Przeczytaj

bg‑red

Budowa a właściwości

RuAVgTZov533n1

Ilustracja przedstawia wzór ogólny alkoholi monohydroksylowych: atom tlenu połączony jest wiązaniem pojedynczym z lewej strony z grupą alkilową R, a z prawej strony z atomem wodoru. Kąt pomiędzy R a H wynosi 108,9 stopnia. — Wzór ogólny alkoholi monohydroksylowych (R – grupa alkilowa)
Źródło: dostępny w internecie: commons.wikimedia.org, domena publiczna.

Cząsteczka alkoholu zawiera hydrofilowąhydrofilowośćhydrofilową grupę $- OH$ i hydrofobowąhydrofobowośćhydrofobową resztę węglowodorową –R.

Alkohole można też traktować jako pochodne wody. W tym ujęciu zakładamy, że jeden z atomów wodoru w cząsteczce wody został zastąpiony grupą węglowodorową R. Na poniższym rysunku przedstawiono porównanie budowy cząsteczki wody i metanolu.

R1AK7BqrqyajD1

Na ilustracji przedstawiono porównanie budowy wody i alkoholu. W cząsteczce wody pomiędzy atomami wodoru zaznaczono kąt 104,5 stopnia. Przy atomach wodoru zaznaczono 1/2 delta +, przy atomie tlenu delta -. Przy wiązaniu pomiędzy atomem tlenu a wodoru jest wartość 96 pikometrów. W cząsteczce metanolu zaznaczono kąt pomiędzy atomem węgla i atomem wodoru, wynosi on 108,9 stopnia. Przy atomie węgla zaznaczono delta +, przy atomie wodoru z grupy OH delta +, przy atomie tlenu z grupy OH delta -. Wiązanie pomiędzy atomem tlenu a atomem węgla w metanolu zaznaczono jako wiązanie atomowe słabo spolaryzowane, natomiast pomiędzy atomem tlenu a wodoru jako silnie spolaryzowane. Wiązanie pomiędzy atomem tlenu i atomem wodoru w cząsteczce wody oznaczono jako silnie spolaryzowane. — Porównanie budowy cząsteczki wody i metanolu. W alkoholu występuje wiązanie atomowe H-O silnie spolaryzowane i słabo spolaryzowane wiązanie C-O, z kolei w cząsteczce wody oba wiązania atomowe H-O są silnie spolaryzowane.
Źródło: GroMar Sp. z o.o, licencja: CC BY-SA 3.0.

bg‑red

Czy budowa determinuje podstawowe właściwości fizyczne alkoholi?

Właściwości fizyczne

Poniżej przedstawiono właściwości fizyczne wybranych, nasyconych, alifatycznych alkoholi. Czy wszystkie alkohole mają te same cechy fizyczne?

Zapoznaj się z opisem grafiki dotyczącej właściwości fizycznych wybranych, nasyconych, alifatycznych alkoholi. Czy wszystkie alkohole mają te same cechy fizyczne?

RRLPo1QVX6bCS1

Ilustracja interaktywna. Na ilustracji głównej jest wnętrze laboratorium z laborantką odwróconą tyłem. Opisano: 1. Metanol:

{C H}_{3} O H

. Na ilustracji jest model cząsteczki: zbudowany jest z jednej czarnej kulki. Kulka łączy się po lewej stronie z trzema białymi kulkami, a po prawej stronie z czerwoną kulką, która łączy się z białą kulką. Metanol: bezbarwna ciecz o charakterystycznym zapachu (podobnym do etanolu) i piekącym smaku, bardzo dobrze rozpuszczalna w wodzie, rozpuszczalna w eterze i etanolu. Metanol to bardzo silna trucizna, dlatego nie wolno go pić ani wdychać jego oparów., 2. Etanol:

C_{2} H_{5} O H

. Na ilustracji jest model cząsteczki etanolu: łączą się ze sobą dwie czarne kulki. Kulka po lewej stronie łączy się z trzema białymi kulkami. Czarna kulka leżąca po prawej stronie łączy się na dole z dwiema białymi kulkami, a u góry z czerwoną kulką łączącą się z białą kulką. Etanol: bezbarwna, palna ciecz o charakterystycznym zapachu, bardzo dobrze rozpuszczalna w wodzie., 3. Dekan-1-ol:

C_{10} H_{21} O H

. Na ilustracji jest model cząsteczki: łańcuch główny jest zbudowany z dziesięciu czarnych kulek. Czarna kulka po lewej stronie łączy się na dole z dwiema białymi kulkami, a u góry z czerwoną kulką łączącą się z białą kulką. Czarna kulka po prawej stronie łańcucha łączy się z trzema białymi kulkami. Każda z pozostałych czarnych kulek łączy się z dwiema białymi kulkami. To oleista ciecz o nieprzyjemnym zapachu, słabo rozpuszczalna w wodzie., 4. Dodekan-1-ol:

C_{12} H_{25} O H

. Na ilustracji jest model cząsteczki: liczne połączone ze sobą czarne kulki łączą się na górze z białymi kulkami. Po prawej stronie łańcucha czarna kulka łączy się z czerwoną kulką. Ta z kolei łączy się z białą kulką. To bezbarwna krystaliczna substancja o nieprzyjemnym zapachu.

Poszczególne alkohole mogą na pierwszy rzut oka wyglądać podobnie.

Źródło: dostępny w internecie: pixabay.com, domena publiczna.

Polecenie 1

Przeanalizuj poniższy wykres i wyjaśnij, jak zmienia się temperatura wrzenia i topnienia alkoholi w szeregu homologicznym.

R16FIRzZdmZlM

R1bJZ3nTeotSh

Rozpuszczalność

Obecność silnie spolaryzowanego wiązania $O - H$ determinuje właściwości fizyczne i chemiczne alkoholi. Silna polaryzacja wiązania $O - H$ sprawia, że cząsteczki alkoholi są dipolami.

R1NYgL825IPLX

Na ilustracji jest uproszczony model dipolowy - ma dwa bieguny oznaczone jako delta plus i delta minus. Opis: cząsteczka metanolu ma charakter dipolowy. Na ilustracji zaznaczono także wiązanie wodorowe pomiędzy dwiema cząsteczkami metanolu - wiązanie wodorowe jest pomiędzy atomem tlenu jednej cząsteczki a atomem wodoru drugiej. — Cząsteczka metanolu ma charakter dipolowy. Jest to spowodowane rozdzieleniem ładunku, zwłaszcza w obszarze wiązania O-H.
Źródło: GroMar Sp. z o.o. na podstawie Krzeczkowska M., Loch J., Mizera A., Repetytorium chemia : Liceum - poziom podstawowy i rozszerzony, Wydawnictwo Szkolne PWN, Warszawa - Bielsko‑Biała 2010., licencja: CC BY-SA 3.0.

Istnienie wolnych par elektronowych atomu tlenu w cząsteczce alkoholu oraz jego silna elektroujemność umożliwiają tworzenie wiązań wodorowych pomiędzy cząsteczkami alkoholi i wody, a także pomiędzy cząsteczkami alkoholi.

Im krótszy łańcuch węglowy cząsteczki alkoholu, tym bardziej polarny jest jej charakter. Wraz ze wzrostem liczby atomów węgla w łańcuchu, czyli wzrostem wpływu tego łańcucha na właściwości związku, maleje rozpuszczalność w wodzie i reaktywność alkoholi. Dzieje się tak dlatego, że długi łańcuch węglowodorowy staje się dominującą częścią cząsteczki alkoholu. Wyższe alkohole równie dobrze rozpuszczają się w rozpuszczalnikach organicznych, np. w heksanie i innych węglowodorach. Wraz ze wzrostem liczby grup $- OH$ w cząsteczce alkoholu, wzrasta ich rozpuszczalność w wodzie.

Zmiany właściwości alkoholi w szeregu homologicznymszereg homologicznyszeregu homologicznym przedstawiono na poniższych wykresach.

RYsZRUj64zTnE

Ilustracja przedstawia szereg homologiczny alkoholi monohydroksylowych. Na samej górze szeregu jest strzałka skierowana w prawo, nad strzałką napisy: na początku strzałki ciecze posiadające od 1 do 11 atomów węgla w łańcuchu. W połowie strzałki są ciała stałe mające od 12 do n atomów węgla. Na końcu strzałki jest n c . Pod tą strzałką są trzy inne kolorowe strzałki również skierowane w prawo wskazujące na: wzrost temperatury wrzenia, wzrost temperatury topnienia, spadek rozpuszczalności w wodzie w przypadku wzrostu liczby atomów węgla. Dwie pierwsze strzałki są granatowe po lewej stronie, następnie zielone, żółte, pomarańczowe, a na końcu czerwone. Ostatnia strzałka - dotycząca spadku rozpuszczalności w wodzie jest biała po lewej stronie, następnie różowa, na końcu czerwona. — Szereg homologiczny alkoholi monohydroksylowych
Źródło: GroMar Sp. z o.o. na podstawie Krzeczkowska M., Loch J., Mizera A., *Repetytorium chemia : Liceum - poziom podstawowy i rozszerzony*, Warszawa - Bielsko‑Biała 2010., licencja: CC BY-SA 3.0.

Pierwsze cztery, w szeregu homologicznym, nasycone alkohole monohydroksylowe mieszają się z wodą w każdym stosunku. Wynika to z ich zdolności do tworzenia z cząsteczkami wody wiązań wodorowych, z czym związane jest zjawisko kontrakcjikontrakcjazjawisko kontrakcji.

Kontrakcja

Mieszając etanol z wodą otrzymujemy mieszaninę, której objętość jest mniejsza od sumy objętości składników. Ta właściwość alkoholi wynika właśnie ze zjawiska kontrakcjikontrakcjakontrakcji.

R91XyNo1cYuo7

Na ilustracji znajdują się trzy cylindry miarowe stojące obok siebie. W dwóch pierwszych jest taka sama ilość roztworu, w trzecim cylindrze o jedną trzecią więcej niż w poprzednich cylindrach. Pod cylindrami jest równanie: V 1 + V 2 > V . — Graficzne przedstawienie zjawiska kontrakcji
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Obecność grup $- OH$ prowadzi do asocjacji cząsteczek alkoholu, dzięki czemu nasycone alkohole monohydroksylowe mają temperatury wrzenia i topnienia odpowiednio wyższe od temperatur wrzenia i topnienia węglowodorów o tej samej liczbie atomów węgla w cząsteczce.

Dwa rodzaje oddziaływań, które wpływają na podwyższenie temperatur wrzenia i topnienia w cząsteczkach alifatycznych alkoholi w stosunku do odpowiednich alkanów, to wiązania wodorowe oraz oddziaływania dipol–diopl.

RlaTy6S88Dg6h

Na ilustracji jest wzór H 3 C − C H 2 − O − H . Nad i pod atomem tlenu są poziome kreski. Nad atomem tlenu jest delta minus, nad atomem wodoru delta plus. Na modelu kulkowym przedstawiającym połączone ze sobą cząsteczki metanolu - zaznaczono wiązanie wodorowe pomiędzy dużą, czerwoną kulką jednej cząsteczki metanolu a małą, białą kulką kolejnej cząsteczki. Zaznaczono także oddziaływanie dipolowe pomiędzy cząsteczkami: pomiędzy atomem wodoru delta plus i węgla delta plus zachodzi odpychanie w sąsiadujących cząsteczkach metanolu; pomiędzy atomami wodoru delta plus a tlenu delta minus zachodzi przyciąganie w sąsiadujących cząsteczkach metanolu. — Graficzne przedstawienie wiązań wodorowych i oddziaływań dipol-dipol w cząsteczkach alkoholu
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Słownik

szereg homologiczny

ciąg związków org. o cząsteczkach, które zawierają jednakowe grupy funkcyjne i mają taką samą budowę chem., natomiast różnią się między sobą o taką samą jednostkę strukturalną

kontrakcja

(łac. contractio „skurczenie”, „ściągnięcie”) zmiana objętości przy mieszaniu niektórych rozpuszczających się wzajemnie cieczy, np. wody i alkoholu

hydrofobowość

(gr. hydro „woda”, phobos „strach”) właściwość substancji, która polega na niezdolności jej cząsteczek (lub ich części) do oddziaływania z rozpuszczalnikami polarnymi, głównie z wodą bądź grupami polarnymi innych cząsteczek; cecha makroskopowa materiałów obrazuje brak zdolności do zwilżania przez wodę

hydrofilowość

(gr. hydro „woda”, philia „lubić”) właściwość substancji, która polega na zdolności jej cząsteczek (lub ich części) do oddziaływania z rozpuszczalnikami polarnymi, głównie z wodą bądź grupami polarnymi innych związków; cecha makroskopowa materiałów obrazuje zdolność do zwilżania wodą

Bibliografia

Krzeczkowska M., Loch J., Mizera A., Repetytorium chemia. Liceum – poziom podstawowy i rozszerzony, Warszawa – Bielsko‑Biała 2010.

Wprowadzenie

Wirtualne laboratorium – I