Уравнение этерификации уксусной кислоты и метилового спирта

Спасибо! Ваша заявка отправлена, преподаватель свяжется с вами в ближайшее время.

Вы можете также связаться с преподавателем напрямую:

8(906)72 3-11-5 2

Скопируйте эту ссылку, чтобы разместить результат запроса » » на другом сайте.

Изображение вещества/реакции можно сохранить или скопировать, кликнув по нему правой кнопкой мыши.

Если вы считаете, что результат запроса » » содержит ошибку, нажмите на кнопку «Отправить».

Этим вы поможете сделать сайт лучше.

К сожалению, регистрация на сайте пока недоступна.

На сайте есть сноски двух типов:

Подсказки — помогают вспомнить определения терминов или поясняют информацию, которая может быть сложна для начинающего.

Дополнительная информация — такие сноски содержат примечания или уточнения, выходящие за рамки базовой школьной химии, нужны для углубленного изучения.

Здесь вы можете выбрать параметры отображения органических соединений.

Метанол: химические свойства и получение

Метанол CH₃OH, метиловый спирт – это органическое вещество, предельный одноатомный спирт .

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

Строение метанола

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 метанола

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

Поэтому метанол – жидкость с относительно высокой температурой кипения (температура кипения метанола +64,5 о С).

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

Метанол смешивается с водой в любых соотношениях.

Изомерия метанола

Для метанола не характерно наличие структурных изомеров – ни изомеров углеродного скелета, ни изомеров положения гидроксильной группы, ни межклассовых изомеров.

Химические свойства метанола

Метанол – органическое вещество, молекула которого содержит, помимо углеводородной цепи, одну группу ОН.

1. Кислотные свойства метанола

1.1. Взаимодействие с раствором щелочей

Метанол с растворами щелочей практически не реагирует, т. к. образующиеся алкоголяты почти полностью гидролизуются водой.

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

1.2. Взаимодействие с металлами (щелочными и щелочноземельными)

Метанол взаимодействуют с активными металлами (щелочными и щелочноземельными). При этом образуются алкоголяты. При взаимодействии с металлами спирты ведут себя, как кислоты.

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

CH₃OK + H₂O → CH₃-OH + KOH

2. Реакции замещения группы ОН

2.1. Взаимодействие с галогеноводородами

При взаимодействии метанола 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)

Метанол вступает 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 метанола отщепляется вода. Процесс дегидратации протекает по двум возможным направлениям: внутримолекулярная дегидратация и межмолекулярная дегидратация.

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 метанола

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.

Легкость окисления спиртов уменьшается в ряду:

метанол

4.1. Окисление оксидом меди (II)

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

4.2. Окисление кислородом в присутствии катализатора

Метанол можно окислить кислородом в присутствии катализатора (медь, оксид хрома (III) и др.). Метанол окисляется до метаналя.

4.3. Жесткое окисление

При жестком окислении под действием перманганатов или соединений хрома (VI) метанол окисляется до углекислого газа.

4.4. Горение метанола

При сгорании спиртов образуются углекислый газ и вода и выделяется большое количество теплоты.

5. Дегидрирование спиртов

При нагревании спиртов в присутствии медного катализатора протекает реакция дегидрирования. При дегидрировании метанола образуется альдегид.

Получение метанола

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.

Однако получить метанол гидратацией алкенов нельзя.

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.

CH₂=O + H₂ → CH₃-OH

4. Промышленное получение метанола из «синтез-газа»

Каталитический синтез метанола из монооксида углерода и водорода при 300-400°С и давления 500 атм в присутствии смеси оксидов цинка, хрома и др.

Сырьем для синтеза метанола служит «синтез-газ» (смесь CO и H₂), обогащенный водородом:

РЕАКЦИЯ ЭТЕРИФИКАЦИИ

При смешении в эквивалентных отношениях спирта и уксусной кислоты начинается немедлено их взаимодействие с образова­нием сложного эфира с выделением воды:

СН3С 00H+R0H^CH3C00R+H20 (152)

Известно, что если сложный эфир смешать с водой, то также немедленно начнется реакция омыления:

CH3COOR+H2O^CH3COOH + ROH. (153)

Следовательно, полученный по реакции (152) эфир и вода по мере их образования начнут давать обратно спирт и кислоту. Та­ким образом, общее течение реакции представляется в виде двух протекающих в противоположном направлении процессов. По­этому реакцию этерификации и омыления принято выражать од­ним уравнением:

CH3COOH-f ROH ^ CHsCOOR+Н,0 + 117 кал (154)

Скорость реакции этерификации по закону действующих масс будет максимальной в первые моменты после смешения спирта и кислоты. По мере образования эфира концентрация кислоты и спирта в смеси будет падать и, следовательно, будет падать ско­рость реакции этерификации.

Скорость обратной реакции — омыления в первый момент рав­на нулю, но затем, по мере повышения концентрации эфира в смеси, будет увеличиваться. В момент, когда количество эфира, образующегося из кислоты и спирта, будет равно количеству эфира, распадающегося на спирт и кислоту, т. е. когда в состав реакционной смеси войдут все компоненты — спирт, кислота, эфир и вода, наступит химическое равновесие.

По закону действующих масс константа равновесия К образо­вания сложного эфира выражается уравнением:

Где Сэф, СБ, Ск и Ссп означают соответственно концентрации эфира, воды, кислоты и спирта, выраженные в молекулярных ве­личинах.

Увеличение выхода эфира может быть достигнуто, как это сле­дует из уравнения константы равновесия:

1) Увеличением концентрации кислоты или спирта в зависимо­сти от ценности или легкости регенерации одного из этих веществ (при получении уксусно-этилового эфира приходится вводить из­быток этилового спирта);

2) Понижением концентрации образующейся воды и эфира путем: а) связывания воды водоотнимающими средствами, на­пример серной кислотой, которая оказывает влияние на ускоре­ние реакции этерификации и на предел реакции, б) отгонки эфира и частично воды по мере их образования.

При получении сложных эфиров (этилацетата и бутилацетата) в промышленном масштабе, поскольку для этерификации приме — I/яют кислоту и спирт, содержащие воду, имеет значение главным образом метод отгонки эфира и воды, так как последняя может быть затем отделена от эфира путем отстаивания.

Опыт показывает, что если взять по одному молю уксусной кислоты и метилового спирта, то равновесие рассматриваемой об­ратимой химической реакции наступит тогда, когда -/•> моля уксус­ной кислоты и спирта прореагируют с образованием сложного эфира и воды.

Таким образом, полученная система будет иметь вид:

TOC o «1-3» h z Г) — СН. СООП-1—1- ROH — —CH. COOR-‘-—НоО. (156) 3 3 з з

Отсюда константа равновесия

Где V — общий объем смеси.

Рассмотрим не частный при. мер, в котором в реакции участвуют эквивалентные количества спирта и кислоты, а самый общий слу­чай, встречающийся в практике.

Допустим, что смешаны: а молей СН:!СООН, Ь молей ROH, С молей CH3COOR и D молей Н20.

Равновесие этой системы наступит тогда, когда прореагирует л — молей СНзСООН и х молей ROH.

Допустим, что объем образовавшейся смеси равняется V. Тогда по закону действующих масс скорость Wx реакции:

CH. jCOOH-fROH ^ CH, C00R+H,0 , 1158j

Идущей слева направо (реакции этерификации), представится в следующем виде:

Л» 1 — константа скорости реакции, зависящая от химической природы реагирующих веществ и температуры, при ко­торой происходит процесс; С! и С, — молярные концентрации кислоты и спирта (количество молей кислоты в 1 л), равные:

Скорость \»-2 реакции, идущей справа налево (реакции омы — Н’пия):

К2 —константа скорости омыления: С и Cl — молярные концентрации эфира и воды, равные:

При установившемся равновесии скорость прямо/! реакции рав­няется скорости обратной реакции, т. е.:

При вполне определенной температуре для данной химической реакции /(i и Яг являются постоянными, а поэтому и их отноше­ние будет тоже постоянной величиной, т. е.:

Здесь К носит название константы равновесия, которая для рассматриваемой реакции имеет вид:

Из формулы (165) следует, что когда .г приближается к а, Тогда К стремится к бесконечности. Следовательно, если действо­вать на малое количество спирта большим количеством кислоты, или, наоборот, большим количеством спирта — на малое количе­ство кислоты, то будет иметь место образование эфира почти пол­ностью. Обратно, при действии большим количеством воды на малое количество эфира, последний почти полностью разложится, т. е. гидролиз эфира при уменьшении концентрации увеличи­вается. Следовательно, путем изменения количественных соотно­шений можно создать условия хода реакции в нужном направ­лении.

Так как константа равновесия известна: К = 4, а, 6, End— начальные концентрации кислоты, спирта, эфира hi воды также известны, то количество образующегося эфира при равновесном состоянии можно определить, решая уравнение (165) относи­тельно л:

Если в соприкосновение приводится 1 моль уксусной кислоты, B молей этилового спирта, D молей воды, то при состоянии равно­весия количество образовавшегося эфира может быть определено по формуле:

В случае, если D = 0, т. е., если реагируют чистые 100%-ные уксусная кислота и этиловый спирт, то уравнение (169) примет вид:

Равновесный выход эфира при этарификации в жидкой фазе практически не зависит от температуры и составляет приблизи­тельно 66%. Между тем в газовой фазе при смешении паров уксусной кислоты и этилового спирта в эквимолекулярных коли­чествах при температуре 150° и в присутствии катализатора (крем — некислоты), равновесный выход составляет 90%, что соответ­ствует К = 81.

Реакция этерификации протекает без изменения числа молей и с небольшим положительным тепловым эффектом, равным 117 ккал. на кг. моль образовавшегося эфира.

Поэтому повышение температуры и давления, при котором происходит процесс этерификации, практически не оказывает влияния на состояние равновесия этой реакции.

Для ускорения процесса этерификации приходится вводить в систему катализатор. В качестве катализатора при этерификации уксусной кислоты и этилового спирта в жидкой фазе служит сер­ная кислота и соляная кислота, а при этерификации уксусной кислоты и бутилового спирта, кроме того, ароматические и нефтя­ные сульфокислоты. В промышленности применяют серную кис­лоту.