Кислородът придава на органичните вещества цял набор от характерни свойства.
Кислородът е двувалентен, има две валентни електронни двойки и се характеризира с висока електроотрицателност (x = 3,5). Между въглеродните и кислородните атоми се образуват силни химични връзки, както може да се види в примера с молекулите на CO 2 . Единичната връзка С-0 (£ св = 344 kJ/mol) е почти толкова силна, колкото връзката С-С (E sa = 348 kJ/mol), и двойната връзка C=0 ( E St = 708 kJ/mol) е значително по-силна от C=C връзката (E St == 620 kJ/mol). Следователно трансформациите, водещи до образуването на C=0 двойни връзки, са често срещани в молекулите на органичните вещества. По същата причина въглеродната киселина е нестабилна:
Хидроксо групата, разположена при двойната връзка, се превръща в хидрокси група (виж по-горе).
Кислородът ще даде полярност на молекулите на органичните вещества. Привличането между молекулите се увеличава и точките на топене и кипене се повишават значително. При нормални условия сред съдържащите кислород вещества има много мачо газове - само етер CH 3 OCH 3, формалдехид CH 2 0 и етиленов оксид CH 2 CH 2 0.
Кислородът насърчава образуването на водородни връзки както като донор, така и като акцептор на водород. Водородните връзки засилват привличането на молекулите и в случай на доста сложни молекули им придават определена пространствена структура. Влиянието на полярността и водородните връзки върху свойствата на дадено вещество може да се види в примера на въглеводороди, кетони и алкохоли
Полярността и образуването на водородни връзки определят добрата разтворимост на кислородсъдържащите органични вещества във вода.
Кислородът в една или друга степен придава киселинни свойства на органичните вещества. В допълнение към класа киселини, чиито свойства са очевидни от името, фенолите и алкохолите проявяват киселинни свойства.
Друго общо свойство на кислородсъдържащите вещества е лесната окисляемост на въглеродния атом, свързан както с кислорода, така и с водорода. Това е очевидно от следните вериги от реакции, които се прекратяват, когато въглехидратът загуби последния си воден атом:
съдържа хидрокси група и се счита за хетерофункционална киселина.
Алкохоли и етери
Името на цял клас органични вещества алкохоли(от латинското "spiritus" - дух) идва от "активния принцип" на сместа, получена чрез ферментация на плодови сокове и други системи, съдържащи захар. Това активно вещество - винен алкохол, етанол C2H5OH, се отделя от водата и нелетливите разтворени вещества по време на дестилацията на сместа. Другото име на алкохола е алкохол -арабски произход.
Алкохолите са органични съединения, които съдържат хидроксогрупа, свързана към $p3 въглеродния атом на въглеводородния радикал.
Алкохолите също могат да се разглеждат като продукти от заместването на един водороден атом във водата с въглеводороден радикал. Алкохолите образуват хомоложни серии (Таблица 22.5), различаващи се по естеството на радикалите и броя на хидроксогрупите.
Таблица 22.5
Някои хомоложни серии от алкохоли
„Тликолите и глицеролите са полифункционални алкохоли с ОН групи при съседни въглеродни атоми.
Хидроксогрупата при ненаситени въглеродни атоми е нестабилна, тъй като се превръща в карбонилна група. Виниловият алкохол е в незначителни количества в равновесие с алдехида:
Има вещества, в които хидроксо групата е свързана с r/g въглеродния атом на ароматния пръстен, но те се считат за специален клас съединения - феноли.
В алкохолите е възможна изомерия на въглеродния скелет и позицията на функционалната група. В ненаситените алкохоли също се среща изомерия на позицията на кратната връзка и пространствена изомерия. Съединенията от етерния клас са изомерни на алкохолите. Сред алкохолите има разновидности т.нар първичен, вториченИ третиченалкохоли. Това се дължи на естеството на въглеродния атом, при който е разположена функционалната група.
Пример 22.12. Напишете формулите за първични, вторични и третични алкохоли с четири въглеродни атома.
Решение.
Нека разгледаме по-подробно хомоложната серия от наситени алкохоли. Първите 12 термина от тази серия са течности. Метанолът, етанолът и пропанолът могат да се смесват с вода във всяко съотношение поради структурното им сходство с водата. По-нататък по протежение на хомоложната серия, разтворимостта на алкохолите намалява, тъй като големите (по броя на атомите) въглеводородни радикали все повече се изместват от водната среда, като въглеводороди. Това свойство се нарича хидрофобност.За разлика от радикала, хидроксо групата се привлича от водата, образувайки водородна връзка с водата, т.е. показва хидрофилност.Висшите алкохоли (пет или повече въглеродни атома) показват това свойство повърхностна активност- способността да се концентрира на повърхността на водата поради изхвърлянето на хидрофобен радикал (фиг. 22.3).
Ориз. 22.3.
Повърхностноактивните вещества покриват течните капчици и насърчават образуването на стабилни емулсии. На това се основава действието на перилните препарати. Не само алкохолите, но и веществата от други класове могат да проявяват повърхностна активност.
Повечето водоразтворими алкохоли са отровни. Най-малко токсични са етанолът и глицеринът. Но, както знаете, етанолът е опасен, защото кара човек да се пристрасти към употребата му. Най-простият алкохол, метанолът, е подобен на миризмата на етанола, но е изключително отровен. Има много известни случаи на отравяне при хора в резултат на погрешно поглъщане.
метанол вместо етанол. Това се улеснява от огромния обем промишлена употреба на метанол. Най-простият двувалентен алкохол, етилен гликол C 2 H 4 (OH) 2, се използва в големи количества за производството на полимерни влакна. Разтворът му се използва като антифриз за охлаждане на автомобилни двигатели.
Приготвяне на алкохоли.Нека да разгледаме няколко често срещани метода.
1. Хидролиза на халогенирани въглеводороди. Реакциите се провеждат в алкална среда:
Пример 22.13. Напишете реакциите за получаване на етиленгликол чрез хидролиза на халогенни производни, като изходният материал е етилен.
2. Присъединяване на вода към алкени. Най-важната реакция е добавянето на вода към етилен за образуване на етанол. Реакцията протича доста бързо при високи температури, но в същото време равновесието се измества силно наляво и добивът на алкохол намалява. Следователно е необходимо да се създаде високо налягане и да се използва катализатор, за да се постигне същата скорост на процеса при по-ниска температура (подобно на условията за синтез на амоняк). Етанолът се получава чрез хидратиране на етилен при -300°C и налягане 60-70 atm:
Катализаторът е фосфорна киселина, нанесена върху алуминиев оксид.
3. Има специални методи за производство на етанол и метанол. Първият се получава чрез добре познатия биохимичен метод на ферментация на въглехидрати, които първо се разграждат до глюкоза:
Метанолът се получава синтетично от неорганични вещества:
Реакцията се провежда при 200-300°C и налягане 40-150 atm, като се използва комплексен катализатор Cu0/2n0/Al203/Cr203. Важността на този промишлен процес е ясна от факта, че повече от 14 милиона тона метанол се произвеждат годишно. Използва се главно в органичния синтез за метилиране на органични вещества. Етанолът се произвежда в приблизително същите количества.
Химични свойства на алкохолите.Алкохолите могат да бъдат една шепа и да се окисляват. Смес от етилов алкохол и въглеводороди понякога се използва като гориво за автомобилни двигатели. Окисляването на алкохолите без увреждане на въглеродната структура се свежда до загуба на водород и добавяне на кислородни атоми. При промишлени процеси алкохолните пари се окисляват от кислород. В разтвори алкохолите се окисляват от калиев перманганат, калиев дихромат и други окислители. От първичния алкохол при окисляване се получава алдехид:
Ако има излишък от окислител, алдехидът веднага се окислява до органична киселина:
Вторичните алкохоли се окисляват до кетони:
Третичните алкохоли могат да бъдат окислени само при тежки условия с частично разрушаване на въглеродния скелет.
Киселинни свойства.Алкохолите реагират с активни метали, за да отделят водород и да образуват производни с общо наименование алкоксиди (метоксиди, етоксиди и др.):
Реакцията протича по-спокойно от подобна реакция с вода. Отделеният водород не се запалва. Този метод унищожава остатъците от натрий след химични експерименти. Реакция от този вид означава, че алкохолите проявяват киселинни свойства. Това е следствие от полярността на O-H връзката. Въпреки това, алкохолът практически не реагира с алкали. Този факт дава възможност да се изясни силата на киселинните свойства на алкохолите: това са по-слаби киселини от водата. Натриевият етоксид е почти напълно хидролизиран до образуване на разтвор на алкохол и основа. Киселинните свойства на гликолите и глицеролите са малко по-силни поради взаимния индуктивен ефект на ОН групите.
Многовалентните алкохоли образуват комплексни съединения с йони на някои ^/-елементи. В алкална среда меден йон незабавно замества два водородни йона в молекула на глицерол, за да образува син комплекс:
Когато концентрацията на H + йони се увеличи (за това се добавя киселина), равновесието се измества наляво и цветът изчезва.
Реакции на нуклеофилно заместване на хидроксогрупа.Алкохолите реагират с хлороводород и други халогеноводороди:
Реакцията се катализира от водороден йон. Първо, Н+ се свързва с кислорода, приемайки неговата електронна двойка. Това показва основните свойства на алкохола:
Полученият йон е нестабилен. Не може да бъде изолиран от разтвор в твърда сол като амониев йон. Добавянето на H+ причинява допълнително изместване на електронната двойка от въглерод към кислород, което улеснява атаката на нуклеофилните видове върху въглерода:
Връзката между въглеродния и хлоридния йон се увеличава, когато връзката между въглерода и кислорода се разкъса. Реакцията завършва с освобождаване на водна молекула. Реакцията обаче е обратима и когато хлороводородът се неутрализира, равновесието се измества наляво. Настъпва хидролиза.
Хидроксогрупата в алкохолите също се замества при реакции с кислородсъдържащи киселини, за да се образуват естери. Глицеролът се образува с азотна киселина нитроглицерин, използван като средство за облекчаване на спазми на сърдечните съдове:
От формулата става ясно, че традиционното наименование на веществото е неточно, тъй като всъщност това е глицерол нитрат - естер на азотна киселина и глицерин.
Когато етанолът се нагрява със сярна киселина, една алкохолна молекула действа като нуклеофилен реагент спрямо другата. В резултат на реакцията се образува етоксиетанов етер:
Някои атоми са подчертани в диаграмата, за да се улесни проследяването на прехода им в реакционни продукти. Една молекула алкохол първо свързва катализатора - йона Н +, а кислородният атом на друга молекула прехвърля електронна двойка към въглерода. След елиминирането на водата и дисоциацията на Н4 се получава етерна молекула. Тази реакция се нарича още междумолекулна дехидратация на алкохол. Съществува и метод за получаване на етери с различни радикали:
Етерите са по-летливи вещества от алкохолите, тъй като между техните молекули не се образуват водородни връзки. Етанолът кипи при 78°C, а неговият изомер, естер CH3OCH3, кипи при -23,6°C. Етерите не се хидролизират до алкохоли при кипене с алкални разтвори.
Дехидратация на алкохоли.Алкохолите могат да се разлагат с елиминирането на водата по същия начин, както халогенните производни на въглеводородите се разлагат с елиминирането на халогеноводорода. При производството на алкохоли от алкен и вода (виж по-горе) има и обратна реакция на елиминиране на водата. Разликата в условията за добавяне и елиминиране на вода е, че добавянето става под налягане с излишък на водна пара спрямо алкена, а елиминирането става от отделен алкохол. Тази дехидратация се нарича вътрешномолекулна. Също така се предлага в смес от алкохол и сярна киселина при ~150°C.
Образуването на халоалкани по време на взаимодействието на алкохоли с халогеноводороди е обратима реакция. Следователно е ясно, че алкохолите могат да бъдат получени чрез хидролиза на халоалкани- реакции на тези съединения с вода:
Многовалентните алкохоли могат да бъдат получени чрез хидролиза на халоалкани, съдържащи повече от един халогенен атом на молекула. Например:
Хидратация на алкени
Хидратация на алкени- добавяне на вода при π връзката на молекулата на алкена, например:
Хидратацията на пропена води, в съответствие с правилото на Марковников, до образуването на вторичен алкохол - пропанол-2:
Хидрогениране на алдехиди и кетони
Окисляването на алкохоли при меки условия води до образуването на алдехиди или кетони. Очевидно е, че алкохолите могат да бъдат получени чрез хидрогениране (редукция с водород, добавяне на водород) на алдехиди и кетони:
Окисляване на алкени
Гликолите, както вече беше отбелязано, могат да бъдат получени чрез окисление на алкени с воден разтвор на калиев перманганат. Например, етилен гликол (етандиол-1,2) се образува при окисляването на етилен (етен):
Специфични методи за получаване на алкохол
1. Някои алкохоли се получават по методи, които са характерни само за тях. Така метанолът се произвежда в промишлеността реакция между водород и въглероден окис(II) (въглероден оксид) при повишено налягане и висока температура на повърхността на катализатора (цинков оксид):
Сместа от въглероден окис и водород, необходима за тази реакция, наричана още "синтезен газ", се получава чрез преминаване на водна пара върху горещи въглища:
2. Ферментация на глюкоза. Този метод за производство на етилов (винен) алкохол е известен на хората от древни времена:
Основните методи за получаване на кислородсъдържащи съединения (алкохоли) са: хидролиза на халоалкани, хидратация на алкени, хидрогениране на алдехиди и кетони, окисление на алкени, както и производството на метанол от "синтезен газ" и ферментация на захарни вещества.
Методи за получаване на алдехиди и кетони
1. Могат да се произвеждат алдехиди и кетони окислениеили дехидрогениране на алкохоли. Чрез окисление или дехидрогениране на първични алкохоли могат да се получат алдехиди и вторични алкохоли - кетони:
3CH 3 –CH 2 OH + K 2 Cr 2 O 7 + 4H 2 SO 4 = 3CH 3 –CHO + K 2 SO 4 + Cr 2 (SO 4) 3 + 7H 2 O
2.Реакцията на Кучеров.В резултат на реакцията ацетиленът произвежда ацеталдехид, а кетоните се получават от хомолози на ацетилен:
3. При нагряване калцийили барий соли на карбоксилни киселинисе образуват кетон и метален карбонат:
Методи за получаване на карбоксилни киселини
1. Могат да се получат карбоксилни киселини окисление на първични алкохолиили алдехиди:
3CH 3 –CH 2 OH + 2K 2 Cr 2 O 7 + 8H 2 SO 4 = 3CH 3 –COOH + 2K 2 SO 4 + 2Cr 2 (SO 4) 3 + 11H 2 O
5CH 3 –CHO + 2KMnO 4 + 3H 2 SO 4 = 5CH 3 –COOH + 2MnSO 4 + K 2 SO 4 + 3H 2 O,
3CH 3 –CHO + K 2 Cr 2 O 7 + 4H 2 SO 4 = 3CH 3 –COOH + Cr 2 (SO 4) 3 + K 2 SO 4 + 4H 2 O,
CH 3 –CHO + 2OH CH 3 –COONH 4 + 2Ag + 3NH 3 + H 2 O.
Но когато метаналът се окислява с амонячен разтвор на сребърен оксид, се образува амониев карбонат, а не мравчена киселина:
HCHO + 4OH = (NH 4) 2 CO 3 + 4Ag + 6NH 3 + 2H 2 O.
2. Ароматни карбоксилни киселини се образуват, когато окисление на хомолози бензен:
5C 6 H 5 –CH 3 + 6KMnO 4 + 9H 2 SO 4 = 5C 6 H 5 COOH + 6MnSO 4 + 3K 2 SO 4 + 14H 2 O,
5C 6 H 5 –C 2 H 5 + 12KMnO 4 + 18H 2 SO 4 = 5C 6 H 5 COOH + 5CO 2 + 12MnSO 4 + 6K 2 SO 4 + 28H 2 O,
C 6 H 5 –CH 3 + 2KMnO 4 = C 6 H 5 COOK + 2MnO 2 + KOH + H 2 O
3. Хидролиза на различни въглеродни производни киселинисъщо води до производството на киселини. По този начин хидролизата на естер произвежда алкохол и карбоксилна киселина. Киселинно катализираните реакции на естерификация и хидролиза са обратими:
4. Естерна хидролизапод въздействието на воден разтвор на алкали протича необратимо; в този случай от естера се образува не киселина, а нейната сол:
Този видео урок е създаден специално за самостоятелно обучение по темата „Кислородсъдържащи органични вещества“. По време на този урок ще научите за нов вид органично вещество, съдържащо въглерод, водород и кислород. Учителят ще говори за свойствата и състава на кислородсъдържащите органични вещества.
Тема: Органични вещества
Урок: Кислородсъдържащи органични вещества
Свойствата на кислородсъдържащите органични вещества са много разнообразни и се определят от това към коя група атоми принадлежи кислородният атом. Тази група се нарича функционална.
Група от атоми, която значително определя свойствата на органично вещество, се нарича функционална група.
Има няколко различни групи, съдържащи кислород.
Въглеводородните производни, в които един или повече водородни атоми са заменени с функционална група, принадлежат към определен клас органични вещества (Таблица 1).
Раздел. 1. Принадлежността на дадено вещество към определен клас се определя от функционалната група
Едновалентни наситени алкохоли
Нека помислим отделни представителии общи свойства на алкохолите.
Най-простият представител на този клас органични вещества е метанол,или метилов алкохол. Формулата му е СН3ОН. Представлява безцветна течност с характерен алкохолен мирис, силно разтворима във вода. Метанол- това е много отровнивещество. Няколко капки приети през устата водят до слепота, а малко по-голямо количество води до смърт! Преди това метанолът беше изолиран от продукти от пиролиза на дървесина, така че старото му име беше запазено - дървесен спирт.Метиловият алкохол се използва широко в промишлеността. От него се произвеждат лекарства, оцетна киселина и формалдехид. Използва се и като разтворител за лакове и бои.
Не по-малко разпространен е вторият представител на класа алкохоли - етилов алкохол или етанолФормулата му е C2H5OH. По физични свойства етанолът практически не се различава от метанола. Етиловият алкохол се използва широко в медицината и се включва и в алкохолните напитки. От етанол при органичен синтез се получават достатъчно голям брой органични съединения.
Получаване на етанол.Основният метод за получаване на етанол е хидратирането на етилен. Реакцията протича при висока температура и налягане, в присъствието на катализатор.
CH 2 = CH 2 + H 2 O → C 2 H 5 OH
Реакцията на вещества с вода се нарича хидратация.
Многовалентни алкохоли
Многовалентните алкохоли включват органични съединения, чиито молекули съдържат няколко хидроксилни групи, свързани с въглеводороден радикал.
Един от представителите на многовалентните алкохоли е глицеринът (1,2,3-пропантриол). Молекулата на глицерол съдържа три хидроксилни групи, всяка от които е разположена при собствения си въглероден атом. Глицеринът е много хигроскопично вещество. Способен е да абсорбира влагата от въздуха. Благодарение на това свойство глицеринът се използва широко в козметологията и медицината. Глицеринът има всички свойства на алкохолите. Представител на двуатомни алкохоли е етиленгликолът. Неговата формула може да се разглежда като формулата на етан, в която водородните атоми на всеки атом са заменени с хидроксилни групи. Етилен гликолът е сиропообразна течност със сладък вкус. Но той е много отровен и в никакъв случай не трябва да го опитвате! Като антифриз се използва етилен гликол. Едно от общите свойства на алкохолите е тяхното взаимодействие с активни метали. В хидроксилната група водородният атом може да бъде заменен с активен метален атом.
2C 2 H 5 OH + 2Na→ 2C 2 H 5 ONa+ з 2
Получава се натриев етоксид и се отделя водород. Натриевият етоксид е солеподобно съединение, което принадлежи към класа на алкохолатите. Поради слабо киселинните си свойства алкохолите не взаимодействат с алкални разтвори.
Карбонилни съединения
Ориз. 2. Отделни представители на карбонилните съединения
Карбонилните съединения включват алдехиди и кетони.Карбонилните съединения съдържат карбонилна група (виж таблица 1). Най-простият алдехиде формалдехид. Формалдехидът е газ с остра миризма, изключително токсично вещество!Разтворът на формалдехид във вода се нарича формалин и се използва за консервиране на биологични продукти (виж фиг. 2).
Формалдехидът се използва широко в индустрията за производство на пластмаси, които не омекват при нагряване.
Най-простият представител кетоние ацетон. Това е течност, която е силно разтворима във вода и се използва главно като разтворител. Ацетонът има много остра миризма.
Карбоксилни киселини
Карбоксилните киселини съдържат карбоксилна група (виж фиг. 1). Най-простият представител на този клас е метанът или мравчена киселина.Мравчената киселина се съдържа в мравките, копривата и смърчовите иглички. Изгарянето от коприва е резултат от дразнещия ефект на мравчената киселина.
Раздел. 2.
Най-важното е оцетна киселина.Той е необходим за синтеза на багрила, лекарства (например аспирин), естери и ацетатни влакна. 3-9% воден разтвор на оцетна киселина - оцет, овкусител и консервант.
В допълнение към мравчената и оцетната карбоксилни киселини съществуват редица естествени карбоксилни киселини. Те включват лимонена киселина, млечна киселина и оксалова киселина. Лимонената киселина се съдържа в лимонов сок, малини, цариградско грозде, плодове от офика и др. Широко използван в хранително-вкусовата промишленост и медицината. Като консерванти се използват лимонена и млечна киселина. Млечната киселина се произвежда чрез ферментация на глюкоза. Оксаловата киселина се използва за отстраняване на ръжда и като багрило. Формулите на отделните представители на карбоксилните киселини са дадени в табл. 2.
Висшите мастни карбоксилни киселини обикновено съдържат 15 или повече въглеродни атома. Например стеариновата киселина съдържа 18 въглеродни атома. Солите на висшите въглеродни киселини на натрия и калия се наричат сапуни.Натриев стеарат C 17 H 35 COONaе част от твърдия сапун.
Съществува генетична връзка между класовете кислородсъдържащи органични вещества.
Обобщаване на урока
Научихте, че свойствата на кислородсъдържащите органични вещества зависят от това коя функционална група е част от техните молекули. Функционалната група определя дали дадено вещество принадлежи към определен клас органични съединения. Съществува генетична връзка между класовете органични вещества, съдържащи кислород.
1. Рудзитис Г.Е. Неорганична и органична химия. 9 клас: Учебник за общообразователни институции: основно ниво / G.E. Рудзитис, Ф.Г. Фелдман. - М.: Образование, 2009.
2. Попел П.П. Химия. 9 клас: Учебник за общообразователните институции / П.П. Попел, Л.С. Кривля. - К.: ИК "Академия", 2009. - 248 с.: ил.
3. Габриелян О.С. Химия. 9. клас: Учебник. - М .: Bustard, 2001. - 224 с.
1. Рудзитис Г.Е. Неорганична и органична химия. 9 клас: Учебник за общообразователни институции: основно ниво / G.E. Рудзитис, Ф.Г. Фелдман. - М.: Образование, 2009. - № 2-4, 5 (с. 173).
2. Дайте формулите на два хомолога на етанола и общата формула на хомоложната серия от наситени едновалентни алкохоли.
МЕТОДИЧЕСКА РАЗРАБОТКА
За лекционна сесия
по дисциплина "Химия"
за курсанти 2 курс по специалност 280705.65 –
"Пожарна безопасност"
РАЗДЕЛ IV
ФИЗИЧНИ И ХИМИЧНИ СВОЙСТВА НА ОРГАНИЧНИТЕ ВЕЩЕСТВА
ТЕМА 4.16
УРОК No 4.16.1-4.16.2
КИСЛОРОДЪДЪРЖАЩИ ОРГАНИЧНИ СЪЕДИНЕНИЯ
Обсъдено на заседанието на PMK
Протокол №____ от “___”________2015г.
Владивосток
I. Цели и задачи
Образователни:дайте определение на кислородсъдържащи органични съединения, насочете вниманието на кадетите към тяхното разнообразие и разпространение. Покажете зависимостта на физикохимичните и пожароопасните свойства на кислородсъдържащите органични съединения от тяхната химическа структура.
Образователни:внуши на учениците отговорност за подготовка за практически дейности.
II. Изчисляване на учебното време
III. Литература
1. Глинка Н.Л. Обща химия. – Учебник за ВУЗ / Изд. ИИ Ермакова. – 30-то издание, преработено. – М.: Интеграл-Прес, 2010. – 728 с.
2. Свидзинская Г.Б. Лабораторни упражнения по органична химия: Учебник. – Санкт Петербург,: SPbI Държавна противопожарна служба EMERCOM на Русия, 2003. – 48 с.
IV. Образователна и материална подкрепа
1. Технически средства за обучение: телевизор, графичен проектор, видеорекордер, DVD плейър, компютърна техника, интерактивна дъска.
2. Периодична таблица на елементите D.I. Менделеев, демонстрационни плакати, диаграми.
V. Текст на лекцията
УВОДНА ЧАСТ (5 мин.)
Учителят проверява присъствието на слушатели (кадети), обявява темата, учебните цели и въпросите на урока.
ОСНОВНА ЧАСТ (170 мин.)
Въпрос № 1. Класификация на кислородсъдържащи органични съединения (20 мин.).
Всички тези вещества (като повечето органични вещества) в съответствие с Технически разпоредби относно изискванията за пожарна безопасност. Федерален закон № 123-FZ се отнасят за вещества, които могат да образуват експлозивна смес (смес от въздух и окислител със запалими газове или запалими течни пари), която при определена концентрация може да експлодира (Член 2. Точка 4). Това определя опасността от пожар и експлозия на вещества и материали, т.е. тяхната способност да образуват запалима среда, характеризираща се с техните физико-химични свойства и (или) поведение при пожар (P.29) .
Свойствата на този тип съединения се определят от наличието на функционални групи.
| Функционална група | Име на функционална група | Клас на връзка | Примери за свързване |
| МЕЧТА | хидроксил | алкохоли | CH 3 – CH 2 – OH |
| C=O | карбонил | Алдехиди | CH 3 – C = O ç N |
| Кетони | CH 3 – C – CH 3 ll O | ||
| – C = O ç OH | карбоксил | карбоксилни киселини | CH 3 – C = O ç OH |
| C – O – C | етери | CH 3 – O – CH 2 – CH 3 | |
| C – C = O ç O – C | естери | C 2 H 5 – C = O ç O – CH 3 | |
| S – O – O – S | пероксидни съединения | CH 3 – O – O – CH 3 |
Лесно е да се види, че всички класове кислородсъдържащи съединения могат да се разглеждат като продукти на окисление на въглеводороди. В алкохолите само една валентност на въглероден атом от четири се използва за свързване с кислороден атом и следователно алкохолите са най-малко окислените съединения. По-окислените съединения са алдехиди и кетони: техният въглероден атом има две връзки с кислорода. Карбоксилните киселини са най-окислени, т.к в техните молекули въглеродният атом използва три от своите валенции, за да се комбинира с кислороден атом.
Процесът на окисляване е завършен върху карбоксилни киселини, което води до образуването на органични вещества, устойчиви на окислители:
алкохол D алдехид D карбоксилна киселина ® CO 2
Въпрос № 2. Алкохоли (40 мин.)
алкохоли -органични съединения, чиито молекули съдържат една или повече хидроксилни групи (–ОН), свързани с въглеводородни радикали.
Класификация на алкохолите
I. В зависимост от броя на хидроксилните групи:
II. Според наситеността на въглеводородния радикал:
III. Според естеството на въглеводородния радикал, свързан с ОН групата:
Едновалентни алкохоли
Обща формула на наситени едновалентни алкохоли: CnH2n+1OH.
Номенклатура
Използват се две възможни наименования за клас алкохоли: “алкохоли” (от лат. “spiritus” - дух) и “алкохоли” (араб.).
Според международната номенклатура името на алкохолите се образува от името на съответния въглеводород с добавяне на наставка ол:
CH3OH метанол
C 2 H 5 OH етанол и др.
Основната верига от въглеродни атоми е номерирана от най-близкия край, до който е разположена хидроксилната група:
5 CH 3 – 4 CH – 3 CH 2 – 2 CH 2 – 1 СН2-ОН
4-метилпентанол-2
Изомерия на алкохолите
Структурата на алкохолите зависи от структурата на радикала и позицията на функционалната група, т.е. в хомоложната серия от алкохоли може да има два вида изомерия: изомерия на въглеродния скелет и изомерия на позицията на функционалната група.
В допълнение, третият тип изомерия на алкохолите е междукласова изомерия с етери.
Така например пентанолите (обща формула C 5 H 11 OH) се характеризират с всичките 3 посочени вида изомерия:
1. Скелетна изомерия
пентанол-1
CH 3 – CH – CH 2 – CH 2 – OH
3-метилбутанол-1
CH 3 – CH 2 – CH – CH 2 – OH
2-метилбутанол-1
CH 3 – CH – CH 2 – OH
2,2-диметилпропанол-1
Горните изомери на пентанола или амиловия алкохол се наричат тривиално „фюзелови масла“.
2. Изомерия на позицията на хидроксилната група
CH 3 – CH 2 – CH 2 – CH 2 – CH 2 – OH
пентанол-1
CH 3 – CH – CH 2 – CH 2 – CH 2
пентанол-2
CH 3 – CH 2 – CH – CH 2 – CH 2
пентанол-3
3. Междукласова изомерия
C 2 H 5 – O – C 3 H 7
етилпропилов етер
Броят на изомерите в серията алкохоли бързо нараства: алкохол с 5 въглеродни атома има 8 изомера, с 6 въглеродни атома - 17, със 7 въглеродни атома - 39 и с 10 въглеродни атома - 507.
Методи за получаване на алкохол
1. Производство на метанол от синтез газ
400 0 C, ZnO, Cr 2 O 3
CO + 2H 2 ¾¾¾¾¾® CH 3 OH
2. Хидролиза на халокарбони (във водни разтвори на основи):
CH 3 – CH – CH 3 + KOH воден ® CH 3 – CH – CH 3 + KCl
2-хлоропропан пропанол-2
3. Хидратация на алкени. Реакцията следва правилото на V.V. Марковникова. Катализаторът е разреден H2SO4.
CH 2 = CH 2 + HON ® CH 3 – CH 2 - OH
етилен етанол
CH 2 = CH – CH 3 + HOH ® CH 2 – CH – CH 3
пропен пропанол-2
4. Редукция на карбонилни съединения (алдехиди и кетони).
Когато алдехидите се редуцират, се получават първични алкохоли:
CH 3 – CH 2 – C = O + H 2 ® CH 3 – CH 2 – CH 2 – OH
пропанол-1 пропанал
Когато кетоните се редуцират, се получават вторични алкохоли:
CH 3 – C – CH 3 + H 2 ® CH 3 – CH – CH 3
пропанон (ацетон) пропанол-2
5. Производство на етанол чрез ферментация на захарни вещества:
ензими ензими
C 12 H 22 O 11 + H 2 O ¾¾¾® 2C 6 H 12 O 6 ¾¾¾® 4C 2 H 5 OH + 4CO 2
захароза глюкоза етанол
ензими ензими
(C 6 H 10 O 5) n + H 2 O ¾¾¾® nC 6 H 12 O 6 ¾¾¾® C 2 H 5 OH + CO 2
целулоза глюкоза етанол
Алкохолът, получен чрез ферментация на целулоза, се нарича хидролитичен алкохол и се използва само за технически цели, т.к. съдържа голямо количество вредни примеси: метанол, ацеталдехид и фузелни масла.
6. Хидролиза на естери
H + или OH –
CH 3 – C – O– CH 2 – CH 2 –CH 3 + H 2 O ¾¾® CH 3 – C – OH + OH – CH 2 – CH 2 –CH 3
пропилов естер на оцетна киселина оцетен пропанол-1
(пропил етаноат) киселина
7. Редукция на естери
CH 3 – C – O– CH 2 – CH 2 –CH 3 ¾¾® CH 3 – CH 2 – OH + OH – CH 2 – CH 2 –CH 3
пропилов естер на оцетна киселина етанол пропанол-1
(пропил етаноат)
Физични свойства на алкохолите
Наситените алкохоли, съдържащи от 1 до 12 въглеродни атома, са течности; от 13 до 20 въглеродни атома – мазни (подобни на мазнини) вещества; повече от 21 въглеродни атома са твърди вещества.
Нисшите алкохоли (метанол, етанол и пропанол) имат специфична алкохолна миризма, бутанолът и пентанолът имат сладникава, задушлива миризма. Алкохолите, съдържащи повече от 6 въглеродни атома, са без мирис.
Метиловият, етиловият и пропиловият алкохол се разтварят добре във вода. С увеличаване на молекулното тегло разтворимостта на алкохолите във вода намалява.
Значително по-високата точка на кипене на алкохолите в сравнение с въглеводородите, съдържащи същия брой въглеродни атоми (например t кипене (CH 4) = – 161 0 C и t кипене (CH 3 OH) = 64,7 0 C) се свързва с способността на алкохолите да образуват водородни връзки и следователно способността на молекулите да се асоциират.
××× H – O ×××H – O ×××H – O ×××R – алкохолен радикал
Когато алкохолът се разтваря във вода, между молекулите на алкохола и водата също възникват водородни връзки. В резултат на този процес се освобождава енергия и обемът намалява. Така че, при смесване на 52 ml етанол и 48 ml вода, общият обем на получения разтвор няма да бъде 100 ml, а само 96,3 ml.
Опасност от пожар представляват както чистите алкохоли (особено по-ниските), чиито пари могат да образуват експлозивни смеси, така и водните разтвори на алкохоли. Водните разтвори на етанол във вода с концентрация на алкохол над 25% или повече са запалими течности.
Химични свойства на алкохолите
Химичните свойства на алкохолите се определят от реактивността на хидроксилната група и структурата на радикала, свързан с хидроксилната група.
1. Реакции на хидроксил водород R – O – H
Поради електроотрицателността на кислородния атом в алкохолните молекули има частично разпределение на зарядите:
Водородът има определена подвижност и е способен да претърпява реакции на заместване.
1.1. Взаимодействие с алкални метали – образуване на алкохолати:
2CH 3 – CH – CH 3 + 2Na ® 2CH 3 – CH – CH 3 + H 2
пропанол-2 натриев изопропилат
(натриева сол на пропанол-2)
Алкохолните соли (алкохолати) са твърди вещества. По време на образуването си алкохолите действат като много слаби киселини.
Алкохолатите лесно се хидролизират:
C 2 H 5 OH + NOH ® C 2 H 5 OH + NaOH
натриев етоксид
1.2. Взаимодействие с карбоксилни киселини (реакция на естерификация) - образуване на естери:
H2SO4 конц.
CH 3 – CH – OH + HO – C – CH 3 ¾¾® CH 3 – CH – O – C – CH 3 + H 2 O
CH 3 O CH 3 O
изопропил ацетат на оцетна киселина
(изопропилов етер
оцетна киселина)
1.3. Взаимодействие с неорганични киселини:
CH 3 – CH – OH + HO –SO 2 OH ® CH 3 – CH – O – SO 2 OH + H 2 O
сярна киселина изопропил сярна киселина
(изопропилов етер
сярна киселина)
1.4. Междумолекулна дехидратация - образуване на етери:
H2SO4 конц., t<140 0 C
CH 3 – CH – OH + HO – CH – CH 3 ¾¾¾® CH 3 – CH – O – CH – CH 3 + H 2 O
CH 3 CH 3 CH 3 CH 3
диизопропилов етер
2. Реакции на хидроксилната група R – OH
2.1. Взаимодействие с водородни халиди:
H2SO4 конц.
CH 3 – CH – CH 3 + HCl ¾¾® CH 3 – CH – CH 3 + H 2 O
2-хлоропропан
2.2. Взаимодействие с фосфорни халогенни производни:
CH 3 – CH – CH 3 + PCl 5 ¾® CH 3 – CH – CH 3 + POCl 3 + HCl
2-хлоропропан
2.3. Интрамолекулна дехидратация - производство на алкени:
H 2 SO 4 конц., t>140 0 C
CH 3 – CH – CH 2 ¾¾¾® CH 3 – CH = CH 2 + H 2 O
½ ½ пропен
По време на дехидратацията на асиметрична молекула, елиминирането на водорода става предимно от най-малко хидрогениран въглероден атом ( правило A.M Зайцева).
3. Окислителни реакции.
3.1. Пълно окисляване – изгаряне:
C3H7OH + 4.5O2® 3CO2 + 4H2O
Частично (непълно) окисление.
Окислителите могат да бъдат калиев перманганат KMnO4, смес от калиев бихромат със сярна киселина K2Cr2O7 + H2SO4, медни или платинени катализатори.
Когато първичните алкохоли се окисляват, се образуват алдехиди:
CH 3 – CH 2 – CH 2 – OH + [O] ® [CH 3 – C – OH] ® CH 3 – CH 2 – C = O + H 2 O
пропанол-1 пропанал
Окислителната реакция на метанола, когато този алкохол навлезе в тялото, е пример за така наречения „смъртоносен синтез“. Самият метанол е сравнително безвредно вещество, но в организма, в резултат на окисляване, се превръща в изключително токсични вещества: метанал (формалдехид) и мравчена киселина. В резултат на това поглъщането на 10 g метанол води до загуба на зрение, а 30 g води до смърт.
Реакцията на алкохол с меден (II) оксид може да се използва като качествена реакция за алкохоли, т.к. В резултат на реакцията цветът на разтвора се променя.
CH 3 – CH 2 – CH 2 – OH + CuO ® CH 3 – CH 2 – C = O + Cu¯ + H 2 O
пропанол-1 пропанал
В резултат на частично окисление на вторични алкохоли се образуват кетони:
CH 3 – CH – CH 3 + [O] ® CH 3 – C – CH 3 + H 2 O
пропанол-2 пропанон
Третичните алкохоли не се окисляват при такива условия, но когато се окисляват при по-тежки условия, молекулата се разделя и се образува смес от карбоксилни киселини.
Употреба на алкохоли
Алкохолите се използват като отлични органични разтворители.
Метанолът се произвежда в големи количества и се използва за приготвяне на багрила, антифризни смеси и като източник за производството на различни полимерни материали (производство на формалдехид). Трябва да се помни, че метанолът е силно токсичен.
Етиловият алкохол е първото органично вещество, изолирано в чист вид през 900 г. в Египет.
В момента етанолът е широкомащабен продукт на химическата промишленост. Използва се за производството на синтетичен каучук, органични багрила и производството на фармацевтични продукти. Освен това етиловият алкохол се използва като екологично чисто гориво. Етанолът се използва при производството на алкохолни напитки.
Етанолът е лекарство, което има вълнуващ ефект върху тялото; продължителното му и прекомерно използване води до алкохолизъм.
Бутилови и амилови алкохоли (пентаноли) се използват промишлено като разтворители, а също и за синтеза на естери. Всички те имат значителна токсичност.
Многовалентни алкохоли
Многовалентните алкохоли съдържат две или повече хидроксилни групи при различни въглеродни атоми.
CH 2 – CH 2 CH 2 – CH – CH 2 CH 2 – CH – CH – CH – CH 2
ç ç ç ç ç ç ç ç ç ç
ОХ ОХ ОХ ОХ ОХ ОХ ОХ
етандиол-1,2 пропантриол-1,2,3 пентанепентол-1,2,3,4,5
(етилен гликол) (глицерин) (ксилитол)
Физични свойства на многовалентните алкохоли
Етиленгликолът ("гликоли" е общото наименование на двувалентните алкохоли) е безцветна вискозна течност, разтворима във вода и много органични разтворители.
Глицеринът е най-важният тривалентен алкохол - безцветна, гъста, силно разтворима във вода течност. Глицеринът е известен от 1779 г. след откриването му от шведския химик К. Шееле.
Многовалентните алкохоли, съдържащи 4 или повече въглеродни атома, са твърди вещества.
Колкото повече хидроксилни групи има в една молекула, толкова по-добре се разтваря във вода и толкова по-висока е нейната точка на кипене. Освен това се появява сладък вкус и колкото повече хидроксилни групи има в едно вещество, толкова по-сладко е то.
Вещества като ксилитол и сорбитол се използват като заместители на захарта:
CH 2 – CH – CH – CH – CH 2 CH 2 – CH – CH – CH – CH – CH 2
ç ç ç ç ç ç ç ç ç ç ç
ОХ ОХ ОХ ОХ ОХ ОХ ОХ ОХ
ксилитол сорбитол
Шестовалентният алкохол "инозитол" също има сладък вкус. Инозитолът се намира в бобовите растения, бъбреците, черния дроб и мускулите. Инозитолът има обща формула с глюкозата:
НО –NS CH – OH
HO – HC CH – OH C 6 H 12 O 6.
циклохексанхексол
Методи за получаване на многовалентни алкохоли
1. Непълно окисление на алкени
Частично окисление с разтвор на калиев перманганат KMnO 4.
1.1. Окисление на етилен
CH 2 = CH 2 + [O]+ HON ® CH 2 – CH 2
етилен ½ ½
етандиол-1,2
(етиленов гликол)
1.2. Окисление на пропена
CH 2 = CH – CH 3 + [O]+ HON ® CH 2 – CH – CH 2
пропен ½ ½ ½
пропантриол-1,2,3,
(глицерол)
2. Осапунване на растителни и животински мазнини
Глицеринът се получава като страничен продукт в производството на сапуни при обработката на мазнини.
CH – O – OS – C 17 H 35 + 3NaOH® CH – OH + 3 C 17 H 35 COONa
CH 2 – O – OS – C 17 H 35 CH 2 – OH
триглицерид глицерол натриев стеарат
стеаринова киселина (сапун)
Химични свойства на многовалентните алкохоли
Химичните свойства на многовалентните алкохоли са в много отношения подобни на свойствата на едновалентните алкохоли.
1. Взаимодействие с активни метали
CH 2 – OH CH 2 – ONa
ç + 2Na®ç + H 2
CH 2 – OH CH 2 – ONa
етилен гликол натриева сол на етилен гликол
2. Образуване на естери с минерални киселини
CH 2 – OH + HO – NO 2 CH 2 – O– NO 2
CH – OH + HO – NO 2 ® CH – O– NO 2 + 3H 2 O
CH 2 – OH + HO – NO 2 CH 2 – O– NO 2
глицерол азот тринитроглицерин
Тринитроглицеринът е един от най-силните експлозиви, избухва от удар, удар, фитил или в резултат на саморазлагане. За практическа употреба с цел подобряване на безопасността при работа с тринитроглицерин, той се превръща в динамит(порести материали, импрегнирани с тринитроглицерин - почва за инфузия, дървесно брашно и др.).
3. Взаимодействие с меден (II) хидроксид – качествена реакция към глицерол
CH 2 – OH CH 2 – O m H / O – CH 2
2 CH – OH + Cu(OH) 2 ® CH – O / HO – CH
CH 2 – OH CH 2 – OH HO – CH 2
меден диглицерат
(ярко син цвят)
4. Дехидратация на глицерол до образуване на акролеин
C 3 H 8 O 3 ® CH 2 = CH – C = O + 2H 2 O
глицерин ç
акролеин (задушлива миризма при печене на мазнини)
5. Окислителни реакции
Етиленгликолът и глицеринът при взаимодействие със силни окислители (калиев перманганат KMnO 4, хром (VI) оксид CrO 3) са склонни към спонтанно запалване.
5C 3 H 8 O 3 + 14KMnO 4 + 21H 2 SO 4 ® 15CO 2 + 14MnSO 4 + 7K 2 SO 4 + 41H 2 O
Приложение на многовалентни алкохоли
Етиленгликолът и глицеринът се използват за производство на течности против замръзване. Така 50% воден разтвор на глицерин замръзва само при – 34 0 C, а разтвор, съставен от 6 части етиленгликол и 1 част вода, замръзва при температура – 49 0 C.
Пропилен гликолът CH 3 – CH(OH) – CH 2 – CH 2 OH се използва за производство на безводна пяна (такива пяна е по-стабилна), а също така е неразделна част от кремовете за загар.
Етиленгликолът се използва за производството на лавсанови влакна, а глицеринът се използва за производството на глиптови смоли.
Глицеринът се използва в големи количества в парфюмерийната, медицинската и хранително-вкусовата промишленост.
Феноли
Феноли– производни на ароматни въглеводороди, в които хидроксилната група OH- е свързана директно към въглеродния атом на бензеновия пръстен.
Хидроксилната група е свързана с ароматен радикал (фенил). Р-електроните на бензеновия пръстен включват самотните електрони на кислородния атом на ОН групата в тяхната система, в резултат на което водородът на хидроксилната група става по-подвижен, отколкото в алифатните алкохоли.
Физични свойства
Най-простият представител, фенолът, е безцветно кристално вещество (точка на топене 42 0 С) с характерна миризма. Тривиалното наименование на фенола е карболова киселина.
Едновалентните феноли са умерено разтворими във вода с увеличаване на броя на хидроксилните групи, разтворимостта във вода се увеличава. Фенолът се разтваря неограничено във вода при температура 60 0 С.
Всички феноли са силно токсични. Фенолът причинява изгаряния, ако влезе в контакт с кожата.
Методи за получаване на фенол
1. Добив от въглищен катран
Това е най-важният технически метод за получаване на фенол. Състои се във факта, че фракциите от каменовъглен катран, получени от коксуващи се въглища, се обработват с основи и след това с киселини за неутрализация.
2. Получаване от бензен халогенни производни
C 6 H 5 Cl + NaOH конц. aq. разтвор ® C 6 H 5 OH + NaCl
хлоробензенфенол
Химични свойства на фенолите
1. Реакции с участието на хидроксил водород C 6 H 5 – O – H
1.1. Взаимодействие с активни метали
2C 6 H 5 OH + 2Na® 2C 6 H 5 ONa + H 2
фенол фенолат
натрий (сол)
1.2. Взаимодействие с алкали
Фенолът е по-силна киселина от едновалентните алкохоли и следователно, за разлика от последния, фенолът реагира с алкални разтвори:
C 6 H 5 OH + NaOH ® C 6 H 5 ONa + H 2 O
фенол фенолат
Фенолът е по-слаба киселина от въглеродната киселина H 2 CO 3 (около 300 пъти) или хидросулфидната киселина H 2 S, така че фенолатите се разлагат от слаби киселини:
C 6 H 5 ONa + H 2 O + CO 2 ® C 6 H 5 OH + NaHCO 3
1.3. Образуване на етери и естери
H2SO4 конц.
C 6 H 5 OH + HO – C 2 H 5 ¾¾¾®C 6 H 5 O – C 2 H 5 + H 2 O
2. Реакции с участието на бензеновия пръстен
Фенол без отоплениеИ без катализаториенергично влиза в реакции на заместване на водородни атоми и почти винаги се образуват тризаместени производни
2.1. Взаимодействие с бромна вода - качествена реакция към фенол
2.2. Взаимодействие с азотна киселина
Пикриновата киселина е жълто кристално вещество. При внимателно нагряване се топи при температура 122 0 С, а при бързо нагряване експлодира. Солите на пикриновата киселина (пикрати) експлодират при удар и триене.
3. Реакция на поликондензация с формалдехид
Взаимодействието на фенол с формалдехид с образуването на смолисти продукти е изследвано през 1872 г. от Байер. Тази реакция получи широко практическо приложение много по-късно - през 20-те и 30-те години на 20 век, когато в много страни от фенол и формалдехид започнаха да се приготвят така наречените бакелити.
4. Цветна реакция с железен хлорид
Всички феноли, когато взаимодействат с железен хлорид FeCl 3, образуват оцветени съединения; моновалентните феноли дават виолетов или син цвят. Тази реакция може да служи като качествена реакция към фенол.
Приложение на феноли
Фенолите убиват много микроорганизми, което се използва в медицината, използвайки феноли и техните производни като дезинфектанти и антисептици. Фенолът (карболовата киселина) е първият антисептик, въведен в хирургията от Листър през 1867 г. Антисептичните свойства на фенолите се основават на способността им да коагулират протеините.
„Фенолен коефициент” е число, показващо колко пъти антисептичният ефект на дадено вещество е по-голям (или по-малък) от ефекта на фенол, приет на единица. Хомолозите на бензола - крезолите - имат по-силен бактерициден ефект от самия фенол.
От фенол се произвеждат фенолформалдехидни смоли, багрила, пикринова киселина, а също така от него се получават лекарства като салицилати, аспирин и др.
Едно от най-известните производни на двуатомните феноли е адреналинът. Адреналинът е хормон, произвеждан в надбъбречните жлези и има способността да свива кръвоносните съдове. Често се използва като кръвоспиращо средство
Въпрос № 3. Алкохолни етери (20 мин.)
Етериса органични съединения, в които два въглеводородни радикала са свързани с кислороден атом. Етерите могат да се разглеждат като продукти от заместването на водородния атом в алкохолния хидроксил с радикал:
R – O – H ® R – O – R /
Обща формула на етери C n H 2 n +2 O.
Радикалите в една етерна молекула могат да бъдат еднакви, например в CH 3 – O – CH 3 етер, или различни, например в CH 3 – O – C 3 H 7 етер. Етер с различни радикали се нарича смесен.
Номенклатура на етери
Естерите обикновено се наименуват според радикалите, които са част от тях (рационална номенклатура).
Според международната номенклатура етерите се означават като производни на въглеводороди, в които водородният атом е заменен алкокси група(RO –), например метокси група CH 3 O –, етокси група C 2 H 5 O – и др.
Етерна изомерия
1. Изомерията на етерите се определя от изомерията на радикалите, свързани с кислорода.
CH 3 – O – CH 2 – CH 2 – CH 3 метилпропилов етер
C 2 H 5 – O – C 2 H 5 диетилов етер
CH 3 - O – CH – CH 3 метил изопропилов етер
2. Междукласови изомери на етери са едновалентни алкохоли.
CH 3 – CH 2 – CH 2 – CH 2 – OH
бутанол-1
Физични свойства на етери
Диметиловият и метилетил етерите са газообразни вещества при нормални условия.
Започвайки с диетилов етер, веществата в този клас са безцветни, силно подвижни течности с характерна миризма.
Етерите са по-леки от водата и са почти неразтворими в нея. Поради липсата на водородни връзки между молекулите, етерите кипят при по-ниска температура от съответните алкохоли.
Етерите се разтварят лесно в органични разтворители и сами разтварят много вещества.
Най-често срещаното съединение от този клас е диетилов етер C 2 H 5 – O – C 2 H 5, получен за първи път през 16 век от Кордус. Често се нарича "серен етер". Това име, получено през 18 век, се свързва с метода за производство на етер: взаимодействието на етилов алкохол със сярна киселина.
Диетиловият етер е безцветна, много подвижна течност със силна характерна миризма. Това вещество е изключително експлозивно и пожароопасно. Точката на кипене на диетиловия етер е 34,6 0 С, точката на замръзване е 117 0 С. Етерът е слабо разтворим във вода (1 обем етер се разтваря в 10 обема вода). Етерът е по-лек от водата (плътност 714 g/l). Диетиловият етер е склонен към наелектризиране: по време на преноса на етер може да възникнат разряди на статично електричество и да предизвикат запалването му. Парите на диетиловия етер са 2,5 пъти по-тежки от въздуха и образуват експлозивни смеси с него. Концентрационни граници на разпространение на пламъка (CPL) 1,7 – 49%.
Етерните пари могат да се разпространяват на значителни разстояния, като запазват способността си да горят. Основни предпазни мерки при работа с етер – това е отстраняване от открит огън и силно нагорещени уреди и повърхности, включително електрически котлони.
Точката на възпламеняване на етера е 45 0 C, температурата на самозапалване е 164 0 C. При изгаряне етерът гори със синкав пламък, отделяйки голямо количество топлина. Пламъкът на етера бързо се увеличава, т.к горният му слой бързо се нагрява до точка на кипене. При горене етерът се нагрява в дълбочина. Скоростта на растеж на нагрятия слой е 45 см/час, а скоростта на изгарянето му от свободната повърхност е 30 см/час.
При контакт със силни окислители (KMnO 4, CrO 3, халогени) диетиловият етер се самозапалва. Освен това при контакт с атмосферния кислород диетиловият етер може да образува пероксидни съединения, които са изключително експлозивни вещества.
Методи за получаване на етери
1. Междумолекулна дехидратация на алкохоли
H2SO4 конц.
C 2 H 5 – OH + HO – C 2 H 5 ¾¾¾® C 2 H 5 – O – C 2 H 5 + H 2 O
етанол диетилов етер
Химични свойства на етерите
1. Етерите са доста инертни вещества, които не са склонни към химични реакции. Въпреки това, когато са изложени на концентрирани киселини, те се разлагат
C 2 H 5 – O – C 2 H 5 + HI конц. ® C 2 H 5 OH + C 2 H 5 I
диетил етанол йодоетан
2. Окислителни реакции
2.1.Пълно окисление - изгаряне:
C 4 H 10 O + 6 (O 2 + 3,76N 2) ® 4CO 2 + 5H 2 O + 6 × 3,76N 2
2.2. Непълно окисляване
Когато стои, особено на светлина, етерът под въздействието на кислорода се окислява и разлага с образуването на токсични и експлозивни продукти - пероксидни съединения и продукти от тяхното по-нататъшно разлагане.
O – C – CH 3
C 2 H 5 – O – C 2 H 5 + 3 [O] ® ½
O – C – CH 3
хидроксиетил пероксид
Приложение на етери
Диетиловият етер е добър органичен разтворител. Използва се за извличане на различни полезни вещества от растенията, за почистване на тъкани и при производството на барут и изкуствени влакна.
В медицината етерът се използва за обща анестезия. За първи път етерът е използван за тази цел по време на хирургическа операция от американския лекар Джаксън през 1842 г. Руският хирург Н.И. страстно се бори за въвеждането на този метод. Пирогов.
Въпрос № 4. Карбонилни съединения (30 мин.)
Алдехиди и кетони– производни на въглеводороди, чиито молекули съдържат една или повече карбонилни групи С = О.
| Алдехиди | Кетони |
| Алдехидите съдържат карбонилна група, свързана с един радикал и един водороден атом - C = O ½ H | Кетоните съдържат карбонилна група, свързана с два радикала – C – ll O |
| Общата формула на карбонилните съединения е C n H 2 n O | |
| Номенклатура на карбонилните съединения | |
| Името "алдехиди" идва от общия метод за получаване на тези съединения: дехидрогениране на алкохол, т.е. отнемайки водород от него. Според номенклатурата на IUPAC наименованието на алдехидите се получава от имената на съответните въглеводороди, като към тях се добавя наставката „ал“. Номерирането на веригата започва от алдехидната група. | Според номенклатурата на IUPAC името на кетоните се получава от имената на съответните въглеводороди, като към тях се добавя наставката „on“. Номерирането е от края на веригата, който е най-близо до карбонила. Първият представител на серията кетони съдържа 3 въглеродни атома. |
| H – C = O метанал ½ (формалдехид, H формалдехид) CH 3 – C = O етанал ½ (оцетен алдехид, H ацеталдехид) 5 4 3 2 1 CH 3 – CH – CH 2 – CH 2 – C = O ½ ½ CH 3Н 4-метилпентанал | CH 3 – C – CH 3 пропанон ll (ацетон) O 6 5 4 3 2 1 CH 3 – CH 2 – CH – CH 2 – C – CH 3 ½ ll CH 3 O 4-метилхексанон-2 |
| Изомерия на ненаситени съединения | |
| 1. Изомерия на въглеродната верига | |
| CH 3 – CH 2 – CH 2 – CH 2 – CH 2 – C = O ½ хексанал H CH 3 – CH – CH – C = O ½ ½ ½ CH 3 CH 3 H 2,3-диметилбутанал | CH 3 – CH 2 – CH 2 – CH 2 – CH 2 – C – CH 3 ll хептанон-2 O CH 3 – CH 2 – CH – C – CH 3 ½ ll C 2 H 5 O 3-етилпентанон-2 |
| 2. Изомерия на позицията на карбонилната група | |
| CH 3 – CH 2 – CH 2 – CH 2 – CH 2 – C – CH 3 ll хептанон-2 O CH 3 – CH 2 – CH 2 – C – CH 2 – CH 2 – CH 3 ll хептанон-4 O | |
| 3. Алдехидите и кетоните са междукласови изомери | |
| Физични свойства на карбонилните съединения | |
| При нормални условия формалдехидът (метанал) е газ с остра, неприятна "остра" миризма, силно разтворим във вода. 40% разтвор на формалдехид във вода се нарича формалин. Ацеталдехидът (етанал) е летлива, запалима течност. Температурата му на кипене е 20,2 0 С, пламна температура -33 0 С. Във високи концентрации има неприятна задушлива миризма; в малки концентрации има приятна миризма на ябълки (които го съдържат в малки количества). Ацеталдехидът е силно разтворим във вода, алкохол и много други органични разтворители. | Най-простият кетон, пропанон (ацетон), е запалима течност. Следващите представители също са течни. Висшите алифатни (> 10 C атоми), както и ароматните кетони, са твърди вещества. Ацетонът има ниска точка на кипене от 56,1 0 C и точка на възпламеняване от -20 0 C. Най-простите кетони се смесват с вода. Водните разтвори на ацетон също са опасни. Така 10% разтвор във вода има точка на възпламеняване 11 0 C. Всички кетони са силно разтворими в алкохол и етер. Най-простите кетони имат характерна миризма; средните хомолози имат доста приятна миризма, напомняща на мента. |
| Методи за получаване на карбонилни съединения | |
| 1. Реакции на частично (непълно) окисление на алкохоли | |
| Първичните алкохоли при окисляване дават алдехиди: CH 3 – CH 2 – CH 2 – OH + [O]® H 2 O + пропанол-1 + CH 3 – CH 2 – C = O пропанал ½ H | Вторичните алкохоли при окисляване образуват кетони: CH 3 – CH – CH 2 – CH 3 + [O] ® H 2 O + ½ OH + CH 3 – C – CH 2 – CH 3 бутанол-2 ll O бутанон-2 |
| 2. Хидратация на алкини (реакция на Кучеров) | |
| Алдехидът се получава само чрез хидратиране на ацетилен; във всички останали случаи се образуват кетони. Hg 2+ CH º CH + HON ® CH 3 – C = O + H 2 O ацетилен ½ H етанал | Hg 2+ CH º C – CH 2 – CH 3 + NOH ® H 2 O + бутин-1 + CH 3 – C – CH 2 – CH 3 ll O бутанон-2 |
| 3. Хидролиза на дихалогенопроизводни. (Халогенните атоми са разположени при същия въглероден атом.) Реакцията протича във воден разтвор на основа. | |
| Cl ½ CH 3 – CH 2 – CH + 2KOH воден ® Cl 1,1-дихлоропропан ® 2KCl + CH 3 – CH 2 – C = O + H 2 O ½ H пропанал | Cl ½ CH 3 – CH 2 – C – CH 3 + 2KOH воден ® ½ Cl 2,2-дихлоробутан ® 2KCl + CH 3 – CH 2 – C – CH 3 + H 2 O ll O бутанон-2 |
| 4. Редукция на карбоксилни киселини | |
| CH 3 – CH 2 – C = O + H 2 ® ½ OH пропанова киселина ® H 2 O + CH 3 – CH 2 – C = O ½ H пропанал | |
| Химични свойства на карбонилните съединения | |
| Алдехидите са по-химически активни от кетоните и са по-реактивни. Радикалите, свързани с карбонилна група, имат така наречения положителен индуктивен ефект: те увеличават плътността на електронната връзка на радикала с други групи, т.е. сякаш те гасят положителния заряд на карбонилния въглероден атом. В резултат на това карбонилните съединения, според намаляването на тяхната химична активност, могат да бъдат подредени в следните серии: H – C d + – H > H 3 C ® C d + – H > H 3 C ® C d + CH 3 II II II O d - O d - O d - (правите стрелки във формулите показват изместването на електроните, гасене на положително заредения въглероден атом на карбонилната група). | |
| 1. Присъединителни реакции в мястото на разцепване на двойната връзка >C = O. Редукционни реакции. | |
| CH 3 – CH 2 – C = O + H 2 ® ½ N propanal ® CH 3 – CH 2 – CH 2 – OH (пропанол-1) | CH 3 – CH 2 – C – CH 3 + H 2 ® II O бутанон-2 ® CH 3 – CH 2 – CH – CH 3 ½ OH бутанол-2 |
| 2. Окислителни реакции | |
| 2.1. Пълно окисляване - изгаряне | |
| C 3 H 6 O + 4 O 2 ® 3 CO 2 + 3 H 2 O | C 4 H 8 O + 5,5 O 2 ® 4CO 2 + 4H 2 O |
| 2.2. Частично (непълно) окисление | |
| Реакциите на окисление със сребърен оксид („реакция на сребърно огледало“) и меден (II) хидроксид са качествени реакции на алдехиди. NH 3, t CH 3 – CH 2 – C = O + Ag 2 O ¾¾® ½ N пропанал ¾¾®2Ag¯ + CH 3 – CH 2 – C = O ½ OH пропанова киселина В този случай се утаява утайка от сребро. CH 3 – CH 2 – C = O + 2Cu(OH) 2 ® ½ H propanal ® Cu 2 O + CH 3 – CH 2 – C = O + H 2 O ½ OH пропанова киселина Синята утайка от меден хидроксид се превръща в червена утайка от азотен оксид мед | Окисляването на кетоните е много трудно само със силни окислители (хромна смес, KMnO 4), което води до образуването на смес от киселини: t CH 3 – CH 2 – C – CH 3 + [O] ® II O бутанон- 2 ® 2CH 3 – C = O ½ OH оцетна (етанова) киселина или ® CH 3 – CH 2 – C = O + H – C = O ½ ½ OH OH пропанова мравчена киселина (метанова киселина) |
| При контакт със силни окислители (KMnO 4, CrO 3, HNO 3 конц., H 2 SO 4 конц.), алдехидите и кетоните се запалват спонтанно. | |
| 3. Реакции, причинени от трансформации в радикали. Заместване на водорода в радикали с халогени | |
| CH 3 – C = O + Cl 2 ® HCl + CH 2 Cl – C = O ½ ½ H Н етанал хлороцетен алдехид Когато метаналът се хлорира, се образува отровният газ фосген: H – C = O + 2Сl 2 ®Cl – C = O + 2НCl ½½ HCl фосген | CH 3 – C – CH 3 + Br 2 ® HBr + CH 3 – C – CH 2 Br II II O O ацетон бромоацетон Бромоацетонът и хлороацетонът са сълзотворни химически бойни вещества ( сълзотечни). |
| Приложение на карбонилни съединения | |
| Формалдехидът се използва в промишлеността за производството на фенолформалдехидни и карбамидни полимери, органични багрила, лепила, лакове и в кожарската промишленост. В медицинската практика се използва формалдехид под формата на воден разтвор (формалин). Ацеталдехидът е изходен материал за производството на оцетна киселина, полимерни материали, лекарства и естери. | Ацетонът много добре разтваря редица органични вещества (например лакове, нитроцелулоза и др.) И затова се използва в големи количества като разтворител (производство на бездимен прах, изкуствена коприна, бои, филм). Ацетонът служи като суровина за производството на синтетичен каучук. Чистият ацетон се използва при извличането на храни, витамини и лекарства и като разтворител за съхранение и транспортиране на ацетилен. |
Въпрос № 5. Карбоксилни киселини (30 мин.)
Карбоксилни киселинисе наричат производни на въглеводороди, които съдържат една или повече карбоксилни групи - С = О.
Карбоксилната група е комбинация от карбонилни и хидроксилни групи: – C = O + – C – ® – C = O.
карбонула + хидро ксил® карбоксил.
Карбоксилните киселини са продукти на окисляването на алдехидите, които от своя страна са продукти на окисляването на алкохолите. При киселините процесът на окисление завършва (със запазване на въглеродния скелет) в следните серии:
въглеводород ® алкохол ® алдехид ® карбоксилна киселина.
Свързана информация.
Един от най-разпространените химични елементи, открити в огромното мнозинство химикали, е кислородът. Оксиди, киселини, основи, алкохоли, феноли и други кислородсъдържащи съединения се изучават в курса на неорганичната и органичната химия. В нашата статия ще проучим свойствата и ще дадем примери за тяхното използване в промишлеността, селското стопанство и медицината.
Оксиди
Най-простите по структура са бинарните съединения на метали и неметали с кислород. Класификацията на оксидите включва следните групи: киселинни, основни, амфотерни и индиферентни. Основният критерий за разделянето на всички тези вещества е кой елемент се свързва с кислорода. Ако е метал, тогава те се считат за основни. Например: CuO, MgO, Na 2 O - оксиди на мед, магнезий, натрий. Основното им химично свойство е реакцията им с киселини. И така, медният оксид реагира с хлоридна киселина:
CuO + 2HCl -> CuCl2 + H2O + 63,3 kJ.
Наличието на атоми на неметални елементи в молекулите на бинарни съединения показва, че те принадлежат към киселинни съединения: водород H 2 O, въглероден диоксид CO 2, фосфорен пентоксид P 2 O 5. Способността на такива вещества да реагират с алкали е тяхната основна химическа характеристика.
В резултат на реакцията могат да се образуват видове: кисели или средни. Това ще зависи от това колко мола алкали реагират:
- CO2 + KOH => KHCO3;
- CO2+ 2KOH => K2CO3 + H2O.
Друга група кислородсъдържащи съединения, която включва химически елементи като цинк или алуминий, се класифицират като амфотерни оксиди. Техните свойства показват склонност към химично взаимодействие както с киселини, така и с основи. Продуктите от взаимодействието на киселинни оксиди с вода са киселини. Например при реакцията на серен анхидрид и вода се образуват киселини - това е един от най-важните класове кислородсъдържащи съединения.
Киселини и техните свойства
Съединения, състоящи се от водородни атоми, свързани със сложни йони на киселинни остатъци, са киселини. Условно те могат да бъдат разделени на неорганични, например карбонатна киселина, сулфат, нитрат и органични съединения. Последните включват оцетна киселина, мравчена киселина и олеинова киселина. И двете групи вещества имат подобни свойства. Така те влизат в реакция на неутрализация с основи, реагират със соли и основни оксиди. Почти всички кислородсъдържащи киселини във водни разтвори се дисоциират на йони, като проводници от втори вид. Киселинният характер на тяхната среда, причинен от прекомерното присъствие на водородни йони, може да се определи с помощта на индикатори. Например виолетовият лакмус става червен, когато се добави към киселинен разтвор. Типичен представител на органичните съединения е оцетната киселина, съдържаща карбоксилна група. Съдържа водороден атом, който предизвиква киселинност. Представлява безцветна течност със специфична остра миризма, кристализираща при температури под 17°C. CH 3 COOH, подобно на други киселини, съдържащи кислород, е идеално разтворим във вода във всякакви пропорции. Неговият 3 - 5% разтвор е известен в бита като оцет, който се използва в кулинарията като подправка. Веществото намира приложение и в производството на ацетатна коприна, багрила, пластмаси и някои лекарства.
Органични съединения, съдържащи кислород
В химията може да се разграничи голяма група вещества, които съдържат освен въглерод и водород и кислородни частици. Това са карбоксилни киселини, естери, алдехиди, алкохоли и феноли. Всичките им химични свойства се определят от наличието на специални комплекси в молекулите - функционални групи. Например алкохол, съдържащ само ограничаващи връзки между атомите - ROH, където R е въглеводороден радикал. Тези съединения обикновено се считат за производни на алкани, в които един водороден атом е заменен с хидроксо група.
Физични и химични свойства на алкохолите
Агрегатното състояние на алкохолите е течности или твърди съединения. Сред алкохолите няма газообразни вещества, което може да се обясни с образуването на асоциати - групи, състоящи се от няколко молекули, свързани чрез слаби водородни връзки. Този факт определя и добрата разтворимост на нисшите алкохоли във вода. Във водни разтвори обаче съдържащите кислород органични вещества - алкохоли - не се дисоциират на йони, не променят цвета на индикаторите, т.е. имат неутрална реакция. Водородният атом на функционалната група е слабо свързан с други частици, следователно при химични взаимодействия той може да напусне границите на молекулата. На мястото на свободната валентност той се заменя с други атоми, например при реакции с активни метали или с основи - с метални атоми. В присъствието на катализатори, като платинова мрежа или мед, алкохолите се окисляват от енергийни окислители - калиев дихромат или перманганат, до алдехиди.
Реакция на естерификация
Едно от най-важните химични свойства на кислородсъдържащите органични вещества: алкохоли и киселини е реакцията, водеща до производството на естери. Има голямо практическо значение и се използва индустриално за извличане на естери, използвани като разтворители в хранително-вкусовата промишленост (под формата на плодови есенции). В медицината някои от естерите се използват като спазмолитици, например етил нитритът разширява периферните кръвоносни съдове, а изоамил нитритът предпазва от спазми на коронарните артерии. Уравнението за реакцията на естерификация е както следва:
CH3COOH + C2H5OH<--(H2SO4)-->CH3COOC2H5+H2O
В него CH 3 COOH е оцетна киселина, а C 2 H 5 OH е химичната формула на етанол алкохол.
Алдехиди
Ако едно съединение съдържа функционалната група -COH, тогава то е алдехид. Те са представени като продукти от по-нататъшно окисляване на алкохоли, например с окислители като меден оксид.
Наличието на карбонилни комплекси в молекулите на мравчен или ацеталдехид определя тяхната способност да полимеризират и да прикрепят атоми на други химични елементи. Качествените реакции, които могат да се използват за доказване на наличието на карбонилна група и че дадено вещество е алдехид, са реакцията на сребърно огледало и взаимодействието с меден хидроксид при нагряване:
Най-широко използваният ацеталдехид се използва в промишлеността за производство на оцетна киселина, широкомащабен продукт на органичния синтез.
Свойства на кислородсъдържащите органични съединения - карбоксилни киселини
Наличието на карбоксилна група - една или повече - е отличителна черта на карбоксилните киселини. Поради структурата на функционалната група димерите могат да се образуват в киселинни разтвори. Те са свързани помежду си чрез водородни връзки. Съединенията се дисоциират на водородни катиони и киселинни аниони и са слаби електролити. Изключение прави първият представител на редица наситени едноосновни киселини - мравчена или метан, който е проводник от втория вид със средна якост. Наличието в молекулите само на прости сигма връзки показва, че те са наситени, но ако веществата съдържат двойни пи връзки, това са ненаситени вещества. Първата група включва киселини като метанова, оцетна и маслена. Вторият е представен от съединения, които са част от течните мазнини - масла, например олеинова киселина. Химичните свойства на кислородсъдържащите съединения: органичните и неорганичните киселини са до голяма степен сходни. По този начин те могат да взаимодействат с активни метали, техните оксиди, основи, а също и с алкохоли. Например, оцетната киселина реагира с натриев оксид, за да образува сол - натриев ацетат:
NaOH + CH3COOH→NaCH3COO + H2O
Специално място заемат съединенията на висшите карбоксилни кислородсъдържащи киселини: стеаринова и палмитинова, с тривалентен наситен алкохол - глицерин. Те спадат към естерите и се наричат мазнини. Същите тези киселини са включени в натриевите и калиеви соли като киселинен остатък, образувайки сапуни.
Важни органични съединения, които са широко разпространени в живата природа и играят водеща роля като най-енергоемко вещество, са мазнините. Те не са отделно съединение, а смес от различни глицериди. Това са съединения на наситен поливалентен алкохол - глицерол, който, подобно на метанола и фенола, съдържа хидроксилни функционални групи. Мазнините могат да бъдат подложени на хидролиза - нагряване с вода в присъствието на катализатори: основи, киселини, цинкови оксиди, магнезий. Продуктите на реакцията ще бъдат глицерин и различни карбоксилни киселини, които впоследствие се използват за производството на сапун. За да не се използват скъпи естествени есенциални карбоксилни киселини в този процес, те се получават чрез окисляване на парафин.
Феноли
Завършвайки разглеждането на класовете кислородсъдържащи съединения, нека се съсредоточим върху фенолите. Те са представени от фенилов радикал -C6H5, свързан с една или повече функционални хидроксилни групи. Най-простият представител на този клас е карболовата киселина или фенолът. Като много слаба киселина, тя може да взаимодейства с основи и активни метали - натрий, калий. Вещество с изразени бактерицидни свойства - фенол - се използва в медицината, както и при производството на багрила и фенолформалдехидни смоли.
В нашата статия проучихме основните класове кислородсъдържащи съединения и също така разгледахме техните химични свойства.
