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 називаютьбагатоатомними спиртами.
Класифікація спиртів
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.
§Природні спирти
До природних спиртів належать такі вуглеводи, як глюкоза, фруктоза, сахароза.
§Реакції спиртів
§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:
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 атомГідрогену 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 бромоводнемутворюється бромоетан:
§Дегідратація[
Для спиртів характерним є також реакції дегідратації (відщеплення води). Так, при нагріванні вище 160°С етилового спирту з надлишком концентрованоїсульфатної кислоти як водовіднімаючого засобу від одної молекули спирту відщеплюється одна молекула води і етиловий спирт перетворюється в етилен:
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:
§Естерифікація
Крім того, для спиртів характерні також реакції взаємодії з кислотами, внаслідок чого утворюються складні ефіри. При цьому за рахунок гідроксильної групикислоти 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:
Аміловий спирт C5H11OH — одноатомний насичений спирт.
§Реакції окиснення
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.
Фізичні властивості
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/см3при 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 |
§Виробництво
Одним з найважливіших методів виробництва спиртів є гідратація олефінів, в ході якої виробляють етиловий, ізопропіловий, ізобутіловий та інші спирти. Метиловий спирт отримують гидрированием окису вуглецю (з'єднання СО і водню в умовах високих тисків і температур у присутності каталізатора). Вищі спирти утворюються при гідруванні вищих жирних кислот і їх ефірів, альдегідів та ін.
§Застосування
§Економічне значення та напрями використання спиртівОбласті 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):
- проміжні продукти для основного органічного синтезу;
- застосування як палива;
- виробництво розчинників;
- виробництво синтетичних миючих засобів, парфумерії та косметики;
- використання в харчовій і фармацевтичній промисловості.
§Застосування спиртів як палива
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.
