Właściwości fizyczne metanolu i etanolu

Metanol i etanol są bezbarwnymi cieczami. Obecny w handlu stężony roztwór etanolu nosi nazwę spirytusu rektyfikowanego (łac. spiritus „tchnienie, duch”) i zawiera około $\mathrm{95,6}\%$ objętościowego czystego etanolu (pozostałą część stanowi woda). W handlu dostępny jest również tak zwany denaturat (łac. denaturatus „skażony”) – roztwór wodny etanolu, zawierający około $92\%$ objętościowych tego alkoholu oraz substancje mające uniemożliwić jego spożycie (stosuje się go między innymi jako rozpuszczalnik lub rozpałkę). Do denaturatu często dodaje się również substancje barwiące (zwykle barwnik fioletowy).

Na poniższej grafice znajdują się butelki z dostępnymi w handlu spirytusem rektyfikowanym i skażonym, a także butelka z metanolem.

Zwróć uwagę, że zawartość tych butelek jest identyczna i gdyby nie znajdujące się na nich etykiety, za pomocą zmysłu wzroku nie moglibyśmy ustalić, który ze związków chemicznych i w jakiej formie się w nich znajduje. Jak zatem możemy odróżnić od siebie metanol i etanol?

Sprawdziliśmy doświadczalnie, że etanol bardzo dobrze rozpuszcza się w wodzie, a objętość uzyskanej mieszaniny jednorodnej jest mniejsza niż suma objętości jej składników (wody destylowanej i etanolu). Przyczyną ostatniej z obserwacji jest zjawisko fizyczne nazywane kontrakcją objętości.

Kontrakcja objętości (łac. contractio „skurczenie, ściągnięcie”) to zjawisko fizyczne polegające na zmniejszaniu się objętości podczas mieszania dwóch rozpuszczających się wzajemnie cieczy – w naszym przypadku wody i etanolu. Cząsteczki wody i etanolu mają różne rozmiary (cząsteczki etanolu (${\text{CH}}_3{\text{CH}}_2\text{OH}$) są większe od cząsteczek wody (${\text{H}}_2\text{O}$)). Podczas mieszania obydwu cieczy, cząsteczki wody zajmują wolne przestrzenie pomiędzy cząsteczkami etanolu, tak jak to zilustrowano na poniższym schemacie.

R1bTaU6lDW4aB

Na grafice przedstawione są trzy cylindry miarowe zawierające fioletową ciecz. W pierwszej ciecz wypełnia cylinder do połowy, w drugiej również. Trzecia natomiast przedstawia poziom cieczy w cylindrze po zmieszaniu objętości dwóch poprzednich cieczy. Końcowa objętość po zmieszaniu poprzednich cieczy jest mniejsza niż suma objętości cieczy z pierwszego i drugiego cylindra. Pod probówkami widnieje napis: <math aria‑label="V indeks dolny jeden koniec indeksu dodać V indeks dolny dwa koniec indeksu jest większe niż V">V1+V2>V

Przyczyną występowania zjawiska kontrakcji objętości są różne rozmiary cząsteczek mieszanych cieczy oraz zachodzące pomiędzy tymi cząsteczkami oddziaływania.

Istnienie zjawiska kontrakcji należy uwzględnić w przemyśle spirytusowym – zarówno podczas planowania i przeprowadzania procesów technologicznych, jak i przy obliczaniu wydajności produkcji. Choć zaobserwowana w doświadczeniu nr $1$ zmiana objętości mieszaniny wydaje się niewielka, to na skalę przemysłową ma już większe znaczenie. W wyniku zmieszania $50 {\text{dm}}^3$ wody i $50 {\text{dm}}^3$ etanolu (spirytusu) powstaje nie $100$, lecz $\mathrm{96,3} {\text{dm}}^3$ roztworu.

Metanol, podobnie jak etanol, bardzo dobrze rozpuszcza się w wodzie – ich rozpuszczalność w wodzie jest nieograniczona. Jedną z przyczyn tego jest budowa cząsteczek wymienionych alkoholi, zbliżona do budowy cząsteczki wody.

Atom tlenu ma większą wartość elektroujemności niż atom wodoru, dlatego też silniej przyciąga do siebie elektrony tworzące wiązanie (elektrony wiążące) pomiędzy atomami tych pierwiastków. To sprawia, że na atomie tlenu gromadzi się cząstkowy ładunek ujemny, a na atomie (atomach) wodoru cząstkowy ładunek dodatni. Taki układ ładunków sprawia, że woda jest dipolem – ma budowę polarną (jest rozpuszczalnikiem polarnym). Obecność polarnej grupy hydroksylowej w cząsteczkach metanolu i etanolu upodabnia je niejako do cząsteczki wody. Możemy zatem wnioskować, że cząsteczki analizowanych alkoholi również mają budowę polarną, a substancje polarne dobrze rozpuszczają się w polarnych rozpuszczalnikach.

Jak zatem odróżnić od siebie te dwa alkohole?

Aby zidentyfikować daną osobę najlepiej pobrać jej odcisk palca. Swego rodzaju „odciskiem palca”, a więc czymś charakterystycznym dla danego związku chemicznego, jest jego temperatura wrzenia. To taka wartość temperatury, w której substancja ciekła (w całej swojej objętości) przechodzi w stan gazowy. To właśnie tę wielkość fizyczną należy wyznaczyć, żeby odróżnić metanol od etanolu.

Temperaturę wrzenia można wyznaczyć, wykorzystując chociażby zestaw doświadczalny z poniższego schematu (podobny można wykorzystać w laboratorium chemicznym do rozdzielenia mieszanin ciekłych w procesie destylacji). Przeanalizuj poszczególne elementy zestawu.

W celu wyznaczenia temperatury wrzenia za pomocą powyższego zestawu, dany alkohol należy powoli ogrzewać. Od momentu rozpoczęcia ogrzewania słupek cieczy w termometrze unosi się i zatrzymuje przy określonej temperaturze, można wtedy zobserwować pierwsze objawy wrzenia cieczy. Wartość temperatury, którą wskazuje termometr, należy odczytać i zanotować (jest to wartość temperatury wrzenia analizowanego alkoholu). W tym momencie cała zawartość kolby przechodzi w stan gazowy. Pary badanego alkoholu dostają się do chłodnicy, gdzie schłodzone ulegają skropleniu i przemieszczają się do odbieralnika.

Metanol moglibyśmy również odróżnić od etanolu, wyznaczając gęstostość tych alkoholi.

Zmiany wybranych właściwości fizycznych nasyconych monohydroksylowych alkoholi w szeregu homologicznym

Metanol i etanol to nasycone monohydroksylowe alkohole, których cząsteczki zbudowane są z krótkich łańcuchów węglowych (cząsteczka metanolu zawiera jeden atom węgla, a cząsteczka etanolu dwa atomy węgla). Jak myślisz, czy ilość atomów węgla w cząsteczce alkoholu ma wpływ na jego właściwości fizyczne?

Po analizie temperatur wrzenia metanolu i etanolu, odpowiedź wydaje się oczywista – właściwości fizyczne alkoholi będą uzależnione od liczby atomów węgla w ich cząsteczkach.

Nie wszystkie alkohole mają ciekły stan skupienia. W szeregu homologicznym nasyconych monohydroksylowych alkoholi, których cząsteczki zbudowane są z prostych (nierozgałęzionych) łańcuchów węglowych, cieczami są te z nich, zawierające w cząsteczkach od $1$ do $11$ atomów węgla. Alkohol, którego cząsteczki zbudowane są z przynajmniej $12$ atomów węgla, połączonych w prosty (nierozgałęziony) łańcuch, to ciała stałe. Można zatem wnioskować, że skoro obserwujemy zmianę stanu skupienia, to zmianie będzie ulegała również gęstość alkoholi. Wraz ze wzrostem długości łańcucha węglowego w cząsteczkach nasyconych monohydroksylowych alkoholi, na ogół wzrasta ich gęstość.

1

Polecenie 4

Poniższy wykres przedstawia zależność temperatury wrzenia wybranych alkoholi (metanolu, etanolu, propan–$1$–olu, butan–$1$–olu, pentan–$1$–olu oraz heksan–$1$–olu) od liczby atomów węgla w łańcuchu węglowym. Przeanalizuj przedstawione na wykresie informacje. Następnie odpowiedz na pytanie, jaka jest zależność między temperaturą wrzenia nasyconych monohydroksylowych alkoholi, a liczbą atomów węgla, z których zbudowane są ich cząsteczki.

RwLkO0kNMnOBs

Grafika przedstawia wykres zależności temperatury wrzenia wybranych alkoholi od liczby węgla w łańcuchu węglowym. Kolejno: Liczba atomów węgla w łańcuchu 1 temperatura 70 stopni Celsjusza, liczba atomów węgla 2 temperatura około 80 stopni Celsjusza, liczba atomów węgla 3 temperatura około 100 stopni Celsjusza, liczba atomów węgla 4 temperatura 110 stopni Celsjusza, liczba atomów węgla 5 temperatura około 130 stopni Celsjusza, liczba atomów węgla 6 temperatura 180 stopni Celsjusza.

Na grafice przedstawiono wykres zależności temperatury wrzenia wybranych alkoholi od liczby węgla w łańcuchu węglowym. Kolejno zapisano liczbę atomów węgla w łańcuchu i temperaturę:

• $1$ – $70°\text{C}$,

• $2$ – około $80°\text{C}$,

• $3$ – około $100°\text{C}$,

• $4$ – $110°\text{C}$,

• $5$ – około $130°\text{C}$,

• $6$ – $180°\text{C}$.

R1YjQlQXeycgJ

Odpowiedź: (Uzupełnij).

Wskazówki i klucze odpowiedzi

Pokaż podpowiedź

Odczytaj z wykresu, jakie wartości temperatur wrzenia odpowiadają cząsteczkom alkoholi zbudowanych kolejno z jednego, dwóch, trzech, czterech, pięciu oraz sześciu atomów węgla.

Pokaż odpowiedź

Czy Twoja odpowiedź jest zbliżona do tej zamieszczonej poniżej?

Im więcej atomów węgla znajduje się w cząsteczce nasyconego monohydroksylowego alkoholu, tym wyższa jest jego temperatura wrzenia.

Długość łańcucha węglowego w cząsteczce (a więc liczba atomów węgla, z których jest on zbudowany) wpływa również na rozpuszczalność alkoholu w wodzie. Bez ograniczeń rozpuszczają się w niej tylko pierwsze trzy alkohole z szeregu homologicznego nasyconych alkoholi monohydroksylowych: metanol, etanol, propan–$1$–ol. Począwszy od alkoholu, którego cząsteczki zbudowane są z czterech atomów węgla (połączonych w nierozgałęziony łańcuch) rozpuszczalność w wodzie maleje, wraz ze wzrostem długości łańcucha węglowego, w cząsteczkach kolejnych alkoholi. Zmiana ta związana jest ze zwiększającym się fragmentem (łańcuchem) węglowodorowym w cząsteczce alkoholu. Fragment ten, w przeciwieństwie do fragmentu utworzonego z grupy hydroksylowej ($—\text{OH}$), jest niepolarny. Dlatego im większy jest jego udział w cząsteczce alkoholu, tym mniejsza jest rozpuszczalność tego alkoholu w polarnej wodzie.

Wybrane właściwości chemiczne nasyconych alkoholi monohydroksylowych

Zarówno metanol, jak i etanol charakteryzują się ostrym, drażniącym zapachem. W związku z tym, zmysł węchu (podobnie jak zmysł wzroku) nie pozwala na odróżnienie tych alkoholi od siebie i może doprowadzić do tragicznej w skutkach pomyłki.

Etykiety umieszczone na naczyniach, w których w laboratorium chemicznym przechowywane są wspomniane alkohole, zawierają odpowiednie piktogramy ostrzegawcze.

R1aN85gE6NrGZ

Piktogramy określające rodzaj zagrożenia. metanol: substancje uczulające i rakotwórcze — czerwona ramka w kształcie rombu, w środku czarny zarys człowieka z dziurą/uszkodzeniem w kształcie gwiazdy na wysokości klatki piersiowej. Silne trucizny po spożyciu lub naniesieniu na skórę: czerwona ramka w kształcie rombu, w środku ilustracja ludzkiej czaszki i dwóch skrzyżowanych kości. Łatwopalne aerozole, ciecze i ciała stałe: czerwona ramka w kształcie rombu, w środku ilustracja ognia. Etanol — łatwopalne aerozole, ciecze i ciała stałe: czerwona ramka w kształcie rombu, w środku ilustracja ognia.

Odczyn wodnych roztworów alkoholi

Obecna w cząsteczkach alkoholi grupa hydroksylowa przypomina w budowie jon wodorotlenkowy, jaki znajduje się w strukturze wodorotlenków. Wodorotlenki rozpuszczalne w wodzie ulegają pod wpływem jej cząsteczek procesowi dysocjacji elektrolitycznej, a odczyn ich wodnych roztworów jest zasadowy. Czy alkohole również ulegają w wodzie dysocjacji elektrolitycznej? Czy odczyn wodnych roztworów alkoholi jest taki sam jak odczyn wodorotlenków?

Badanie odczynu wodnego roztworu alkoholu etylowego

Doświadczenie 2

Ry7OY8M5rF5xJ

Problem badawczy: Jaki odczyn ma wodny roztwór etanolu?. Hipoteza: W cząsteczkach alkoholi znajduje się grupa –OH, więc wodny roztwór etanolu będzie wykazywał odczyn zasadowy. Co będzie potrzebne: trzy probówki; statyw na probówki; wodny roztwór etanolu (spirytus przemysłowy lub wódka); wywar z czerwonej kapusty; alkoholowy roztwór fenoloftaleiny; uniwersalny papierek wskaźnikowy. Instrukcja: 1. Do trzech probówek wlej po ok. 3 cm3 alkoholu. 2. Do jednej probówki wlej kilka kropli wywaru z czerwonej kapusty, a do drugiej kroplę alkoholowego roztworu fenoloftaleiny. W roztworze z trzeciej probówki zanurz uniwersalny papierek wskaźnikowy.

RdChKZO5uv6vc

Odczyn wodnych roztworów etanolu. Na ilustracji znajdują się trzy probówki. Pierwsza zawiera fioletową ciecz. Podpis: wodny roztwór etanolu z kilkoma kroplami wywaru z czerwonej kapusty. Druga probówka zawiera ciecz przezroczystą. Podpis: wodny roztwór etanolu z kilkoma kroplami alkoholowego roztworu fenoloftaleiny. Trzecia probówka zawiera przezroczystą ciecz, w której zanurzono papierek wskaźnikowy. Podpis: uniwersalny papierek wskaźnikowy zanurzony w wodnym roztworze etanolu.

Badanie odczynu wodnego roztworu alkoholu etylowego.

Problem badawczy:

Jaki odczyn ma wodny roztwór etanolu?

Hipoteza:

W cząsteczkach alkoholi znajduje się grupa $—\text{OH}$, więc wodny roztwór etanolu będzie wykazywał odczyn zasadowy.

Co było potrzebne:

• trzy probówki;

• statyw na probówki;

• wodny roztwór etanolu (spirytus przemysłowy lub wódka);

• wywar z czerwonej kapusty;

• alkoholowy roztwór fenoloftaleiny;

• uniwersalny papierek wskaźnikowy.

Przebieg doświadczenia:

Do trzech probówek wlano po około $3 {\text{cm}}^3$ alkoholu. Do jednej probówki wlano kilka kropli wywaru z czerwonej kapusty, a do drugiej kroplę alkoholowego roztworu fenoloftaleiny. W roztworze z trzeciej probówki zanurzono uniwersalny papierek wskaźnikowy.

Obserwacje:

Po wprowadzeniu wywaru z czerwonej kapusty do wodnego roztworu etanolu uzyskano fioletowy roztwór (wywar z czerwonej kapusty nie zmienił swojego zabarwienia). Po wprowadzeniu alkoholowego roztworu fenoloftaleiny do wodnego roztworu etanolu, roztwór pozostał bezbarwny. Papierek uniwersalny, zanurzony w wodnym roztworze etanolu, pozostał żółty.

Wnioski:

Postawiona hipoteza jest błędna. Wodny roztwór etanolu ma odczyn obojętny.

1

Polecenie 5

R12PgddULlySP

Obserwacje: (Uzupełnij) Wnioski: (Uzupełnij).

Wskazówki i klucze odpowiedzi

Pokaż podpowiedź

Obserwacje: Jaką barwę mają użyte w doświadczeniu wskaźniki kwasowo–zasadowe (wywar z czerwonej kapusty, alkoholowy roztwór fenoloftaleiny i papierek uniwersalny) w wodnym roztworze etanolu?

Wnioski: O czym świadczy zabarwienie każdego z użytych w doświadczeniu wskaźników kwasowo–zasadowych?

Pokaż odpowiedź

Czy w zapisanych przez Ciebie odpowiedziach znajdują się poniższe informacje?

Obserwacje: Po wprowadzeniu wywaru z czerwonej kapusty do wodnego roztworu etanolu uzyskano fioletowy roztwór (wywar z czerwonej kapusty nie zmienił swojego zabarwienia). Po wprowadzeniu alkoholowego roztworu fenoloftaleiny do wodnego roztworu etanolu, roztwór pozostał bezbarwny. Papierek uniwersalny, zanurzony w wodnym roztworze etanolu, pozostał żółty.

Wnioski: Postawiona hipoteza jest błędna. Wodny roztwór etanolu ma odczyn obojętny.

R1SR5mnpgSXy5

Uzupełnij poniższy tekst zaznaczając odpowiednią odpowiedź. Etanol w roztworze wodnym wykazuje charakter kwasowy/obojętny\zasadowy. Wywar z czerwonej kapusty w obecności roztworu alkoholu etylowego barwi się na zielono/pozostaje fioletowy/barwi się na niebiesko. Uniwersalny papierek wskaźnikowy zamoczony w wodnym roztworze etanolu ma kolor niebieski/żółty)/{czerwony.

Uzupełnij poniższy tekst zaznaczając odpowiednią odpowiedź. Etanol w roztworze wodnym wykazuje charakter kwasowy/obojętny\zasadowy. Wywar z czerwonej kapusty w obecności roztworu alkoholu etylowego barwi się na zielono/pozostaje fioletowy/barwi się na niebiesko. Uniwersalny papierek wskaźnikowy zamoczony w wodnym roztworze etanolu ma kolor niebieski/żółty)/{czerwony.

Wskaźniki kwasowo–zasadowe, dodane do wodnych roztworów etanolu, nie zmieniły zabarwienia. Świadczy to o obojętnym odczynie badanego roztworu. Za odczyn wodnych roztworów odpowiedzialne są obecne w nich kationy oksoniowe (${\text{H}}_3{\text{O}}^{+}$, w uproszczeniu ${\text{H}}^{+}$) oraz aniony wodorotlenkowe (${\text{OH}}^{-}$). W wyniku dysocjacji elektrolitycznej wodorotlenków, w ich wodnych roztworach pojawia się nadmiar jonów wodorotlenkowych w stosunku do kationów oksoniowych. To oznacza, że odczyn wodnych roztworów wodorotlenków jest zasadowy.

Ponieważ stwierdziliśmy doświadczalnie, że odczyn wodnego roztworu etanolu jest obojętny, możemy wnioskować, że pomimo obecności w cząsteczce tego alkoholu grupy $—\text{OH}$, nie ulega on w wodzie procesowi dysocjacji elektrolitycznej.

Rozważania te możemy rozszerzyć dla całego szeregu homologicznego alkoholi. Alkohole nie ulegają procesowi dysocjacji elektrolitycznej pod wpływem wody, a odczyn wodnego roztworu dowolnego alkoholu jest obojętny.

Reakcje spalania alkoholi

Alkohole są substancjami łatwopalnymi. Substratem reakcji spalania alkoholu (oprócz danego alkoholu) jest tlen. Produktem zaś jest zawsze woda (w postaci pary wodnej) i, w zależności od dostępności tlenu, węgiel (sadza), tlenek węgla($\text{II}$) (czad) lub tlenek węgla($\text{IV}$).

Zarówno metanol, jak i etanol palą się bladoniebieskim płomieniem.

RgbEmaAnIhqoT

Badanie palności etanolu. Na grafice przedstawiono palący się etanol. Spala się on bladoniebieskim płomieniem.

Na poniższych animacjach zobrazowano za pomocą modeli cząsteczek oraz równań reakcji chemicznych, w jaki sposób przebiegają reakcje całkowitego spalania metanolu i etanolu. Zapoznaj się z zawartymi tam informacjami, a następnie wykonaj polecenie znajdujące się poniżej.

RjVJGAgWDtOEV

Na filmie ukazano cząsteczkowy oraz sumaryczny zapis reakcji spalania metanolu. Oznaczono substraty oraz produkty.

Na filmie ukazano cząsteczkowy oraz sumaryczny zapis reakcji spalania metanolu. Oznaczono substraty oraz produkty.

Film dostępny pod adresem /preview/resource/RjVJGAgWDtOEV

Na filmie ukazano cząsteczkowy oraz sumaryczny zapis reakcji spalania metanolu. Oznaczono substraty oraz produkty.

RLSSRHwLhjWVR

Na filmie ukazano cząsteczkowy oraz sumaryczny zapis reakcji spalania etanolu. Oznaczono substraty oraz produkty.

Na filmie ukazano cząsteczkowy oraz sumaryczny zapis reakcji spalania etanolu. Oznaczono substraty oraz produkty.

Film dostępny pod adresem /preview/resource/RLSSRHwLhjWVR

Na filmie ukazano cząsteczkowy oraz sumaryczny zapis reakcji spalania etanolu. Oznaczono substraty oraz produkty.

Reakcje niecałkowitego spalania alkoholi przebiegają przy ograniczonym dostępie tlenu. Produktami reakcji spalania niecałkowitego mogą być tlenek węgla($\text{II}$) oraz woda:

${\text{CH}}_{\mathrm{3}}\text{OH}+{\text{O}}_{2 }\to \text{CO}+{\text{H}}_{\mathrm{2}}\text{O}$

${\text{C}}_{\mathrm{2}}{\text{H}}_{\mathrm{5}}\text{OH}+2 {\text{O}}_{\mathrm{2}}\to 2 \text{CO}+3 {\text{H}}_{\mathrm{2}}\text{O}$

lub sadza (węgiel) i woda:

$2 {\text{CH}}_{\mathrm{3}}\text{OH}+{\text{O}}_2\to 2 \text{C}+4 {\text{H}}_{\mathrm{2}}\text{O}$

${\text{C}}_{\mathrm{2}}{\text{H}}_{\mathrm{5}}\text{OH}+{\text{O}}_2\to 2 \text{C}+3 {\text{H}}_{\mathrm{2}}\text{O}$

Podsumowanie

• Metanol i etanol mają wiele wspólnych właściwości fizycznych i chemicznych i dlatego trudno je rozróżnić.

• Metanol jest trucizną. Spożycie nawet niewielkiej ilości tego alkoholu może prowadzić do nieodwracalnej utraty wzroku, a nawet śmierci.

• Pierwsze trzy alkohole (z szeregu homologicznego nasyconych alkoholi monohydroksylowych) bardzo dobrze rozpuszczają się w wodzie (mieszają się z wodą bez ograniczeń). Począwszy od czwartego z kolei alkoholu, rozpuszczalność w wodzie maleje wraz ze wzrostem długości łańcucha węglowego w cząsteczkach alkoholi.

• Odczyn wodnych roztworów alkoholi jest obojętny.

• Temperatura wrzenia nasyconych alkoholi monohydroksylowych, których cząsteczki zbudowane są z prostych (nierozgałęzionych) łańcuchów węglowych, rośnie wraz ze wzrostem długości tych łańcuchów.

• Alkohole to substancje palne. Ulegają reakcjom spalania całkowitego i spalania niecałkowitego.

Słownik