Написать уравнение глицерина с азотной кислотой

Нитроглицерин: получение в лаборатории

Нитроглицерин — одно из наиболее известных взрывчатых веществ, основа состава динамита. Он нашел широкое применение во многих областях промышленности благодаря своим характеристикам, однако до сих пор одна из главных проблем, связанных с ним — вопрос безопасности.

История

История нитроглицерина начинается с итальянского ученого-химика Асканьо Собреро. Он впервые синтезировал это вещество в 1846 году. Первоначально ему было дано название пироглицерина. Уже Собреро обнаружил его большую неустойчивость — нитроглицерин мог взрываться даже от слабых сотрясений или ударов.

Мощность взрыва нитроглицерина теоретически делала его перспективным реагентом в горнодобывающей и строительной промышленностях — он был гораздо эффективнее существовавших на то время видов взрывчатки. Однако упомянутая нестабильность создавала слишком большую угрозу при его хранении и транспортировке — поэтому нитроглицерин отложили в долгий ящик.

Дело чуть сдвинулось с места при появлении Альфреда Нобеля и его семьи — отец и сыновья наладили промышленное производство этого вещества в 1862 году, невзирая на все опасности, связанные с ним. Однако случилось то, что должно было случиться рано или поздно — на фабрике произошел взрыв, и младший брат Нобеля погиб. Отец после перенесенного горя отошел от дел, однако Альфред сумел продолжить производство. Для повышения безопасности он смешивал нитроглицерин с метанолом — смесь была более стабильной, однако очень пожароопасной. Это все еще не было окончательным решением.

Им стал динамит — нитроглицерин, поглощенный кизельгуром (осадочной породой). Взрывоопасность вещества уменьшилась на несколько порядков. Позже смесь совершенствовалась, кизельгур заменяли более эффективными стабилизаторами, однако суть оставалось той же — жидкость поглощалась и переставала взрываться от малейших сотрясений.

Физические и химические свойства

Нитроглицерин — это нитроэфир азотной кислоты и глицерина. В нормальных условиях это желтоватая, вязкая маслянистая жидкость. Нитроглицерин нерастворим в воде. Этим его свойством пользовался Нобель: чтобы после транспортировки подготовить нитроглицерин к применению и освободить его от метанола, он промывал смесь водой — метиловый спирт растворялся в ней и уходил, а нитроглицерин оставался. Это же свойство используют при получении нитроглицерина: водой продукт синтеза промывают от остатков реагентов.

Нитроглицерин гидролизуется (с образованием глицерина и азотной кислоты) при нагревании. Без нагревания идет щелочной гидролиз.

Взрывчатые свойства

Как уже было сказано, нитроглицерин крайне неустойчив. Однако здесь стоит сделать важное замечание: он восприимчив именно к механическому воздействию — взрывается от сотрясения или удара. Если просто поджечь его, жидкость, скорее всего, будет спокойно гореть без взрыва.

Стабилизация нитроглицерина. Динамит

Первым опытом по стабилизации нитроглицерина Нобеля был динамит — кизельгур полностью поглощал жидкость, и смесь была безопасной (до тех пор, конечно, пока ее не активируют в подрывной шашке). Причина, по которой используется именно кизельгур — капиллярный эффект. Наличие микротрубочек в этой породе обусловливает эффективное всасывание жидкости (нитроглицерина) и удержание ее там на долгое время.

Получение в лаборатории

Реакция получения нитроглицерина в лаборатории сейчас все та же, которой пользовался еще Собреро — этерификация в присутствии серной кислоты. Сначала берется смесь азотной и серной кислот. Кислоты необходимы концентрированные, с малым количеством воды. Далее к смеси малыми порциями при постоянном перемешивании постепенно добавляется глицерин. Температура должна поддерживаться низкая, так как в горячем растворе вместо этерификации (образования эфира) будет происходить окисление глицерина азотной кислотой.

Но так как реакция идет с выделением большого количества тепла, смесь необходимо постоянно охлаждать (обычно это делается с помощью льда). Как правило, она держится в районе 0 °С, превышение отметки в 25 °С может грозить взрывом. Контроль температуры осуществляется постоянно с помощью термометра.

Нитроглицерин тяжелее воды, однако легче минеральных (азотной и серной) кислот. Поэтому в реакционной смеси продукт будет лежать отдельным слоем на поверхности. После окончания реакции сосуд необходимо еще охладить, подождать, пока в верхнем слое не скопится максимальное количество нитроглицерина, а потом слить его в другую емкость с холодной водой. Затем идет интенсивная промывка в больших объемах воды. Это необходимо для того, чтобы как можно лучше очистить нитроглицерин от всех примесей. Это важно, потому что в комплекте с остатками непрореагировавших кислот взрывоопасность вещества увеличивается в несколько раз.

Промышленное получение

В промышленности уже давно довели до автоматизации процесс получения нитроглицерина. Система, которая используется в настоящее время, в основных своих аспектах была придумана еще в 1935 году Биацци (и так и называется — установка Биацци). Главные технические решения в ней — это сепараторы. Первичная смесь непромытого нитроглицерина сначала в сепараторе под действием центробежных сил разделяется на две фазы — ту, что с нитроглицерином, отбирают для дальнейшей промывки, а кислоты остаются в сепараторе.

Остальные этапы производства совпадают со стандартными. То есть, смешивание глицерина и нитрующей смеси в реакторе (производится с помощью специальных насосов, перемешивается турбинной мешалкой, охлаждение более мощное — с помощью фреона), несколько этапов промывки (водой и чуть подщелоченной водой), перед каждым из которых идет этап с сепаратором.

Установка Биацци достаточно безопасна и обладает достаточно высокой производительностью по сравнению с другими технологиями (однако обычно большое количество продукта теряется при промывке).

Домашние условия

К сожалению, хотя, скорее, к счастью, синтез нитроглицерина в домашних условиях связан со слишком большим количеством трудностей, преодоление которых в основном не стоит результата.

Единственный возможный способ синтеза в домашних условиях — получение нитроглицерина из глицерина (как и в лабораторном способе). И здесь основная проблема — серная и азотная кислоты. Продажа этих реактивов разрешена только определенным юридическим лицам и строго контролируется государством.

Возникает очевидное решение — синтезировать их самостоятельно. Жюль Верн в своем романе «Таинственный остров», рассказывая об эпизоде изготовления главными героями нитроглицерина, опустил конечный момент процесса, однако крайне подробно описал процесс получения серной и азотной кислот.

Действительно заинтересовавшиеся могут заглянуть в книгу (первая часть, глава семнадцатая), однако и тут загвоздка — необитаемый остров буквально изобиловал необходимыми реактивами, поэтому в распоряжении героев оказались серный колчедан, водоросли, много угля (для обжига), калийная селитра и так далее. Будет ли это у среднестатистического увлекающегося человека? Вряд ли. Поэтому домашний нитроглицерин в абсолютном большинстве случаев остается лишь мечтой.

Урок 25. Сложные эфиры. Жиры

Сложные эфиры — это продукт взаимодействия спирта с кислородсодержащей кислотой.

Задание 25.1. Составьте уравнение реакции глицерина с азотной кислотой. Назовите полученное соединение.

Так, при взаимодействии глицерина с азотной кислотой получается сложный эфир нитроглицерин.

Разберём свойства и способ получения эфиров карбоновых кислот. Такие эфиры получаются при помощи реакции этерификации, т. е. при взаимодействии спирта с карбоновой кислотой в присутствии концентрированной серной кислоты, например:

Название этого и других сложных эфиров составляют из названий кислоты и спирта. Например, название этого эфира звучит так: этиловый эфир уксусной кислоты, или уксусно-этиловый эфир.

Очень часто употребляют названия эфиров, совпадающие с названиями солей данных кислот. Например, «химическое» название нитроглицерина «тринитрат глицерина». Это название совпадает с названиями солей азотной кислоты.

Вопрос. Как называются соли уксусной кислоты?

Поскольку углеводородный радикал спирта (в данной случае) называется этил, а соли уксусной кислоты — ацетаты, то полученный сложный эфир называется этилацетатом.

Задание 25.2. Составьте уравнения реакций получения

Дайте другие названия полученным эфирам.

Для составления таких реакций нужно:

1. Выяснить, какая кислота образует данную соль (урок 24.4);

2. Выяснить, какой спирт имеет соответствующий радикал;

3. Записать формулы кислоты и спирта так, чтобы функциональные группы были рядом («голова к голове»);

4. Отщепить молекулу воды и соединить остатки молекул простой связью:

5. Назвать сложный эфир.

При правильном выполнении задания вы получите для пропилформиата:

Сложные эфиры легко подвергаются гидролизу, т. е. взаимодействуют с водой, образуя исходные кислоту и спирт:

Задание 25.3. Составьте уравнения реакций гидролиза для пропилформиата, метилбутирата.

Вопрос. Могут ли вещества, полученные в результате реакции гидролиза, реагировать друг с другом? Что при этом получается?

Поскольку полученные кислота и спирт могут реагировать друг с другом, реакция гидролиза сложного эфира обратима. Она происходит в присутствии растворов кислот (Н + ). В присутствии щелочей реакция гидролиза сложного эфира становится необратимой (!).

Вопрос. Реагирует ли с раствором щелочи:

Что получается в результате возможной реакции?

В результате щелочного гидролиза образуется соль кислоты и спирт:

Вопрос. Почему эта реакция необратима?

Задание 25.4. Составьте уравнения реакций щелочного гидролиза для:

Назовите полученные вещества.

Жидкие сложные эфиры, как правило, имеют приятный запах, являются хорошими растворителями. Но твёрдые сложные эфиры одноатомных спиртов запаха не имеют и по внешнему виду напоминают жир. Но это не жир, это воск. Настоящий ЖИР — это сложный эфир трёхатомного спирта глицерина и карбоновых кислот:

В состав природных жиров могут входить остатки как предельных кислот (масляная, стеариновая, пальмитиновая С₁₅Н₃₁СООН), так и непредельных (олеиновая С₁₇Н₃₃СООН) кислот.

Задание 25.5. Напишите формулы масляной и стеариновой кислот.

Если в составе жира преобладают твёрдые предельные кислоты, то жир — твёрдый; если непредельные (жидкие) кислоты, то жир — жидкий.

Задание 25.6. Напишите по приведённой выше схеме уравнения реакций:

1. глицерин + стеариновая кислота;
2. глицерин + олеиновая кислота.

Какое агрегатное состояние имеет каждый из полученных жиров?

Названия жиров составляют, исходя из названий кислот, входящих в его состав, так как спирт, образующий жир, один и тот же — глицерин. Так, если в состав жира входят три остатка пальмитиновой кислоты, то он называется трипальмитин.

Задание 25.7. Назовите жиры, полученные в предыдущем задании 25.6.

Задание 25.8. Сравните состав жиров: тристеарина и триолеина. Сделайте вывод: можно ли жидкий жир (триолеин) превратить в твёрдый (тристеарин)? Как?

На практике часть жидких жиров превращают в твёрдые путем гидрирования, т. е. насыщения водородом:

Задание 25.9. Расставьте коэффициенты в этом уравнении.

Твёрдые жиры медленнее портятся (почему?), их легче хранить, поэтому реакция гидрирования имеет большое практическое значение. Полученный искусственный жир называется саломас. Из него получают маргарин, смазочные материалы, мыло. В последнем случае проводят щелочной гидролиз саломаса твёрдого жира:

Задание 25.10. Назовите полученное соединение.

Мыло — это соль очень слабой органической кислоты и сильного основания (щелочи).

Вопрос. Какой процесс происходит с такими солями в растворе?

Поэтому мыло в растворе подвергается гидролизу, т. е. реагирует с водой; при этом образуются исходные продукты, т. е. щёлочь и кислота:

Получившаяся щёлочь «щиплет» глаза, разъедает кожу рук, некоторые ткани. Кроме того, мыло плохо моет в жёсткой воде (см. урок 9.2), так как реагирует с солями кальция и магния (именно они делают воду жёсткой), образуя нерастворимые соединения:

Поэтому к стеарату натрия (он составляет около 60 % хозяйственного мыла) добавляют вещества, которые уменьшают нежелательное действие чистого мыла. Так получают туалетные мыла и другие моющие составы.

Жиры применяют также для получения стеарина (смесь твёрдых предельных кислот), олифы, клеёнок и др. материалов.

Кроме того, жиры — обязательный компонент нашей пищи. Они являются источником энергии, которая выделяется при биохимическом окислении жира (при окислении жиров выделяется около 9 ккал/г энергии), необходимы для усвоения витаминов. Жидкие жиры более полезны для здоровья, чем твёрдые.

Выводы

Сложные эфиры образуются при взаимодействии спиртов и кислородсодержащих кислот в результате реакции этерификации. Жиры — это сложные эфиры глицерина и жирных кислот. Жиры — обязательный компонент нашей пищи.

Acetyl

Наведите курсор на ячейку элемента, чтобы получить его краткое описание.

Чтобы получить подробное описание элемента, кликните по его названию.