V. свойства органических соединений - страница 2




9. Перед вами вариант схемы, отражающей некоторые генетические связи между различными классами органических веществ. Выделите из этой схемы те цепочки химических превращений, с которыми вы уже познакомились на уроках химии. Запишите примеры соответствующих уравнений химических реакций.

5.3. Спирты

Спирты (алкоголи) – органические соединения, содержащие в составе молекулы одну или несколько гидроксигрупп. В зависимости от числа гидроксигрупп спирты подразделяются на одно-, двух,- трех- и многоатомные. В зависимости от радикала спирты классифицируют на предельные, непредельные, ароматические. В зависимости от того, к какому атому углерода присоединены гидроксигруппы, спирты делятся на первичные, вторичные и третичные.

Спирты реагируют с активными металлами, образуя алкоголяты. В зависимости от температуры проведения реакции с серной кислотой образуют: сульфокислоты (до 90 оС), простые эфиры (до 140 оС) или алкены (выше 140 оС). При окислении первичных и вторичных спиртов получаются соответственно, альдегиды и кетоны. Гидроксигруппа в молекуле спирта замещается на атомы галогенов при действии на спирты галогеноводородов, галогенидов фосфора (РCl3, РCl5). При взаимодействии с кислотами (реакция этерификации) образуются сложные эфиры.

Получают гидратацией алкенов, гидролизом галогенопроизводных углеводородов, восстановлением альдегидов, кетонов и кислот, брожением углеводов, омылением эфиров. Спирты широко применяются в производстве лекарств, красителей, синтетических волокон, пластмасс, взрывчатых веществ и т.д.

^ Многоатомные спирты – обширный класс органических веществ, в состав молекул которых входит несколько гидроксигрупп, соединенных с насыщенными атомами углерода. В зависимости от числа гидроксигруп в составе молекул многоатомные спирты делят на двухатомные (диолы, или гликоли), трехатомные (триолы, или глицерины), четырехатомные (тетриты, или эритриты) и т.д. Обладают свойствами, характерными для одноатомных спиртов, при этом кислотность многоатомных спиртов выражена сильнее. Реакции по гидроксигруппе протекают ступенчато (замещение атома водорода гидроксильной группы атомами активных металлов, остатками органических и неорганических килородсодержащих кислот; замещение гидроксильной группы атомами галогенов и на аминогруппу; алкилирование, дегидратация и т.д.). Многоатомные спирты обладают также специ-фическими свойствами, например, реакции со щелочами и гидроксидом меди. Важнейшие представители многоатомных спиртов: этиленгликоль, глицерин, ксилит, маннит, сорбит, эритрит и др.

^ Опыты 1-3. Физические свойства спиртов. Рассмотрите этанол, бутанол, изоамиловый спирт, глицерин и другие представители этого класса веществ, входящие в состав школьных наборов органических реактивов. Отметьте агрегатные состояния, консистенцию, внешние признаки. В узкую стеклянную трубку с запаянным концом налейте воду, поверх воды тонкой струйкой прилейте равный объем спирта, слегка подкрашенного чернилами. Зафиксируйте плотность спирта относительно плотности воды. Обозначьте карандашом по стеклу верхний уровень спирта в трубке. Закройте трубку и хорошо перемешайте смесь. Наблюдайте уменьшение объема жидкости и разогревание смеси. Объясните эти явления.

^ Опыт 4. Приготовление концентрированного раствора спирта. Для получения препарата этанола, вполне пригодного для учебных опытов налейте в колбу объемом 500 мл обычную водку (200-250 мл) и добавляйте небольшими порциями сухой карбонат калия при постоянном перемешивании до получения насыщенного водного раствора соли с небольшим избытком твердой фазы. Жидкость при этом расслоится: нижний слой – насыщенный водный раствор карбоната калия; верхний – спирт с небольшим содержанием воды.

^ Опыт 5. Приготовление абсолютного спирта. Для проведения некоторых опытов лучше использовать безводный этиловый спирт. Для его приготовления добавьте к спирту-ректификату немного безводного сульфата меди и оставьте на некоторое время до приобретения соли синей окраски. Слейте спирт и повторите операцию еще несколько раз, пока соль не останется белой. Не сливая спирт с осадка, герметично закройте склянку с препаратом и храните в сухом месте.

^ Опыты 6-7. Взаимодействие этанола с натрием. Гидролиз этанолята натрия. В небольшую пробирку налейте на ¾ безводного этанола. Опустите в сосуд кусочек натрия величиной с полгорошины и накройте воронкой для фильтрования, в узкую часть которой вставьте медную спираль. Для доказательства, что выделяющийся газ – водород подожгите его у конца воронки. В растворе остается этанолят натрия:

2С2Н5ОН + 2Na  2С2Н5ОNa + H2.

Добавьте в пробирку каплю раствора фенолфталеина, если исходный спирт был абсолютным, изменений не будет. Добавьте в пробирку несколько капель воды и наблюдайте появление малиновой окраски, как результат полного гидролиза алкоголята:

С2Н5ОNa + H2O  С2Н5ОН + NaOH.

^ Опыт 8. Определение структурной формулы этанола. При изучении темы "Спирты" методически целесообразно через постановку перед учащимися проблемы об истинном строении молекулы спирта, установить опытным путем структурную формулу этанола. Учитель приводит брутто формулу: С2Н6О.

Предполагается два варианта структурной формулы (1 или 2):

.

В первом случае все атомы водорода равноценны, следовательно, при взаимодействии спирта с натрием из молекулы спирта должны выделяться все шесть атомов водорода (т.е. 3 моль молекулярного водорода из 1 моль спирта), если же истинной является вторая формула, то из молекулы спирта должны выделяться или пять атомов, или один атом водорода. Правильный вывод можно сделать на основе опыта.

Предлагаемая разработка опыта установления структурной формулы этанола основана на количественном определении объема водорода при взаимодействии спирта с натрием с помощью унифицированного прибора. В колбу прибора помещают 2-3 г натрия, нарезанного мелкими кусочками, и собирают установку, показанную на рис. 47.


В
делительную воронку наливают раствор, содержащий 1 мл (0,8 г) этанола и около 10 мл четыреххлористого углерода. Последний не реагирует с натрием, хорошо растворяет этанол, не горит, имеет относительно высокую температуру кипения и служит, таким образом, инертной средой для уменьшения скорости реакции, температуры реагирующей смеси и предотвращения испарения спирта.

После проверки прибора на герметичность приоткрывают кран, и раствор спирта по каплям выпускают из воронки в колбу с натрием, не допуская при этом слишком бурного течения реакции. По окончании реакции записывают объем выделившегося водорода, температуру и атмосферное давление.

По результатам эксперимента делают расчеты и сопоставляют теоретический выход водорода с экспериментальным. В зависимости от предполагаемой структурной формулы этанола теоретический выход водорода из 0,8 г абсолютного этанола будет равен 0,0522 или 0,0087 моль, соответственно, что предварительно рассчитывают совместно с учениками по стехиометрическим уравнениям:

С2Н6О  3Н2

2С2Н6О  Н2

Экспериментальный выход водорода в молях рассчитывают по уравнению Менделеева-Клайперона (знакомого учащимся из курса физики):
РV = nRT; n = , где

n – число молей выделившегося водорода в данном опыте, моль;

р – атмосферное давление, Па;

V – объем выделившегося водорода, м3;

Т – абсолютная температура, К;

R – универсальная газовая постоянная, 8,31 Дж/моль∙К.

^ Пример расчета. Пусть объем водорода, выделившегося в опыте, равен 203 мл = 0,000203 м3, атмосферное давление – 98300 Па, температура 17 ºС, что соответствует 290 К. Подставляя полученные опытные данные в формулу, находим количество водорода в эксперименте – 0,0083 моль, что сопоставимо с теоретическим выходом, соответствующим структуре молекулы этанола в виде формулы:



Примечание. По этой методике можно проводить и другие количественные опыты, как определение массовой доли уксусной кислоты в растворе, выхода газообразных продуктов реакций в процентах от теоретически возможного, нахождение состава смесей веществ и т.д.

^ Опыт 9. Реакция замещения гидроксильной группы спирта галогеном. В колбу объемом 50 мл насыпьте по 2-3 г сухой поваренной соли и безводного сульфата меди, затем добавьте 6-8 мл смеси из 2 объемов безводного спирта и 5 объемов концентрированной серной кислоты. Колбу с содержимым закройте пробкой с короткой прямой стеклянной газоотводной трубкой с оттянутым концом и медной спиралью внутри, укрепите в лабораторном штативе и несильно нагрейте. Наблюдайте ход реакции по изменению окраски веществ в колбе. Упрощенно процесс можно объяснить следующими реакциями. Серная кислота реагирует с хлоридом натрия с выделением хлороводорода:

NaCl + H2SO4 = NaHSO4 + HCl.

Хлороводород в условиях опыта реагирует со спиртом:

С2Н5ОН + HCl  С2Н5Сl+ H2O.

Избыток серной кислоты и безводного сульфата меди способствуют смещению последней реакции вправо, так как связывают выделяющуюся воду. По изменению окраски CuSO4 можно судить о ходе реакции. Подожгите с помощью горящей лучинки выделяющийся из газоотводной трубки хлорэтил, который горит зеленым цветом.

^ Опыты 10-11. Окисление этанола. Вариант 1. Конец медной проволоки закрутите в виде спирали из 6-8 витков такого диаметра, чтобы она свободно входила в пробирку. Укрепите пробирку вертикально в лабораторном штативе и налейте в нее 2-3 мл этанола. Внесите спираль в окислительную зону пламени грелки, чтобы поверхность меди покрылась черным слоем оксида. Погрузите горячую спираль в пробирку со спиртом и наблюдайте восстановление меди. При этом обнаруживается запах уксусного альдегида.

Вариант 2. Из медной проволоки диаметром 1,5–2 мм, очищенной от изоляции, изготовьте спираль диаметром 3–4 см и длинной 5–6 см. Расстояние между витками спирали должно быть равно диаметру проволоки. Спираль нагрейте в окислительной зоне пламени грелки (можно в это время обсудить с учащимися строение пламени):

4Cu + O2 = 2Cu2O.

2Cu2O + O2 = 4CuO.

В
небольшую фарфоровую чашку налейте 2–3 мл этанола и в нее вертикально установите раскаленную спираль так, чтобы 2–3 витка ее оказались в жидкости, как на рис. 48.

Спирт разогревается, испаряется, и пары этанола реагируют с оксидом меди (II), восстанавливая металл:

CH3CH2OH(г) + CuO  Cu + CH3CHO↑ + H2O.

По мере очищения поверхности проволоки от оксида восстановленная медь начинает окисляться кислородом воздуха и проволока вновь покрывается черной пленкой оксида, который тут же снова восстанавливается парами спирта до металла. Возникает красивая картина: поверхность спирали то краснеет, то чернеет, при этом наблюдаются быстрые постоянные переливы окраски. Если спираль накрыть сухим холодным стеклянным стаканчиком, то доступ кислорода к меди прекращается, и спираль становится мгновенно красной. На стенках стаканчика конденсируются капли жидкости, по запаху которой можно судить об образовании альдегида. Если стаканчик быстро убрать, то снова на поверхности меди возникают цветовые переливы.

Таким образом, в данном опыте учащиеся наблюдают две попеременно протекающие реакции: в одной реакции медь окисляется, в другой – восстанавливается. В целом эти две реакции можно рассматривать как процесс каталитического окисления этанола кислородом воздуха. Катализатором в этом процессе является медь. Как известно, механизм катализа хорошо описывается классической теорией промежуточных соединений. В роли такого соединения здесь выступает оксид меди (II). Термохимическое уравнение этого процесса записывают так:

CH3CH2OH(г) + O2 CH3CHO(г) + H2O(г); ΔH298 = –172,7 кДж.

^ Опыт 12. Полное окисление этанола. В фарфоровую чашку налейте 1-2 мл спирта. Поднесите к жидкости длинную горящую лучинку. Спирт загорается и горит бесцветным или слабосветящимся пламенем (погасить горящий спирт можно накрывая чашку пластинкой нужного размера):

С2Н5ОН + 3О2  2CO2 + 3H2O.

^ Опыт 13. Качественная реакция на этанол. В пробирку налейте 2 мл водного раствора этанола (1:2) и добавьте 1 мл концентрированного раствора иода в водном растворе иодида калия (можно использовать лекарственный препарат – раствор Люголя). Смесь нагрейте одну минуту, не доводя до кипения. К горячему раствору прибавьте по каплям раствор (5%) гидроксида натрия до обесцвечивания избытка иода. При охлаждении раствора в результате реакции образуется иодоформ (обнаруживается по выпадению желтого осадка, если содержание спирта велико, или по запаху, если концентрация этанола в исходном растворе мала). Суммарно процессы, протекающие в данном опыте, выражаются следующим уравнением:

С2Н5ОН + 4I2 + 6NaOH  СНI3 + НСООNa + 5NaI + 5H2O.

^ Опыты 14-16. Изменение свойств веществ в гомологическом ряду одноатомных предельных спиртов. Очень важно показать учащимся сходство и различие свойств веществ, относящихся к одному гомологи-ческому ряду, и сделать соответствующие выводы мировоззренческого и прикладного характера. а) Налейте в 4 пробирки по 3-4 мл воды, подкрашенной раствором KMnO4 до светло-розовой окраски; прилейте в пробирки по 2-3 мл этанола, пропанола, бутанола и изоамилового спирта. Встряхните содержимое сосудов и предоставьте жидкостям отстояться. Опишите ваши наблюдения и сделайте выводы.

б) В небольшие пробирки налейте по 2-3 мл этанола, пропанола, бутанола и изоамилового спирта; добавьте небольшие равные по величине порции натрия. Опишите ваши наблюдения, запишите уравнения реакций, назовите их продукты и сделайте выводы.

в) В небольшие фарфоровые чашки налейте по 1-2 мл этанола, пропанола, бутанола и изоамилового спирта; подожгите с помощью горящей лучинки образцы спиртов. Опишите ваши наблюдения, запишите уравнения реакций, назовите их продукты и сделайте выводы.

^ Опыты 17-21. Свойства многоатомных спиртов. а) Налейте в пробирку 3-4 мл воды, подкрашенной раствором KMnO4, по стенке сосуда прилейте к воде равный объем глицерина. б) Капните на лист фильтровальной бумаги отдельно каплю воды и каплю глицерина; подведение результатов опыта проведите в конце урока. Опишите ваши наблюдения и сделайте выводы о некоторых физических свойствах глицерина.

в) В небольшую пробирку налейте 2-3 мл глицерина и опустите кусочек натрия величиной с полгорошины. Наблюдайте за ходом реакции, изменением ее скорости (возможно в начале потребуется нагревание), запишите уравнение и сравните с взаимодействием одноатомных спиртов со щелочным металлом. Сделайте выводы.

г) Опустите конец стеклянной палочки в склянку с глицерином затем осторожным движением внесите его в пламя горелки. Наблюдайте характер горения глицерина, запишите уравнение реакции и выскажите ваши объяснения.

д) Взаимодействием раствора соли меди (II) с небольшим избытком щелочи приготовьте взвесь гидроксида меди. Разделите взвесь Cu(OH)2 на две части. К одной из них добавьте при взбалтывании небольшими порциями глицерин до полного растворения осадка. Сравните цвет полученного раствора глицерата меди с окраской взвеси гидроксида меди (II). Запишите (можно в упрощенном виде) уравнение реакции:

.

Сделайте вывод о проявлении кислотных свойств одноатомных и многоатомных спиртов.


3622368168474022.html
3622466881760684.html
3622526131154201.html
3622621758356961.html
3622703062208912.html