乙醇与乙酸

引入

为什么酒精能消毒,也能作为燃料?

为什么食醋有酸味,能用来除水垢?

为什么酒放久了会变酸?

乙醇和乙酸能发生什么反应?

乙醇和乙酸是生活中最常见的有机物之一。乙醇存在于酒精饮料、消毒液、燃料中,乙酸是食醋的主要成分,也是重要的化工原料。

理解乙醇和乙酸的结构、性质和反应,不只是记住几个方程式,而是理解醇和羧酸这两类有机物的共性,以及官能团对性质的决定作用。

正文

定义

乙醇是分子式为 $\mathrm{C}{}_2\mathrm{H}{}_6\mathrm{O}$ 的醇,结构简式为 $\mathrm{CH}{}_3\mathrm{CH}{}_2\mathrm{OH}$,含有羟基 $-\mathrm{OH}$ 官能团。

乙酸是分子式为 $\mathrm{C}{}_2\mathrm{H}{}_4\mathrm{O}{}_2$ 的羧酸,结构简式为 $\mathrm{CH}{}_3\mathrm{COOH}$,含有羧基 $-\mathrm{COOH}$ 官能团。

乙醇

物理性质

性质	数值或描述
分子式	$\mathrm{C}{}_2\mathrm{H}{}_6\mathrm{O}$
结构简式	$\mathrm{CH}{}_3\mathrm{CH}{}_2\mathrm{OH}$
俗名	酒精
颜色	无色
气味	特殊香味
物态	液体(常温常压)
沸点	$78{}^{\circ }\mathrm{C}$
密度	约 $0.79g/c{\mathrm{m}}^3$
溶解性	与水任意比例互溶,也能溶解多种有机物

乙醇能与水互溶,原因是乙醇分子中的羟基 $-\mathrm{OH}$ 能与水分子形成氢键。

医用酒精通常是 $75\%$ 的乙醇水溶液,这个浓度既能渗透细菌细胞,又能使蛋白质变性,消毒效果最好。

结构特点

乙醇分子中含有羟基 $-\mathrm{OH}$,这是醇类的官能团。

$\mathrm{CH}{}_3-\mathrm{CH}{}_2-\mathrm{OH}$

• 羟基中的氢原子比较活泼,可以被取代
• 羟基连接的碳原子也比较活泼,可以发生氧化反应

化学性质

与金属钠反应

乙醇中的羟基氢可以被金属钠取代,生成氢气。

$2\mathrm{CH}{}_3\mathrm{CH}{}_2\mathrm{OH}+2\mathrm{Na}\to 2\mathrm{CH}{}_3\mathrm{CH}{}_2\mathrm{ONa}+\mathrm{H}{}_2\uparrow$

现象:钠浮在乙醇液面上,放出气体,溶液变热。

这个反应和水与钠反应类似,但乙醇与钠反应比水慢,说明乙醇中的羟基氢不如水中的氢活泼。

氧化反应

乙醇能被氧化成乙醛,进一步氧化成乙酸。

催化氧化:

$2\mathrm{CH}{}_3\mathrm{CH}{}_2\mathrm{OH}+\mathrm{O}{}_2\underset{\mathrm{\Delta }}{\overset{\mathrm{Cu}}{\to }}2\mathrm{CH}{}_3\mathrm{CHO}+2\mathrm{H}{}_2\mathrm{O}$

这是工业制乙醛的方法之一。

完全氧化(燃烧):

$\mathrm{C}{}_2\mathrm{H}{}_5\mathrm{OH}+3\mathrm{O}{}_2\stackrel{点燃}{\to }2\mathrm{CO}{}_2+3\mathrm{H}{}_2\mathrm{O}$

乙醇能燃烧,火焰呈淡蓝色,放出大量热。乙醇可以作为清洁燃料,用于酒精灯、燃料电池、汽车燃料添加剂。

被强氧化剂氧化:

乙醇遇到酸性高锰酸钾溶液或酸性重铬酸钾溶液,能被氧化成乙酸,同时氧化剂被还原,溶液颜色改变。

消去反应

乙醇在浓硫酸作用下加热到 $170{}^{\circ }\mathrm{C}$,能发生消去反应生成乙烯。

$\mathrm{CH}{}_3\mathrm{CH}{}_2\mathrm{OH}\underset{170{}_{}^{}{}_{}^{\circ }\mathrm{C}}{\overset{浓\mathrm{H}{}_2\mathrm{SO}{}_4}{\to }}\mathrm{CH}{}_2=\mathrm{CH}{}_2\uparrow +\mathrm{H}{}_2\mathrm{O}$

如果温度控制在 $140{}^{\circ }\mathrm{C}$,乙醇会发生分子间脱水生成乙醚:

$2\mathrm{CH}{}_3\mathrm{CH}{}_2\mathrm{OH}\underset{140{}_{}^{}{}_{}^{\circ }\mathrm{C}}{\overset{浓\mathrm{H}{}_2\mathrm{SO}{}_4}{\to }}\mathrm{CH}{}_3\mathrm{CH}{}_2-\mathrm{O}-\mathrm{CH}{}_2\mathrm{CH}{}_3+\mathrm{H}{}_2\mathrm{O}$

温度控制是关键,不同温度产物不同。

酯化反应

乙醇能与乙酸发生酯化反应,生成乙酸乙酯。

$\mathrm{CH}{}_3\mathrm{COOH}+\mathrm{CH}{}_3\mathrm{CH}{}_2\mathrm{OH}\underset{\mathrm{\Delta }}{\overset{浓\mathrm{H}{}_2\mathrm{SO}{}_4}{\rightleftharpoons }}\mathrm{CH}{}_3\mathrm{COOCH}{}_2\mathrm{CH}{}_3+\mathrm{H}{}_2\mathrm{O}$

这是合成酯的典型反应,后面会详细讨论。

乙醇的应用

应用	说明
医用消毒	$75\%$ 乙醇能使蛋白质变性,杀灭细菌病毒
工业溶剂	乙醇能溶解多种有机物和无机物,用于提取、溶解和清洗
燃料	乙醇燃烧热高且清洁,可用作燃料或燃料添加剂
饮料	酒精饮料中的主要成分
化工原料	制取乙醛、乙酸、乙酸乙酯等

乙酸

物理性质

性质	数值或描述
分子式	$\mathrm{C}{}_2\mathrm{H}{}_4\mathrm{O}{}_2$
结构简式	$\mathrm{CH}{}_3\mathrm{COOH}$
俗名	醋酸
颜色	无色
气味	刺激性酸味
物态	液体(常温常压)
沸点	$118{}^{\circ }\mathrm{C}$
熔点	$16.6{}^{\circ }\mathrm{C}$
溶解性	与水任意比例互溶

纯乙酸在 $16.6{}^{\circ }\mathrm{C}$ 以下会凝固成冰状晶体,所以纯乙酸又叫冰醋酸。

食醋中乙酸的质量分数约为 $3\%\sim 5\%$。

结构特点

乙酸分子中含有羧基 $-\mathrm{COOH}$,这是羧酸的官能团。

$\mathrm{CH}{}_3-\mathrm{COOH}$

羧基可以看成由羰基 $-\mathrm{CO}-$ 和羟基 $-\mathrm{OH}$ 组成,但羧基的性质不是两者的简单加和,而是表现出独特的酸性。

化学性质

酸性

乙酸是弱酸,能电离出 $\mathrm{H}{}^{+}$。

$\mathrm{CH}{}_3\mathrm{COOH}\rightleftharpoons \mathrm{CH}{}_3\mathrm{COO}{}^{-}+\mathrm{H}{}^{+}$

乙酸的酸性比碳酸强,所以乙酸能与碳酸盐反应放出 $\mathrm{CO}{}_2$。

与碱反应:

$\mathrm{CH}{}_3\mathrm{COOH}+\mathrm{NaOH}\to \mathrm{CH}{}_3\mathrm{COONa}+\mathrm{H}{}_2\mathrm{O}$

与碳酸盐反应:

$2\mathrm{CH}{}_3\mathrm{COOH}+\mathrm{CaCO}{}_3\to (\mathrm{CH}{}_3\mathrm{COO}){}_2\mathrm{Ca}+\mathrm{H}{}_2\mathrm{O}+\mathrm{CO}{}_2\uparrow$

这个反应可以用来除水垢($\mathrm{CaCO}{}_3$)、清洗水壶。

与活泼金属反应:

$2\mathrm{CH}{}_3\mathrm{COOH}+\mathrm{Mg}\to (\mathrm{CH}{}_3\mathrm{COO}){}_2\mathrm{Mg}+\mathrm{H}{}_2\uparrow$

乙酸能与金属反应放出氢气,但反应比盐酸慢,因为乙酸是弱酸。

酯化反应

乙酸能与醇发生酯化反应,生成酯。

$\mathrm{CH}{}_3\mathrm{COOH}+\mathrm{CH}{}_3\mathrm{CH}{}_2\mathrm{OH}\underset{\mathrm{\Delta }}{\overset{浓\mathrm{H}{}_2\mathrm{SO}{}_4}{\rightleftharpoons }}\mathrm{CH}{}_3\mathrm{COOCH}{}_2\mathrm{CH}{}_3+\mathrm{H}{}_2\mathrm{O}$

酯化反应的特点:

• 是可逆反应,需要用 $\rightleftharpoons$ 表示
• 需要浓硫酸作催化剂和吸水剂
• 需要加热
• 反应慢,平衡转化率不高

酯化反应的断键方式:

通过同位素示踪实验,可以确定酯化反应的断键位置是:酸脱 $-\mathrm{OH}$,醇脱 $-\mathrm{H}$。

$\mathrm{CH}{}_3\mathrm{CO}-\mathrm{OH}+\mathrm{H}-\mathrm{OCH}{}_2\mathrm{CH}{}_3\to \mathrm{CH}{}_3\mathrm{CO}-\mathrm{OCH}{}_2\mathrm{CH}{}_3+\mathrm{H}{}_2\mathrm{O}$

乙酸乙酯:

乙酸乙酯 $\mathrm{CH}{}_3\mathrm{COOCH}{}_2\mathrm{CH}{}_3$ 是无色、有果香味的液体,密度比水小,难溶于水,常用作溶剂和香料。

实验室制取乙酸乙酯时,产物要用饱和碳酸钠溶液收集,原因是:

1. 降低乙酸乙酯的溶解度
2. 中和挥发出来的乙酸
3. 溶解挥发出来的乙醇

乙酸的应用

应用	说明
食品调味	食醋的主要成分
化工原料	制取乙酸乙酯、乙酸纤维、药物等
清洁剂	除水垢、锈斑
防腐剂	抑制微生物生长

醇和羧酸的通性

乙醇是醇类的代表,乙酸是羧酸的代表。它们的性质可以推广到同类物质。

醇的通性:

• 含有羟基 $-\mathrm{OH}$
• 能与活泼金属反应放出氢气
• 能被氧化成醛或酮,进一步氧化成羧酸
• 能发生消去反应(前提是 $\beta$-碳上有氢)
• 能与羧酸发生酯化反应

羧酸的通性:

• 含有羧基 $-\mathrm{COOH}$
• 具有酸性,能与碱、碳酸盐、活泼金属反应
• 能与醇发生酯化反应

酒精发酵和乙酸发酵

酒精发酵:

$\mathrm{C}{}_6\mathrm{H}{}_{12}\mathrm{O}{}_6\stackrel{酶}{\to }2\mathrm{C}{}_2\mathrm{H}{}_5\mathrm{OH}+2\mathrm{CO}{}_2$

这是酵母菌在无氧条件下将葡萄糖转化为乙醇的过程,是酿酒的原理。

乙酸发酵:

$2\mathrm{C}{}_2\mathrm{H}{}_5\mathrm{OH}+\mathrm{O}{}_2\stackrel{醋酸菌}{\to }2\mathrm{CH}{}_3\mathrm{COOH}+2\mathrm{H}{}_2\mathrm{O}$

这是醋酸菌在有氧条件下将乙醇氧化成乙酸的过程,是酿醋的原理,也解释了为什么酒放久了会变酸。

引出

为什么高级醇(如丙醇、丁醇)的水溶性比乙醇差?

如何鉴别乙醇和乙酸?

为什么酯化反应是可逆反应,如何提高产率?

羧酸的酸性强弱和结构有什么关系?