Алкохол

от Уикипедия, свободната енциклопедия
Направо към: навигация, търсене
Емблема за пояснителна страница Тази статия е за групата химични съединения. За групата напитки вижте Алкохолна напитка. За съдържащия се в тях вид алкохол вижте Етанол.

Схематично представяне на функционалната хидроксилна група (OH) в молекулата на алкохола

Алкохолите (от арабски: الكحل, ал-кохл, „кухл“) са органични химични съединения, съдържащи една или повече хидроксилни групи (-OH), свързани с атом на въглерода, който от своя страна обикновено е свързан с други въглеродни или водородни атоми. Могат да се разглеждат като получени от въглеводороди, при които един или повече водородни атоми са заместени с хидроксилна група.

Към алкохолите се причисляват широк кръг съединения, сред които особено място заемат простите едновалентни алифатни алкохоли с обща формула CnH2n+1OH. В тази група алкохолите с n от 1 до 4 са течности с приятна миризма, от 4 до 11 - течности с неприятна гранлива миризма, а над 12 - твърди вещества без мирис. Съединението с n = 2 е етанолът, който има депресантно психоактивно действие върху хората и се съдържа в алкохолните напитки. Поради широкото му разпространение в ежедневието, в разговорния език обикновено под алкохол се разбира именно етанол.

Исторически сведения[редактиране | edit source]

Първият открит и употребяван от човека алкохол е етанолът. В природата етанол и други алкохоли се получават по естествен път в процеса на ферментацията на захарите, които се съдържат в плодовете, под въздействието на различни видове дрожди, най-често от род Saccharomyces. При концентрация на алкохол в субстрата над 15% дрождите започват да умират и поради тази причина е невъзможно да се получи по естествен път алкохол с концентрация над 17%.[1]

Арабското название „ал-кохл“ в превод означава „дух на виното“. Латинският превод на това название — „Spiritus vini“ се пренася в Европа през Средновековието и остава като синоним на етанола в медицинската номенклатура до днес.

Етимологията на названието „алкохол“ е свързана с първия метод за получаване на концентриран природен алкохол — дестилацията на вино. Развитието на познатите днес инсталации, състоящи се от съд за дестилация и хладник (колектор) започва през 8 - 9 век от персийски и арабски химици. Конструкцията на алкохолния дестилатор, наречен по-късно „аламбик“, е описана за пръв път от Хабир Ибн Хаям (721-815). През Средновековието името му в Европа се изписва с латински букви като „Гебер“. Първоначално процесът на дестилация се пазел в дълбока тайна. Алхимикът Алберт Велики го описва подробно през 13 век.[2]

Номенклатура[редактиране | edit source]

В системата за наименования на IUPAC имената на алкохолите се образуват, като към името на съответния алкан се добави наставката -ол,[3] например метан/метанол. При поливалентните алкохоли, в които присъства повече от една хидроксилна група, преди това се добавя наставка, означаваща броя на тези групи, например пропантриол за тривалентния алкохол на пропана.

Когато това е необходимо, положението на хидроксилните групи се означава с едно или повече числа, разположени преди наставките и оградени с тирета. Числата обозначават мястото във веригата на въглеродния атом, с който е свързана хидроксилната група, например пропан-1-ол за CH3CH2CH2OH и пропан-2-ол за CH3CH(OH)CH3. При поливалентните алкохоли числата, съответстващи на отделните хидроксилни групи се отделят със запетаи, например пропан-1,2,3-триол. Понякога числата се изписват преди основното име - 1-пропанол, 2-пропанол, вместо пропан-1-ол, пропан-2-ол.

За обозначаване на вторичните и третичните алкохоли (вижте раздела Класификация) могат да се използват представките сек- и терт-, отделени с тире и изписвани в курсив, например сек-пропанол или терт-бутанол.

Наставката -ол се използва само при съединенията, в които хидроксилната група има най-висок приоритет. При наличие на друга група с по-висок приоритет (например, при алдехид, кетон или карбоксилна киселина), присъствието на хидроксилна група се отразява с представката хидрокси-,[3] например 1-хидрокси-2-пропанон (CH3COCH2OH).[4]

Номенклатурата на IUPAC се използва в научни публикации и други подобни случаи, в които се изисква прецизно идентифициране на съединенията. В по-неформален контекст алкохолите често се обозначават само с прилагателно, базирано на името на съответната алкилна група, например метилов алкохол или етилов алкохол. За по-разпространените алкохоли има и разговорни имена, които не са свързани с научната номенклатура. В разговорния език „спирт“ се употребява взаимозаменяемо с „алкохол“.

[T 1]Таблица 1. Систематични и разговорни наименования на някои алкохоли
 Химическа формула   Систематично наименование   Разговорно наименование 
CH3OH Метанол Дървесен спирт
C2H5OH Етанол Зърнен спирт
C2H4(OH)2 Етан-1,2-диол Етиленгликол
C3H5(OH)3 Пропан-1,2,3-триол Глицерин
C4H6(OH)4 Бутан-1,2,3,4-тетраол Еритритол
C5H7(OH)5 Пентан-1,2,3,4,5-пентол Ксилитол
C6H8(OH)6 Хексан-1,2,3,4,5,6-хексол Сорбитол
C3H5OH Проп-2-ен-1-ол Алилов спирт
C10H17OH 3,7-диметилокта-2,6-диен-1-ол Гераниол
C3H3OH Проп-2-ин-1-ол Пропаргилов алкохол
C6H6(OH)6 Циклохексан-1,2,3,4,5,6-хексол Инозитол
C10H19OH 2-(2-пропил)-5-метил-циклохексан-1-ол Ментол

Класификация[редактиране | edit source]

Триизмерен модел на хидроксилната група (OH) в молекулата на алкохол

В зависимост от броя на въглеродните атоми, свързани с въглеродният атом, към който е прикрепена хидроксилната група, алкохолите се разделят на първични, вторични и третични. Първичните алкохоли имат обща формула RCH2OH, вторичните — RR'CHOH, а третичните — RR'R"COH, където R, R' и R" са алкилни групи. При окисление на първичните алхохоли се получават алдехиди, а при окисление на вторичните алкохоли се получават кетони.

Алкохолите с една хидроксилна група се наричат моновалентни, с две или повече — двувалентни, тривалентни, поливалентни. Примери за моновалентни (едновалентни) алкохоли са метанол, етанол, пропанол, бутан-1-ол. Двувалентен алкохол е етан-1,2-диолът (етиленгликол), а тривалентен - пропан-1,2,3-триолът (глицерин).

Както и останалите органични съединения, алкохолите се разделят на ароматни и алифатни, в зависимост от вида на въглеводородния остатък. При ароматните алкохоли присъстват устойчиви ароматни пръстени, а при алифатните — не.

Свойства[редактиране | edit source]

Строеж и особености на химичната връзка[редактиране | edit source]

Алкохолите имат молекули, които в геометрично отношение са подобни на молекулата на водата. Ъгълът R−O−H в молекулата на метанола е равен на 109°[5]. Кислородът от хидроксилната група се намира в състояние на sp3 хибридизация:

Геометрия на връзката C-O-H в молекулата на метанола Пространствен строеж на метанола — най-простия спирт

При сравнението им с физичните свойства на сродни съединения, алкохолите имат значително по-високи температури на топене и на кипене, отколкото би могло да се предполага и в това отношение са подобни на водата. Така например, в реда на монозаместените производни на метана, метанолът има необичайно висока температура на кипене въпреки относително неголямата си моларна маса (вж. таблица 2.)[6]:

[T 2]Таблица 2. Зависимост на температурата на кипене на някои монозаместени производни на метана от молекулната маса.
Метан
CH4
Метанол
CH3OH
Хлорметан
CH3Cl
Нитрометан
CH3NO2
Бромметан
CH3Br
Моларна маса, г/мол 16,04 32,05 50,50 61,04 94,94
Температура на кипене, °С −161,6 64,7 −24,2 25,0 3,6

Този феномен се обяснява с наличието на водородна връзка[5].

Образуване на водородни връзки в алкохолите

Енергията, необходима за разкъсване на водородната връзка, е значително по-малка от тази на обикновената химична връзка, но въпреки това тя съществено влияе върху физическите свойства на алкохолите.

[T 3]Таблица 3. Енергия на връзката в метанола.
Енергия на връзката, кДж/мол
Водородна връзка Връзка С—H Връзка С—O Връзка O—H
16,7[7] 391,7[8][К 1] 383,5[8] 428,8[8]

Поради наличието на две полярни връзки C−O и O−H молекулите на алкохолите притежават електрически диполен момент (напр. за алканолите той е 5,3-6,0х10−30 C.m [5]. Електростатичните заряди в молекулата на метанола са както следва: атомът на въглерода има заряд от 0,297 e; атомът на водорода от хидроксилната група 0,431 e; атомът на кислорода — 0,728 e[9]. Същевременно, йонизационната енергия на алкохолите е по-ниска, отколкото при водата[10], което се обяснява с ефекта на донорство на алкилната група:

  • Вода: 12,61 eV;
  • Метилов спирт: 10,88 eV;
  • Етилов спирт: 10,47 eV;
  • Изопропилов спирт: 10,12 eV;
  • Алилов спирт: 9,67 eV.

Следва да се отбележи, че влиянието на хидроксилната група е особено голямо при съединенията с къса въглеводородна верига. Така например, метанолът и етанолът се смесват неограничено вода и имат доста високи плътности и температури на кипене за молекулната си маса, докато в същото време висшите алкохоли са хидрофобни и малко се различават в свойствата си от съответните въглеводороди (вж. Таблица 4.)[11].

[T 4]Таблица 4. Сравнение на температурите на кипене и плътностите на някои висши алкани и съответните алканоли.
Октан
C8H18
Октанол
C8H17OH
Декан
C10H22
Деканол
C10H21OH
Додекан
C12H26
Додеканол
C12H25OH
Моларна маса, г/мол 114,23 130,23 142,28 158,28 170,33 186,33
Температура на кипене, °С[12][13] 125,7 195,1 174,1 231,0 216,3 263,5
Плътност при 20°С, кг/м3.[12][13] 702,5 822,7 730,0 826,0 748,7 830,9

Дисоциация и киселинно-основни свойства[редактиране | edit source]

Алкохолите имат способност да проявяват свойство и на киселини, и на основи.

Киселинни свойства[редактиране | edit source]

Като слаби киселини, алкохолите дисоциират по връзката O−H с образуването на алкоксиден йон:

\mathsf{R\!\!-\!\!OH+H_2O}\rightleftarrows\mathsf{R\!\!-\!\!O^-+H_3O^+}

Киселинните характеристики на алкохолите се оценяват по константата за киселинност  K_\mathrm{a}:

K_\mathrm{a}=\frac{[\mathsf{R\!\!-\!\!O^-}]\cdot[\mathsf{H_3O^+}]}{[\mathsf{R\!\!-\!\!OH}]};      \ \mathrm{p}K_\mathrm{a}=-\log K_\mathrm{a}.

Във воден разтвор киселинните свойства на алкохолите намаляват с увеличаването на моларната маса и разклонеността на въглеродната верига [14]:

CH3OH > CH3CH2OH > CH3CH2CH2OH > (CH3)2CHOH > (CH3)3COH

В газообразна фаза се наблюдава обратният ефект (това е свързано с образуването на межмдумолекулна водородна връзка в разтвор и кондензирано състояние)[14]:

CH3OH < CH3CH2OH < CH3CH2CH2OH < (CH3)2CHOH < (CH3)3COH

За оценка на киселинността в газова фаза се използва енергията на дисоциация \Delta G_\mathrm{a}.

В таблица 5. са приведени стойностите на \mathrm{p}K_\mathrm{a} и \Delta G_\mathrm{a} при 25 °C за някои алкохоли и сравнителни данни за други съединения[15].

[T 5]Таблица 5. Стойности на константите за киселинност и енергиите на дисоциация на някои хидроксилни съединения.
FCH2COOH CH3COOH CH3OH H2O C2H5OH (CH3)2CHOH (CH3)3COH C6H5CH3
Воден разтвор, \mathrm{p}K_\mathrm{a} 2,59 4,76 15,49 15,74 15,90 17,17 19,29 42[К 2]
\Delta G_\mathrm{a}, кДж/мол 1383,4 1428,6 1560,1 352,5 1547,1 1538,7 1535,4 1558,8

Важен фактор, влияещ върху киселинността на алкохолите е т.нар. индукционен ефект на заместителя. Заместители, които са акцептори на електрон (NO2, CN, F, Cl, Br, I, CH3O) увеличават киселинността (намаляват \mathrm{p}K_\mathrm{a}). В този случай се казва, че те оказват I ефект (отрицателен индуктивен ефект). Заместители, които са донори на електрон (алкилни заместители, COO) намаляват киселинността на алкохолите (увеличиват \mathrm{p}K_\mathrm{a}) и в този случай се казва, че те оказват + I ефект (положителен индуктивен ефект)[15].

Така например, \mathrm{p}K_\mathrm{a} на 2,2,2-трифлуоретанола има стойност 12,43 (срещу 15,9 при етанола), а при нонафлуор-трет-бутанола той е 5,4 (срещу 17,7 при трет-бутанола)[16]

Основни свойства[редактиране | edit source]

Алкохолите могат да имат и поведение на слаби основи на Люис, образувайки със силни минерални киселини соли, а така също донорно-акцепторн комплекси с киселини на Люис.

\mathsf{R\!\!-\!\!OH+HX}\rightleftarrows\mathsf{R\!\!-\!\!OH_2^++X^-}
\mathsf{R\!\!-\!\!OH+AlCl_3}\rightleftarrows\mathsf{R\!\!-\!\!OH^+AlCl_3^-}

Обикновено подобни реакции не спират на указания стадий, а водят до реакции на нуклеофилно заместване на хидроксилната група или отделяне на вода.

Като основи алкохолите са доста слаби и относителната им основност, за разлика от киселинността, се запазва както в разтвор, така и в газова фаза[17]

CH3OH < CH3CH2OH < CH3CH2CH2OH < (CH3)2CHOH < (CH3)3COH

Основността на алкохолите се оценява по константата за основност \mathrm{p}K_\mathrm{BH+}[18]:

\mathsf{R\!\!-\!\!OH_2^+}\rightleftarrows\mathsf{R\!\!-\!\!OH+H^+}
K_\mathrm{BH+}=\frac{[\mathsf{R\!\!-\!\!OH}]\cdot[\mathsf{H^+}]}{[\mathsf{R\!\!-\!\!OH_2^+}]};      \mathrm{p}K_\mathrm{BH+}=-\log K\!\mathrm{BH+}

В таблица 6 са приведени стойностите на \mathrm{p}K_\mathrm{BH+} при 25 °C за вода и някои алкохоли [17]:[стр. 19].

[T 6]Таблица 6. Стойности на константата за основност на някои алкохоли и водата.
H2O CH3OH C2H5OH C3H7OH (CH3)2CHOH (CH3)3COH CF3CH2OH
Воден разтвор, \mathrm{p}K_\mathrm{BH+} −3,43 −2,18 −1,94 −1,90 −1,73 −1,43 −4,35

Биохимия[редактиране | edit source]

Алкохолната ферментация е сложен биохимичен процес, предизвикан от специфични организми, при който монозахаридите се превръщат в етилов алкохол и CO2. При този процес се образуват в малки количества и някои други продукти и се отделя топлина.

Токсичност[редактиране | edit source]

Етанолът под формата на различни алкохолни напитки се консумира от хората от праисторически времена. Консумацията на големи количества етанол води до състояние на опиянение (което на практика представлява отравяне с алкохол), а след по-дълго време до махмурлук. В зависимост от дозата и честотата на консумация етанолът може да причини различни здравословни проблеми и дори смърт.

По-краткотрайните ефекти върху човешкото тяло са разнообразни. Тъй като клетъчната мембрана е много пропусклива спрямо алкохола, чрез постъпването си в кръвта той се разнася практически до всички тъкани. Обикновено съдържанието на алкохол в кръвта е критерий за степента на опиянение и концентрация надвишаваща 0.40% в кръвта се счита за смъртоносна [19][20]).

Синтез и производство[редактиране | edit source]

В промишлеността алкохолите се произвеждат по няколко начина:

Етанолът за производство на алкохолни напитки, както и преобладаващата част от етанола за гориво се произвеждат чрез ферментация. Когато определен вид дрожди (например Saccharomyces cerevisiae) преработват полизахариди те произвеждат етанол и въглероден диоксид. Химичните реакции, които протичат, са следните:

C6H12O6 → 2 CH3CH2OH + 2 CO2
C12H22O11 --> 4 CH3CH2OH + 4 CO2

Приложение[редактиране | edit source]

Списък на държавите по консумация на алкохол, измерен в литри чист алкохол на глава от населението (15+)[21]

Алкохолите се използват като алкохолни напитки (само етанол), като гориво и в много научни, медицински и промишлени приложения. Етанолът под различни форми на алкохолни напитки се консумира от хората от праисторически времена. Алкохол в разговорния български е обобщаващо понятие за алкохолни напитки, а под съдържание на алкохол се разбира съдържанието на етанол.

Някои алкохоли от първите четири алифатни съединения, предимно етанол и метанол, могат да се използват като алкохолно гориво. Те се отличават с това, че могат да се синтезират и характеристиките им позволяват да бъдат използвани в съвременните двигатели. Отличават се с високо октаново число[22] и това води до по-голяма ефективност на изгаряне. Също с приложение при автомобилите е антифризът — 50% разтвор на етиленгликол във вода.

В промишлеността и науката алкохолите намират приложение като реагенти (реактиви) и разтворители. Алифатните алкохоли се използват в промишлеността като разтворители на лакове, бои, мастила. Дву- и тривалентните се използват при производството на пластмаси. Поради ниската си токсичност и способността да разтваря неполярни вещества етанолът се използва като разтворител при изготвянето на лекарства, парфюми и растителни есенции като ванилия. При органичния синтез алкохолите служат за посредници.

Етанолът се използва като средство за дезинфекция. В практиката намират приложение 70 % етилов алкохол, 60 % изопропилов алкохол и 50-60% n-пропилов алкохол предимно за дезинфекция на ръце. Сапуните с етанол стават все по-популярни и при използването им не се налага сушене тъй като те се изпаряват бързо.

Източници[редактиране | edit source]

  1. Караджов, Юлиян. Наркотиците. София, Дилок, 2001. ISBN 954-9994-04-Х. с. 262.
  2. Маринова, Веселина. Дестилацията в историята. // Бакхус. 01.10.2006.
  3. а б ((en)) Reusch, William. Alcohols. // VirtualText of Organic Chemistry. Посетен на 14 септември 2007.
  4. ((en))  Alcohols, Phenols, and their Derivatives. Alcohols Rule C-201. // IUPAC Nomenclature of Organic Chemistry. Advanced Chemistry Development, 2011. Посетен на 1 май 2011.
  5. а б в ((ru)) Нейланд, О. Я.. 286-287. // Органическая химия: Учеб. для хим. вузов. М., «Высшая школа», 1990. ISBN 5-06-001471-1.
  6. ((ru)) Термодинамические показатели органических соединений. // Новый справочник химика и технолога. Общие сведения. Строение вещества. Физические свойства важнейших веществ. Ароматические соединения. Химия фотографических процессов. Номенклатура органических соединений. Техника лабораторных работ. Основы технологии. Интеллектуальная собственность. ChemAnalitica.com. Посетен на 2009-08-27.
  7. ((en)) Maréchal Y.. The Hydrogen Bond and the Water Molecule: The Physics and Chemistry of Water, Aqueous and Bio-Media. Elsevier, 2007. ISBN 0-444-51957-2. с. 18.
  8. а б в ((ru)) Глава I. Энергии разрыва связей. // Энергии разрыва химических связей. Потенциалы ионизации и сродство к электрону. М., «Наука», 1974. с. 83.
  9. ((ru)) Компьютерное моделирование структур метанола и жидкого метана. // Журнал физической химии 70 (9). 1996. с. 1629.
  10. ((ru)) Глава III. Потенциалы ионизации. // Энергии разрыва химических связей. Потенциалы ионизации и сродство к электрону. М., «Наука», 1974. с. 247-248, 276.
  11. ((ru)) Basic principles of organic chemistry. М., Мир, 1978. с. 401.
  12. а б ((ru)) Чичибабин А. Е.. Физические свойства предельных углеводородов (алканов). // Основные начала органической химии. XuMuK.ru. Посетен на 2009-08-27.
  13. а б ((ru)) Глава XIV. Физико-химические свойства жирных спиртов. // Высшие жирные спирты (области применения, методы производства, физико-химические свойства). М., «Химия», 1970. с. 283-295.
  14. а б ((ru)) Раздел III. Свойства одноатомных спиртов. // Одно- и двухатомные спирты, простые эфиры и их сернистые аналоги. ChemNet. Химический факультет МГУ. Посетен на 2009-08-28.
  15. а б ((ru)) Ведерников А. Н.. Кислотность и основность органических соединений в растворах и газовой фазе. // Соросовский образовательный журнал (8). 2000. с. 49—52.
  16. ((en))McMurry J.. Organic chemistry. Seven edition. Thomson, 2008. ISBN 0-495-11258-5. с. 604, 658.
  17. а б ((ru)) Общая органическая химия. Кислородсодержащие соединения. М., «Химия», 1982. с. 20.
  18. ((ru)) Функции кислотности. // Химическая энциклопедия. М., Научное Издательство «Большая Российская Энциклопедия», 1999. ISBN 5-85270-310-9. с. 422—424.
  19. Alcohol Awareness Page
  20. Carleton College: Wellness Center: Blood Alcohol Concentration (BAC)
  21. Global Status Report on Alcohol 2004 (PDF). // Посетен на 2010-11-28.
  22. Owen, K., Coley., C.S. Weaver, "Automotive Fuels Reference Book", SAE International, ISBN 978-1-56091-589-8

Бележки[редактиране | edit source]

  1. Средно значение по данните на двата източника.
  2. В диметилсулфоксид.

Таблици[редактиране | edit source]

Уикицитат
Уикицитат съдържа колекция от цитати от/за
  1. Систематични и разговорни наименования на някои алкохоли.
  2. Зависимост на температурата на кипене на някои монозаместени производни на метана от молекулната маса.
  3. Енергия на връзката в метанола.
  4. Сравнение на температурите на кипене и плътностите на някои висши алкани и съответните алканоли.
  5. Стойности на константите за киселинност и енергиите на дисоциация на някои хидроксилни съединения.
  6. Стойности на константата за основност на някои алкохоли и водата.


Вижте още[редактиране | edit source]