Физико-химические свойства производных углеводороводов

Цель работы: Изучить физико-химические свойства производных углеводородов: спиртов, альдегидов, кетонов, карбоновых кислот, сложных эфиров.

Теория: Одноатомные и многоатомные спирты; карбонильные соединения (альдегиды, кетоны); карбоновые кислоты, сложные эфиры: общая характеристика, номенклатура, изомерия, получение, физические и химические свойства, применение.

Спирты (алкоголи) – производные углеводородов, в которых один или несколько атомов водорода замещены на гидроксильную группу ОН. Важнейшие представители: CH₃OH – метиловый спирт или метанол – яд! (используется для получения фенолформальдегидных смол, в качестве растворителя органических веществ; токсичен в любых дозах), С₂Н₅ОН – этиловый спирт или этанол (исходное вещество для получения многих органически соединений, используется в качестве растворителя, как дезинфицирующее средство, для изготовления лекарств и др.), глицерин (широко применяется в пищевой промышленности, фармации, производстве лекарств и взрывчатых веществ).

Карбонильные соединения (оксосоединения) – органические соединения, в молекуле которых имеется карбо­нильная группа С=О, их делятся на две родственные группы – аль­дегиды и кетоны: СН₂О – формальдегид (применяется в качестве дезинфицирующего средства для обработки зерно- и овощехранилищ, для протравли­вания семян, для консервации анатомических препара­тов; получают фенолформальдегидные смолы и формалин); ацетон (используют как растворитель лаков, красок, в производстве ацетатного волокна, бездымного пороха).

Карбоновые кислоты – соединения, содержащие карбоксильную группу –СООН. Важнейшие кислоты: НСООН – муравьиная кислота (применяется в фармацевтической и пищевой промышлен­ности); СН₃СООН – уксусная кислота (используют для производства искусственных волокон на основе целлюлозы и в пищевой промышленности); С₆Н₅СООН – бензойная кислота (применяют в фармацевтической промышленности для синтеза душистых веществ и красителей, а также в качестве консерванта для пищевых продуктов), С₁₇Н₃₅СООН – стеариновая кислота (основа твердых животных жиров).

Сложные эфиры – соединения, представляющие карбоновые кислоты, у которых атом водорода в карбоксильной группе заменен углеводородным радикалом. Молекула сложного эфира состоит из остатка кисло­ты и остатка спирта. Многие сложные эфиры имеют приятный запах: бутилбутират С₃Н₇СООС₄Н₉ – запах ананаса, изоамилацетат С₃Н₇СООС₅Н₁₁ – груши, этилбутират СН₃СООС₄Н₉ – запах абрикосов, амилформиат НСООС₅Н₁₁ – запах вишен, изоамилформиат НСООС₅Н₁₁ – запах слив. Среди сложных эфиров особое значение занимают жиры и масла, образованные трехатомным спиртом глицерином и высшими жирными кислотами.

Оборудование и реактивы

Газоотводная трубка с пробкой, пробирки, пробиркодержатель, лучинка, спички, спиртовка, стеклянные папочки, штатив, фарфоровая чашка, воздушные холодильники, водяная баня.

Магний Mg (к), оксид меди (II) CuO (к), сульфат меди (II) CuSO₄ (к), ацетат натрия CH₃COONa (к), спирты (этиловый, бутиловый, изоамиловый), глицерин, ацетон; дистиллированная вода; индикаторы: фенолфталеин, метиловый оранжевый, лакмусовая бумага;

Растворы: серная кислота H₂SO₄ (разб. и конц.), соляная кислота HCl (разб.), уксусная кислота CH₃COOН (конц.), гидроксид натрия NaOH (10%), аммиак NH₃ (конц.), сульфат меди (II) CuSO₄, нитрат серебра AgNO₃, формальдегид (40%), дихромат калия К₂Сr₂О₇ (0,5 н.).

Эксперимент: выполните задания, составьте уравнения реакций, назовите вещества, запишите наблюдения и вывод.

Опыт 1. Растворимость спиртов в воде

В пробирки налейте по 0,5–1 мл спиртов: этилового и бутилового, отметьте запах спиртов. В каждую пробирку прилейте по 0,5–1 мл дис­тиллированной воды и встряхните содержимое. Объясните наблюдаемые процессы. Из пробирок стеклянной палочкой нанести по капле растворов спиртов на лакмусовую бумагу. В пробирки добавьте по капле раствора фе­нолфталеина.

Опыт 2. Горение спиртов

В фарфоровые чашки налейте по 0,5–1 мл спиртов: этиловый и бутиловый. Подожгите спирты лучинкой и объясните наблюдаемые процессы. Рассчитайте массовую долю углерода в спиртах.

Опыт 3. Окисление этанола

В пробирку поместите 1 мл этанола, 8–10 капель конц. H₂SO₄ и 0,5 мл K₂Cr₂O₇. Полученный раствор осто­рожно нагрейте. Наблюдаем изменение цвета раствора и появление запаха яблок (нюхать осторожно!).

Реакции окисления позволяет различить этанол (этиловый спирт) C₂H₅OH и очень ядовитый метанол (метиловый, муравьиный или древесный спирт) CH₃OH (яд!). При окислении метанола образуется формальдегид с резким едким запахом – несколькими каплями метанола смочите стенки сухой пробирки и опустите раскаленную медную проволоку.

Опыт 4. Взаимодействие с гидроксидом меди (II) – качественная реакция на многоатомные спирты

В пробирку поместите 1 мл 0,2 н. раствора CuSO₄ и 1 мл 2 н. раствора NaOH. К выпавшему осадку добавьте 0,5 мл глицерина и перемешайте смесь. Наблюдаем, что осадок __________, а цвет раствора __________ (образуется комплексное соединение – глицерат меди).

Опыт 5. Качественные реакции окисления альдегидов

5.1. Реакция «серебряного зеркала»

В две чистые пробирки внесите по 2 капли раствора нитрата серебра и по 3–4 капли конц. раствора аммиака (до полного растворения осадка оксида серебра). После этого добавьте по 2 капли в первую пробирку – раствора формальдегида, во вторую – ацетона. Пробирки несколько минут нагрейте до начала побурения (до кипения не доводить!).

5.2. Окисление формальдегида гидроксидом меди (II) – реакция «медного зеркала»

В пробирку налейте 1 мл формальдегида и 1 мл раствора гидроксида натрия, затем при встряхивании добавьте по каплям раствор сульфата меди (II) до появления неисчезающей окраски взвеси гидроксида меди (II).

Верхнюю часть смеси нагрейте до кипения. Наблюдайте появление желтого осадка гидроксида меди (I), переходящего затем в красный осадок оксида меди (I):

HCHO + 2Cu(OH)₂↓ голубой → HCOOH + 2CuOH↓ желтый + Н₂О

2CuOH↓ желтый → Cu₂O↓ красный + Н₂О

Гидроксид меди (II) может восстанавливаться фомальдегидом до металлической меди – образование «медного зеркала». Другие алифатические альдегиды образуют красный осадок Cu₂O.

Опыт 6. Получение ацетона пиролизом ацетата натрия

В сухую пробирку насыпьте безводный ацетат натрия (высота слоя 3–4 см) и закройте пробкой с газоотводной трубкой. Конец трубки опустите в пробирку с 1,5–2 мл воды и нагрейте на пламени спиртовки.

Опыт 7. Получение уксусной (этановой) кислоты из ее соли

В пробирку поместите 0,5 г CH₃COONa и добавьте 1 мл конц. H₂SO₄ (тяга!). Закройте пробирку пробкой с газоотводной трубкой и осторожно нагрейте реакционную смесь. Выделяющуюся уксусную кислоту СH₃COOH можно определить по запаху (осторожно!) и по изменению цвета влажной лакмусовой бумаги, поднесенной к газоотводной трубке.

Опыт 8. Взаимодействие уксусной кислоты с магнием

В пробирку налейте 2 мл уксусной кислоты и добавьте немного ме­таллического магния, закройте пробкой с прямой газоотводной трубкой с оттяну­тым концом. Подожгите выделяющийся газ.

Опыт 9. Взаимодействие уксусной кислоты с оксидом меди ( II)

В пробирку поместите 0,2 г оксида меди (II) и прилейте 1–2 мл уксусной кислоты, осторожно нагрейте в пламени спиртовки.

Опыт 10. Получение сложных эфиров (изоамилацетата)

В сухую пробирку налейте 2 мл ледяной уксусной кислоты, 2 мл изоамилового спирта и 1 каплю конц. H₂SO₄. Закройте пробирку пробкой с воздушным холодильником, встряхните и поместите в горячую (60–70°С) водяную баню на 7–10 мин. Охладите пробирку и перелейте содержимое в другую пробирку с 2–3 мл ледяной воды.

Контрольные задания

1. Написать схему получения этилового спирта из этилена и ацетилена; вторичного пропилового спирта из соответствующего непредельного соединения.

2. Написать схему реакции этерификации вторичного бутилового спирта и уксусной кислотой.

3. Получить бутанол-2 из бутанола-1.

4. Написать структурные формулы и названия спиртов состава С₅Н₁₁ОН. Укажите первичные, вторичные, третичные спирты.

5. Как отличить этанол от этиленгликоля? Написать уравнения соответствующих реакций.

6. Сколько имеется устойчивых изомерных двухатомных спиртов C₅H₁₂О₂ с разветвленной углеродной цепью?

7. Сколько литров пропилена (н.у.) получится при дегидрировании 60 кг пропанола, если практический выход составляет 70%?

8. Написать структурные формулы изомерных альдегидов и кетонов со­става С₅Н₁₀О и назвать их.

9. При окислении 0,5 г технического ацетальдегида избытком аммиачного раствора оксида серебра образовалось 2,16 г серебра. Вычислите массовую долю ацетальдегида в техническом препарате.

10. Приведите схему получения пропионового альдегида: а) из соответствующего спирта, б) из кальциевых солей карбоновых кислот, в) из дигалогенопроизводного

11. Составьте схемы реакций получения уксусного альдегида из следующих соединений: а) ацетилена, б) этилового спирта, в) этилена.

16. Какой объем воздуха (н.у.) необходим для сжигания этилового спирта мас­сой 23 г? Сколько моль оксида углерода (IV) и воды при этом получится?

17. Какой максимальный объем водорода (н.у.) может получиться при взаи­модействии изопропилового спирта массой 250 г с натрием?

18. При нагревании смеси этилового и пропилового спиртов с конц. серной кислотой образуется смешанный этилпропиловый эфир. Со­ставьте уравнение этой реакции. Какие еще эфиры в данном случае могут образовываться?

19. Напишите уравнения реакций между: а) пропионовой кислотой и оксидом кальция; б) масляной кислотой и метиловым спиртом.

20. Напишите структурные формулы изомерных сложных эфиров с общей фор­мулой C₄H₈O₄ и назовите их.

Пример. Вычислите массу уксусной кислоты, которую можно получить из 44,8 л (н.у.) ацетилена, если потери на каждой стадии получения составляют в среднем 20%.

Решение:

C₂H₂ + H₂O ^(Hg2+,H2SO4) → CH₃CHO ^[O] → CH₃COOH

n (CH₃COOH)_теор = n (C₂H₂) = V (C₂H₂) / V _M =

= 44,8 л / 22,4 л/моль = 2 моль

n (CH₃COOH)_практ = n (CH₃COOH)_теор • η(CH₃COOH) =

= 2 моль • 80% / 100% = 1,28 моль

Масса уксусной кислоты с учетом всех потерь составит:

m (CH₃COOH) = n (CH₃COOH)_практ • M(CH₃COOH) =

= 1,28 моль • 60 г/моль = 76,8 г

Ответ: m (CH₃COOH) = 76,8 г