Этиловый спирт (этанол)

I. Общая характеристика.

Этанол иначе называют винным или этиловым спиртом. Это очень важное в практическом отношении соединение. Ниже приведены эмпирическая молекулярная формула (1), структурная формула (2), электронная формула (3):

Л/(С₂Н₅ОН) = 46 г/моль. Между молекулами этанола (в абсолют— ном, т. е. 100%-м спирте) реализуется водородная связь:

В водных растворах водородная связь реализуется не только между молекулами этанола, но и между молекулами воды:

Спирт, содержащий 4—4,5% воды, называется ректификатом.

Эта смесь — постоянно кипящая (азеотропная), она не может быть разделена при перегонке. Выделить воду из ректификата можно только особыми водоотнимающими средствами, например безводным хлоридом кальция, безводным сульфатом меди (И) или оксидом кальция.

Для доказательства наличия группы ОН в молекуле этанола можно провести количественный опыт. На 1 моль этанола действуют натрием. Обнаружено, что 1 моль натрия реагирует с 1 моль этанола с образованием 11,2л Н₂ (н. у.). Следовательно, выделился 1 моль атомов водорода, а из эмпирической формулы видно, что 1 моль этанола содержит 6 моль атомов водорода.

Таким образом, в молекуле этанола один атом водорода занимает особое положение, что и предполагает наличие гидроксогруппы.

У этанола есть изомер СН₃—О—СН₃ (диметиловый эфир), который относится к классу простых предельных эфиров.

II. Физические свойства.

Этанол — бесцветная жидкость со специфическим «алкогольным» запахом. Он смешивается с водой в любых отношениях; его р = 0,79, Т^_и = 351,3 К для абсолютного спирта, у ректификата Г_кип = 351,15 К. Способность неограниченной растворимости в воде связана с тем, что между молекулами этанола и воды возникают водородные связи. При смешивании воды и этанола наблюдается контракция — уменьшение общего объема; так, смешав 48 мл воды с 52 мл спирта, получают 96,3 мл смеси.

III. Химические свойства.

1. Горит слабосветящимся пламенем, выделяя большое количество энергии:

• 2. Разлагается: С₂Н₅ОН-> С, Н₂0, другие вещества.
• 3. Взаимодействует с щелочными металлами, образуя алкоголяты, называемые этилатами:

4. Абсолютный спирт может взаимодействовать с сухими щелочами, но эта реакция обратима, так как алкоголяты подвергаются гидролизу:

Эта реакция не характерна для одноатомных спиртов.

• 5. Вступает в реакции дегидратации. Этанол может подвергаться полной и частичной дегидратации. Реакция протекает при нагревании, катализатор — серная кислота.
• 5.1. Полная (внутримолекулярная) дегидратация состоит в том, что от одной молекулы спирта отщепляется одна молекула воды. Эта реакция протекает в две стадии:

• (эта реакция иллюстрирует механизм действия катализаторов — теория промежуточных соединений в гомогенном катализе).
• 5.2. Частичная (межмолекулярная) дегидратация: от двух молекул спирта отщепляется одна молекула воды. Для ее проведения нужно брать меньшее количество серной кислоты, чем в случае реализации полной дегидратации. Эта реакция также идет в две стадии:
  • (1 стадия) см. полную дегидратацию.

• 6. Подвергается дегидрогенизации (отщепление Н₂); реакция идет при повышенной температуре в присутствии никелевого катализатора.
• 7. Окисляется. Этот процесс можно охарактеризовать схемами:

где [О] — условное обозначение окислителя.

8. Вступает в реакцию этерификации с кислотами:

• 9. Взаимодействует с галогеноводородами; реакция обратима, ее можно сместить в сторону образования галогенопроизводных, если вести в присутствии водоотнимающих средств, например при добавлении концентрированной серной кислоты, хлорида кальция и т. д.:
• 10. Способен к совместной дегидратации и дегидрогенизации (см. получение дивинила):

Этанол вступает и в другие химические реакции.

IV. Получение.

В промышленности этанол получают следующими способами:

1. Брожением углеводов:

Если для брожения используют глюкозу, полученную при гидролизе целлюлозы, то такой спирт называют гидролизным. Получая этанол, предназначенный для пищевых или медицинских целей, в процессах брожения используют крахмал пищевых продуктов, глюкозу и сахарозу, содержащиеся в плодах.

2. Прямой гидратацией этилена; процесс ведется при высокой температуре, катализатор Н₃Р0₄, нанесенная на силикагель (катализатором может быть и серная кислота):

3. Из метанола в смеси с синтез-газом; реакция идет при нагревании в присутствии кобальтового катализатора:

4. В лаборатории этанол можно получать из галогенопроизводных этана или восстановлением этаналя:

Эти реакции интересны в генетическом отношении.

V. Применение.

Трудно назвать область промышленности, где бы этанол не находил применения. Как растворитель он используется для обработки различных деталей в машиностроении, приборостроении и т. д. Используют этанол и для экстракции (выделения) различных веществ из природных смесей, в том числе и из растений. Этанол обладает обеззараживающим действием, поэтому широко применяется в медицине.

Способность этанола к сгоранию используется в двигателях внутреннего сгорания, где он может быть достойным конкурентом бензинов, тем более что является экологически более чистым веществом. Этиловый спирт широко применяется как реактив в органическом синтезе, в частности, для получения синтетического каучука, сложных эфиров, альдегидов, уксусной кислоты и других веществ. Применяется этанол и в пищевой промышленности, в том числе для приготовления алкогольных напитков.

Следует помнить, что этиловый спирт оказывает вредное воздействие на организм, поэтому при длительном и неумеренном употреблении алкогольных напитков возникают трудноизлечимые заболевания, в том числе алкоголизм.

• ? Задания для самостоятельной работы
• 1. Поясните, почему этанол относится к предельным одноатомным спиртам; ответ обоснуйте описанием эксперимента.
• 2. Поясните, чем полная дегидратация отличается от частичной дегидратации; напишите соответствующие уравнения реакций.
• 3. Рассчитайте массу (г) воды, содержащейся в 4 л спирта-ректификата. Содержание воды принять за 4%; плотность 0,8. Ответ: 128 г.
• 4. Приведите два обоснованных примера, иллюстрирующих экологическую роль этанола.
• 5. Приведите три обоснованных примера, иллюстрирующих применение этанола.