Надо Знать

добавить знаний



Спирты



План:


Введение

.

Гидроксильная группа в одноатомных спиртах

Спирты - производные углеводородов, в молекулах которых один или несколько атомов водорода замещены гидроксильными группами (-OH). Гидроксильную группу связанную с sp 3-гибридизованим атомом Углерода называют спиртовой. Органические соединения с двумя гидроксильными группами называются диолы, с тремя - триолям и т. д. В украинском языке их также называют многоатомными спиртами.


1. История спирта

Этиловый спирт, точнее растительный хмельной напиток, который содержит, был известен человечеству с глубокой древности. Считается, что не менее, чем за 8000 лет до нашей эры люди изготавливали легкие спиртные напитки с фруктов и меда.

Впервые спирт с вина получили в 6-7 веках арабские химики, а первую бутылку крепкого алкоголя (прообраза современной водки) изготовил персидский алхимик Ар-Рази в 860 году.

Структурная формула этанола

В Европе этиловый спирт был получен из продуктов брожения в 11-12 веке в Италии.

В России спирт впервые попал в 1386 году, когда генуэзские посольство привезло его с собой под названием "аква вита" и презентовала царского двора.

В 1660 году английский химик и богослов Роберт Бойль впервые получил обезвоженный этиловый спирт, а также открыл его некоторые физические и химические свойства, в частности обнаружив способность этанола быть жарким топливом для горелок. Абсолютный (безводный) этиловый спирт был получен в 1796 году русским химиком Т.Е.Ловиц.

В 1842 году немецкий химик Якоб Генрих Вильгельм Шиль (1813-1889) открыл, что спирты образуют гомологический ряд, отличаясь на некоторую постоянную величину. Правда, он ошибся описав ее как C 2 H 2. Через два года, другой химик Шарль Жерар установил правильное гомологической соотношение CH 2 и предсказал формулу и свойства неизвестного в те годы пропилового спирта.

В 1850 году английский химик Александр Вильямсон, исследуя реакцию алкоголятов с етилйодидом, установил, что этиловый спирт является производным от воды с одним смещением водородом, экспериментально подтвердил формулу C 2 H 5 OH.

Впервые синтез этанола действием серной кислоты на этилен совершил в 1854 году французский химик Марселен Бертло.

Первое исследование метилового спирта был проведен в 1834 году французскими химиками Жаном-Батистом Дюма и Эженом Пелиго, они назвали его "метиловый или древесный спирт", так как он был обнаружен в продуктах сухой перегонки древесины. Синтез метанола с метилхлорида совершил французский химик Марселен Бертло в 1857 году. Им же впервые был открыт в 1855 году изопропиловый спирт, синтезированный действием на Пропен водной серной кислоты.

Впервые третичный спирт ( трет-бутанол, 2-метил-пропан-2-ол) синтезировал в 1863 году известный русский ученый А. М. Бутлеров, положив начало целой серии экспериментов в этом направлении.

Молекула этиленгликоля, простейшего диол

Представитель двухатомных спиртов - этиленгликоль - впервые был синтезирован французским химиком А. Вюрца в 1856 году. Трехатомных спирт - глицерин - был обнаружен в природных жирах еще в 1783 году шведским химиком Карлом Шееле, однако его состав был открыт только в 1836 году, а синтез осуществлен с ацетона в 1873 году Шарлем Фриделем.


2. Классификация спиртов

Если в состав молекулы спирта входит одна гидроксильная группа, то такой спирт называют одноатомными, когда две - двухатомные и т. д. Спирты, молекулы которых содержат два и более гидроксильных групп, называют многоатомными. Если спирт происходит от насыщенного углеводорода, то его называют насыщенным, а когда от ненасыщенного, то ненасыщенным. В зависимости от типа атома, к которому присоединена гидроксильная группа спирты разделяют на первичные, вторичные и третичные.

Спирты, как углеводороды, образующие гомологические ряды. Каждый последующий член этого ряда отличается от предыдущего на гомологическую разность-CH 2 -.

Названия спиртов происходят от названий углеводородных радикалов, входящих в состав молекулы спиртов. Международные их названия образуются из названий соответствующих углеводородов с добавлением окончания ол. Например, CH 3-OH - метиловый спирт, или метанол; C 2 H 5-OH - этиловый спирт, или этанол и т. д.

Общая формула одноатомных насыщенных спиртов C n H 2n +1 OH или R-OH, где R - углеводородный радикал. В таблице приведен гомологический ряд насыщенных одноатомных спиртов.

Низшие спирты (с малым количеством атомов Углерода в молекуле) при обычной температуре являются летучими жидкостями, а выше, начиная с C 15 H 31-OH, - твердые вещества. Низшие спирты водой смещаются во всех соотношениях. С повышением молекулярной массы растворимость спиртов снижается. Все спирты легче воды. По мере увеличения молекулярной массы температура кипения спиртов повышается.


3. Гомологический ряд насыщенных неразветвленных одноатомных спиртов

Углеводород, от которого происходит спирт Формула углерода Брутто-формула Название спирта Формула спирта Брутто-формула
Метан СН 4 СН 4 Метиловый спирт ( метанол) СН 3-ОН СН 3-ОН
Этан СН 3-СН 3 С 2 Н 6 Этиловый спирт ( этанол) СН 3-СН 2-ОН С 2 Н 5-ОН
Пропан СН 3-СН 2-СН 3 С 3 Н 8 Пропиловый спирт ( пропанол) СН 3-СН 2-СН 2-ОН С 3 Н 7-ОН
Бутан СН 3-СН 2-СН 2-СН 3 С 4 Н 10 Бутиловый спирт ( бутанол) СН 3-СН 2-СН 2-СН 2-ОН С 4 Н 9-ОН
Пентан СН 3-СН 2-СН 2-СН 2-СН 3 С 5 Н 12 Амиловый спирт (пентанол) СН 3-СН 2-СН 2-СН 2-СН 2-ОН С 5 Н 11-ОН
Гексан СН 3-СН 2-СН 2-СН 2-СН 2-СН 3 С 6 Н 14 Гексиловий спирт (гексанол) СН 3-СН 2-СН 2-СН 2-СН 2-СН 2-ОН С 6 Н 13-ОН
Гептан СН 3-СН 2-СН 2-СН 2-СН 2-СН 2-СН 3 С 7 Н 16 Гептиловий спирт (гептанол) СН 3-СН 2-СН 2-СН 2-СН 2-СН 2-СН 2-ОН С 7 Н 15-ОН
Октан СН 3-СН 2-СН 2-СН 2-СН 2-СН 2-СН 2-СН 3 С 8 Н 18 Октиловий спирт (октанол) СН 3-СН 2-СН 2-СН 2-СН 2-СН 2-СН 2-СН 2-ОН С 8 Н 17-ОН
Нонана СН 3-СН 2-СН 2-СН 2-СН 2-СН 2-СН 2-СН 2-СН 3 С 9 Н 20 Нониловий спирт (нонанол) СН 3-СН 2-СН 2-СН 2-СН 2-СН 2-СН 2-СН 2-СН 2-ОН С 9 Н 19-ОН
Декан СН 3-СН 2-СН 2-СН 2-СН 2-СН 2-СН 2-СН 2-СН 2-СН 3 С 10 Н 22 Дециловом спирт (деканол) СН 3-СН 2-СН 2-СН 2-СН 2-СН 2-СН 2-СН 2-СН 2-СН 2-ОН С 10 Н 21-ОН

4. Природные спирты

К естественной спиртов относятся такие углеводы, как глюкоза, фруктроза, сахароза.

5. Реакции спиртов

5.1. Кислотно-основные свойства

Характерной химическим свойством спиртов является их способность взаимодействовать со щелочными металлами и замещать гидроксильные атомы водорода атомами металла с образованием веществ, которые называют алкоголятами. Например:

  • 2C 2 H 5-OH + 2Na → 2C 2 H 5-ONa + H 2 ↑.

Другие атомы водорода, которые связаны непосредственно с Карбоном, в реакцию не вступают. На примере этих реакций ученые впервые встретились с явлением влияния одних атомов на другие в молекуле. Суть этого влияния можно показать на примере молекулы этилового спирта, электронное строение которой можно изобразить в следующем виде:

EtylovyjSpyrtElektr.jpg

Гидроксильный атом Водорода занимает в молекуле особое положение. В отличие от других атомов Водорода, он не непосредственно связан с атомом Углерода, а через Кислород. Атом Кислорода, как активный элемент больше, чем Карбон, оттягивает к себе общую электронную пару. Вследствие этого гидроксильный атом Водорода слабее связан в молекуле, чем другие атомы Водорода, и более "подвижным", поэтому сравнительно легко вытесняется атомом металла. Реакции спиртов с металлами чем-то напоминают реакции кислот с металлами. В молекулах спиртов гидроксильные атомы Водорода значительно теснее связаны с Кислорода, чем в молекулах кислот. Поэтому спирты в отличие от кислот не диссоциируют в воде и ионов Водорода не образуют.

В спиртах могут замещаться не только гидроксильные атомы Водорода, но и вся гидроксильная группа. Например, при нагревании этилового спирта из бромоводнем образуется бромоетан:

Etylbromid.jpg


5.2. Дегидратация

Для спиртов характерно также реакции дегидратации (отщепление воды). Так, при нагревании выше 160 С этилового спирта с избытком концентрированной серной кислоты как водоотнимающих средства от друга молекулы спирта отщепляется одна молекула воды и этиловый спирт превращается в этилен :

EtalovyjSpyrtToEtylen.jpg

При слабом нагревании (около 140 С) смеси этилового спирта из серной кислотой при избытке спирта молекула воды отщепляется не от одной, а от двух молекул спирта, в результате чего образуется не этилен, а диэтиловый эфир :

EtalovyjSpyrtToDyetylovyjEfir.jpg


5.3. Этерификация

Кроме того, для спиртов характерны также реакции взаимодействия с кислотами, в результате чего образуются сложные эфиры. При этом за счет гидроксильной группы кислоты и гидроксильного атома Водорода спирта образуется молекула воды, а за счет остатков молекул кислоты и спирта - молекулы сложного эфира. Например, при легком нагревании (не выше 100 C) этилового спирта из серной кислотой образуется сульфатноетиловий эфир или диетилсульфат:

EtalovyjSpyrtToDyetylsulfat.jpg

Амиловый спирт C 5 H 11 OH - одноатомный насыщенный спирт.


5.4. Реакции окисления

C 2 H 5 OH + O 2 → CO 2 + H 2 O

6. Физические свойства

Простые алифатические спирты - бесцветные жидкости.
Запах: Метанол, этанол и н- пропанол имеют "классический" запах спирта. Запах бутанола приводит запах самогона. Амиловый и высшие спирты имеют гораздо сильнее, несколько сладковатый запах, сильный в октанол.

Название Другие названия Формула Температура кипения, С Температура плавления, С Плотность, г / см 3 при 20 С
Метиловый спирт Метанол CH 3 OH 64,7 -97,78 0,791
Этиловый спирт Этанол C 2 H 5 OH 78,3 -114,65 0,790
н-пропиловый спирт ПРОНАН-1-ол C 3 H 7 OH 97,2 -124,10 0,804
Изопропиловый спирт Пропан-2-ол, изопропанол CH 3 CH (CH 3) OH 82,5 -87,95 0,786
н-бутиловый спирт Бутан-1-ол C 4 H 9 OH 117,8 -88,64 0,808
Изобутиловый спирт 2-Метилпропан-1-ол (СН 3) 2 СНСН 2 ОН 108,0 -101,97 0,802
втор-бутиловый спирт Бутан-2-ол СН 3 СН 2 СН (ОН) СН 3 99,5 -114,70 0,806
трет-бутиловый спирт 2-Метилпропан-2-ол СН 3 СН 2 СН (ОН) СН 3 82,9 25,82 0,765 (40 C)
н-амиловый спирт Пентан-1-ол C 5 H 11 OH 138,0 -77,59 0,813
н-Гексиловий спирт Гексан-1-ол C 6 H 13 OH 157,1 -47,40 0,822
н-Гептиловий спирт Гекптан-1-ол C 7 H 15 OH 176,3 -32,80 0,824
н-Октиловий спирт Октан-1-ол C 8 H 17 OH 195,1 -16,30 0,823

7. Применение

7.1. Экономическое значение и направления использования спиртов

Области применения спиртов многочисленные и разнообразные, особенно учитывая широкий спектр соединений, относящихся к этому классу. Вместе с тем, с промышленной точки зрения, только небольшая ряд спиртов вносит заметный вклад в глобальную мировую экономику.

В TOP 50 за 2002 год соединений, выпускаемых химической промышленностью США, из спиртов входят только метанол (14-е место) и этиленгликоль (29-е место). [1] В последующие 50 важнейших химических соединений, по данным 1999 роу, включены изопропиловый спирт, н- бутиловый спирт, синтетический этанол, пропиленгликоль, диэтиленгликоль, 2-етилгексанол, 1,4-бутандиол, сорбитол и глицерин. [1]

В мире наибольшее значение из спиртов имеют метиловый, этиловый, пропиловый, изопропиловый спирт, а также бутиловые, амиловые и высшие жирные спирты. Из циклических и ароматических спиртов: циклогексанол, 2-етилгексанол, фенилэтиловый и бензиловый спирты, из гликолей и полиолов: этиленгликоль, пропиленгликоль, диэтиленгликоль, глицерин, пентаэритрита.

Наиболее крупнотоннажными направлениям использования спиртов является (в произвольном порядке):


7.2. Применение спиртов в качестве топлива

Для топливных целей в данный момент используются в промышленных объемом три спирты: метанол, этанол и бутанол, что связано, прежде всего, с их коммерческой доступностью и возможностью массового производства из растительного сырья (кроме метанола). При этом возможно использование спиртов в виде топлива в чистом виде, а также в виде различных смесей с бензином или дизельным топливом [2], а также в качестве добавок (до 10%) с целью повышения октанового числа и снижения токсичности отработавших газов. [3] [4] Также отдельным направлением является использование метанола для переэтерификации жиров в производстве биодизеля. [5]

Наиболее распространенным топливным спиртом является этанол. По оценкам экспертов, на 2009 год 80-90% всего производимого в мире этилового спирта было использовано именно в этих целях и составило 73,9 млрд литров (≈ 58 млн тонн). [6]

Основные причины, которые дали толчок активному изучению спиртов как альтернативного топлива, это [7] :

  • рост цен на нефть и природный газ, а также полнота этих ресурсов в ближайшем будущем
  • спирты обладают высокими эксплуатационными характеристиками, а продукты сгорания содержат меньше вредных веществ;
  • спирты могут изготавливаться биохимическим методом из отходов пищевой, деревообрабатывающей и целлюлозно-бумажной промышленности, тем самым решая одновременно проблему утилизации.

Вместе с тем, массовое использование вышеуказанных спиртов в качестве моторного топлива, помимо чисто экономических причин, имеет ряд недостатков:

  • метанол и этанол имеют по сравнению с бензином меньшую энергоэффективность и, соответственно, обеспечивают большие затраты;
  • низкие температуры кипения спиртов могут быть причиной образования паровых пробок, что может существенно осложнить работу двигателя
  • гигроскопичность спиртов, а также их растворимость в воде может привести к резкому снижению мощности при попадании влаги в топливную систему;
  • спирты имеют существенно более высокие коррозионные характеристики по сравнению с углеводородами;
  • относительно высокая скрытая теплота сгорания метанола и этанола может быть причиной проблемы при смешивании этих спиртов с воздухом и последующей транспортировки через впускной коллектор двигателя.

Примечания

  1. а б Chenier Ph. J. Survey of Industrial Chemistry. - Third Edition. - New York: Kluwer Academic / Plenum Publishers, 2002. - С. 17-18. - ISBN 0-306-47246-5
  2. "Использование этилового спирта в качестве компонента автомобильного бензина. Анализ нормативной документации" - www.webcitation.org/616P4E3O9. Законы и практика. Аналитический портал химической промышленности Newchemistry.ru. Архив оригинала - www.newchemistry.ru/letter.php?n_id=53 за 2011-08-21 . http://www.webcitation.org/616P4E3O9 - www.webcitation.org/616P4E3O9 . Проверено 2010-09-12 . (Рус.)
  3. Карпов С. А., Кунашев Л. Х., Царев А. В., Капустин В. М.. Применение алифатических спиртов в качестве экологически чистых добавок в автомобильные бензины - www.ogbus.ru/authors/KarpovSA/KarpovSA_2.pdf ( 2006).
  4. "Использование спиртов как добавок к нефтяным топливам" - www.webcitation.org/616P5GkkN. Альтернативные топлива, энергетика. Аналитический портал химической промышленности Newchemistry.ru. Архив оригинала - www.newchemistry.ru/letter.php?n_id=4561&cat_id=7&page_id=1 за 2011-08-21 . http://www.webcitation.org/616P5GkkN - www.webcitation.org/616P5GkkN . Проверено 2010-09-12 .
  5. "Биодизель" - www.bioethanol.ru/biodiesel/. Российская Национальная Биотопливная Ассоциация . http://www.bioethanol.ru/biodiesel/ - www.bioethanol.ru/biodiesel/ . Проверено 2010-09-12 .
  6. "Global ethanol production to reach 85.9 billion litres in 2010: Global Renewable Fuels Alliance releases 2010 biofuels production forecast" - www.webcitation.org/659Xjdi2W. Press Release. Global Renewable Fuels Alliance. March 21, 2010. Архив оригинала - www.globalrfa.org/pr_032110.php за 2012-02-02 . http://www.webcitation.org/659Xjdi2W - www.webcitation.org/659Xjdi2W . Проверено 2010-05-25 .
  7. Карпов С. А.. Актуальные аспекты применения топливного этанола в России и США - www.ogbus.ru/authors/KarpovSA/KarpovSA_1.pdf (2006).

Источники

  • Глоссарий терминов по химии / / Й.Опейда, О.Швайка. Ин-т физико-органической химии и углехимии им .. Л. М. Литвиненко НАН Украины, Донецкий национальный университет - М.: "Вебер", 2008. - 758 с. ISBN 978-966-335-206-0
  • Ф. А. Деркач "Химия" Л. 1968

код для вставки
Данный текст может содержать ошибки.

скачать

© Надо Знать
написать нам