4.1. Alkoholi

Uvod

Naziv alkohol smislio je švicarski liječnik Paracelsus (1493. – 1541.) upotrijebivši arapske riječi al-kohl ili al-kohul što je bio izraz za višestruko pročišćeni fini prah.

Izraz je, vjerojatno, korišten još u starom Egiptu i opisivao je način dobivanja boje za oči zvane kajal (od egipatskog kohl). Prah kajal je prije primjene miješan sa svinjskom mašću.

Paracelsus je destilirano vino smatrao najfinijim sastojkom vina te ga je prozvao alcohol vini, a naziv alkohol se zadržao sve do danas.

Proširite vidike

Fotografija prikazuje portret Paracelsusa.

Paracelsus – Luther medicine

Paracelsus (1493. – 1541.) – švicarski liječnik i kemičar koji je uveo naziv alkohol

Prisjetimo se imenovanja alkohola

Ugljikovi atomi u lancu označe se brojevima tako da C atom na koji je vezana –OH skupina ima što manji broj.

Kod imenovanja hidroksilna skupina ima prednost pred alkilnom skupinom i atomima halogena.

Za oznaku broja hidroksilnih skupina rabe se umnožni prefiksi (-di, -tri, ...) neposredno ispred nastavka -ol.

Proširite vidike

Fotografija prikazuje 3-d model molekule geminalnog alkohola.

Geminalni i vicinalni alkoholi

Struktura alkohola

1. Problemsko pitanje

Proučite modele sljedećih molekula alkohola načinjenih od kuglica i štapića. Zaključite koji je od njih primjer jednovalentnoga, dvovalentnoga i trovalentnoga alkohola.

Proširite vidike

Fotografija prikazuje ilustraciju na kojoj su prekrižene kocke koje predstavljaju šećer.

Što je slatko u slatkišima "bez šećera"?

Primarni alkoholi imaju ugljikov atom s –OH skupinom povezan sa samo jednim ugljikovim atomom. Primjer je propan-1-ol.

Sekundarni alkoholi imaju ugljikov atom s –OH skupinom povezan sa dva ugljikova atoma. Primjer je propan-2-ol.

Tercijarni alkoholi imaju ugljikov atom s –OH skupinom je povezan sa tri ugljikova atoma. Primjer je 2-metilpropan-2-ol.

Primarni, sekundarni i tercijarni alkohol – oksidacija

Fizikalna svojstva alkohola

Alkohole se može promatrati i kao derivati vode, na način da je u molekuli vode jedan vodikov atom zamijenjen (supstituiran) alkilnom skupinom.

Struktura alkohola s manjim brojem ugljikovih atoma vrlo je slična strukturi vode, iz čega proizilaze njihova slična fizikalna svojstva.

1. Pokus

Fotografija prikazuje gorenje alkohola.

Ispitajte svojstva alkohola

Polarnost hidroksilne skupine

Vrelište alkohola ovisi o molekulskoj masi i obliku molekule. Vrijednosti rastu s porastom broja ugljikovih atoma, a snižavaju se stupnjem razgranatosti.

Riješite zadatak!

U tablici su prikazane vrijednosti relativnih molekulskih masa i temperatura vrelišta jednostavnih alkohola i pripadnih alkana.

Uporabom jednostavnog digitalnog alata Meta-Chart nacrtajte graf ovisnosti temeperature vrelišta o relativnoj molekulskoj masi za alkohole i pripadne alkane. Na grafu, vrijednosti za alkane povežite krivuljom jedne boje, a za alkohole druge boje te pripremite kratak opis i obrazloženje dobivenog grafa. 

Hidroksilna skupina je polarna i hidrofilna, a alkilna skupina je nepolarne i hidrofobne. Porastom broja ugljikovih atoma alkoholi se bolje otapaju u organskim otapalima. Istražite zašto se to zbiva.

Riješite zadatak!

Na topljivost alkohola utječe i struktura molekule. Tako topljivost alkohola butan-1-ola u 100 g vode iznosi 7,9 g, a alkohola butan-2-ola 12,5 g. Bolja topljivost razgranatog alkohola je posljedica smanjene dodirne površine alkilnog hidrofobnog razgranatog dijela molekule u odnosu na veliku dodirnu površinu hidrofobnog dijela kod lančastih molekula alkohola.

Prisjetite se koje međumolekulske interakcije djeluju među hidrofobnim dijelovima alkohola. Koristeći bazu podataka PubChem pronađite vrijednosti topljivosti u vodi i drugih lančastih i razgranatih alkohola te usporedite pronađene vrijednosti. Predvidite kako će na topljivost u vodi utjecati i povećanje broja hidroksilnih skupina u molekuli alkohola. Svoja predviđanja usporediti sa stvarnim podatcima iz baze.

Miješanje alkohola etanola i heksana

Kemijska svojstva alkohola

Kemijska svojstva alkohola posljedica su prisutnosti hidroksilne skupine. Kod kemijskih reakcija alkohola, reakcije se događaju ili na O–H ili na C–O vezi.

Kiselo-bazna svojstva alkohola

2. Pokus

Fotografija prikazuje pripravljanje natrijeva etoksida.

Pripravljanje natrijeva etoksida

Proširite vidike

Fotografija prikazuje indikatore pH vrijednosti u obliku papira. Prikazana je i paleta boja koja pomaže u određivanju pH vrijednosti.

Kiselost alkohola

Izračunajte volumen nastalog vodika (pri normalnim uvjetima) ako u reakciji s apsolutnim alkoholom izreagira 5 g natrija.

Zadano je:
m(Na) = 5 g
V°m = 22,4 dm3 mol–1

Traži se:
V°(H2) = ?

Postupak:

1. korak

Jednadžba reakcije alkohola etanola s natrijem:

[latex]2CH_3CH_2OH\space +\space 2Na\space \longrightarrow \space 2CH_3CH_2O^–Na^+\space +\space H_2[/latex]

Iz jednadžbe kemijske reakcije može se odrediti omjer množine vodika koji u reakciji nastaje i množine natrija koji se u reakciji utrošio:

n(H2) : n(Na) = 1 : 2

Iz dobivenog omjera izračuna se množina vodika razvijenog u reakciji:

n(H2) = n(Na) : 2

2. korak

Iz mase utrošenog natrija izračuna se množina natrija:

n(Na) = m(Na) : M(Na)
n(Na) = 5 g : 22,99 g mol–1
n(Na) = 0,22 mol

Na temelju dobivenog omjera izračuna se množina nastalog vodika:

n(H2) = n(Na) : 2
n(H2) = 0,22 mol : 2
n(H2) = 0,11 mol

3. korak

Volumen vodika pri normalnim uvjetima je:

V°(H2) = n(H2) · V°m
V°(H2) = 0,11 mol x 22,4 dm3 mol–1
V°(H2) = 2,43 dm3

U ovoj supstitucijskoj reakciji najčešće se koriste suhi halogenovodici; HI, HCl ili HBr, a hidroksilna se skupina zamjenjuje s atomom halogena pa nastaju odgovarajući jodalkani, kloralkani i bromalkani.

Reaktivnost halogenovodika: HI ˃ HBr ˃ HCl
Reaktivnost alkohola: 3 ° ˃ 2 ° ˃ 1° 

Najreaktivniji su tercijarni alkoholi koji lako reagiraju i s klorovodikom.              

[latex]\left(CH_3\right)_3COH\space +\space HCl\space \longrightarrow \left(CH_3\right)_3CCl\space +H_2O\space [/latex]

                                         

Koliki je volumen 2-metilpropan-2-ola (ρ = 0,789 g cm–3) potreban za pripravu 3 g 2-klor-2-metilpropana kada bi prinos reakcije bio 100 %.

Zadano je:

m((CH3)3CCl) = 3 g

Traži se:

m(CH3)3COH) = ?

Postupak:

1. korak

Jednadžba kemijske reakcije:

[latex]\left(CH_3\right)_3COH\space +\space HCl\space \longrightarrow \left(CH_3\right)_3CCl\space +H_2O\space [/latex]

Iz jednadžbe kemijske reakcije može se odrediti omjer množine 2-klor-2-metilpropana koji u reakciji nastaje i 2-metilpropan-2-ola koji se u reakciji utrošio:

n((CH3)3CCl) : n((CH3)3COH) = 1 : 1

2. korak

Iz mase dobivenog 2-klor-2-metilpropana izračuna se množina 2-klor-2-metilpropana:

n((CH3)3CCl) = m((CH3)3CCl) : M((CH3)3CCl)
n(Na) = 3 g : 92,562 g mol–1
n(Na) = 0,032 mol

Na temelju dobivenog omjera izračuna se masa potrošenog 2-metilpropan-2-ola:

n((CH3)3COH) = n((CH3)3Cl)
n((CH3)3COH) = 0,032 mol
m((CH3)3COH) = n((CH3)3COH) · n((CH3)3COH)
m((CH3)3COH) = 0,032 mol · 74,12 g mol–1
m((CH3)3COH) = 2,402

Reakcija eliminacije vode

U reakciju eliminacije vode lako ulaze tercijarni i sekundarni alkoholi.

Reakcija oksidacije primarnih i sekundarnih alkohola

Alkoholi u svakodnevnom životu

Metanol se koristi kao otapalo i reagens u proizvodnji plastičnih masa. Industrijski se proizvodi sintezom ugljikova(II) oksida i vodika uz katalizator i posebne uvjete tlaka i temperature.

Etanol se također koristi u sintezi organskih spojeva i kao otapalo, ali i u medicini kao sredstvo za dezinfekciju. 

Etanol se industrijski proizvodi reakcijom adicije vode na eten. Reakcija se odvija uz prisutnost katalizatora i posebnih uvjeta tlaka i temperature.

[latex]{CH_2=CH_2\left(g\right)\space +\space H_2O\left(l\right)\space \longrightarrow }\space{CH_3-CH_2-OH\left(l\right)}[/latex]

Najstariji način priprave etanola je alkoholno vrenje. Alkoholno vrenje ili fermentacija je anaerobni proces u kojem se djelovanjem enzima kvaščevih gljivica šećeri iz voća ili drugih biljnih izvora prevode u alkohol etanol. Tako se primjerice, fermentacijom grožđa dobiva vino, a iz ječma se dobiva pivo.

[latex]C_6H_{12}O_6\left(aq\right)\space \longrightarrow \space 2CH_3CH_2OH\left(aq\right)\space +\space 2CO_2\left(g\right)[/latex]

Proizvodnja vina

Vinogradarstvo i vinarstvo važne su gospodarske grane koje obuhvaćaju postupak uzgoja plemenitih sorti vinove loze i pretvorbe grožđa u vino. U Republici Hrvatskoj to su djelatnosti s dugom tradicijom.

U skoroj budućnosti vladine agencije i znanstvenici bit će obvezni postaviti odredbe o proizvodnji vina kojima će se, primjerice, utjecati na smanjenje uporabe pesticida u vinogradarstvu. Pojam kvalitete dodatno će evoluirati. Kemijskim analizama, koje su u početku bile ograničene samo na otkrivanje štetnih spojeva, pokušat će se otkriti i najsitnije razlike među različitim sortama.

3. Pokus

Fotografija prikazuje osobu koja radi u destileriji i u tikvici drži tekućinu smeđe boje. Tekućina bi mogla biti pivo.

Alkoholno vrenje

Etanola ima u svim alkoholnim pićima u različitim volumnim udjelima. U pićima dobivenim fermentacijom obično je volumni udio etanola 16 %. U žestokim pićima volumni udio etanola je puno veći, a to se postiže destilacijom.

Pročitajte na istaknutim deklaracijama na bocama u trgovini koliki je volumni udio alkohola u pojedinim alkoholnim pićima.

Proširite vidike

Fotografija prikazuje crpku na kojoj se etanol prodaje kao gorivo.

I alkohol je gorivo

Smjesa koja se sastoji od 85 % etanola i 15 % benzina naziva se biogorivo, označava se oznakom E-85

Etan -1,2-diol (etilen glikol) ili samo glikol (grč. glykys - sladak) je viskozna tekućina slatkastog okusa. Najviše se koristi kao antifriz (grč. anti - protiv + eng. freeze - zamrzavati), odnosno sredstvo protiv zamrzavanja u hladnjacima automobila. Smjesa jednakih udjela etilen glikola i vode ima najniže ledište približno –40 °C.

Glikol se rabi u hladnjacima automobila kao antifriz. Slabo je hlapljiv i dobro se otapa u vodi. Izračunajte ledište i vrelište otopine koja sadrži 651 g glikola u 2 505 g vode. Temperatura vrelišta etilenglikola je 197 °C, a vode 100 °C. Krioskopska konstanta vode je Kf = 1,86 K kg mol–1, a ebulioskopska konstanta vode je Kb = 0,52 K kg mol–1.

Zaključite je li preporučljivo koristiti antifriz u automobilu pri vrlo visokim dnevnim temperaturama.

Zadano je:

m(etilen glikol) = 651 g
m(H2O) = 2 505 g = 2,505 kg
tv(etilen glikol) = 197 °C
i = 1
Kf(H2O) = 1,86 K kg mol–1
Kb(H2O) = 0,52 K kg mol–1

Traži se:

tv = ?
tL = ?

Postupak:

1. dio:

Izračunajte molalnost b (mol kg–1) prema izrazu; [latex]\mathit{b}=\frac{\mathit{n}\left(otopljena\space tvar\right)}{\mathit{m}\left(otapalo\right)}[/latex]

n(glikol) = m(glikol) : M(glikol)
n(glikol) = 651 g : 62,07 g mol–1
n(glikol) = 10,5 mol

b = n(glikol) : m(otapalo)
b = 10,5 mol : 2,505 kg
b = 4,19 mol kg–1

2. dio

Izračunajte sniženje ledišta prema izrazu ΔTL = i ⋅ Kf ⋅ b

ΔTL = i ⋅ Kf ⋅ b
ΔTL = 1,86 K kg mol–1 · 4,19 mol kg–1
ΔTL = 7,79 K
ΔtL = 7,79 °C

tL = 0 °C – ΔtL
tL = 0 °C – 7,79 °C
tL = –7,79 °C

3.dio

Izračunajte povišenje vrelišta prema izrazu ΔTv = i ⋅ Kb ⋅ b

ΔTv = i ⋅ Kb ⋅ b
ΔTL = 0,52 K kg mol-1 x 4,19 mol kg–1

ΔTL = 2,18 K
ΔtL = 2,18 °C
tL = 100 °C + ΔtL
tL = 100 °C + 2,18 °C
tL = 102,18 °C

Preporučljivo je pri vrlo visokim temperaturama doliti antifriz u hladnjak automobila jer se tako sprječava pregrijavanje motora.