Водородные связи, кислотность и основность спиртов

Введение

На сегодняшний день современный мир сложно представить без применение различных химических соединений, которые так или иначе применяются во всех сферах человеческой жизни. Среди всего многообразия применяемых соединений особое место отводится спиртам, которые находят широкое применение, как в быту, так и промышленности. Данная группа соединений применяется в медицине, производстве лекарственных средств, пищевой промышленности итд.
Давно известно что свойства соединений определяется особенностями их строения и в первую очередь особенностями химических связей в них. Существенную роль на свойства спиртов оказывает наличие в них водородных связей. Поэтому понимание особенностей водородных связей помогает более четко определить свойства спиртов, что открывает новые возможности для их применения, что делает тему данной работы актуальной.
При выполнении работы была поставлена следующая цель: Особенности водородной связи и ее влияние на свойства спиртов
Объект исследования: Спирты как отдельная группа органических соединений
Задачи:1 Изучить механизм образования водородной связи и ее влияние на свойства спиртов 2. Изучить основные свойства спиртов 3. изучить закономерности изменения свойств спиртов . 4.Изучить литературные источники по данному вопросу 5. изучить интернет и прочие цифровые ресурсы по данному вопросу.
Методы: Сбор, сопоставление, анализ информации полученной из различных источников.


Общее понятие о спиртах
С точки зрения химии спирты это соединения содержащие одну или несколько гидроксильных групп ОН- связанные с углеводородным радикалом. С этой точки зрения все спирты можно рассматривать, как производные предельных углеводородов в котором 1 или несколько атомов водорода замещены группами ОН-
В зависимости от количества групп Он все спирты делятся на одноатомные (содержат 1 группу ОН-), двух атомные (гликоли) и трех атомные. Химические и физические свойства спиртов определяются количеством ОН групп.
Так же спирты можно разделить на основе строения углеводородного радикала. По этому признаки все спирты можно разделить на предельные- не содержат кратных связей в молекуле
Не предельные радикал содержит двойные или тройные связи
Ароматические содержат в своем составе бензольное кольцо, которое связано с ОН группой не напрямую а через другие атомы углерода.
В зависимости от того от какого атома углерода отходят функциональные группы все спирты так же можно поделит на первичные вторичные, третичные итд [4]
Если говорить об одноатомных спиртах то это вещества с общей формулой СnH2n+1OH (n-число атомов углерода) чаще всего по своим физическим свойствам это легко испаряющиеся жидкости с характерным резким запахом. Причем чем с увеличением молярной массы спирта возрастает температура плавления и кипения. Например, температура кипения метанола 64,7 градуса, этанола 78,3 Спирты имеющие в своем составе более 9 атомов углерода являются твердыми веществами.
Так же надо отметить, что у многоатомных спиртов температуры плавления и кипения значительно выше чем у соответствующих им одноатомных.
В химическом отношении спирты проявляют следующие свойства:
Реагируют между собой реакция приводит к образованию эфиров
С2Н5ОН+СН3ОН=С2Н5-О-СН3+Н2О
Реакция отщепления воды (дегидратации) С2Н5ОН=С2Н4+Н2О
Реакции окисления: С2Н5ОН+СuO=Cu+CH3 COH реакция приводит к образованию альдегидов
Проявляют амфотерные свойства при реакциях с кислотами и основаниями
Кислотные свойства спиртов: реакция с металлами
С2Н5ОН+Na=C2H5ONa+H2
Реакция с основаниями: для одноатомных спиртов не возможна так как образующиеся соединения хорошо растворимы в воде
Основные свойства: Реакция с кислотами С2Н5ОН+HCl=C2H5Cl+H2O
Характерной особенностью кислотных свойств спиртов является с одной стороны уменьшение кислотных свойств с увеличением молярной массы. С другой стороны у многоатомных спиртов кислотные свойства выражены сильнее.
Подобные свойства спиртов обусловлены наличием в них водородной связи.


Краткая характеристика водородной связи и ее роль.
Понятию водородной связи в химии есть несколько определений, одно из самых распространенных: Водородная связь- это связь, которая образуется между атомов водорода одной молекулы и атомом сильно электроотрицательного элемента (O, N, F) другой молекулы.
Впервые идеи о существовании особых связей которые обусловливают свойства некоторых веществ (воды) в 1920 году высказали В. Латимер и В.Родебуш,
Именно они предложили объяснять аномальные свойства воды за счет взаимодействия атома водорода одной молекулы с электронной парой атома кислорода другой молекулы. При этом атом водорода становится одновременно связанным с двумя атомами кислорода ковалентной и водородной связью (рис1) Так как в образовании связи принимают участие атомы водорода она получила название водородной.
Рис1 образование водородной связи
В основе образования водородной связи лежат силы электростатического притяжения атома водорода (несущим положительный заряд +) к атому более электроотрицательного элемента, имеющего отрицательный заряд. [7]
В большинстве случаев она слабее ковалентной, но существенно сильнее обычного притяжения молекул друг к другу в твердых и жидких веществах. В отличие от межмолекулярных взаимодействий водородная связь обладает свойствами направленности и насыщаемости, поэтому ее нередко считают одной из разновидностей ковалентной химической связи

.
По современной терминологии, образование водородной связи наступает при взаимодействии кислоты Бренстеда- Лоури с акцептором протонов (основанием, донором протонов). Для схематичного представления обсуждаемых процессов молекулу донор протона обозначим А-Н (а для случаев, когда необходимо указать природу атома, связанного с водородом, R-X-H ковалентной связью). Акцептор протона обозначим: В (символическое обозначение как основания в целом, так и атома с не поделенной парой электронов) или B-Y. С учетом принятой символики водородную связь можно представить как не валентное взаимодействие между группой Х-Н одной молекулы и атомом В другой, в результате которого образуется устойчивый комплекс А-Н…В с межмолекулярной водородной связью, в котором атом водорода играет роль мостика, соединяющего фрагменты А и В. Отметим, что до настоящего времени нет однозначного подхода, какую конкретно связь называть водородной. Большинство авторов к понятию водородной связи относят дополнительное взаимодействие, которое возникает между атомом водорода и донором электронов В, то есть связь Н…В. Другие авторы к понятию водородной связи относят всю цепочку Х-Н…В, то есть связь между атомами Х и В через водородный мостик. Ориентируясь на большинство, характеристики водородной связи (длина, энергия) будем относить к связи Н…В, сознавая, что образование последней не может не сказаться на состоянии ковалентной связи Х-Н.
На ранних этапах изучения водородной связи полагали, что водородный мостик образуется только между атомами с высокой электроотрицательностью (F, O, N). В последние десятилетия, когда в руках исследователей появилось более совершенное оборудование, круг атомов — партнеров по водородному связыванию значительно расширен (Cl, S и некоторые другие). В качестве атома Х может фигурировать любой атом, более электроотрицательный по сравнению с атомом водорода и образующий с последним обычную химическую связь (например, атом углерода). В роли акцептора атома водорода могут выступать как атомы с не поделенными парами электронов (в отдельных случаях даже аргон и ксенон), так и соединения, имеющие π-связи.
Одним из признаков водородной связи может служить расстояние между атомом водорода и другим атомом, ее образующим. Оно должно быть меньше, чем сумма радиусов этих атомов. Чаще встречаются несимметричные водородные связи, является не семеричной то есть расстояние между атомами и водорода и другим атомом (длинна связи) принимающим участие в ее образование значительно больше.
Однако в редких случаях (фтороводород, некоторые карбоновые кислоты) водородная связь является симметричной.
Образование водородной связи сопровождается следующими признаками:
1 При образовании водородных связей выделяется теплота – котроая характеризует энергию связи. Эту характеристику используют для калибровки спектральных методов изучения водородных связей.
2. Расстояние между соседними атомами, участвующими в образовании водородной связи, значительно меньше суммы их ванн-дер-ваальсрвых радиусов. Последнее обстоятельство является одним из критериев, указывающих на образование между молекулами водородных связей.
3. Водородная связь увеличивает длину связи Х-Н
Для образования водородной связи, кроме электроотрицательности имеет значение и размер атома. Так, например, электроотрицательности хлора и азота близки (~ 3). Но малый размер атома азота позволяет ему подойти ближе к ядру водорода по сравнению с атомом хлора, атомный радиус которого больше, чем у азота. Поэтому хлор проявляет меньшую склонность к образованию водородной связи, чем азот.
Важнейшая характеристика водородной связи – это энергия водородного связывания (R–X–H… B–Y), которая зависит как от природы атомов Х и В, так и общего строения молекул RXH и BY. Большей частью она составляет 10–30 кДж/моль, но в некоторых случаях может достигать 60–80 кДж/моль и даже выше. По энергетическим характеристикам различают сильные и слабые водородные связи. Сильными водородные связи считаются если их энергия составляет 15–20 кДж/моль и более. К ним относят связи О–H… О в воде, спиртах, карбоновых кислотах, связи О–Н… N, N–H… O и N–H… N в соединениях, содержащих гидроксильные, амидные и аминные группы, например в белках. Если связи имеют энергию образования менее 15 кДж/моль то они считаются слабыми. Нижним пределом энергии водородной связи является 4–6 кДж/моль, например связи С–Н… О в кетонах, эфирах, водных растворах органических соединений.[3]
Наиболее прочные водородные связи образуются в случаях, когда маленький водород (жесткая кислота) одновременно связан с двумя малыми по размеру сильно электроотрицательными атомами (жесткие основания). Орбитальное соответствие обеспечивает лучшее кислотно-основное взаимодействие и приводит к образованию более прочных водородных связей. То есть образование сильных и слабых водородных связей можно объяснить с позиций концепции жестких и мягких кислот и оснований (принцип Пирсона, принцип ЖМКО).
Энергия Н-связи возрастает с увеличением положительного заряда на атоме водорода связи Х-Н и с повышением способности отдавать протон атома В (увеличивает основные свойства)