Реакция этанола с перманганатом калия уравнение реакции

Этанол: химические свойства и получение

Этанол C₂H₅OH или CH₃CH₂OH, этиловый спирт – это органическое вещество, предельный одноатомный спирт .

Общая формула предельных нециклических одноатомных спиртов: C_nH_2n+2O.

Строение этанола

В молекулах спиртов, помимо связей С–С и С–Н, присутствуют ковалентные полярные химические связи О–Н и С–О.

Электронная плотность обеих связей смещена к более электроотрицательному атому кислорода:

В образовании химических связей с атомами C и H участвуют две 2sp 3 -гибридные орбитали, а еще две 2sp 3 -гибридные орбитали заняты неподеленными электронными парами атома кислорода.

Поэтому валентный угол C–О–H близок к тетраэдрическому и составляет почти 108 о .

Водородные связи и физические свойства спиртов

Спирты образуют межмолекулярные водородные связи. Водородные связи вызывают притяжение и ассоциацию молекул спиртов:

Поэтому этанол – жидкость с относительно высокой температурой кипения (температура кипения этанола +78 о С).

Водородные связи образуются не только между молекулами спиртов, но и между молекулами спиртов и воды. Поэтому спирты очень хорошо растворимы в воде. Молекулы спиртов в воде гидратируются:

Этанол смешивается с водой в любых соотношениях.

Изомерия спиртов

Структурная изомерия

Для этанола характерна структурная изомерия – межклассовая изомерия.

Межклассовые изомеры — это вещества разных классов с различным строением, но одинаковым составом. Спирты являются межклассовыми изомерами с простыми эфирами. Общая формула и спиртов, и простых эфиров — C_nH_2n+2О.

Химические свойства этанола

Спирты – органические вещества, молекулы которых содержат, помимо углеводородной цепи, одну или несколько гидроксильных групп ОН.

1. Кислотные свойства

1.1. Взаимодействие с раствором щелочей

При взаимодействии этанола с растворами щелочей реакция практически не идет, т. к. образующийся алкоголят почти полностью гидролизуется водой.

Равновесие в этой реакции так сильно сдвинуто влево, что прямая реакция не идет. Поэтому этанол не взаимодействуют с растворами щелочей.

1.2. Взаимодействие с металлами (щелочными и щелочноземельными)

Этанол взаимодействует с активными металлами (щелочными и щелочноземельными).

Алкоголяты под действием воды полностью гидролизуются с выделением спирта и гидроксида металла.

2. Реакции замещения группы ОН

2.1. Взаимодействие с галогеноводородами

При взаимодействии спиртов с галогеноводородами группа ОН замещается на галоген и образуется галогеналкан.

2.2. Взаимодействие с аммиаком

Гидроксогруппу спиртов можно заместить на аминогруппу при нагревании спирта с аммиаком на катализаторе.

2.3. Этерификация (образование сложных эфиров)

Одноатомные и многоатомные спирты вступают в реакции с карбоновыми кислотами, образуя сложные эфиры.

2.4. Взаимодействие с кислотами-гидроксидами

Спирты взаимодействуют и с неорганическими кислотами, например, азотной или серной.

3. Реакции замещения группы ОН

В присутствии концентрированной серной кислоты от спиртов отщепляется вода. Процесс дегидратации протекает по двум возможным направлениям: внутримолекулярная дегидратация и межмолекулярная дегидратация.

3.1. Внутримолекулярная дегидратация

При высокой температуре (больше 140 о С) происходит внутримолекулярная дегидратация и образуется соответствующий алкен.

В качестве катализатора этой реакции также используют оксид алюминия.

3.2. Межмолекулярная дегидратация

При низкой температуре (меньше 140 о С) происходит межмолекулярная дегидратация по механизму нуклеофильного замещения: ОН-группа в одной молекуле спирта замещается на группу OR другой молекулы. Продуктом реакции является простой эфир.

4. Окисление этанола

Реакции окисления в органической химии сопровождаются увеличением числа атомов кислорода (или числа связей с атомами кислорода) в молекуле и/или уменьшением числа атомов водорода (или числа связей с атомами водорода).

В зависимости от интенсивности и условий окисление можно условно разделить на каталитическое, мягкое и жесткое.

Типичные окислители — оксид меди (II), перманганат калия KMnO₄, K₂Cr₂O₇, кислород в присутствии катализатора.

4.1. Окисление оксидом меди (II)

Cпирты можно окислить оксидом меди (II) при нагревании. При этом медь восстанавливается до простого вещества.

4.2. Окисление кислородом в присутствии катализатора

Cпирты можно окислить кислородом в присутствии катализатора (медь, оксид хрома (III) и др.).

4.3. Жесткое окисление

При жестком окислении под действием перманганатов или соединений хрома (VI) первичные спирты окисляются до карбоновых кислот.

4.4. Горение спиртов

Образуются углекислый газ и вода и выделяется большое количество теплоты.

5. Дегидрирование этанола

При нагревании спиртов в присутствии медного катализатора протекает реакция дегидрирования.

Получение этанола

1. Щелочной гидролиз галогеналканов

При взаимодействии галогеналканов с водным раствором щелочей образуются спирты. Атом галогена в галогеналкане замещается на гидроксогруппу.

2. Гидратация алкенов

Гидратация (присоединение воды) алкенов протекает в присутствии минеральных кислот. При присоединении воды к алкенам образуются спирты.

3. Гидрирование карбонильных соединений

Присоединение водорода к альдегидам и кетонам протекает при нагревании в присутствии катализатора. При гидрировании альдегидов образуются первичные спирты, при гидрировании кетонов — вторичные спирты, а из формальдегида образуется метанол.

4. Получение этанола спиртовым брожением глюкозы

Для глюкозы характерно ферментативное брожение, то есть распад молекул на части под действием ферментов. Один из вариантов — спиртовое брожение.

Опыты по химии. Одноатомные спирты

Постановка опытов и текст – к.п.н. Павел Беспалов.

Физические свойства спиртов

Одноатомные спирты, содержащие в своем составе до десяти атомов углерода, в обычных условиях — жидкости. Спирты, в составе которых 11 атомов углерода и более — твердые тела. Этиловый, бутиловый и изоамиловый спирт – жидкости.

Посмотрим, как спирты растворяются в воде. В три пробирки нальем по нескольку миллилитров спиртов и прибавим к ним подкрашенную воду. Спирты имеют плотность меньше единицы, поэтому они образуют верхний слой. При взбалтывании пробирок происходит полное растворение этилового спирта, частично растворяется бутиловый спирт, почти не растворяется изоамиловый спирт. Краситель из водного раствора переходит в спирты. С повышением молекулярной массы и увеличением углеводородного радикала растворимость спиртов в воде уменьшается.

Оборудование: пробирки, штатив для пробирок, стаканы.

Техника безопасности. Соблюдать правила работы с огнеопасными жидкостями.

Взаимодействие этилового спирта с бромоводородом

Спирты взаимодействуют с галогеноводородами. В прибор для получения галоидоалканов наливаем смесь этилового спирта с концентрированной серной кислотой. Прибавим к смеси вначале несколько капель воды, а затем – бромид натрия. В верхнюю часть прибора, холодильник, нальем воды и добавим кусочки льда. Нагреем колбу. Через некоторое время начинается реакция. Бромид натрия реагирует с серной кислотой с образованием бромоводорода.

NaBr + H₂SO₄ = NaHSO₄ + HBr

Бромоводород реагирует с этиловым спиртом с образованием бромэтана.

HBr +С₂Н₅ОН = C₂H₅Br + H₂O

Бромэтан — легкокипящая жидкость. Бромэтан испаряется, пары поступают в холодильник, где бромэтан конденсируется. Капли бромэтана падают в приемник. На дне приемника собирается тяжелая маслянистая жидкость – бромэтан.

Оборудование: прибор для получения галоидоалканов, штатив, шпатель, горелка, стакан, мерная пробирка

Техника безопасности. Соблюдать правила работы с огнеопасными жидкостями и кислотами.

Взаимодействие этилового спирта с металлическим натрием

При взаимодействии спиртов с натрием образуются газообразный водород и соответствующие алкоголяты натрия. Приготовим пробирки с метиловым, этиловым и бутиловым спиртами. Опустим в пробирку с метиловым спиртом кусочек металлического натрия. Начинается энергичная реакция. Натрий плавится, выделяется водород.

2СН₃ОН + 2 Na = 2 CH₃ONa + H₂

Опустим натрий в пробирку с этиловым спиртом. Реакция идет немного медленней. Выделяющийся водород можно поджечь. По окончании реакции выделим этилат натрия. Для этого опустим в пробирку стеклянную палочку и подержим ее над пламенем горелки. Избыток спирта испаряется. На палочке остается белый налет этилата натрия.

2С₂Н₅ОН + 2 Na = 2 C₂H₅ONa + H₂

В пробирке с бутиловым спиртом реакция с натрием идет еще медленнее.

2С₄Н₉ОН + 2 Na = 2 C₄H₉ONa + H₂

Итак, с удлинением и разветвлением углеводородного радикала скорость реакции спиртов с натрием уменьшается.

Оборудование: штатив для пробирок, пробирки, пинцет, скальпель, фильтровальная бумага.

Техника безопасности. Соблюдать правила работы с огнеопасными жидкостями и щелочными металлами.

Горение спиртов

Нальем понемногу этилового, бутилового и изоамилового спиртов в фарфоровые чашки. Поднесем к чашкам горящую лучину. Этиловый спирт быстро загорается и горит голубоватым, слабосветящимся пламенем. Бутиловый спирт горит светящимся пламенем. Труднее загорается изоамиловый спирт, он горит коптящим пламенем. С увеличением молекулярной массы одноатомных спиртов повышается температура кипения и возрастает светимость их пламени.

Оборудование: огнезащитная прокладка, фарфоровые чашки, лучина.

Техника безопасности. Соблюдать правила работы с огнеопасными жидкостями.

Каталитическое окисление этанола

Окисление этилового спирта кислородом воздуха происходит очень легко в присутствии оксида хрома (III). В фарфоровую чашку поместим кусочек ваты, смоченный спиртом. Подожжем вату. Осторожно насыпаем на горящую вату оксид хрома. Пламя гаснет. Но оксид хрома начинает раскаляться. Реакция окисления спирта протекает с выделением энергии. Продукт реакции окисления спирта — уксусный альдегид.

2СН₃-СН₂-ОН + О₂ = 2CH₃ —COH + 2H₂O

Оборудование: фарфоровая чашка, шпатель.

Техника безопасности. Соблюдать правила работы с огнеопасными жидкостями и концентрированными кислотами. После демонстрации осторожно разбавить содержимое чашки водой, нейтрализовать щелочью.

Качественная реакция на этанол

Чувствительной реакцией на этиловый спирт является так называемая йодоформная проба: образование характерного желтоватого осадка йодоформа при действии на спирт йода и щелочи. Этой реакцией можно установить наличие спирта в воде даже при концентрации 0,05%. Отберем пробу раствора и добавим раствор Люголя. Раствор Люголя содержит иод (1 часть иода, 2 части иодида калия, 17 частей стерильной дистиллированной воды). При охлаждении раствора появляется желтая взвесь йодоформа, при высоких концентрациях спирта выпадает желтый осадок йодоформа.

С₂Н₅ОН + 6 NaОН + 4 I₂ = CHI₃ +HCOONa + 5 NaI + H₂O

Оборудование: пробирки, зажим пробирочный, горелка.

Техника безопасности. Соблюдать правила работы с нагревательными приборами.

Окисление этанола (тест на алкоголь)

Реакцию окисления спиртов сильными окислителями используют для установления факта алкогольного опъянения.

Приготовим трубку для определения алкоголя. Для этого разотрем в ступке хромовый ангидрид (оксид хрома (VI)) с небольшим количеством серной кислоты. Получается паста красного цвета. Нанесем пастой полосу на стенках трубки. Трубку соединим с прибором, подающим смесь воздуха с парами этилового спирта. Через некоторое время красная полоса в трубке зеленеет. Спирт окисляется в уксусный альдегид, а окислитель оксид хрома превращается в сульфат хрома (III), имеющий зеленую окраску.

Оборудование: фарфоровая чашка и ступка, трубка стеклянная, резиновые трубки, газометр или аспиратор

Техника безопасности. Соблюдать правила работы с огнеопасными жидкостями.

Окисление этилового спирта кристаллическим перманганатом калия

Очень энергично протекает реакция этилового спирта с перманганатом калия в присутствии концентрированной серной кислоты. В стеклянный цилиндр наливаем серную кислоту. Осторожно, по стенке приливаем этиловый спирт. Образуются два слоя жидкости. Сверху — этиловый спирт, снизу — серная кислота. В цилиндр бросаем немного кристаллического перманганата калия. Через некоторое время на границе раздела спирта и кислоты возникают вспышки и слышатся щелчки. При попадании кристаллов перманганата калия в серную кислоту образуется марганцевый ангидрид (оксид марганца (VII)) — очень сильный окислитель. Он взаимодействует с этиловым спиртом. При этом образуется уксусный альдегид.

СН₃-СН₂-ОН + [О] = CH₃ —COH + H₂O

Оборудование: цилиндр, шпатель.

Техника безопасности. Соблюдать правила работы с огнеопасными жидкостями и концентрированными кислотами. После демонстрации осторожно разбавить содержимое водой, нейтрализовать щелочью.

Окисление этилового спирта оксидом меди (II)

В прибор для окисления спиртов нальем немного этилового спирта. Присоединим к газоотводной трубке прибор для подачи воздуха. Раскалим в горелке медную спираль и поместим ее в прибор. Подадим в прибор ток воздуха. Медная спираль в приборе продолжает быть раскаленной, так как начинается окисление спирта. Продукт окисления спирта — уксусный альдегид.

СН₃-СН₂-ОН + СuO = CH₃ —COH + Cu + H₂O

Альдегид обнаруживаем, пропуская через фуксинсернистую кислоту выходящие из прибора газы. Под действием альдегида фуксинсернистая кислота приобретает фиолетовую окраску. Покажем, что медная спираль раскалена. Извлечем спираль из прибора и поднесем к ней спичку. Спичка загорается. Мы убедились в том, что при окислении одноатомных спиртов образуются альдегиды.

Оборудование: прибор для окисления спирта, резиновые трубки, горелка, газометр или аспиратор.

Техника безопасности. Соблюдать правила работы с огнеопасными жидкостями и нагревательными приборами.

Окисление этилового спирта раствором перманганата калия

Спирты легко окисляются раствором перманганата калия. В пробирку с этиловым спиртом прильем немного подкисленного раствора перманганата калия. Осторожно подогреем пробирку. Раствор постепенно обесцвечивается. В данных условиях этиловый спирт окисляется, превращаясь в уксусный альдегид.

СН₃-СН₂-ОН + [О] = CH₃ —COH + H₂O

Оборудование: пробирки, штатив для пробирок.

Техника безопасности. Соблюдать правила работы с огнеопасными жидкостями и нагревательными приборами.

Марганцовка и очистка самогона

Химические методы очистки дистиллята основаны на химическом взаимодействии между молекулами примеси и вносимого в водно-спиртовой раствор химического реактива, в результате чего образуются новые вещества. Если бы образовавшиеся вещества были нерастворимыми и (или) нелетучими, а очищающий реактив взаимодействовал только с определенной примесью (или группой примесей) и не взаимодействовал с основным компонентом — этиловым спиртом, то такой метод очистки был бы идеальным. Однако на практике это недостижимо, так как в большинстве случаев многие примеси по химическим свойствам близки между собою и к этиловому спирту. Новые вещества, образующиеся при нейтрализации той или иной примеси, являются новыми примесями. И хотя некоторые из них улучшают органолептические показатели водно-спиртового раствора, но могут оказаться не менее ядовитыми, чем нейтрализуемая примесь, то есть при очистке раствора от некоторых примесей будет происходить его загрязнение другими примесями и маскировка неприятного запаха. По этой причине целесообразность применения химических веществ, особенно сильнодействующих, для очистки водно-спиртовых растворов постоянно подвергалась сомнению. В результате многочисленных исследований в промышленном производстве спирта сочли возможным производить очистку перманганатом калия (марганцовкой), каустической и кальцинированной содой (обработку спирта названными веществами называли исправлением спирта, а полученный в результате такой обработки спирт — исправленным). В настоящее время марганцовка применяется в промышленной технологии приготовления некоторых высокосортных водок и широко используется в быту (при этом, как правило, повторной перегонки не производят). Кратко рассмотрим механизм действия марганцовки на основные группы органических летучих примесей водно-спиртового раствора.

Марганцовка (КМnО₄) — представляет собой кристаллы красно-фиолетового, почти черного цвета, с зеленоватым металлическим блеском. Плотность — 2,71 г/см3. Растворимость в воде — 6,51. Раствор марганцовки в дистиллированной воде дает нейтральную реакцию. Нейтрализующее действие КМnО₄ основано на его способности выделять атомарный кислород в водных растворах, являющийся сильным окислителем в отношении ряда органических веществ.

При нагревании перманганаты разлагаются, выделяя кислород и превращаясь в манганаты и диоксид марганца, например:

Перманганат-ион – сильный окислитель, но его окислительная способность ослабевает с уменьшением кислотности раствора. Под действием восстановителей в щелочной среде MnO 4 — восстанавливается до манганат-иона MnO₄ 2- :

В нейтральной, слабокислой и слабощелочной среде MnO 4 — переходит в диоксид марганца MnO₂:

MnO 4 — + 2H₂O + 3e — = MnO₂ + 4OH

В кислотной среде перманганат-ион превращается в аквакатион [Mn(H₂O)₆] 2+ :

Разбавленные водные растворы перманганата калия неустойчивы, они разлагаются (особенно быстро под действием солнечных лучей) с образованием бурого осадка диоксида марганца и выделением кислорода: 4KMnO₄ + 2H₂O = 4KOH + 4MnO₂ + 3O₂.

Особенно быстро раствор KMnO₄ портится в присутствии восстановителей, органических веществ, которые всегда есть в воздухе.

Этиловый спирт C₂H₅OH: так реагирует с перманганатом калия

В частности, в щелочной или нейтральной среде окончательное превращение описывается уравнением:

то есть 2 молекулы КМnО₄ выделяют 3 атома кислорода;

то есть 2 молекулы КМnО₄ выделяют 5 атомов кислорода.

Как отмечалось ранее, атомарный кислород может окислять спирты и альдегиды. Карбоновые кислоты (за исключением муравьиной) им не окисляются.

При окислении спиртов водно-спиртового раствора в зависимости от кислотности (щелочности) раствора могут образовываться альдегиды и (или) карбоновые кислоты. В частности, в кислой среде метиловый спирт окисляется в формальдегид, этиловый — в уксусный альдегид, изоамиловый — в изоамиловый альдегид. Окисление этилового, метилового, изоамилового и других спиртов происходит одновременно.

Следовательно, из ядовитого метилового спирта образуется столь же ядовитый, неприятно пахнущий формальдегид (водный раствор формальдегида — формалин — сильнодействующий яд); из этилового спирта образуется уксусный альдегид, имеющий при сильном разбавлений приятный фруктовый запах; из изоамилового спирта образуется изовалериановый альдегид, кипящий при 92°С и также имеющий приятный фруктовый запах. Что касается формальдегида, то ситуация облегчается тем, что он химически очень активен, в силу чего его молекулы сразу же вступают в ряд химических реакций и превращений. Преобладание того или иного продуктов этих реакций зависит от температуры, состава и кислотности очищаемого раствора. Часть из них может окислиться, превратившись в муравьиную кислоту; часть после ряда реакций превращается в ацеталь — альдегидоподобное соединение, но с более высокой, чем у исходных альдегидов температурой кипения и приятным запахом; и наконец, часть из них может превратиться в малолетучее полимерное вещество параформ. В свою очередь, муравьиная кислота под действием атомарного кислорода перманганата калия окисляется с образованием воды и углекислого газа. Что касается уксусного альдегида, то в процессе дальнейшего окисления часть его превращается в уксусную кислоту, а часть — в ацеталь (этилаль), а изовалериановый альдегид (іа1) в изовалериановую, кипящую при 176,7°С, или метилэтилуксусную, кипящую при 177°С, кислоты и изоамиловый эфир изовалериановой кислоты (соединение с сильным и приятным яблочным запахом). Отметим, что этот эфир под названием «яблочная эссенция» используется в кондитерском производстве. Соответствующие превращения с образованием веществ, имеющих аромат роз, лаванды, кориандра, эвкалипта претерпевают и другие спирты сивушного масла. Необходимо отметить, что окисление этилового, метилового и других спиртов происходит одновременно. Однако скорость их окисления различна при одной и той же температуре, увеличиваясь с ее повышением. На колоде или комнатной температуре в водно-спиртовом растворе метиловый спирт окисляется полностью, этиловый незначительно, а спирты сивушного масла существенно меньше этилового.

Казалось бы, что эффект очистки водно-спиртового раствора от спиртов сивушного масла можно усилить путем введения в раствор избыточных количеств КМnO₄ и проведения окисления при более высоких температурах. Однако это ничего не даст из-за более высоких способностей к окислению и доли этилового спирта в растворе по сравнению со спиртами сивушного масла. В общем можно считать, что очистка водно-спиртового раствора от спиртов сивушного масла с помощью КМnO₄ малоэффективна. Наблюдаемое же на практике некоторое улучшение запаха водно-спиртового раствора (самогона), обработанного КМnO₄, обусловлено сильно и приятно пахнущими веществами, которые образуются в результате незначительного окисления спиртов сивушного масла и фактически маскируют (заглушают) неприятный запах последнего.

Фурфурол под действием атомарного кислорода превращается в пирослизевую кислоту (С₄Н₃ОСООН), плавящуюся при 133°С, малорастворимую в воде и сильно — в этиловом спирте, которая под действием щелочей превращается в малолетучую, но растворимую в спирте, смолу.

Что же касается других альдегидов, имеющихся в растворе к началу его нейтрализации, то все они легко окисляются атомарным кислородом, образующимся из перманганата калия, до карбоновых кислот, образующих в щелочной среде нелетучие соли. Таким образом, в результате воздействия перманганата калия на водно-спиртовой раствор происходит очищение его от метилового спирта и альдегидов при одновременном загрязнении его эфирами, карбоновыми кислотами и малолетучими, но растворимыми в спирте смолами. При этом практически не происходит очистки водно-спиртового раствора от таких компонентов сивушного масла, как спирты, уксусная и другие карбоновые кислоты (за исключением муравьиной кислоты). При добавлении водного раствора марганцовки к спирту с течением времени цвет смеси меняется. Многочисленными опытами установлено, что чем медленнее происходит изменение окраски, тем более высокими органолептическими показателями будет обладать исправленный спирт. По нашему мнению внесение 4-8 мг марганцовки на исправление 1 л спирта может быть целесообразным для возможного улучшения хвостовых фракций дистиллята с целью дальнейшего их использования.