Страница 84 - гдз по химии 10-11 класс задачник Еремин, Дроздов

3.10. Запишите структурные формулы всех спиртов состава ${\mathrm{С}}_5{\mathrm{Н}}_{12}\mathrm{О},$ при окислении которых образуются кетоны. Назовите эти спирты по правилам систематической номенклатуры.

Решение

Кетоны образуются в результате окисления вторичных спиртов. Вторичный спирт — это спирт, в котором гидроксильная группа (–ОН) связана с атомом углерода, который, в свою очередь, соединён с двумя другими атомами углерода. Таким образом, задача сводится к нахождению всех структурных изомеров состава $C_5H_{12}O$, являющихся вторичными спиртами, и их наименованию по систематической номенклатуре.

Существует три таких спирта:

1. Спирт с неразветвленной углеродной цепью из пяти атомов (пентан), где гидроксильная группа находится у второго атома углерода. Систематическое название — пентан-2-ол.
Его структурная формула: $CH_3-CH(OH)-CH_2-CH_2-CH_3$

2. Спирт с неразветвленной углеродной цепью из пяти атомов (пентан), где гидроксильная группа находится у третьего (центрального) атома углерода. Систематическое название — пентан-3-ол.
Его структурная формула: $CH_3-CH_2-CH(OH)-CH_2-CH_3$

3. Спирт с разветвленной углеродной цепью. Основная цепь состоит из четырех атомов углерода (бутан), гидроксильная группа расположена у второго атома, а метильная группа — у третьего. Систематическое название — 3-метилбутан-2-ол.
Его структурная формула: $CH_3-CH(OH)-CH(CH_3)-CH_3$

Ответ:
Спирты состава $C_5H_{12}O$, при окислении которых образуются кетоны:
• Пентан-2-ол, структурная формула: $CH_3-CH(OH)-CH_2-CH_2-CH_3$
• Пентан-3-ол, структурная формула: $CH_3-CH_2-CH(OH)-CH_2-CH_3$
• 3-Метилбутан-2-ол, структурная формула: $CH_3-CH(OH)-CH(CH_3)-CH_3$

3.11. В трёх пробирках находятся этанол, этандиол-1,2 и 2-метилпропанол-2. Как химическим путём определить содержимое каждой из пробирок?

Решение

Для определения содержимого каждой из трех пробирок, в которых находятся этанол ($CH_3CH_2OH$, первичный одноатомный спирт), этандиол-1,2 ($HOCH_2-CH_2OH$, многоатомный спирт) и 2-метилпропанол-2 ($(CH_3)_3COH$, третичный одноатомный спирт), необходимо провести качественные реакции, позволяющие различить эти классы соединений. План распознавания состоит из двух этапов.

Этап 1: Определение многоатомного спирта (этандиола-1,2)

Качественной реакцией на многоатомные спирты с соседними гидроксильными группами является взаимодействие со свежеосажденным гидроксидом меди(II) ($Cu(OH)_2$).

Ход эксперимента: В каждую из трех пронумерованных пробирок отбирают пробы исследуемых веществ. Затем в каждую пробирку добавляют несколько капель раствора сульфата меди(II) ($CuSO_4$) и избыток раствора щелочи (например, $NaOH$). Во всех пробирках выпадает голубой осадок гидроксида меди(II).

Наблюдения и выводы:
- В пробирке, где находится этандиол-1,2, осадок $Cu(OH)_2$ растворяется с образованием прозрачного раствора ярко-синего цвета. Это происходит за счет образования комплексного соединения — гликолята меди(II).
Уравнение реакции:
$2HOCH_2-CH_2OH + Cu(OH)_2 \rightarrow \text{растворимый комплекс синего цвета} + 2H_2O$
- В двух других пробирках (с этанолом и 2-метилпропанолом-2) видимых изменений не происходит, голубой осадок $Cu(OH)_2$ не растворяется.

Таким образом, пробирка с этандиолом-1,2 определена.

Этап 2: Различение первичного (этанол) и третичного (2-метилпропанол-2) спиртов

Для различения этанола и 2-метилпропанола-2 можно использовать их разное отношение к окислению. Первичные спирты легко окисляются, в то время как третичные спирты устойчивы к действию окислителей в мягких условиях.

Ход эксперимента: В две оставшиеся пробирки отбирают новые пробы. К каждой пробе добавляют несколько капель разбавленной серной кислоты ($H_2SO_4$) и по каплям приливают раствор перманганата калия ($KMnO_4$), имеющий фиолетовую окраску. Для ускорения реакции пробирки можно слегка нагреть.

Наблюдения и выводы:
- В пробирке, где находится этанол, фиолетовый раствор перманганата калия обесцвечивается. Это указывает на то, что этанол окислился (например, до уксусной кислоты).
Уравнение реакции (окисление до кислоты):
$5CH_3CH_2OH + 4KMnO_4 + 6H_2SO_4 \rightarrow 5CH_3COOH + 4MnSO_4 + 2K_2SO_4 + 11H_2O$
- В пробирке с 2-метилпропанолом-2 фиолетовая окраска раствора $KMnO_4$ не изменяется, так как третичные спирты в данных условиях не окисляются.

Ответ:

1. Чтобы определить этандиол-1,2, во все три пробирки добавляют свежеосажденный гидроксид меди(II). В пробирке с этандиолом-1,2 голубой осадок растворится с образованием ярко-синего раствора.
2. Чтобы различить этанол и 2-метилпропанол-2, в две оставшиеся пробирки добавляют подкисленный раствор перманганата калия. В пробирке с этанолом фиолетовый раствор обесцветится, а в пробирке с 2-метилпропанолом-2 цвет не изменится.

3.12. В трёх пробирках находятся бутиловый спирт, вmор-бутиловый спирт и mpem-бутиловый спирт. Как определить содержимое пробирок с помощью металлического натрия?

Решение

Для определения содержимого пробирок, в которых находятся бутиловый спирт (бутанол-1), втор-бутиловый спирт (бутанол-2) и трет-бутиловый спирт (2-метилпропанол-2), следует воспользоваться их различной реакционной способностью по отношению к металлическому натрию.

Все три спирта являются изомерами состава $C_4H_9OH$, но отличаются строением углеродного скелета и положением гидроксильной группы. Бутиловый спирт — первичный, втор-бутиловый — вторичный, а трет-бутиловый — третичный спирт.

• Бутиловый спирт (первичный): $CH_3-CH_2-CH_2-CH_2-OH$
• Втор-бутиловый спирт (вторичный): $CH_3-CH_2-CH(OH)-CH_3$
• Трет-бутиловый спирт (третичный): $(CH_3)_3C-OH$

Спирты реагируют с активными металлами, такими как натрий, по общей схеме с образованием алкоголята и выделением водорода: $2R-OH + 2Na \rightarrow 2R-ONa + H_2 \uparrow$

Скорость этой реакции напрямую зависит от строения спирта. Существует два основных фактора, влияющих на скорость:

1. Кислотность спиртов. Алкильные группы являются электронодонорами и за счет положительного индуктивного эффекта (+I) смещают электронную плотность к атому углерода, связанному с гидроксогруппой. Это, в свою очередь, уменьшает полярность связи $O-H$ и затрудняет отрыв протона. Чем больше алкильных групп у гидроксильного углерода, тем ниже кислотность спирта. Таким образом, кислотность уменьшается в ряду: первичные > вторичные > третичные.
2. Пространственные затруднения (стерический фактор). Объемные алкильные группы вокруг гидроксила создают пространственные препятствия для подхода реагента (атома натрия) к атому водорода гидроксогруппы. У первичных спиртов эти затруднения минимальны, у вторичных они больше, а у третичных — максимальны.

Оба фактора действуют в одном направлении, поэтому реакционная способность спиртов с натрием значительно уменьшается в ряду: первичные > вторичные > третичные.

Методика определения:

В три пронумерованные пробирки с образцами спиртов необходимо одновременно поместить по одинаковому по размеру и массе кусочку металлического натрия. Затем следует наблюдать за скоростью реакции, которую можно оценить по интенсивности выделения пузырьков водорода.

• Наиболее бурная реакция: В пробирке, где наблюдается самая быстрая и интенсивная реакция, находится бутиловый спирт (первичный).
  $2CH_3CH_2CH_2CH_2OH + 2Na \rightarrow 2CH_3CH_2CH_2CH_2ONa + H_2 \uparrow$
• Реакция средней интенсивности: В пробирке, где выделение газа происходит заметно, но медленнее, чем в первом случае, содержится втор-бутиловый спирт (вторичный).
  $2CH_3CH_2CH(OH)CH_3 + 2Na \rightarrow 2CH_3CH_2CH(ONa)CH_3 + H_2 \uparrow$
• Самая медленная реакция: В пробирке, где реакция протекает очень медленно или практически не наблюдается при комнатной температуре, находится трет-бутиловый спирт (третичный).
  $2(CH_3)_3COH + 2Na \rightarrow 2(CH_3)_3CONa + H_2 \uparrow$

Таким образом, сравнивая визуально скорость выделения водорода, можно достоверно идентифицировать каждый из трех изомерных спиртов.

Ответ:

Для определения содержимого пробирок необходимо в каждую из них добавить по одинаковому кусочку металлического натрия. Скорость реакции, оцениваемая по интенсивности выделения водорода, будет различной: бутиловый спирт (первичный) будет реагировать наиболее бурно; втор-бутиловый спирт (вторичный) — со средней скоростью; трет-бутиловый спирт (третичный) — наиболее медленно или практически не будет реагировать при комнатной температуре. По этим наблюдениям можно идентифицировать спирт в каждой пробирке.

3.13. Приведите специфические (нехарактерные для других спиртов) способы получения: а) метанола; б) этанола.

а) метанола
Специфическим промышленным способом получения метанола, нехарактерным для других одноатомных спиртов, является его синтез из оксида углерода(II) и водорода. Эту смесь газов называют синтез-газом. Процесс проводят при высокой температуре (250–300 °C) и давлении (5–10 МПа) с использованием катализатора, обычно на основе оксидов меди, цинка и алюминия ($CuO-ZnO/Al₂O₃$).
Уравнение реакции:
$CO + 2H₂ \xrightarrow{t, p, cat} CH₃OH$
Синтез-газ, в свою очередь, получают паровой конверсией метана (основного компонента природного газа) или газификацией угля.
Исторически метанол получали сухой перегонкой (пиролизом) древесины, что также является специфичным методом, из-за которого метанол получил свое тривиальное название «древесный спирт».
Ответ: Специфическими способами получения метанола являются каталитический синтез из оксида углерода(II) и водорода, а также сухая перегонка древесины.

б) этанола
Наиболее специфичным и широко используемым методом получения этанола является спиртовое брожение углеводов. Этот биохимический процесс осуществляется под действием ферментов микроорганизмов, чаще всего дрожжей. В качестве сырья используют сахаросодержащие продукты (сахарный тростник, сахарная свекла) или крахмалсодержащие (кукуруза, пшеница, картофель), при этом крахмал предварительно подвергают гидролизу до глюкозы.
Суммарное уравнение реакции брожения глюкозы:
$C₆H₁₂O₆ \xrightarrow{ферменты \space дрожжей} 2C₂H₅OH + 2CO₂ \uparrow$
Этот способ является уникальным для массового производства именно этанола, как для пищевых целей (алкогольные напитки), так и для технических (например, в качестве биотоплива).
Ответ: Специфическим способом получения этанола является спиртовое брожение углеводов (глюкозы, сахарозы, крахмала) под действием ферментов микроорганизмов (дрожжей).

3.14. Запишите уравнения реакций получения циклопентанола путём: а) гидратации циклопентена; б) восстановления циклопентанона; в) ги-дролиза хлорциклопентана; г) гидролиза циклопентилового эфира уксусной кислоты.

а) гидратации циклопентена

Гидратация циклопентена — это реакция присоединения молекулы воды к циклопентену по месту разрыва двойной связи. Эта реакция является примером электрофильного присоединения и обычно катализируется сильными кислотами, такими как серная ($H_2SO_4$) или фосфорная ($H_3PO_4$), при нагревании. Протон ($H^+$) из кислоты присоединяется к одному из атомов углерода двойной связи, образуя карбокатион. Затем молекула воды атакует этот карбокатион, и после отщепления протона образуется конечный продукт — циклопентанол.

Уравнение реакции:

$C_5H_8 + H_2O \xrightarrow{H^+, t} C_5H_9OH$

Ответ: $C_5H_8 \text{ (циклопентен)} + H_2O \xrightarrow{H_2SO_4} C_5H_9OH \text{ (циклопентанол)}$

б) восстановления циклопентанона

Восстановление циклопентанона, который является кетоном, приводит к образованию вторичного спирта — циклопентанола. Этот процесс можно осуществить несколькими способами. Один из них — каталитическое гидрирование, то есть реакция с молекулярным водородом ($H_2$) в присутствии металлических катализаторов, таких как никель (Ni), платина (Pt) или палладий (Pd). Другой распространенный метод — использование гидридных восстановителей, например, борогидрида натрия ($NaBH_4$) или алюмогидрида лития ($LiAlH_4$). В ходе реакции происходит восстановление карбонильной группы (C=O) до гидроксильной группы (-CH-OH).

Уравнение реакции с использованием каталитического гидрирования:

$C_5H_8O + H_2 \xrightarrow{Ni, t, p} C_5H_9OH$

Ответ: $C_5H_8O \text{ (циклопентанон)} + H_2 \xrightarrow{Ni} C_5H_9OH \text{ (циклопентанол)}$

в) гидролиза хлорциклопентана

Получение циклопентанола из хлорциклопентана осуществляется реакцией гидролиза, которая является реакцией нуклеофильного замещения. Атом хлора в молекуле хлорциклопентана замещается на гидроксильную группу (-OH). Чтобы реакция шла эффективно и для подавления побочной реакции элиминирования (отщепления HCl с образованием циклопентена), гидролиз проводят в водном растворе щёлочи (например, $NaOH$ или $KOH$) при нагревании.

Уравнение реакции щелочного гидролиза:

$C_5H_9Cl + NaOH_{(водн.)} \xrightarrow{t} C_5H_9OH + NaCl$

Ответ: $C_5H_9Cl \text{ (хлорциклопентан)} + NaOH \xrightarrow{t} C_5H_9OH \text{ (циклопентанол)} + NaCl$

г) гидролиза циклопентилового эфира уксусной кислоты

Циклопентиловый эфир уксусной кислоты (также известный как циклопентилацетат) является сложным эфиром. Сложные эфиры подвергаются гидролизу (расщеплению водой) с образованием спирта и карбоновой кислоты. Реакция может катализироваться как кислотами, так и щелочами. Щелочной гидролиз (омыление) является необратимым процессом и поэтому более предпочтителен для получения спирта с высоким выходом. При взаимодействии циклопентилацетата с водным раствором щёлочи (например, $NaOH$) образуется циклопентанол и соль уксусной кислоты (ацетат натрия).

Уравнение реакции щелочного гидролиза (омыления):

$CH_3COOC_5H_9 + NaOH_{(водн.)} \xrightarrow{t} C_5H_9OH + CH_3COONa$

Ответ: $CH_3COOC_5H_9 \text{ (циклопентилацетат)} + NaOH \xrightarrow{t} C_5H_9OH \text{ (циклопентанол)} + CH_3COONa \text{ (ацетат натрия)}$

3.15. Приведите уравнения реакций получения диэтилового эфира из: а) этанола; б) этилата натрия.

Решение

а) Диэтиловый эфир можно получить путем межмолекулярной дегидратации этанола. Реакция протекает при нагревании этанола с сильным водоотнимающим агентом, таким как концентрированная серная кислота ($H_2SO_4$), при температуре около 140°C. В ходе реакции две молекулы этанола конденсируются с образованием одной молекулы диэтилового эфира и одной молекулы воды.

Уравнение реакции:

$2CH_3CH_2OH \xrightarrow{H_2SO_4, 140^\circ C} CH_3CH_2OCH_2CH_3 + H_2O$

Ответ: $2CH_3CH_2OH \xrightarrow{H_2SO_4, 140^\circ C} CH_3CH_2OCH_2CH_3 + H_2O$.

б) Для получения диэтилового эфира из этилата натрия используется реакция синтеза простых эфиров по Вильямсону. В этой реакции алкоголят (этилат натрия, $CH_3CH_2ONa$) выступает в роли нуклеофила и реагирует с галогеналканом (например, бромэтаном, $CH_3CH_2Br$). Происходит реакция нуклеофильного замещения, в результате которой образуется диэтиловый эфир и соль (бромид натрия).

Уравнение реакции:

$CH_3CH_2ONa + CH_3CH_2Br \rightarrow CH_3CH_2OCH_2CH_3 + NaBr$

Ответ: $CH_3CH_2ONa + CH_3CH_2Br \rightarrow CH_3CH_2OCH_2CH_3 + NaBr$.

3.16. Запишите уравнения реакций взаимодействия пропанола-1 и пропанола-2 со следующими реагентами: а) НВг (конц.); б) Na; в) CuO, t; $\mathrm{г}) {\mathrm{КМnО}}_4,$ ${\mathrm{H}}_2{\mathrm{SO}}_4,$ t; $\mathrm{д}) {\mathrm{Н}}_3{\mathrm{РО}}_4, t.$

а) HBr (конц.)

Спирты реагируют с концентрированной бромоводородной кислотой по механизму нуклеофильного замещения. Гидроксильная группа $(-OH)$ замещается на атом брома с образованием соответствующего бромпроизводного и воды.

Реакция для пропанола-1 (первичный спирт):

$CH_3CH_2CH_2OH + HBr \rightarrow CH_3CH_2CH_2Br \text{ (1-бромпропан)} + H_2O$

Реакция для пропанола-2 (вторичный спирт):

$CH_3CH(OH)CH_3 + HBr \rightarrow CH_3CHBrCH_3 \text{ (2-бромпропан)} + H_2O$

Ответ:
Для пропанола-1: $CH_3CH_2CH_2OH + HBr \rightarrow CH_3CH_2CH_2Br + H_2O$
Для пропанола-2: $CH_3CH(OH)CH_3 + HBr \rightarrow CH_3CHBrCH_3 + H_2O$

б) Na

Спирты проявляют слабые кислотные свойства и реагируют с активными металлами, такими как натрий. При этом образуется алкоголят натрия и выделяется газообразный водород.

Реакция для пропанола-1:

$2CH_3CH_2CH_2OH + 2Na \rightarrow 2CH_3CH_2CH_2ONa \text{ (пропилат натрия)} + H_2\uparrow$

Реакция для пропанола-2:

$2CH_3CH(OH)CH_3 + 2Na \rightarrow 2CH_3CH(ONa)CH_3 \text{ (изопропилат натрия)} + H_2\uparrow$

Ответ:
Для пропанола-1: $2CH_3CH_2CH_2OH + 2Na \rightarrow 2CH_3CH_2CH_2ONa + H_2\uparrow$
Для пропанола-2: $2CH_3CH(OH)CH_3 + 2Na \rightarrow 2CH_3CH(ONa)CH_3 + H_2\uparrow$

в) CuO, t

Окисление спиртов оксидом меди(II) при нагревании является качественной реакцией на спирты. Первичные спирты окисляются до альдегидов, а вторичные — до кетонов. Оксид меди(II) (черный) восстанавливается до металлической меди (красная).

Окисление пропанола-1 (первичный спирт):

$CH_3CH_2CH_2OH + CuO \xrightarrow{t} CH_3CH_2CHO \text{ (пропаналь)} + Cu + H_2O$

Окисление пропанола-2 (вторичный спирт):

$CH_3CH(OH)CH_3 + CuO \xrightarrow{t} CH_3C(O)CH_3 \text{ (пропанон, ацетон)} + Cu + H_2O$

Ответ:
Для пропанола-1: $CH_3CH_2CH_2OH + CuO \xrightarrow{t} CH_3CH_2CHO + Cu + H_2O$
Для пропанола-2: $CH_3CH(OH)CH_3 + CuO \xrightarrow{t} CH_3C(O)CH_3 + Cu + H_2O$

г) KMnO₄, H₂SO₄, t

Окисление спиртов перманганатом калия в кислой среде (например, в присутствии серной кислоты) и при нагревании является жестким окислением. Первичные спирты окисляются до карбоновых кислот, а вторичные — до кетонов.

Окисление пропанола-1:

$5CH_3CH_2CH_2OH + 4KMnO_4 + 6H_2SO_4 \xrightarrow{t} 5CH_3CH_2COOH \text{ (пропановая кислота)} + 2K_2SO_4 + 4MnSO_4 + 11H_2O$

Окисление пропанола-2:

$5CH_3CH(OH)CH_3 + 2KMnO_4 + 3H_2SO_4 \xrightarrow{t} 5CH_3C(O)CH_3 \text{ (пропанон)} + K_2SO_4 + 2MnSO_4 + 8H_2O$

Ответ:
Для пропанола-1: $5CH_3CH_2CH_2OH + 4KMnO_4 + 6H_2SO_4 \xrightarrow{t} 5CH_3CH_2COOH + 2K_2SO_4 + 4MnSO_4 + 11H_2O$
Для пропанола-2: $5CH_3CH(OH)CH_3 + 2KMnO_4 + 3H_2SO_4 \xrightarrow{t} 5CH_3C(O)CH_3 + K_2SO_4 + 2MnSO_4 + 8H_2O$

д) H₃PO₄, t

В присутствии водоотнимающих кислот (таких как серная или ортофосфорная) при нагревании происходит внутримолекулярная дегидратация спиртов с образованием алкенов.

Дегидратация пропанола-1:

$CH_3CH_2CH_2OH \xrightarrow{H_3PO_4, t} CH_3CH=CH_2 \text{ (пропен)} + H_2O$

Дегидратация пропанола-2:

$CH_3CH(OH)CH_3 \xrightarrow{H_3PO_4, t} CH_3CH=CH_2 \text{ (пропен)} + H_2O$

Ответ:
Для пропанола-1: $CH_3CH_2CH_2OH \xrightarrow{H_3PO_4, t} CH_3CH=CH_2 + H_2O$
Для пропанола-2: $CH_3CH(OH)CH_3 \xrightarrow{H_3PO_4, t} CH_3CH=CH_2 + H_2O$

3.17. Приведите уравнения реакций получения бутанола-2 из: а) бутанона-2; б) бутена-1; в) 2-хлорбутана.

а) из бутанона-2

Бутанол-2 является вторичным спиртом, а бутанон-2 — кетоном. Для получения спирта из кетона необходимо провести реакцию восстановления (гидрирования) карбонильной группы $(C=O)$ до гидроксильной $(CH-OH)$. Эту реакцию можно осуществить каталитическим гидрированием (с использованием водорода $H_2$ и катализаторов, таких как $Ni, Pt, Pd$) или с помощью комплексных гидридов металлов (например, $NaBH_4$ или $LiAlH_4$).

Уравнение реакции гидрирования бутанона-2:

$CH_3-C(O)-CH_2-CH_3 + H_2 \xrightarrow{Ni, t^{\circ}} CH_3-CH(OH)-CH_2-CH_3$

Ответ: $CH_3-C(O)-CH_2-CH_3 + H_2 \xrightarrow{Ni, t^{\circ}} CH_3-CH(OH)-CH_2-CH_3$

б) из бутена-1

Для получения бутанола-2 из бутена-1 проводят реакцию гидратации — присоединения воды к алкену в присутствии сильной кислоты в качестве катализатора (например, $H_2SO_4$). Присоединение происходит в соответствии с правилом Марковникова: атом водорода из молекулы воды присоединяется к более гидрированному атому углерода при двойной связи (в данном случае к первому атому углерода), а гидроксогруппа $(-OH)$ — к менее гидрированному (ко второму атому углерода).

Уравнение реакции гидратации бутена-1:

$CH_2=CH-CH_2-CH_3 + H_2O \xrightarrow{H^+} CH_3-CH(OH)-CH_2-CH_3$

Ответ: $CH_2=CH-CH_2-CH_3 + H_2O \xrightarrow{H^+} CH_3-CH(OH)-CH_2-CH_3$

в) из 2-хлорбутана

Бутанол-2 можно синтезировать из 2-хлорбутана реакцией нуклеофильного замещения. В этой реакции атом хлора замещается на гидроксильную группу. Для этого 2-хлорбутан подвергают щелочному гидролизу, нагревая его с водным раствором щёлочи (например, $NaOH$ или $KOH$). Использование именно водного раствора щёлочи является ключевым условием, так как в спиртовом растворе преимущественно протекала бы реакция элиминирования с образованием бутена-2.

Уравнение реакции щелочного гидролиза 2-хлорбутана:

$CH_3-CHCl-CH_2-CH_3 + NaOH_{(водн.)} \xrightarrow{t^{\circ}} CH_3-CH(OH)-CH_2-CH_3 + NaCl$

Ответ: $CH_3-CHCl-CH_2-CH_3 + NaOH_{(водн.)} \xrightarrow{t^{\circ}} CH_3-CH(OH)-CH_2-CH_3 + NaCl$

3.18. Почему, в отличие от этанола, диэтиловый эфир практически не растворяется в воде?

Решение

Растворимость веществ в воде, являющейся полярным растворителем, определяется правилом "подобное растворяется в подобном". Ключевую роль в растворимости этанола и диэтилового эфира в воде играет их способность образовывать водородные связи с молекулами воды.

Молекула этанола имеет химическую формулу $C_2H_5OH$. Она содержит полярную гидроксильную группу (-OH). Благодаря наличию этой группы, молекула этанола может образовывать прочные водородные связи с молекулами воды. Атом водорода гидроксильной группы (положительно поляризованный) притягивается к атому кислорода молекулы воды, а атом кислорода гидроксильной группы (с его неподеленными электронными парами) притягивается к атомам водорода молекулы воды. Таким образом, этанол выступает и как донор, и как акцептор водородной связи. Это позволяет ему эффективно встраиваться в структуру воды, что приводит к его неограниченной растворимости.

Молекула диэтилового эфира имеет формулу $C_2H_5OC_2H_5$. В ней также есть атом кислорода, который может взаимодействовать с молекулами воды. Однако, в отличие от этанола, в молекуле эфира нет атома водорода, непосредственно связанного с кислородом. Это означает, что диэтиловый эфир может быть только акцептором водородной связи (за счет неподеленных электронных пар кислорода), но не может быть ее донором. Образующиеся водородные связи между эфиром и водой значительно слабее, чем связи между самими молекулами воды. Кроме того, два объемных неполярных (гидрофобных) этильных радикала ($C_2H_5$) создают значительные стерические препятствия и "отталкиваются" от молекул воды. Для растворения эфира необходимо разорвать прочные водородные связи в воде, что энергетически невыгодно, так как новые, более слабые связи, не компенсируют этих затрат энергии.

Ответ: Основная причина различия в растворимости заключается в способности образовывать водородные связи. Этанол ($C_2H_5OH$) благодаря наличию гидроксильной группы (-OH) может образовывать прочные водородные связи с водой, выступая и как донор, и как акцептор протона, что обеспечивает его хорошую растворимость. Диэтиловый эфир ($C_2H_5OC_2H_5$) не имеет такой группы, он может быть лишь слабым акцептором водородной связи и не может быть ее донором. Кроме того, наличие двух объемных неполярных этильных групп делает его молекулу в целом гидрофобной и препятствует эффективному взаимодействию с молекулами воды, поэтому он практически нерастворим.

3.19. Какими специфическими свойствами обладают многоатомные спирты?

Многоатомные спирты — это органические соединения, содержащие в молекуле несколько гидроксильных групп (–OH), присоединенных к разным атомам углерода. Наличие нескольких гидроксильных групп обусловливает как общие с одноатомными спиртами свойства, так и ряд специфических, характерных только для данного класса соединений.

Основным специфическим химическим свойством многоатомных спиртов, у которых гидроксильные группы расположены у соседних атомов углерода (вицинальное расположение), является их способность проявлять более сильные кислотные свойства по сравнению с одноатомными спиртами. Это позволяет им реагировать со свежеосажденным гидроксидом меди(II) $Cu(OH)_2$. В результате этой реакции нерастворимый голубой осадок $Cu(OH)_2$ растворяется, образуя прозрачный раствор ярко-синего цвета. Это происходит за счет образования комплексного соединения — гликолята меди(II). Данная реакция является качественной реакцией на многоатомные спирты. Одноатомные спирты и спирты, где гидроксильные группы не являются соседними, в такую реакцию не вступают. Для глицерина (пропан-1,2,3-триола) уравнение реакции выглядит так:

$2 C_3H_5(OH)_3 + Cu(OH)_2 \rightarrow [\text{C}_3\text{H}_5(\text{OH})\text{O}_2]_2\text{CuH}_2 + 2H_2O$

В результате образуется комплексное соединение — глицерат меди(II) ярко-синего цвета.

Другой специфической реакцией является реакция дегидратации. При нагревании глицерина с водоотнимающим средством (например, концентрированной серной кислотой или $KHSO_4$) происходит отщепление двух молекул воды с образованием непредельного альдегида — акролеина, который имеет характерный резкий, удушливый запах. Эта реакция также может служить для качественного определения глицерина.

$CH_2(OH)-CH(OH)-CH_2(OH) \xrightarrow{t^\circ, \text{водоотнимающее средство}} CH_2=CH-CHO + 2H_2O$

Важной специфической реакцией является этерификация с неорганическими кислотами. При взаимодействии глицерина со смесью концентрированных азотной и серной кислот образуется полный сложный эфир — тринитрат глицерина (тривиальное название — нитроглицерин). Это вещество известно как мощная взрывчатка, а также как лекарственное средство.

$C_3H_5(OH)_3 + 3HNO_3 \xrightarrow{H_2SO_4} C_3H_5(ONO_2)_3 + 3H_2O$

Наличие нескольких гидроксильных групп также определяет специфические физические свойства многоатомных спиртов: из-за развитой системы водородных связей они, как правило, являются вязкими жидкостями (или твердыми веществами) с высокими температурами кипения, хорошо растворимы в воде и обладают сладким вкусом (например, глицерин, ксилит, сорбит).

Ответ: Специфические химические свойства многоатомных спиртов обусловлены взаимным влиянием нескольких гидроксильных групп в молекуле. Ключевые свойства:
1. Способность реагировать с гидроксидом меди(II) с образованием ярко-синего раствора комплексного соединения (качественная реакция).
2. Реакция дегидратации с образованием специфических продуктов, например, получение акролеина из глицерина.
3. Реакция этерификации с неорганическими кислотами с образованием полных сложных эфиров, например, тринитрата глицерина.
Их специфические физические свойства включают высокую вязкость, высокие температуры кипения, хорошую растворимость в воде и сладкий вкус.

3.20. Приведите систематические и тривиальные названия следующих спиртов:

а) Для спирта с формулой $CH_3OH$:
Систематическое название (ИЮПАК):метанол. Название образовано от соответствующего алкана (метан) с добавлением суффикса "-ол".
Тривиальное название:метиловый спирт. Также известен как древесный спирт, так как исторически его получали сухой перегонкой древесины.
Ответ: Систематическое название — метанол, тривиальное — метиловый спирт.

б) Для спирта с формулой $CH_3CH_2OH$:
Систематическое название (ИЮПАК):этанол. Название образовано от алкана этана с добавлением суффикса "-ол".
Тривиальное название:этиловый спирт. Также его называют винный спирт.
Ответ: Систематическое название — этанол, тривиальное — этиловый спирт.

в) Для спирта с формулой $CH_3CH(OH)CH_3$:
Систематическое название (ИЮПАК):пропанол-2. Самая длинная углеродная цепь содержит 3 атома (пропан). Гидроксильная группа (-OH) находится у второго атома углерода, поэтому к названию добавляется суффикс "-ол" и локант "-2". Допустимое название также 2-пропанол.
Тривиальное название:изопропиловый спирт. Это вторичный спирт (гидроксильная группа связана со вторичным атомом углерода), поэтому его также называют втор-пропиловый спирт.
Ответ: Систематическое название — пропанол-2, тривиальное — изопропиловый спирт.

г) Для спирта с формулой $CH_3CH(CH_3)CH_2OH$:
Систематическое название (ИЮПАК):2-метилпропанол-1. Самая длинная цепь, содержащая гидроксильную группу, состоит из 3 атомов углерода (пропан). Нумерация начинается с атома углерода, связанного с -OH группой. У второго атома углерода находится метильная группа ($CH_3$).
Тривиальное название:изобутиловый спирт. Радикал $(CH_3)_2CHCH_2-$ называется изобутил.
Ответ: Систематическое название — 2-метилпропанол-1, тривиальное — изобутиловый спирт.

д) Для спирта с формулой $(CH_3)_3COH$:
Систематическое название (ИЮПАК):2-метилпропанол-2. Самая длинная цепь, содержащая гидроксильную группу, состоит из 3 атомов углерода (пропан). У второго атома углерода находятся и гидроксильная группа, и метильный заместитель.
Тривиальное название:трет-бутиловый спирт (или третичный бутиловый спирт). Это третичный спирт, радикал $(CH_3)_3C-$ называется трет-бутил.
Ответ: Систематическое название — 2-метилпропанол-2, тривиальное — трет-бутиловый спирт.

е) Для спирта с формулой $C_6H_5CH_2OH$:
Систематическое название (ИЮПАК):фенилметанол. Соединение рассматривается как метанол, в котором один атом водорода метильной группы замещен на фенильную группу ($C_6H_5-$).
Тривиальное название:бензиловый спирт. Радикал $C_6H_5CH_2-$ называется бензил.
Ответ: Систематическое название — фенилметанол, тривиальное — бензиловый спирт.

3.21. Как отличить водные растворы этанола и этиленгликоля (этандиола-1,2)?

Чтобы отличить водные растворы этанола и этиленгликоля, используется качественная реакция на многоатомные спирты. Ключевое различие между этими веществами заключается в их строении: этанол ($C_2H_5OH$) — это одноатомный спирт, а этиленгликоль (этандиол-1,2, $HOCH_2CH_2OH$) — многоатомный (двухатомный) спирт, содержащий две гидроксильные группы (-OH) у соседних атомов углерода.

Именно наличие двух соседних гидроксогрупп у этиленгликоля позволяет ему вступать в реакцию со свежеосажденным гидроксидом меди(II) ($Cu(OH)_2$), образуя ярко окрашенный растворимый комплекс. Этанол, как одноатомный спирт, в такую реакцию не вступает.

Порядок проведения эксперимента:
1. В две пробирки наливают исследуемые растворы (в одну — раствор этанола, в другую — раствор этиленгликоля).
2. В каждую пробирку добавляют несколько капель раствора соли меди(II), например, сульфата меди(II) ($CuSO_4$).
3. Затем в обе пробирки приливают избыток раствора щелочи, например, гидроксида натрия ($NaOH$). В результате в обеих пробирках выпадает голубой студенистый осадок гидроксида меди(II).
Уравнение реакции получения осадка:
$CuSO_4 + 2NaOH \rightarrow Cu(OH)_2\downarrow + Na_2SO_4$

Наблюдения и результаты:
- В пробирке с этиленгликолем происходит растворение голубого осадка $Cu(OH)_2$ и образуется прозрачный раствор характерного ярко-синего (василькового) цвета. Это свидетельствует об образовании растворимого комплексного соединения — гликолята меди(II).
Упрощенное уравнение реакции:
$2HOCH_2CH_2OH + Cu(OH)_2 \rightarrow \text{растворимое комплексное соединение} + 2H_2O$
- В пробирке с этанолом никаких видимых изменений не наблюдается. Голубой осадок гидроксида меди(II) не растворяется, так как одноатомные спирты не реагируют с $Cu(OH)_2$ в этих условиях.
$C_2H_5OH + Cu(OH)_2 \nrightarrow$

Ответ: Различить водные растворы этанола и этиленгликоля можно с помощью качественной реакции на многоатомные спирты — взаимодействия со свежеосажденным гидроксидом меди(II) ($Cu(OH)_2$). При добавлении $Cu(OH)_2$ к этиленгликолю образуется растворимый комплекс ярко-синего цвета, в то время как с этанолом реакция не протекает и голубой осадок $Cu(OH)_2$ не растворяется.