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Hydroxy compounds

A-Level Chemistry · ⁨A-Level 화학⁩ · Topic 16 · ⁨주제 16⁩

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8:20

하이드록시 화합물

손 소독제를 손에 짜세요. 차갑게 느껴지고 곧 사라집니다. 그것이 에탄올입니다 — 미생물을 죽이는 알코올입니다. 에탄올은 짧은…입니다.

English narration · English + 中文 subtitles burned in · ⁨영어 내레이션 · 영어 + 중국어 자막 burned-in⁩

16.1

Alcohols · ⁨알코올⁩

Syllabus
  1. recall the reactions (reagents and conditions) by which alcohols can be produced: (a) electrophilic addition of steam to an alkene, $\text{H}_2\text{O(g)}$ and $\text{H}_3\text{PO}_4$ catalyst (b) reaction of alkenes with cold dilute acidified potassium manganate(VII) to form a diol (c) substitution of a halogenoalkane using $\text{NaOH(aq)}$ and heat (d) reduction of an aldehyde or ketone using $\text{NaBH}_4$ or $\text{LiAlH}_4$ (e) reduction of a carboxylic acid using $\text{LiAlH}_4$ (f) hydrolysis of an ester using dilute acid or dilute alkali and heat
  2. describe: (a) the reaction with oxygen (combustion) (b) substitution to form halogenoalkanes, e.g. by reaction with $\text{HX(g)}$; or with $\text{KCl}$ and concentrated $\text{H}_2\text{SO}_4$ or concentrated $\text{H}_3\text{PO}_4$; or with $\text{PCl}_3$ and heat; or with $\text{PCl}_5$; or with $\text{SOCl}_2$ (c) the reaction with $\text{Na(s)}$ (d) oxidation with acidified $\text{K}_2\text{Cr}_2\text{O}_7$ or acidified $\text{KMnO}_4$ to: (i) carbonyl compounds by distillation (ii) carboxylic acids by refluxing (primary alcohols give aldehydes which can be further oxidised to carboxylic acids, secondary alcohols give ketones, tertiary alcohols cannot be oxidised) (e) dehydration to an alkene, by using a heated catalyst, e.g. $\text{Al}_2\text{O}_3$ or a concentrated acid (f) formation of esters by reaction with carboxylic acids and concentrated $\text{H}_2\text{SO}_4$ as catalyst as exemplified by ethanol
  3. (a) classify alcohols as primary, secondary and tertiary alcohols, to include examples with more than one alcohol group (b) state characteristic distinguishing reactions, e.g. mild oxidation with acidified $\text{K}_2\text{Cr}_2\text{O}_7$, colour change from orange to green
  4. deduce the presence of a $\text{CH}_3\text{CH(OH)}-$ group in an alcohol, $\text{CH}_3\text{CH(OH)}-\text{R}$, from its reaction with alkaline $\text{I}_2\text{(aq)}$ to form a yellow precipitate of tri-iodomethane and an ion, $\text{RCO}_2^-$
  5. explain the acidity of alcohols compared with water

Source: Cambridge International syllabus · ⁨출처: Cambridge International syllabus⁩

English

An alcohol 醇 has the $\text{–OH}$ (hydroxyl) functional group.

Making alcohols

Method Reagents and conditions
addition of steam to an alkene $\text{H}_2\text{O(g)}$, $\text{H}_3\text{PO}_4$ catalyst (electrophilic addition 亲电加成)
an alkene 烯烃 with cold dilute $\text{KMnO}_4$ gives a diol 二醇 (two $\text{–OH}$ groups)
substitution of a halogenoalkane 卤代烷 $\text{NaOH(aq)}$, heat
reduction 还原 of an aldehyde 醛 or ketone 酮 $\text{NaBH}_4$ or $\text{LiAlH}_4$
reduction of a carboxylic acid 羧酸 $\text{LiAlH}_4$
hydrolysis 水解 of an ester 酯 dilute acid or alkali, heat

Reactions of alcohols

  • combustion: alcohols burn in oxygen to give carbon dioxide and water.
  • substitution to a halogenoalkane, for example with $\text{HX}$, $\text{PCl}_5$, $\text{PCl}_3$ and heat, or $\text{SOCl}_2$.
  • with sodium: alcohols react with sodium metal to give hydrogen and a sodium alkoxide — like water, but more slowly.
  • oxidation 氧化 with acidified $\text{K}_2\text{Cr}_2\text{O}_7$ (or $\text{KMnO}_4$). The product depends on the class of alcohol (see below).
  • dehydration 脱水 to an alkene, using a hot $\text{Al}_2\text{O}_3$ catalyst or concentrated acid.
  • ester formation: an alcohol reacts with a carboxylic acid (with concentrated $\text{H}_2\text{SO}_4$ catalyst) to make an ester.

Three classes and how oxidation tells them apart

An alcohol is primary 伯, secondary 仲 or tertiary 叔, depending on how many carbons are joined to the carbon holding the $\text{–OH}$. Some molecules have more than one $\text{–OH}$ group.

Class Oxidation product
primary aldehyde (by distillation 蒸馏), then carboxylic acid (by reflux 回流)
secondary a ketone
tertiary not oxidised

In a quick test, acidified $\text{K}_2\text{Cr}_2\text{O}_7$ turns from orange to green with a primary or secondary alcohol, but stays orange with a tertiary alcohol.

  • distillation removes the aldehyde as it forms, before it can be oxidised further.
  • reflux keeps boiling the mixture and returning the vapour, so the alcohol is fully oxidised to the carboxylic acid.

The iodoform test

If you warm an alcohol that contains the $\text{CH}_3\text{CH(OH)}-$ group with alkaline aqueous iodine, you get a pale yellow precipitate of tri-iodomethane 三碘甲烷 ($\text{CHI}_3$) and the ion $\text{RCO}_2^-$. This is a useful test for that group.

Acidity of alcohols

The $\text{–OH}$ group makes alcohols very weakly acidic: they can lose the $\text{H}^+$ to form an $\text{RO}^-$ ion. But their acidity 酸性 is lower than that of water. This is because the alkyl group pushes electron density onto the oxygen, which makes the $\text{RO}^-$ ion less stable, so the alcohol holds onto its $\text{H}^+$ more tightly.

Worked example. Three unlabelled bottles hold butan-1-ol, butan-2-ol and 2-methylpropan-2-ol. How does warming each with acidified $\text{K}_2\text{Cr}_2\text{O}_7$ tell them apart? What matters is how many hydrogens sit on the carbon carrying the $\text{OH}$. Butan-1-ol is primary (two such hydrogens): the orange dichromate turns green, and by distilling you collect an aldehyde (butanal), or by refluxing you get the carboxylic acid (butanoic acid). Butan-2-ol is secondary (one such hydrogen): also green, but the product is a ketone (butanone), which will not oxidise further. 2-methylpropan-2-ol is tertiary (no such hydrogen): there is nothing to remove, so the dichromate stays orange. The colour only separates the tertiary from the other two - to split primary from secondary you must identify the product (an aldehyde gives a silver mirror with Tollens', a ketone does not).

한국어

알코올은 $\text{–OH}$ (하이드록실) 기능기를 가집니다.

손 소독제 병 이미지
손 소독제의 알코올 성분인 에탄올은 미생물을 사멸시킨다

알코올 제조 방법

방법 시약 및 조건
알켄에 증기 추가 $\text{H}_2\text{O(g)}$, $\text{H}_3\text{PO}_4$ 촉매 (전자吸引성 첨가)
알켄을 차갑고 희석된 $\text{KMnO}_4$와 반응 다이올 (두 개의 $\text{–OH}$ 그룹) 생성
할로젠알케인의 치환 $\text{NaOH(aq)}$, 가열
알데히드 또는 케톤의 환원 $\text{NaBH}_4$ 또는 $\text{LiAlH}_4$
카복실산의 환원 $\text{LiAlH}_4$
에스터의 가수분해 희석 산 또는 염기, 가열
 foil로 마개한 구형플라스크에 탁한 액체가 들어있어 실험실에서 발효 중인 모습
공업적으로도 에탄올은 설탕 발효를 통해 제조되며, 이후 분馏法으로 물로부터 분리합니다

알코올의 반응

  • 연소: 알코올은 산소 속에서 타서 이산화탄소와 물을 생성합니다.
  • 할로젠알케인으로의 치환, 예시: $\text{HX}$, $\text{PCl}_5$, $\text{PCl}_3$ 및 가열, 또는 $\text{SOCl}_2$ 사용.
  • 나트륨과의 반응: 알코올은 금속 나트륨과 반응하여 수소와 나트륨 알코óxide(알콕사이드)를 생성합니다 — 물과 유사하지만 더 느리게 반응합니다.
  • 산화된 $\text{K}_2\text{Cr}_2\text{O}_7$ (또는 $\text{KMnO}_4$)에 의한 산화. 생성물은 알코올의 종류에 따라 다릅니다 (아래 참조).
  • 알켄으로의 탈수: 뜨거운 $\text{Al}_2\text{O}_3$ 촉매 또는 농축 산 사용.
  • 에스터 생성: 알코올이 카복실산과 반응(농축 $\text{H}_2\text{SO}_4$ 촉매 사용)하여 에스터를 만듭니다.
네 가지 방식으로 반응하는 알코올: 연소, 탈수로 알켄 생성, 에스터화, 산화
알코올은 연소, 탈수, 에스터화 또는 산화될 수 있음

세 가지 종류와 산화를 통한 구분법

알코올은 일차, 이차, 또는 삼차로 분류되는데, 이는 $\text{–OH}$를 가진 탄소에 연결된 탄소 개수에 따라 결정됩니다. 일부 분자는 여러 개의 $\text{–OH}$ 그룹을 가질 수 있습니다.

세 개의 중심 탄소에 각각 OH 그룹이 붙은 모습: 일차는 R 그룹 하나와 수소 두 개, 이차는 R 그룹 두 개와 수소 한 개, 삼차는 R 그룹 세 개
종류는 –OH를 가진 탄소에 의해 결정됩니다: R 그룹 하나가 일차, 두 개가 이차, 세 개가 삼차이며, 이것이 산화 방식을 결정합니다
종류 산화 산물
일차 알데히드 (증류로), 이후 카복실산 (환류로)
이차 케톤
삼차 산화되지 않음
스키마: 일차 알코올이 알데히드로 산화된 후 카복실산으로, 이차 알코올이 케톤으로, 삼차 알코올은 산화되지 않는 과정
종류별 산화: 일차 알코올은 알데히드와 카복실산을, 이차는 케톤을, 삼차는 산화되지 않습니다

빠른 테스트에서, 산화된 $\text{K}_2\text{Cr}_2\text{O}_7$는 일차 또는 이차 알코올과 반응하면 주황색에서 녹색으로 변하지만, 삼차 알코올에서는 주황색을 유지합니다.

두 개의 시험관 속 주황색 디크로메이트: 일차 또는 이차 알코올이 들어간 것은 녹색으로 변했고, 삼차 알코올이 들어간 것은 여전히 주황색
산화된 디크로메이트는 일차 또는 이차 알코올과 반응하면 주황색에서 녹색으로 변하지만, 삼차 알코올에서는 주황색을 유지합니다
  • 증류는 알데히드가 생성되는 대로 제거하여 추가 산화를 방지합니다.
  • 환류는 혼합물을 계속 끓이고 증기를 다시 응축시켜 회류하게 하여, 알코올을 카복실산으로 완전히 산화시킵니다.
두 세트의 실험 장치: 증기가 플라스크로 돌아오는 수직 응축관을 사용한 환류와, 기울어진 응축관이 수집 플라스크로 이어지는 증류
증류는 알데히드를 생성되는 대로 제거하며, 환류는 끓이고 증기를 다시 회류시켜 산으로 완전히 산화합니다
온도계와 물 응축관을 갖춘 실험실 분馏塔
실제 증류 setups: 증기가 끓어 올라 응축관에서 식어서 수집됩니다 — 에탄올을 발효混合物에서 분리하는 원리와 동일합니다

요오포름 테스트

$\text{CH}_3\text{CH(OH)}-$ 그룹을 포함하는 알코올을 알칼리성 수용성 요오드와 함께 가열하면, 연한 노색 침전물인 요오로포름($\text{CHI}_3$)과 이온 $\text{RCO}_2^-$이 생성됩니다. 이 그룹을 확인하는 유용한 테스트입니다

알코올의 산성

$\text{–OH}$ 기는 알코올을 매우 약한 산으로 만듭니다: 이들은 $\text{H}^+$를 잃어 $\text{RO}^-$ 이온을 형성할 수 있습니다. 그러나 그들의 산성은 물의 산성보다 낮습니다. 이는 알킬기가 산소 위에 전자 밀도를 밀어 넣어 $\text{RO}^-$ 이온이 더 안정적이지 않게 만들기 때문입니다. 따라서 알코올은 그 $\text{H}^+$를 더 단단히 붙잡고 있습니다.

해설 예제. 표지 없는 세 병에 부탄-1-올, 부탄-2-올 및 2-메틸프로판-2-올이 들어 있습니다. 각 병에 산화된 $\text{K}_2\text{Cr}_2\text{O}_7$을 가열하여 구별하는 방법은 무엇입니까? 중요한 것은 $\text{OH}$가附着된 탄소 위에 있는 수소 원자의 수입니다. 부탄-1-올은 일차(주) 알코올(이러한 수소가 두 개 있음)로, 주황색 디크롬酸盐은 녹색으로 변하며, 증류하면 알데하이드(부탄알)를, 환류하면 카복실산(부탄산)을 얻습니다. 부탄-2-올은 이차(중) 알코올(이러한 수소가 하나 있음)로, 역시 녹색으로 변하지만, 생성물은 케톤(부탄론)이며 더 이상 산화되지 않습니다. 2-메틸프로판-2-올은 삼차(말) 알코올(이러한 수소가 없음)으로, 제거할 것이 없으므로 디크롬酸盐은 주황색을 유지합니다. 색상의 변화는 삼차를 다른 두 가지와 구분하는 데만 사용되며, 일차와 이차를 구분하려면 생성물을 식별해야 합니다(알데하이드는 톨렌 시약과 반응하여 은거울을 형성하지만, 케톤은 그렇지 않습니다).

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Alcohol reaction map · ⁨알코올 반응 도식⁩

Choose what happens to alcohols under different reagents. · ⁨다양한 시약 조건에서 알코올이 어떻게 변하는지 선택하십시오.⁩

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Alcohol oxidation test lab · ⁨알코올 산화 실험실⁩

Classify alcohols by oxidation product and observation. · ⁨산화 생성물과 관찰 결과에 따라 알코올을 분류하십시오.⁩

Vocabulary · ⁨어휘⁩ Train · ⁨연습하기⁩
English 한국어
alcohol/ˈælkəhɒl/ 알코올
electrophilic addition/ɪˌlektrəʊˈfɪlɪk əˈdɪʃn/ 전자유기적 첨가
alkene/ˈælkiːn/ 알켄
diol/dɪˈɒl/ 다이올(diols)
halogenoalkane/ˈheɪləʊdʒnəʊlkeɪn/ 할로젠알케인
reduction/rɪˈdʌkʃn/ 환원
aldehyde/ˈældɪhaɪd/ 알데히드
ketone/ˈketəʊn/ 케톤
carboxylic acid/ˌkɑːbəkˈsɪlɪk ˈæsɪd/ 카복실산
hydrolysis/haɪˈdrɒləsɪs/ 가수분해(hydrolysis)
ester/ˈestə/ 에스터
oxidation/ˌɒksɪˈdeɪʃn/ 산화
dehydration/ˌdiːhaɪˈdreɪʃn/ 탈수 반응
primary/ˈpraɪməri/ 일차(Primary)
secondary/ˈsekəndəri/ 이차(Secondary)
tertiary/ˈtɜːʃjəri/ 삼차(Tertiary)
distillation/dɪstɪˈleɪʃn/ 증류
reflux/ˈriːflʌks/ 환류
tri-iodomethane/traɪ ˈaɪədəʊmθeɪn/ .size=tri-iodomethane.size
acidity/æˈsɪdɪti/ 산성도
16.1

Exam tips · ⁨시험 팁⁩

English
  • Classify the alcohol as primary, secondary or tertiary first — it decides the oxidation product.
  • Oxidation with acidified $\text{K}_2\text{Cr}_2\text{O}_7$ (orange → green): primary → aldehyde (distil) → acid (reflux); secondary → ketone; tertiary → no reaction.
  • Distinguish the conditions for aldehyde vs acid from a primary alcohol (distillation vs reflux).
  • Name esters correctly (the acid part comes second, ending "-oate").
한국어
  • 알코올을 먼저 일차, 이차 또는 삼차로 분류하십시오 — 이것이 산화 생성물을 결정합니다.
  • 산화된 $\text{K}_2\text{Cr}_2\text{O}_7$(주황색 → 녹색)로 산화: 일차 → 알데하이드(증류) → 산(환류); 이차 → 케톤; 삼차 → 무반응.
  • 일차 알코올로부터 알데하이드 vs 산을 위한 조건(증류 vs 환류)을 구분하십시오.
  • 에스터를 올바르게 명명하십시오(산 부분이 나중에 오며 "-oate"로 끝남).

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