OH \right )+n\left ( C_2H_5OH \right )}$

$\chi \left ( C_2H_5OH \right ) = 1-\chi \left ( CH_3OH \right )$

Запишем общее уравнение для определения давления пара раствора, образованного из данных компонентов:

$P=P\left ( CH_3OH \right )+P\left ( C_2H_5OH \right )=P_0\left ( CH_3OH \right )\cdot \chi \left ( CH_3OH \right )+P_0\left ( C_2H_5OH \right )\cdot \chi \left ( C_2H_5OH \right )$

где — давление пара соответствующего вещества над чистым растворителем.

Подставим конкретные значения параметров для вычисления искомых величин:

$n \left ( CH_3OH \right ) =\frac{100}{32,04}=3,121$

моль

$n \left ( C_2H_5OH \right ) =\frac{100}{46,069}=2,171$

$\chi \left ( CH_3OH \right )=\frac{3,121}{3,121+2,171}=0,59$

$\chi \left ( C_2H_5OH \right )=1-0,59=0,41$

Теперь найдем общее давление пара раствора:

$P=11,83\cdot 0,59+5,93\cdot 0,41=9,411$

кПа

Задание	Какой объем газообразного водорода может быть получен в нормальных условиях при взаимодействии г металлического натрия с избытком этанола.
Решение	Запишем уравнение взаимодействия этилового спирта с натрием:

$C_2H_5OH + 2Na = C_2H_5ONa + H_2 \uparrow$

Выразим количество моль натрия по формуле:

где – масса взятого натрия, – его молярная масса.

моль

Из стехиометрии реакции количество моль в два раза меньше чем было натрия, тогда

т.е. моль

При нормальных условиях моль газа занимает объем л, тогда

$V\left ( H_2 \right )=n\left ( H_2 \right )\cdot V_m=0,022\cdot 22,4=0,493$

Читайте также: