Alcooli la BAC: etanol, oxidare și glicerol

Alcoolii conțin una sau mai multe grupe hidroxil legate de atomi de carbon saturați. Pentru BAC, etanolul este un reper pentru proprietăți, oxidare și calcule, iar glicerolul arată că o moleculă poate avea mai multe grupe alcoolice. Identificarea grupei OH trebuie făcută împreună cu analiza atomului de carbon de care este legată.

Lecția se aplică variantei chimie organică. Reacțiile sunt modele teoretice; nu sunt oferite proceduri de laborator. Discutăm separat oxidarea etanolului până la aldehidă sau acid și nu presupunem că orice oxidant, în orice condiții, conduce la același produs.

Metanol, etanol și glicerol

Metanolul are formula CH₃OH, etanolul CH₃–CH₂–OH, iar glicerolul HO–CH₂–CH(OH)–CH₂–OH. Primii doi sunt alcooli monohidroxilici, deoarece au o singură grupă OH. Glicerolul este trihidroxilic, cu trei asemenea grupe în aceeași moleculă.

Nu confunda numărul grupelor OH cu numărul moleculelor. Un mol de glicerol conține un mol de molecule, dar trei moli de grupe hidroxil. Pentru reacții care implică fiecare grupă, această diferență poate schimba raportul stoechiometric. Formula moleculară a glicerolului este C₃H₈O₃, verificată prin numărarea tuturor hidrogenilor, inclusiv cei legați de oxigen.

Compus	Formula condensată	Număr de grupe OH
Metanol	CH₃OH	Una
Etanol	CH₃CH₂OH	Una
Glicerol	HOCH₂CH(OH)CH₂OH	Trei

De ce alcoolii interacționează cu apa?

Grupele OH pot participa la legături de hidrogen. Această proprietate influențează solubilitatea și temperaturile de fierbere. Metanolul și etanolul se amestecă cu apa, iar glicerolul are o afinitate mare pentru aceasta datorită grupelor sale hidroxil. Totuși, nu extindem automat aceeași solubilitate la orice alcool cu lanț carbonic lung.

În general, partea hidrocarbonată și grupele polare contribuie diferit la comportament. Pe măsură ce lanțul nepolar devine mai mare, efectul unei singure grupe OH poate să nu mai asigure miscibilitate completă cu apa. O explicație corectă leagă proprietatea de întreaga structură, nu doar de existența literei O în formulă.

Legăturile de hidrogen dintre molecule nu trebuie confundate cu legăturile covalente O–H din interiorul lor. La fierbere, în modelul obișnuit, moleculele trec în faza gazoasă fără ca toate legăturile O–H să fie rupte. Schimbarea stării de agregare nu este aceeași transformare cu descompunerea chimică.

Alcool primar, secundar sau terțiar?

Clasificarea urmărește numărul vecinilor carbonici ai carbonului care poartă OH. În etanol, acest carbon este legat de un singur alt carbon, deci alcoolul este primar. În propan-2-ol, carbonul cu OH este legat de doi atomi de carbon, deci alcoolul este secundar.

Nu clasifici alcoolul după numărul total al atomilor de carbon sau după numărul grupelor OH. Un alcool cu trei atomi de carbon poate fi primar sau secundar, în funcție de poziția grupei. Această diferență structurală influențează și produșii oxidării.

Oxidarea etanolului: două niveluri de transformare

O schemă simplificată pentru oxidare până la etanal este CH₃CH₂OH + [O] → CH₃CHO + H₂O. Simbolul [O] reprezintă un echivalent formal de oxigen în bilanț, nu o afirmație că în reacție se introduce un atom liber de oxigen. Produsul carbonilic este o aldehidă.

Oxidarea ulterioară poate conduce la acid acetic: CH₃CHO + [O] → CH₃COOH. Ecuația globală până la acid este CH₃CH₂OH + 2[O] → CH₃COOH + H₂O. Numărul atomilor de carbon rămâne doi în aceste transformări, dar grupa funcțională se schimbă.

Condițiile și oxidantul stabilesc ce produs este urmărit. OpenStax distinge oxidarea alcoolilor primari la aldehide sau acizi, în timp ce alcoolii secundari conduc obișnuit la cetone. Lecția folosește aceste clase pentru a evita răspunsul universal „alcoolul produce întotdeauna aldehidă”.

Permanganat și dicromat în mediu acid

Pentru oxidarea etanolului până la acid acetic cu permanganat în mediu acid, o ecuație ionică egalată este: 5C₂H₅OH + 4MnO₄⁻ + 12H⁺ → 5CH₃COOH + 4Mn²⁺ + 11H₂O. Raportul molar etanol–permanganat este cinci la patru în acest model.

Cu dicromat în mediu acid, ecuația corespunzătoare este: 3C₂H₅OH + 2Cr₂O₇²⁻ + 16H⁺ → 3CH₃COOH + 4Cr³⁺ + 11H₂O. Raportul etanol–dicromat este trei la doi. Nu transferi coeficienții de la un oxidant la celălalt, chiar dacă produsul organic este același.

Aceste ecuații sunt ionice și nu includ ionii spectatori ai sărurilor sau acidului. Dacă enunțul cere ecuație moleculară, trebuie precizate speciile folosite și adăugați corect ionii spectatori. Pentru calculul raportului dintre etanol și ionul oxidant, ecuația ionică este suficientă.

Problemă rezolvată cu permanganat

Se oxidează complet până la acid acetic 0,10 mol de etanol, în condițiile ecuației cu permanganat de mai sus. Necesarul de MnO₄⁻ este 0,10 × 4/5 = 0,08 mol. Se formează 0,10 mol acid acetic, deoarece raportul etanol–acid este unu la unu.

Dacă soluția de permanganat are concentrația 0,20 mol/L și oxidantul este consumat stoechiometric, volumul necesar este 0,08/0,20 = 0,40 L. Rezultatul se referă la ipoteza de oxidare până la acid. O problemă care urmărește alt produs ar necesita alt bilanț electronic și alți coeficienți.

Fermentația acetică și arderea nu sunt același lucru

Ecuația globală simplificată a oxidării biologice a etanolului la acid acetic este C₂H₅OH + O₂ → CH₃COOH + H₂O. Procesul numit tradițional fermentație acetică implică oxigen și microorganisme. Nu îl confunda cu fermentația alcoolică a glucozei, care produce etanol.

Arderea completă a etanolului este C₂H₅OH + 3O₂ → 2CO₂ + 3H₂O. În acest caz, carbonul ajunge în dioxid de carbon, nu rămâne într-un acid organic cu doi atomi de carbon. Cuvântul „oxidare” acoperă transformări diferite, iar produsul trebuie specificat.

Exerciții cu soluții

1. Câți moli de grupe OH sunt în 0,20 mol glicerol? Sunt 0,60 mol de grupe OH. Cantitatea de molecule rămâne 0,20 mol; nu o triplăm când întrebarea privește moleculele.

2. Ce produs rezultă din oxidarea propan-2-olului în modelul obișnuit fără ruperea catenei? Propanonă, o cetonă. Carbonul care poartă OH este secundar, deci nu folosim direct schema etanolului primar.

3. Cât dicromat cere oxidarea a 0,30 mol etanol până la acid? Din raportul trei la doi rezultă 0,20 mol Cr₂O₇²⁻. Aplicarea raportului cinci la patru ar aparține altui oxidant.

4. De ce acidul acetic nu este alcool? Grupa sa OH face parte din funcțiunea carboxil, –COOH, legată de carbonul carbonilic. Funcțiunea se identifică în ansamblu, nu izolând două litere din formulă.

Aplică schemele în subiectele de BAC. Înțelegerea grupei funcționale ajută la alegerea reacției înaintea calculului. Un profesor de chimie poate verifica separat produsul și egalarea redox.

Întrebări frecvente

Orice grupă OH definește un alcool?

Nu. Contează atomul de care este legată și funcțiunea completă. Fenolii și acizii carboxilici se clasifică separat.

Oxidarea etanolului produce mereu acid acetic?

Nu fără precizarea condițiilor și a nivelului de oxidare. Produsul poate fi urmărit la etapa de aldehidă sau la cea de acid, în modele diferite.

[O] este același lucru cu O₂?

Nu. [O] este o notație formală de bilanț. Pentru o ecuație cu oxidant concret trebuie folosite speciile și coeficienții corespunzători.

Reper curricular

Alcoolii și oxidarea etanolului sunt incluse în programa oficială istorică de chimie organică, fără afirmații despre o programă anuală neverificată.