Спирти

Матеріал з Вікіпедії — вільної енциклопедії.
Перейти до: навігація, пошук

Див. також статтю Етиловий спирт, який часто називають просто спирт.

Гідроксильна група в одноатомних спиртах

Спирти — похідні вуглеводнів, у молекулах яких один або кілька атомів Гідрогену заміщені гідроксильними групами (-OH). Гідроксильну групу зв'язану з sp3-гібридизованим атомом Карбону називають спиртовою. Органічні сполуки з двома гідроксильними групами називаються діолами, з трьома — тріолами і т. д. В українській мові їх також називають багатоатомними спиртами.

Історія спирту[ред.ред. код]

Етиловий спирт, точніше рослинний хмільний напій, що його містить, був відомий людству з глибокої давнини. Вважається, що не менш, ніж за 8000 років до нашої ери люди виготовляли легкі спиртні напої з фруктів і меду.

Вперше спирт з вина отримали в 6-7 століттях арабські хіміки, а першу пляшку міцного алкоголю (прообразу сучасної горілки) виготовив перський алхімік Ар-Рази в 860 році.

Структурна формула етанолу

У Європі етиловий спирт був отриманий із продуктів бродіння в 11-12 столітті в Італії.

До Росії спирт вперше потрапив у 1386 році, коли генуезьке посольство привезло його з собою під назвою «аква віта» і презентувала царського двору.

У 1660 році англійський хімік і богослов Роберт Бойль вперше отримав зневоднений етиловий спирт, а також відкрив його деякі фізичні і хімічні властивості, зокрема виявивши здатність етанолу бути високотемпературним пальним для пальників. Абсолютний (безводний) етиловий спирт був отриманий у 1796 році російським хіміком Т.Є. Ловіцем.

У 1842 році німецький хімік Якоб Генріх Вільгельм Шіль (1813-1889) відкрив, що спирти утворюють гомологічний ряд, відрізняючись на деяку постійну величину. Щоправда, він помилився описавши її як C2H2. Через два роки, інший хімік Шарль Жерар встановив правильне гомологічної співвідношення CH2 і передбачив формулу і властивості невідомого в ті роки пропілового спирту.

У 1850 році англійський хімік Олександр Вільямсон, досліджуючи реакцію алкоголятів з етилйодидом, встановив, що етиловий спирт є похідним від води з одним зміщеним Гідрогеном, експериментально підтвердив формулу C2H5OH.

Вперше синтез етанолу дією сірчаної кислоти на етилен здійснив у 1854 році французький хімік Марселен Бертло.

Перше дослідження метилового спирту було проведено в 1834 році французькими хіміками Жаном-Батистом Дюма і Еженом Пеліго; вони назвали його «метиловим або деревним спиртом», так як він був виявлений в продуктах сухої перегонки деревини. Синтез метанолу з метилхлориду здійснив французький хімік Марселен Бертло в 1857 році. Ним же вперше був відкритий в 1855 році ізопропіловий спирт, синтезований дією на пропен водної сірчаної кислоти.

Вперше третинний спирт (трет-бутанол, 2-метил-пропан-2-ол) синтезував в 1863 році відомий російський вчений А. М. Бутлеров, поклавши початок цілої серії експериментів у цьому напрямку.

Молекула етиленгліколю, найпростішого діолу

Представник двоатомних спиртів — етиленгліколь — вперше був синтезований французьким хіміком А. Вюрцом в 1856 році. Триатомний спирт — гліцерин — був виявлений у природних жирах ще в 1783 році шведським хіміком Карлом Шеєле, однак його склад був відкритий тільки в 1836 році, а синтез здійснено з ацетону в 1873 році Шарлем Фріделем.

Класифікація спиртів[ред.ред. код]

Якщо до складу молекули спирту входить одна гідроксильна група, то такий спирт називають одноатомним, коли дві — двоатомним і т. д. Спирти, молекули яких містять дві і більше гідроксильних груп, називають багатоатомними. Якщо спирт походить від насиченого вуглеводню, то його називають насиченим, а коли від ненасиченого, то ненасиченим. В залежності від типу атома, до якого приєднана гідроксильна група спирти поділяють на первинні, вторинні та третинні.

Спирти, як і вуглеводні, утворюють гомологічні ряди. Кожний наступний член цього ряду відрізняється від попереднього на гомологічну різницю -CH2-.

Назви спиртів походять від назв вуглеводневих радикалів, що входять до складу молекули спиртів. Міжнародні їх назви утворюються з назв відповідних вуглеводів з додаванням закінчення ол. Наприклад, CH3—OH — метиловий спирт, або метанол; C2H5—OH — етиловий спирт, або етанол і т. д.

Загальна формула одноатомних насичених спиртів CnH2n+1OH або R—OH, де R — вуглеводневий радикал. В таблиці наведений гомологічний ряд насичених одноатомних спиртів.

Нижчі спирти (з малою кількістю атомів Карбону в молекулі) при звичайній температурі є леткими рідинами, а вищі, починаючи з C15H31—OH, — тверді речовини. Нижчі спирти з водою зміщуються у всіх співвідношеннях. З підвищенням молекулярної маси розчинність спиртів зменшується. Усі спирти легші від води. В міру збільшення молекулярної маси температура кипіння спиртів підвищується.

Гомологічний ряд насичених нерозгалужених одноатомних спиртів[ред.ред. код]

Вуглеводень, від якого походить спирт Формула вуглеводню Брутто-формула Назва спирту Формула спирту Брутто-формула
Метан СН4 СН4 Метиловий спирт (метанол) СН3-ОН СН3-ОН
Етан СН3-СН3 С2Н6 Етиловий спирт (етанол) СН3-СН2-ОН С2Н5-ОН
Пропан СН3-СН2-СН3 С3Н8 Пропіловий спирт (пропанол) СН3-СН2-СН2-ОН С3Н7-ОН
Бутан СН3-СН2-СН2-СН3 С4Н10 Бутиловий спирт (бутанол) СН3-СН2-СН2-СН2-ОН С4Н9-ОН
Пентан СН3-СН2-СН2-СН2-СН3 С5Н12 Аміловий спирт (пентанол) СН3-СН2-СН2-СН2-СН2-ОН С5Н11-ОН
Гексан СН3-СН2-СН2-СН2-СН2-СН3 С6Н14 Гексиловий спирт (гексанол) СН3-СН2-СН2-СН2-СН2-СН2-ОН С6Н13-ОН
Гептан СН3-СН2-СН2-СН2-СН2-СН2-СН3 С7Н16 Гептиловий спирт (гептанол) СН3-СН2-СН2-СН2—СН2-СН2-СН2-ОН С7Н15-ОН
Октан СН3-СН2-СН2-СН2-СН2-СН2-СН2-СН3 С8Н18 Октиловий спирт (октанол) СН3-СН2-СН2-СН2—СН2-СН2-СН2-СН2-ОН С8Н17-ОН
Нонан СН3-СН2-СН2-СН2-СН2-СН2-СН2-СН2-СН3 С9Н20 Ноніловий спирт (нонанол) СН3-СН2-СН2-СН2-СН2-СН2-СН2-СН2-СН2-ОН С9Н19-ОН
Декан СН3-СН2-СН2-СН2-СН2-СН2-СН2-СН2-СН2-СН3 С10Н22 Дециловий спирт (деканол) СН3-СН2-СН2-СН2-СН2-СН2-СН2-СН2-СН2-СН2-ОН С10Н21-ОН

Природні спирти[ред.ред. код]

До природних спиртів належать такі вуглеводи, як глюкоза, фруктоза, сахароза.

Реакції спиртів[ред.ред. код]

Кислотно-основні властивості[ред.ред. код]

Характерною хімічною властивістю спиртів є їх здатність взаємодіяти з лужними металами і заміщувати гідроксильні атоми водню атомами металу з утворенням речовин, які називають алкоголятами. Наприклад:

  • 2C2H5—OH + 2Na → 2C2H5—ONa + H2 ↑.

Інші атоми Гідрогену, котрі зв'язані безпосередньо з Карбоном, у реакцію не вступають. На прикладі цих реакцій науковці вперше зустрілись з явищем впливу одних атомів на інші в молекулі. Суть цього впливу можна показати на прикладі молекули етилового спирту, електронну будову якої можна зобразити в такому вигляді:

EtylovyjSpyrtElektr.jpg

Гідроксильний атом Гідрогену займає в молекулі особливе положення. На відміну від інших атомів Гідрогену, він не безпосередньо зв'язаний з атомом Карбону, а через Оксиген. Атом Оксигену, як активніший елемент більше, ніж Карбон, відтягує до себе спільну електронну пару. Внаслідок цього гідроксильний атом Гідрогену слабкіше зв'язаний в молекулі, ніж інші атоми Гідрогену, і є більш «рухливим», тому порівняно легко витісняється атомом металу. Реакції спиртів з металами в дечому нагадують реакції кислот з металами. В молекулах спиртів гідроксильні атоми Гідрогену значно тісніше зв'язані з Оксигеном, ніж у молекулах кислот. Тому спирти на відміну від кислот не дисоціюють у воді і іонів Гідрогену не утворюють.

У спиртах можуть заміщатися не лише гідроксильні атоми Гідрогену, а і вся гідроксильна група. Наприклад, при нагріванні етилового спирту з бромоводнем утворюється бромоетан:

Etylbromid.jpg

Дегідратація[ред.ред. код]

Для спиртів характерним є також реакції дегідратації (відщеплення води). Так, при нагріванні вище 160°С етилового спирту з надлишком концентрованої сульфатної кислоти як водовіднімаючого засобу від одної молекули спирту відщеплюється одна молекула води і етиловий спирт перетворюється в етилен:

EtalovyjSpyrtToEtylen.jpg

При слабшому нагріванні (близько 140 °С) суміші етилового спирту з сульфатною кислотою при надлишку спирту молекула води відщеплюється не від однієї, а від двох молекул спирту, внаслідок чого утворюється не етилен, а діетиловий ефір:

EtalovyjSpyrtToDyetylovyjEfir.jpg

Естерифікація[ред.ред. код]

Крім того, для спиртів характерні також реакції взаємодії з кислотами, внаслідок чого утворюються складні ефіри. При цьому за рахунок гідроксильної групи кислоти і гідроксильного атома Гідрогену спирту утворюється молекула води, а за рахунок залишків молекул кислоти і спирту — молекули складного ефіру. Наприклад, при легкому нагріванні (не вище 100 °C) етилового спирту з сульфатною кислотою утворюється сульфатноетиловий ефір або діетилсульфат:

EtalovyjSpyrtToDyetylsulfat.jpg

Аміловий спирт C5H11OH — одноатомний насичений спирт.

Реакції окиснення[ред.ред. код]

При повному окисненні спиртів утворюються вуглекислий газ та вода.

2C2H5OH + 6O2 → 4CO2 + 6H2O

В органічній хімії одним з прикладів реакцій окиснення є окиснення за Сверном, в результаті якого утворюється альдегід або кетон.

Окиснення за Сверном.

Фізичні властивості[ред.ред. код]

Прості аліфатичні спирти - безбарвні рідини.
Запах: Метанол, етанол та н-пропанол мають "класичний" запах спирту. Запах бутанолу зумовлює запах самогону. Аміловий та вищі спирти мають набагато сильніший, дещо солодкуватий запах, що найсильніший в октанолу.

Назва Інші назви Формула Температура кипіння, °С Температура плавлення, °С Густина, г/см3 при 20°С
Метиловий спирт Метанол CH3OH 64,7 -97,78 0,791
Етиловий спирт Етанол C2H5OH 78,3 -114,65 0,790
н-Пропіловий спирт Пронан-1-ол C3H7OH 97,2 -124,10 0,804
Ізопропіловий спирт Пропан-2-ол, ізопропанол CH3CH(CH3)OH 82,5 -87,95 0,786
н-Бутиловий спирт Бутан-1-ол C4H9OH 117,8 -88,64 0,808
Ізобутиловий спирт 2-Метилпропан-1-ол (СН3)2СНСН2ОН 108,0 -101,97 0,802
втор-Бутиловий спирт Бутан-2-ол СН3СН2СН(ОН)СН3 99,5 -114,70 0,806
трет-Бутиловий спирт 2-Метилпропан-2-ол СН3СН2СН(ОН)СН3 82,9 25,82 0,765(40°C)
н-Аміловий спирт Пентан-1-ол C5H11OH 138,0 -77,59 0,813
н-Гексиловий спирт Гексан-1-ол C6H13OH 157,1 -47,40 0,822
н-Гептиловий спирт Гекптан-1-ол C7H15OH 176,3 -32,80 0,824
н-Октиловий спирт Октан-1-ол C8H17OH 195,1 -16,30 0,823

Застосування[ред.ред. код]

Економічне значення та напрями використання спиртів[ред.ред. код]

Області використання спиртів численні та різноманітні, особливо враховуючи широкий спектр сполук, що відносяться до цього класу. Разом з тим, з промислової точки зору, тільки невелика низка спиртів вносить помітний внесок у глобальну світову економіку.

В TOP 50 за 2002 рік сполук, що випускаються хімічною промисловістю США, зі спиртів входять тільки метанол (14-е місце) та етиленгліколь (29-е місце).[1] У наступні 50 найважливіших хімічних сполук, за даними 1999 року, включені ізопропіловий спирт, н-бутиловий спирт, синтетичний етанол, пропіленгліколь, діетиленгліколь, 2-етилгексанол, 1,4-бутандіол, сорбітол і гліцерин.[1]

У світі найбільше значення з спиртів мають метиловий, етиловий, пропіловий, ізопропіловий спирт, а також бутилові, амілові і вищі жирні спирти. З циклічних і ароматичних спиртів: циклогексанол, 2-етилгексанол, фенілетиловий і бензиловий спирти; з гликолей і поліолів: етиленгліколь, пропіленгліколь, діетиленгліколь, гліцерин, пентаеритрит.

Найбільш великотоннажними напрямками використання спиртів є (в довільному порядку):

Застосування спиртів як палива[ред.ред. код]

Для паливних цілей в даний момент використовуються в промислових об'ємах три спирти: метанол, етанол і бутанол, що пов'язано, насамперед, з їх комерційною доступністю та можливістю масового виробництва з рослинної сировини (крім метанолу). При цьому можливе використання спиртів у вигляді пального в чистому вигляді, а також у вигляді різних сумішей з бензином або дизельним паливом[2], а також як добавок (до 10%) з метою підвищення октанового числа і зниження токсичності відпрацьованих газів.[3][4] Також окремим напрямом є використання метанолу для переетерифікації жирів у виробництві біодизеля.[5]

Найпоширенішим паливним спиртом є етанол. За оцінками експертів, на 2009 рік 80-90% всього виробленого у світі етилового спирту було використано саме в цих цілях і склало 73,9 млрд літрів (≈ 58 млн тонн).[6]

Основні причини, які дали поштовх активному вивченню спиртів як альтернативного палива, це[7]:

  • зростання цін на нафту і природний газ, а також вичерпність цих ресурсів в найближчому майбутньому;
  • спирти володіють високими експлуатаційними характеристиками, а продукти згоряння містять менше шкідливих речовин;
  • спирти можуть виготовлятися біохімічним методом з відходів харчової, деревообробної та целюлозно-паперової промисловості, тим самим вирішуючи одночасно проблему утилізації.

Разом з тим, масове використання вищевказаних спиртів як моторного палива, крім суто економічних причин, має низку недоліків:

  • метанол і етанол мають порівняно з бензином меншу енергоефективність і, відповідно, забезпечують більші витрати;
  • низькі температури кипіння спиртів можуть бути причиною утворення парових пробок, що може істотно ускладнити роботу двигуна;
  • гігроскопічність спиртів, а також їх розчинність у воді може привести до різкого зниження потужності при потраплянні вологи в паливну систему;
  • спирти мають істотно більш високі корозійні характеристики порівняно з вуглеводнями;
  • відносно висока прихована теплота згоряння метанолу та етанолу може бути причиною проблеми при змішуванні цих спиртів з повітрям і подальшого транспортування через впускний колектор двигуна.

Примітки[ред.ред. код]

  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». Законы и практика. Аналитический портал химической промышленности Newchemistry.ru. Архів оригіналу за 2011-08-21. Процитовано 2010-09-12.  (рос.)
  3. Карпов С. А., Кунашев Л. Х., Царев А. В., Капустин В. М. Применение алифатических спиртов в качестве экологически чистых добавок в автомобильные бензины (2006).
  4. «Использование спиртов как добавок к нефтяным топливам». Альтернативные топлива, энергетика. Аналитический портал химической промышленности Newchemistry.ru. Архів оригіналу за 2011-08-21. Процитовано 2010-09-12. 
  5. «Биодизель». Российская Национальная Биотопливная Ассоциация. Процитовано 2010-09-12. 
  6. «Global ethanol production to reach 85.9 billion litres in 2010: Global Renewable Fuels Alliance releases 2010 biofuels production forecast». Press Release. Global Renewable Fuels Alliance. March 21, 2010. Архів оригіналу за 2012-02-02. Процитовано 2010-05-25. 
  7. Карпов С. А. Актуальные аспекты применения топливного этанола в России и США (2006).

Джерела[ред.ред. код]

  • Глосарій термінів з хімії // Й.Опейда, О.Швайка. Ін-т фізико-органічної хімії та вуглехімії ім.. Л. М. Литвиненка НАН України, Донецький національний університет — Донецьк: «Вебер», 2008. — 758 с. ISBN 978-966-335-206-0
  • Ф. А. Деркач «Хімія» Л. 1968