Продукт кислоты и спирта — от ароматизаторов до клеток твоего собственного тела. Разбираем омыление и мыловарение до конца.
Прежде чем разбирать сложные эфиры, отделим их от простых — их постоянно путают. Простой эфир — это два углеводородных радикала, соединённых атомом кислорода: R–O–R'. Никакого карбонила в нём нет.
Общая формула (для предельных): CₙH₂ₙ₊₂O. Название — по двум радикалам в алфавитном порядке + «эфир»: CH₃–O–C₂H₅ — метилэтиловый эфир, C₂H₅–O–C₂H₅ — диэтиловый эфир. Радикалы могут быть одинаковыми (симметричный эфир) или разными.
C₂H₆O — это этанол C₂H₅OH и диметиловый эфир CH₃–O–CH₃ (межклассовые изомеры). У эфира нет группы –OH, поэтому между его молекулами не образуются водородные связи — он кипит намного ниже изомерного спирта (диметиловый эфир −24 °C, этанол +78 °C) и почти нерастворим в воде.
Одна и та же смесь этанол + H₂SO₄ даёт разное при разной температуре: ниже 140 °C — межмолекулярная дегидратация, получается простой эфир; выше 140 °C — внутримолекулярная, получается алкен (этилен). Разбирали это в конспекте про спирты — здесь та же развилка.
Простой эфир R–O–R: кислород-мостик между двумя радикалами, карбонила нет. Сложный эфир R–CO–O–R: есть карбонильная группа (остаток кислоты). Спирт R–OH: свободная гидроксогруппа. Простой эфир изомерен спирту (CₙH₂ₙ₊₂O), сложный — кислоте (CₙH₂ₙO₂).
Сложный эфир — продукт реакции карбоновой (или неорганической) кислоты со спиртом с отщеплением воды. Общая формула сложного эфира предельной одноосновной кислоты: R-COO-R'.
Название строится как «алкил + кислотный остаток на -ат»: CH₃COOC₂H₅ → этилацетат (этиловый эфир уксусной кислоты). Многие природные эфиры имеют характерные запахи: изоамилацетат — груша, бутилбутират — ананас, этилформиат — ром.
Сложный эфир и карбоновая кислота с тем же числом атомов — изомеры (общая формула обоих CnH2nO2): CH₃COOCH₃ (метилацетат) и C₂H₅COOH (пропионовая кислота) — оба C3H6O2. Отличить их легко: эфир не реагирует с Na2CO3 и не даёт кислую реакцию среды, кислота — даёт.
В кислотной среде реакция гидролиза — это обратная этерификация, равновесие. В щелочной среде образующаяся кислота мгновенно нейтрализуется щёлочью, превращаясь в соль (карбоксилат-ион не может провзаимодействовать со спиртом обратно) — равновесие смещается необратимо вправо. Именно поэтому омыление жиров и получение мыла идёт именно щёлочью, а не кислотой.
Если спиртовой остаток эфира — фенол (фенилацетат CH₃COO–C₆H₅), то даже кислотный гидролиз необратим. А при щелочном гидролизе получаются две соли, потому что фенол сам кислота и тут же реагирует со щёлочью: CH₃COO–C₆H₅ + 2NaOH → CH₃COONa + C₆H₅ONa + H₂O. Два моля щёлочи, две соли — типичная ловушка.
Метилацетат: CH₃COOCH₃ + NaOH → CH₃COONa + CH₃OH — соль и спирт, 1 моль NaOH.
Фенилацетат: CH₃COOC₆H₅ + 2NaOH → CH₃COONa + C₆H₅ONa + H₂O — две соли, 2 моль NaOH. Фенол не остаётся свободным — он кислота и связывается щёлочью в фенолят.
Жиры — сложные эфиры глицерина и высших карбоновых кислот (обычно C15–C17). Общая структура: глицерин с тремя «пришитыми» через сложноэфирную связь кислотными остатками — триглицерид.
Образованы предельными кислотами (пальмитиновая C15H31COOH, стеариновая C17H35COOH). Плотная упаковка молекул → твёрдые при комнатной t.
Образованы непредельными кислотами (олеиновая C17H33COOH, линолевая C17H31COOH). Изгибы у двойных связей мешают плотной упаковке → жидкие.
C₃H₅(OOCC₁₇H₃₅)₃
Глицерин (пропантриол) + 3 молекулы стеариновой кислоты, все три группы OH этерифицированы.
жидкий жир (непредельный) + 3H₂ →(кат. Ni, t) твёрдый жир (предельный)
Гидрирование двойных связей в остатках непредельных кислот превращает жидкое растительное масло в твёрдый жир — так промышленно получают маргарин. Реакция та же, что и гидрирование алкенов.
Жидкие масла (непредельные) обесцвечивают бромную воду и раствор KMnO4 — за счёт остатков непредельных кислот. Твёрдые животные жиры (предельные) этого не делают. Это качественный тест на «жидкий/твёрдый» тип жира.
C₃H₅(OOCC₁₇H₃₅)₃ + 3NaOH →(t) C₃H₅(OH)₃ + 3C₁₇H₃₅COONa
Продукты: глицерин и соли высших карбоновых кислот — это и есть мыло (стеарат натрия и подобные соли).
Молекула мыла (стеарат натрия) имеет две разные части: длинный неполярный углеводородный хвост (растворяется в жирах, «дружит» с грязью) и полярную ионную головку –COO-Na+ (растворяется в воде). В воде молекулы мыла собираются в мицеллы — сферы, где хвосты спрятаны внутри (окружают частицу жира), а головки торчат наружу к воде. Так капли жира «упаковываются» и смываются водой — это и есть моющее действие, механизм эмульгирования.
Кальциевые/магниевые соли высших кислот нерастворимы — в жёсткой воде обычное мыло образует хлопья осадка («мыльная пена» на стенках ванны) и теряет моющую способность. Синтетические ПАВ (алкилсульфонаты) устроены похоже (хвост+головка), но их кальциевые соли остаются растворимыми — отсюда их превосходство в жёсткой воде.
Фенолы в реакцию этерификации не вступают — прямо получить фенилацетат из фенола и уксусной кислоты нельзя. Зато он получается из соли и галогенопроизводного или из хлорангидрида: CH₃COCl + C₆H₅OH → CH₃COOC₆H₅ + HCl. Это стандартный приём в цепочках.
Дано: 890 г тристеарина C3H5(OOCC17H35)3 (M=890 г/моль) обработали избытком NaOH.
n(жира) = 890/890 = 1 моль. По уравнению 1 моль жира даёт 3 моль соли C17H35COONa (M=306 г/моль).
n(мыла) = 3 моль → m = 3 × 306 = 918 г
Триолеин содержит остатки олеиновой кислоты (C17H33COOH) — по одной двойной связи в каждом из 3 остатков.
На 1 моль триолеина нужно 3 моль H₂ (по одной молекуле водорода на каждую двойную связь).
Жир — это не отдельный класс, а частный случай сложного эфира: тот же фрагмент –CO–O–, только повторённый трижды.
Простой эфир R–O–R получается межмолекулярной дегидратацией спиртов, гидролизу не подвергается. Сложный эфир R–CO–O–R содержит карбонил, получается этерификацией и гидролизуется. Путать их нельзя.
| Твёрдые жиры | Жидкие жиры (масла) | |
|---|---|---|
| Кислоты | предельные: стеариновая C₁₇H₃₅COOH, пальмитиновая C₁₅H₃₁COOH | непредельные: олеиновая C₁₇H₃₃COOH, линолевая C₁₇H₃₁COOH |
| Происхождение | животные (сало, масло) | растительные (подсолнечное, оливковое) |
| Бромная вода | не обесцвечивают | обесцвечивают — есть двойные связи |
C₁₇H₃₅COOH — стеариновая, предельная. Убавь два водорода — C₁₇H₃₃COOH, олеиновая, одна двойная связь. Ещё два — C₁₇H₃₁COOH, линолевая, две двойные. Число углеродов то же, меняется только водород.
Кислотный гидролиз обратим и даёт глицерин + кислоты. Щелочной (омыление) необратим и даёт глицерин + соли кислот, то есть мыло. Необратим он потому, что кислота сразу связывается щёлочью в соль и вернуться в реакцию не может.
Мыло — натриевая (твёрдое) или калиевая (жидкое) соль высшей карбоновой кислоты. В жёсткой воде, богатой ионами Ca2+ и Mg2+, оно теряет моющую силу: образуются нерастворимые соли, те самые «хлопья» — 2C₁₇H₃₅COONa + Ca2+ → (C₁₇H₃₅COO)₂Ca↓ + 2Na+. Синтетические моющие средства этого недостатка лишены.
Бромной водой (или раствором KMnO₄). Растительное масло содержит остатки непредельных кислот с двойными связями — оно обесцветит бромную воду. Животный жир состоит из предельных кислот и цвет не изменит. Та же двойная связь объясняет, почему масла жидкие: изогнутые цепи хуже упаковываются.
Ответь мысленно, потом раскрой карточку.
В щелочной среде образующаяся кислота сразу нейтрализуется щёлочью в соль, которая не может реагировать со спиртом обратно — равновесие сдвигается полностью в сторону продуктов.
Растительное масло (непредельное) обесцвечивает бромную воду, животный жир (предельный) — нет.
Глицерин и соли высших карбоновых кислот (мыло).
Ионы Ca2+/Mg2+ образуют с мылом нерастворимые соли (хлопья осадка), теряя моющую способность.
Гидрогенизацией (каталитическим гидрированием, Ni-катализатор) — двойные связи в остатках непредельных кислот насыщаются водородом, масло становится твёрдым.
Изомеры — оба C3H6O2, но разное строение и свойства (эфир не кислый, кислота даёт кислую реакцию среды).
1 моль глицерина (M=92 г/моль) — по уравнению гидролиза 1 моль жира даёт 1 моль глицерина независимо от количества NaOH. m = 92 г.
Молекула мыла имеет неполярный хвост (растворим в жире) и полярную головку (растворима в воде) — в воде образуются мицеллы, «упаковывающие» частицы жира внутрь и позволяющие смыть их водой.
С хлорангидридом — реакция необратима и идёт значительно быстрее прямой этерификации (обратимой реакции со свободной кислотой).
Орбита оценит уровень по каждой из 34 тем ЕГЭ и сама подберёт, что решать дальше. Первая диагностика — 12 задач, регистрация по логину, почту не спрашиваем.
Начать бесплатно