úvod
V lekárničke stojí fľaštička liehu na dezinfekciu, pri dverách obchodu dávkovač s gélom na ruky, v chladiči auta nemrznúca zmes a v kúpeľni mydlo a krém s glycerolom. Všetky tieto látky sú alkoholy. V bežnej reči sa slovom alkohol myslí nápoj, v chémii je to však celá skupina látok so skupinou −OH a patria do nej látky užitočné aj veľmi nebezpečné. Občas sa v správach objaví, že sa ľudia otrávili falšovaným alkoholom a mnohí z tých, ktorí prežili, natrvalo oslepli. Na vine je metanol, ktorý sa od liehu líši len o jednu skupinu CH₂. Ako môžu mať dve takmer rovnaké molekuly v tele taký odlišný osud? V tejto lekcii spoznáš, čo sú alkoholy a ako sa pomenúvajú, aké majú vlastnosti a reakcie, ako kvasinky menia cukor na lieh a koľko etanolu z cukru vznikne.
teória
Čo sú alkoholy
Z lekcie Deriváty a funkčné skupiny vieš, že alkoholy sú kyslíkaté deriváty uhľovodíkov s hydroxylovou skupinou −OH. Skupina −OH je v nich naviazaná na nasýtený atóm uhlíka, teda na uhlík, ktorý tvorí len jednoduché väzby. Všeobecný vzorec alkoholov je R−OH, kde R je uhľovodíkový zvyšok. Ak skupina −OH sedí priamo na uhlíku benzénového jadra, látka nie je alkohol, ale fenol. Fenoly majú iné vlastnosti a venuje sa im ďalšia lekcia Fenoly a étery.
Názov alkoholu sa tvorí z názvu uhľovodíka a koncovky -ol: z metánu je metanol, z etánu etanol. Od troch atómov uhlíka treba povedať, na ktorom uhlíku skupina −OH je. Reťazec sa čísluje tak, aby uhlík so skupinou −OH dostal čo najnižšie číslo, a číslo sa píše pred koncovku. Propán-1-ol má skupinu −OH na krajnom uhlíku, propán-2-ol na strednom. Obe látky majú súhrnný vzorec C₃H₈O, sú to izoméry, ako ich poznáš z lekcie Izoméria. Slovo lieh znamená etanol a aj v bežnej reči sa slovom alkohol myslí práve etanol. Jeho starší názov je etylalkohol, podľa uhľovodíkového zvyšku etyl. Podobne sa metanol volal metylalkohol a propán-2-ol sa dodnes často volá izopropylalkohol. Pomenúvanie alkoholov a ďalších derivátov si zopakuješ v lekcii Názvoslovie derivátov.
| názov | racionálny vzorec | iný názov alebo použitie |
|---|---|---|
| metanol | CH₃−OH | drevný lieh, jedovatý |
| etanol | CH₃−CH₂−OH | lieh, alkohol v nápojoch |
| propán-1-ol | CH₃−CH₂−CH₂−OH | rozpúšťadlo |
| propán-2-ol | CH₃−CH(OH)−CH₃ | izopropylalkohol, čistenie a dezinfekcia |
| bután-1-ol | CH₃−CH₂−CH₂−CH₂−OH | rozpúšťadlo lakov a farieb |
Alkohol spoznáš podľa dvoch vecí: v molekule je skupina −OH naviazaná na uhlík a názov sa končí na -ol. Pozor, nie každá látka so skupinou OH je alkohol. Hydroxid sodný NaOH je iónová zlúčenina s hydroxidovým aniónom OH⁻ a je to zásada, ako vieš z lekcie Hydroxidy a zásady. V alkohole je skupina −OH pevne naviazaná na uhlík a vo vode sa neodštiepi, roztok alkoholu preto nie je zásaditý.
Primárne, sekundárne a terciárne alkoholy. Alkoholy sa delia podľa uhlíka, ktorý nesie skupinu −OH. Ak je tento uhlík viazaný na jeden ďalší atóm uhlíka, alkohol je primárny, ak na dva, je sekundárny, a ak na tri, je terciárny. Metanol, ktorého uhlík nemá žiadneho uhlíkového suseda, sa počíta medzi primárne alkoholy.
| alkohol | uhlík so skupinou −OH je viazaný na | všeobecne | príklad |
|---|---|---|---|
| primárny | jeden atóm uhlíka | R−CH₂−OH | etanol, propán-1-ol |
| sekundárny | dva atómy uhlíka | R₂CH−OH | propán-2-ol, bután-2-ol |
| terciárny | tri atómy uhlíka | R₃C−OH | 2-metylpropán-2-ol (CH₃)₃C−OH |
Pri amínoch v lekcii Amíny a nitrozlúčeniny to bolo inak, tam rozhodoval počet uhlíkových skupín na atóme dusíka. Rovnaká kostra preto dostane rôzne označenie: terc-butylamín (CH₃)₃C−NH₂ je primárny amín, kým terc-butylalkohol (CH₃)₃C−OH je terciárny alkohol. Alkoholy sa v tomto ohľade delia rovnako ako halogénderiváty z lekcie Halogénderiváty. Typ alkoholu rozhoduje o tom, či a na čo sa alkohol oxiduje.
Jednosýtne a viacsýtne alkoholy. Podľa počtu skupín −OH v molekule sú alkoholy jednosýtne, napríklad etanol, alebo viacsýtne: dvojsýtny etán-1,2-diol, triviálne etylénglykol, a trojsýtny propán-1,2,3-triol, triviálne glycerol. Počet skupín udáva koncovka -diol alebo -triol a pred ňou čísla uhlíkov, na ktorých skupiny sú. Každá skupina −OH býva na inom uhlíku, lebo zlúčeniny s dvoma skupinami −OH na tom istom uhlíku sú väčšinou nestále a odštiepia vodu. Nestála je aj zlúčenina so skupinou −OH na uhlíku s dvojitou väzbou, takzvaný enol, ktorý sa väčšinou hneď premení na aldehyd alebo ketón.
teória
Vlastnosti alkoholov
Molekula alkoholu je trochu ako voda a trochu ako uhľovodík. Skupina −OH sa podobá molekule vody a molekuly alkoholu sa ňou navzájom spájajú vodíkovými väzbami, ktoré poznáš z lekcie Deriváty a funkčné skupiny. Uhľovodíkový zvyšok sa naopak správa ako alkán. Od toho, ktorá časť prevládne, závisia vlastnosti alkoholu.
| látka | vzorec | molárna hmotnosť | teplota varu |
|---|---|---|---|
| etán | CH₃−CH₃ | 30 g/mol | −89 °C |
| metanol | CH₃−OH | 32 g/mol | 65 °C |
| etanol | CH₃−CH₂−OH | 46 g/mol | 78 °C |
| propán-1-ol | CH₃−CH₂−CH₂−OH | 60 g/mol | 97 °C |
| bután-1-ol | CH₃−CH₂−CH₂−CH₂−OH | 74 g/mol | 118 °C |
| etylénglykol | HO−CH₂−CH₂−OH | 62 g/mol | 197 °C |
| glycerol | HO−CH₂−CH(OH)−CH₂−OH | 92 g/mol | asi 290 °C |
- Teplota varu. Alkoholy vrú pri oveľa vyššej teplote ako uhľovodíky s podobne ťažkými molekulami. Metanol a etán majú takmer rovnakú molárnu hmotnosť, no etán je plyn a metanol vrie až pri 65 °C. S dĺžkou reťazca teplota varu stúpa a ešte viac stúpa s počtom skupín −OH. Pri izbovej teplote sú alkoholy kvapaliny alebo tuhé látky, plynný alkohol nenájdeš. Tie s krátkym reťazcom sú bezfarebné kvapaliny s typickou vôňou, voskovitý cetylalkohol C₁₆H₃₃OH s dlhým reťazcom sa pridáva do krémov.
- Rozpustnosť vo vode. Metanol, etanol aj oba propanoly sa s vodou miešajú v akomkoľvek pomere. S dĺžkou reťazca rozpustnosť klesá. Bután-1-ol sa vo vode rozpúšťa už len obmedzene a alkoholy s dlhým reťazcom sa s ňou nemiešajú. Etylénglykol a glycerol s viacerými skupinami −OH sa s vodou miešajú výborne.
- Hustota. Etanol má hustotu asi 0,79 g/cm³, je ľahší ako voda. Glycerol je naopak ťažší ako voda a hustý ako sirup.
- Horľavosť. Alkoholy horia. Lieh horí modrastým plameňom bez sadzí, ktorý na dennom svetle takmer nevidno: C₂H₅OH + 3 O₂ → 2 CO₂ + 3 H₂O. Pary liehu tvoria so vzduchom výbušnú zmes, ktorá dokáže poháňať fľašu ako raketu v pokuse Liehová raketa, a horiaci lieh sa dá roztočiť do ohnivého víru v pokuse Ohnivé tornádo. Oba pokusy robí len učiteľ.
Pamätáš si z prvej lekcie kapitoly, že skupina −OH funguje ako háčik? Molekuly etanolu sa ním chytajú navzájom aj o molekuly vody, preto sa etanol s vodou mieša a vrie pri vyššej teplote ako etán. Dlhý uhľovodíkový chvost sa však vody nemá čoho chytiť. Čím je chvost dlhší, tým horšie sa alkohol s vodou mieša. Zaujímavé je, že keď sa zmieša 50 ml etanolu a 50 ml vody, vznikne o niekoľko mililitrov menej ako 100 ml roztoku. Molekuly sa vodíkovými väzbami poprepájajú a uložia sa tesnejšie.
Kyslosť. Väzba O−H v alkoholoch je polárna a alkohol môže podobne ako voda odovzdať protón. Je to však veľmi slabá kyselina, ešte slabšia ako voda. Roztok etanolu je neutrálny, indikátor v ňom farbu nezmení a s roztokom hydroxidu sodného etanol takmer nereaguje. Alkylová skupina má kladný indukčný efekt +I: posúva elektróny ku kyslíku, a záporný náboj aniónu R−O⁻, ktorý by po odštiepení protónu vznikol, sa nemá kam rozložiť. Taký anión protón ochotne prijme späť. Vo fenoloch sa záporný náboj aniónu rozloží aj na benzénové jadro, a preto je fenol silnejšia kyselina ako voda. Kyslosť rastie v poradí alkohol < voda < fenol < karboxylová kyselina. Prečo sú niektoré kyseliny silnejšie ako iné, vysvetľuje lekcia Protolytická teória a sila kyselín.
Alkoholáty. Alkalické kovy z alkoholu vytesnia vodík podobne ako z vody, len pokojnejšie: 2 CH₃−CH₂−OH + 2 Na → 2 CH₃−CH₂−ONa + H₂. Vzniká etanolát sodný, iónová zlúčenina s etanolátovým aniónom CH₃−CH₂−O⁻. Soli alkoholov sa volajú alkoholáty alebo alkoxidy. So sodíkom pracuje len učiteľ, lebo sodík s vodou reaguje prudko a vznikajúci vodík je horľavý. Anión R−O⁻ je silnejšia zásada ako hydroxidový anión, a preto ho voda hneď premení späť na alkohol: CH₃−CH₂−ONa + H₂O → CH₃−CH₂−OH + NaOH. Alkoholátový anión je zároveň silný nukleofil. S halogénderivátom nahradí atóm halogénu a vznikne éter: CH₃−CH₂−ONa + CH₃−I → CH₃−CH₂−O−CH₃ + NaI. Táto reakcia sa volá Williamsonova syntéza éterov a étery opisuje lekcia Fenoly a étery.
teória
Reakcie alkoholov
Alkoholy reagujú hlavne na funkčnej skupine. Štiepiť sa môže väzba O−H, ako pri reakcii so sodíkom, alebo väzba C−O, ako pri premene na alkén alebo halogénderivát. Pri oxidácii sa mení uhlík, ktorý nesie skupinu −OH. Uhľovodíkový zvyšok zostáva väčšinou nezmenený. Všetky tieto typy reakcií poznáš z lekcie Typy organických reakcií.
Na ZŠ si zapamätaj dve reakcie. Etanol horí na oxid uhličitý a vodu. A etanol sa dá oxidovať na kyselinu octovú. Keď otvorená fľaša vína zostane niekoľko dní stáť, víno skysne a začne voňať po octe. Octové baktérie v ňom kyslíkom zo vzduchu premieňajú etanol na kyselinu octovú: CH₃−CH₂−OH + O₂ → CH₃−COOH + H₂O. Takto sa vyrába aj vínny ocot. Kyselinu octovú spoznáš bližšie v lekcii Karboxylové kyseliny.
Oxidácia. Pri oxidácii alkoholu sa z molekuly odoberú dva atómy vodíka: vodík zo skupiny −OH a vodík z uhlíka, ktorý skupinu −OH nesie. Medzi uhlíkom a kyslíkom vznikne dvojitá väzba C=O. V laboratóriu sa alkoholy oxidujú napríklad dichrómanom draselným K₂Cr₂O₇ alebo manganistanom draselným KMnO₄ v kyslom prostredí, v tele to robia enzýmy. Výsledok závisí od typu alkoholu:
- primárny alkohol sa oxiduje na aldehyd a ten ďalej na karboxylovú kyselinu: R−CH₂−OH → R−CHO → R−COOH,
- sekundárny alkohol sa oxiduje na ketón, ktorý sa ďalej ľahko neoxiduje: R₂CH−OH → R₂C=O, napríklad propán-2-ol na propanón (acetón),
- terciárny alkohol nemá na uhlíku so skupinou −OH žiadny atóm vodíka a za miernych podmienok sa neoxiduje.
Pri etanole vyzerá schéma takto: etanol CH₃−CH₂−OH → acetaldehyd (etanál) CH₃−CHO → kyselina octová (etánová) CH₃−COOH. Oxidačné číslo uhlíka, ktorý nesie kyslík, pri tom stúpa z −I v etanole na +I v acetaldehyde a +III v kyseline octovej. Acetaldehyd vrie už pri 20 °C. Ak sa má oxidácia zastaviť na aldehyde, aldehyd sa z reakčnej zmesi priebežne oddestilováva skôr, ako sa stihne oxidovať ďalej. Tá istá premena prebieha aj v ľudskom tele, ako ukáže časť Etanol a zdravie. Aldehydom a ketónom sa venuje lekcia Aldehydy a ketóny. Na oxidácii etanolu boli založené prvé dychové skúšky na alkohol. Vodič fúkal cez trubičku s náplňou, ktorá obsahovala oranžový dichróman draselný a kyselinu sírovú. Etanol z dychu redukoval chróm s oxidačným číslom +VI na zelený síran chromitý s chrómom +III a podľa toho, ako ďaleko náplň zozelenela, sa odhadlo množstvo alkoholu: 2 K₂Cr₂O₇ + 3 C₂H₅OH + 8 H₂SO₄ → 2 Cr₂(SO₄)₃ + 3 CH₃COOH + 2 K₂SO₄ + 11 H₂O. Dnešné prístroje merajú etanol v dychu elektrochemicky alebo pomocou infračerveného žiarenia.
Eliminácia. Pri zahrievaní s koncentrovanou kyselinou sírovou na asi 170 °C sa z molekuly etanolu odštiepi voda a vznikne etén: CH₃−CH₂−OH → CH₂=CH₂ + H₂O. Eliminácii vody sa hovorí dehydratácia. Je to opak hydratácie, adície vody na etén, ktorou sa etanol vyrába v priemysle, ako vieš z lekcie Alkény a alkíny. Pri nižšej teplote okolo 140 °C a nadbytku etanolu sa voda odštiepi z dvoch molekúl alkoholu a vznikne dietyléter: 2 CH₃−CH₂−OH → CH₃−CH₂−O−CH₂−CH₃ + H₂O. Ak sa vodík môže odštiepiť z dvoch rôznych susedných uhlíkov, vzniká prednostne alkén s viac substituovanou dvojitou väzbou podľa Zajcevovho pravidla, rovnako ako pri halogénderivátoch: z bután-2-olu vzniká hlavne but-2-én. Najľahšie sa dehydratujú terciárne alkoholy.
Substitúcia. Skupina −OH sa nenahrádza tak ľahko ako atóm halogénu, lebo anión OH⁻ z molekuly neodstupuje ochotne. V silno kyslom prostredí však alkohol prijme na kyslík protón a z molekuly potom odstúpi molekula vody. S koncentrovanou kyselinou bromovodíkovou tak z etanolu vznikne brómetán: CH₃−CH₂−OH + HBr → CH₃−CH₂−Br + H₂O. Je to nukleofilná substitúcia, opak premeny halogénderivátu na alkohol z lekcie Halogénderiváty. Terciárne alkoholy reagujú s halogenovodíkmi najrýchlejšie, primárne najpomalšie.
Esterifikácia. S karboxylovými kyselinami tvoria alkoholy estery. Reakcia je vratná a katalyzuje ju kyselina sírová: CH₃−COOH + CH₃−CH₂−OH ⇌ CH₃−COO−CH₂−CH₃ + H₂O. Vznikne etyl-acetát, ktorý vonia ovocne. Estery opisuje lekcia Estery, soli a amidy. Alkoholy tvoria estery aj s anorganickými kyselinami. Esterom kyseliny dusičnej a glycerolu je nitroglycerín z lekcie Amíny a nitrozlúčeniny a ester metanolu s kyselinou boritou horí zeleným plameňom v pokuse Trimetylester kyseliny boritej.
teória
Primárny, sekundárny alebo terciárny?
Či sa alkohol oxiduje na aldehyd, na ketón, alebo vôbec, prezradí uhlík so skupinou −OH. Vyskúšaj si to na kartách.
vyskúšaj si
Primárny, sekundárny alebo terciárny?
Pozri sa na uhlík, ktorý nesie skupinu −OH, a spočítaj, na koľko ďalších uhlíkov je naviazaný: jeden je primárny alkohol, dva sekundárny, tri terciárny. Od toho závisí, čo vznikne oxidáciou.
0 / 0Toto cvičenie patrí do učiva strednej školy. Ak si ho chceš vyskúšať, stačí jedno pravidlo: nájdi uhlík so skupinou −OH a spočítaj, na koľko ďalších atómov uhlíka je naviazaný.
Roztrieď alkoholy do troch skupín: primárny, sekundárny a terciárny. Pri každom alkohole nájdi uhlík so skupinou −OH a spočítaj jeho uhlíkových susedov. Dĺžka reťazca ani počet vetiev inde v molekule nerozhoduje a metanol sa počíta medzi primárne alkoholy. Po zaradení sa objaví vysvetlenie, ktoré povie aj to, čo alkohol dá pri oxidácii: primárny aldehyd a potom kyselinu, sekundárny ketón a terciárny sa neoxiduje. Skús si produkt oxidácie povedať ešte skôr, ako si vysvetlenie prečítaš.
teória
Významné alkoholy
Metanol CH₃OH je bezfarebná kvapalina, ktorá vonia aj chutí takmer rovnako ako etanol. Kedysi sa získaval suchou destiláciou dreva, odtiaľ starší názov drevný lieh, dnes sa vyrába z oxidu uhoľnatého a vodíka na katalyzátore: CO + 2 H₂ → CH₃OH. Je to rozpúšťadlo a palivo, vyrába sa z neho formaldehyd na lepidlá a plasty a používa sa pri výrobe bionafty. Metanol je prudko jedovatý. Už asi 10 ml môže spôsobiť trvalú slepotu a niekoľko desiatok mililitrov môže byť smrteľných. Otráviť sa dá aj vdychovaním jeho pár a cez kožu. K hromadným otravám dochádza najčastejšie po vypití falšovaného alkoholu, do ktorého sa namiesto etanolu dostal lacnejší metanol. V roku 2012 tak v Česku zomreli desiatky ľudí a ďalší oslepli alebo majú trvalé poškodenie zdravia.
Etanol C₂H₅OH, lieh, vzniká kvasením cukrov, o ktorom je reč nižšie. Je v alkoholických nápojoch, v pive obvykle asi 4 až 5 %, vo víne asi 10 až 14 % a v destilátoch asi 40 % a viac. Percentá na etikete sú objemové: víno s 12 % obj. obsahuje v 100 ml asi 12 ml etanolu, ako vysvetľuje lekcia Objemový zlomok. Etanol je dôležité rozpúšťadlo v parfumoch, liekoch a tinktúrach a slúži na dezinfekciu. Najlepšie ničí baktérie a mnohé vírusy roztok so 60 až 80 % etanolu, najčastejšie sa uvádza okolo 70 %. Čistý etanol sa odparí rýchlejšie a bez vody horšie rozrušuje bielkoviny mikroorganizmov. Technický lieh sa predáva denaturovaný: pridávajú sa doň látky, ktoré ho robia nepitným, napríklad veľmi horké látky alebo látky s odpudivým zápachom. Etanol je aj palivo. Bioetanol z cukrovej trstiny, kukurice alebo obilia sa primiešava do benzínu a označenie E10 na čerpacej stanici znamená benzín s najviac 10 % etanolu.
Propán-2-ol, izopropylalkohol, je v gélových a sprejových dezinfekciách a v čističoch. Používa sa aj na čistenie elektroniky, lebo sa rýchlo odparí a nezanechá zvyšky. Je jedovatý a na pitie sa nehodí rovnako ako technický lieh.
Etylénglykol, etán-1,2-diol, je sladká hustá kvapalina, ktorá vrie pri 197 °C. Jeho zmes s vodou zamŕza hlboko pod 0 °C, a preto je základom nemrznúcej zmesi do chladičov áut. Je jedovatý: v tele sa mení na viaceré kyseliny, medzi nimi kyselinu šťaveľovú, ktoré ťažko poškodzujú obličky. Pre sladkú chuť ho niekedy vypijú deti alebo olížu domáce zvieratá, preto nemrznúca zmes patrí do uzavretej nádoby mimo ich dosahu. Z etylénglykolu sa vyrába aj plast PET na fľaše.
Glycerol, propán-1,2,3-triol, je sladká bezfarebná sirupovitá kvapalina, ktorá nie je jedovatá. Získava sa z tukov a olejov, napríklad pri výrobe mydla, ako vieš z lekcie Hydroxidy a zásady. Priťahuje vlhkosť zo vzduchu, a preto udržiava pokožku vláčnu v krémoch, mydlách aj v géloch na ruky. Pridáva sa do zubných pást a do potravín ako zvlhčovadlo E422. S kyselinou dusičnou tvorí nitroglycerín, trhavinu aj liek, ktorý poznáš z lekcie Amíny a nitrozlúčeniny.
Polyvinylalkohol, skratkou PVA, je polymér, ktorého dlhý reťazec nesie skupinu −OH na každom druhom uhlíku, (−CH₂−CH(OH)−)ₙ. Vďaka množstvu skupín −OH sa rozpúšťa vo vode. Z PVA sú napríklad fólie, ktoré obaľujú tablety do umývačky riadu a v umývačke sa rozpustia. Ióny z boraxu jeho reťazce poprepájajú a vznikne pružný sliz, ako ukazuje pokus Výroba svietiaceho slizu.
teória
Etanol a zdravie
Etanol pôsobí na nervovú sústavu a tlmí činnosť mozgu. Už malé množstvo spomalí reakcie a zhorší pozornosť aj odhad vzdialenosti a rýchlosti, hoci sa človek cíti istejšie. Väčšie množstvo spôsobí poruchy reči a rovnováhy a zvracanie, a otrava alkoholom môže skončiť bezvedomím a ohroziť život. Pri dlhodobom pití poškodzuje etanol pečeň, mozog, srdce aj ďalšie orgány a zvyšuje riziko niektorých druhov rakoviny. Je návykový: vzniká závislosť, alkoholizmus, ktorá sa lieči ťažko. Pre mladých ľudí je zvlášť škodlivý, lebo ich mozog sa ešte vyvíja. Na Slovensku sa alkoholické nápoje nesmú predávať ani podávať osobám mladším ako 18 rokov. Vodič nesmie pred jazdou ani počas nej piť alkohol, platí nulová tolerancia.
V tele sa etanol odbúrava hlavne v pečeni a deje sa s ním to isté, čo v skúmavke s oxidovadlom. Enzým alkoholdehydrogenáza ho oxiduje na acetaldehyd a ďalší enzým acetaldehyd na kyselinu octovú, ktorá sa nakoniec rozloží na oxid uhličitý a vodu. Acetaldehyd je jedovatejší ako samotný etanol a podieľa sa na nevoľnosti a bolesti hlavy po pití, ktorým sa hovorí kocovina. Pečeň odbúrava etanol pomaly a rovnomerne a nič to neurýchli, ani káva, ani studená sprcha.
teória
Kvasenie
Alkoholové kvasenie je dej, pri ktorom kvasinky premieňajú cukor na etanol a oxid uhličitý. Ľudia ho využívajú tisíce rokov pri výrobe vína, piva aj chleba. Pri víne kvasí cukor z hrozna, pri pive cukry zo škrobu jačmenného sladu. Z glukózy vzniká etanol podľa rovnice:
C₆H₁₂O₆ → 2 C₂H₅OH + 2 CO₂
Kvasinky sú jednobunkové huby. Premenu cukru urýchľujú ich enzýmy, bielkoviny, ktoré pôsobia ako katalyzátory, ako vysvetľuje lekcia Katalyzátory a inhibítory. Kvasenie nepotrebuje kyslík. Vinári preto nádobu s kvasiacim vínom uzavrú kvasnou zátkou, ktorá oxid uhličitý von pustí, ale vzduch dnu nie. So vzduchom by sa k vínu dostali aj octové baktérie a z vína by bol ocot. Kvasinky sú živé organizmy, a rýchlosť kvasenia preto silno závisí od teploty. V chlade kvasia veľmi pomaly, najrýchlejšie okolo 30 až 35 °C a pri vyššej teplote začnú hynúť, lebo sa ich enzýmy poškodia. Pri 60 °C už kvasenie nenastane. Ako teplota ovplyvňuje rýchlosť reakcií všeobecne, opisuje lekcia Rýchlosť chemických reakcií, a ako pracujú enzýmy, lekcia Enzýmy.
Etanol je jedovatý aj pre samotné kvasinky. Keď ho v kvasiacej tekutine pribudne asi 15 %, kvasinky prestanú pracovať, a preto víno nemôže byť oveľa silnejšie. Destiláty sa vyrábajú destiláciou skvaseného ovocia alebo obilia v páleniciach a liehovaroch: etanol vrie pri nižšej teplote ako voda, jeho pary sa zachytia a skvapalnia. Oxid uhličitý z kvasenia sa tiež využíva. V kysnutom ceste ho kvasinky tvoria z cukrov z múky a jeho bublinky cesto nadvihnú, etanol sa pri pečení vyparí. Pri výrobe šumivého vína kvasí víno druhý raz v uzavretej fľaši. Oxid uhličitý nemôže uniknúť, rozpustí sa vo víne pod tlakom a po otvorení fľaše vybubláva.
Kvasenie nie je jedna reakcia, ale sled vyše desiatich reakcií a každú urýchľuje iný enzým. Glukóza sa najprv rozloží na dve molekuly kyseliny pyrohroznovej CH₃−CO−COOH, rovnako ako na začiatku bunkového dýchania v lekcii Metabolizmus a ATP. Z nej sa odštiepi CO₂ a vznikne acetaldehyd, ktorý sa redukuje na etanol. Pri kvasení teda etanol vzniká opačným krokom, než aký s ním robí pečeň. Že kvasenie spôsobujú enzýmy a nie samotné živé bunky, dokázal v roku 1897 nemecký chemik Eduard Buchner: cukor skvasila aj šťava z rozdrvených kvasiniek bez jedinej živej bunky. V roku 1907 za to dostal Nobelovu cenu. Čistý etanol sa destiláciou získať nedá. Zmes s asi 95,6 % hmotnosti etanolu vrie pri 78,2 °C, o trochu nižšie ako čistý etanol, a jej pary majú rovnaké zloženie ako kvapalina. Takej zmesi sa hovorí azeotropická zmes. Bezvodý etanol sa získava inými postupmi, napríklad odstránením vody látkami, ktoré ju viažu.
vyskúšaj si
Kvasenie
Do banky s vodou a kvasinkami nasyp cukor, vyber teplotu a spusti kvasenie. Balón na hrdle zachytáva oxid uhličitý.
0 / 0Vyber, koľko cukru (glukózy) dáš do banky s vodou a kvasinkami, a zvoľ teplotu: 5, 20, 35 alebo 60 °C. Spusti kvasenie a sleduj balónik na hrdle banky, ktorý sa plní oxidom uhličitým. Porovnaj, pri ktorej teplote sa nafukuje najrýchlejšie a prečo sa pri 60 °C nedeje nič. Keď sa cukor minie, cvičenie ukáže, koľko etanolu a oxidu uhličitého vzniklo, a položí ti niekoľko krátkych otázok.
Skús viac pokusov s rôznym množstvom cukru a rôznou teplotou a porovnaj, čo sa mení. Na SŠ uvidíš po skončení kvasenia množstvá aj v móloch, takže si môžeš overiť pomer z rovnice: z 1 mol glukózy vzniknú 2 mol etanolu a 2 mol oxidu uhličitého. Ešte pred spustením si skús výsledok odhadnúť výpočtom z nasledujúcej časti.
teória
Počítame s kvasením
Pod lekciou ťa v časti Kvasenie a alkohol čakajú príklady s novými číslami: koľko etanolu a oxidu uhličitého vznikne z cukru. Každý vyriešiš rovnakým postupom ako iné výpočty z chemickej rovnice:
- Napíš rovnicu. C₆H₁₂O₆ → 2 C₂H₅OH + 2 CO₂. Je už vyčíslená: vľavo aj vpravo je 6 atómov uhlíka, 12 atómov vodíka a 6 atómov kyslíka.
- Hmotnosť prepočítaj na látkové množstvo: n = m / M.
- Použi pomer z rovnice. Z 1 mol glukózy vzniknú 2 mol etanolu a 2 mol oxidu uhličitého.
- Látkové množstvo prepočítaj späť na hmotnosť: m = n · M.
Riešený príklad. Koľko etanolu a koľko oxidu uhličitého vznikne kvasením 1 kg glukózy?
- M(C₆H₁₂O₆) = 6 · 12 + 12 · 1 + 6 · 16 = 180 g/mol
- n(C₆H₁₂O₆) = 1000 g / 180 g/mol ≈ 5,56 mol
- n(C₂H₅OH) = n(CO₂) = 2 · 5,56 mol ≈ 11,1 mol
- M(C₂H₅OH) = 2 · 12 + 6 · 1 + 16 = 46 g/mol, m(C₂H₅OH) = 11,1 mol · 46 g/mol ≈ 511 g
- M(CO₂) = 12 + 2 · 16 = 44 g/mol, m(CO₂) = 11,1 mol · 44 g/mol ≈ 489 g
Z kilogramu glukózy vznikne asi 511 g etanolu a 489 g oxidu uhličitého, spolu presne 1000 g. Hmotnosť sa zachovala, lebo všetky atómy glukózy skončili v etanole alebo v oxide uhličitom. Takmer polovica hmotnosti cukru teda pri kvasení unikne ako plyn. Etanol s hustotou asi 0,79 g/cm³ by zaberal asi 650 ml. V skutočnosti vznikne etanolu o niečo menej, lebo časť cukru spotrebujú kvasinky na vlastný rast a vznikajú aj vedľajšie produkty, napríklad glycerol. Medzivýsledky nechaj v kalkulačke nezaokrúhlené a zaokrúhli až výsledok, inak sa môže o gram posunúť: s n = 11,11 mol vyjde m(CO₂) = 488,9 g ≈ 489 g. Pri delení a násobení ti pomôže kalkulačka, ktorá sa ukáže vľavo dole pri Pingovi, keď klikneš do políčka na odpoveď. Podrobnejšie postupy nájdeš v lekciách Látkové množstvo, Molárna hmotnosť a Výpočty z chemickej rovnice.
Objem plynu. Pri 0 °C a tlaku 101,325 kPa zaberá 1 mol plynu asi 22,4 l. Z 1 kg glukózy teda vznikne V(CO₂) = 11,1 mol · 22,4 l/mol ≈ 249 l oxidu uhličitého, pri izbovej teplote ešte o niečo viac. Opačná úloha. Keď poznáš hmotnosť etanolu a hľadáš cukor, postupuješ odzadu: z hmotnosti etanolu vypočítaš n(C₂H₅OH), látkové množstvo glukózy je polovičné, n(C₆H₁₂O₆) = n(C₂H₅OH) / 2, a nakoniec m = n · M. Objemové percentá. Ak má víno 12 % obj. etanolu, v 1 l vína je 120 ml etanolu, teda m = V · ρ = 120 cm³ · 0,79 g/cm³ ≈ 95 g. Hustotu a objemový zlomok opisujú lekcie Hustota a Objemový zlomok.
rozšírenie Prečo metanol oslepuje
Samotný metanol pôsobí na mozog podobne ako etanol, opije. Nebezpečné sú až látky, na ktoré ho premení pečeň. Ten istý enzým, alkoholdehydrogenáza, ktorý oxiduje etanol na acetaldehyd, oxiduje metanol na formaldehyd HCHO a ďalší enzým ho hneď zmení na kyselinu mravčiu HCOOH: CH₃−OH → HCHO → HCOOH. Je to presne schéma oxidácie primárneho alkoholu z tejto lekcie. Kyselinu octovú z etanolu telo ľahko spracuje a získa z nej energiu. Kyselina mravčia sa však odbúrava len pomaly, hromadí sa v krvi a okysľuje ju. Najcitlivejší je na ňu zrakový nerv, ktorý vedie signály z oka do mozgu. Kyselina mravčia v jeho bunkách narúša dýchanie v mitochondriách, nerv sa poškodí a človek môže natrvalo oslepnúť. Ťažká otrava poškodzuje aj mozog a môže skončiť smrťou. Zradné je, že prvé hodiny po vypití sa otrava podobá obyčajnej opitosti. Rozmazané videnie, bolesť brucha a ťažké dýchanie sa často objavia až po 12 až 24 hodinách, keď v tele pribudne kyseliny mravčej.
Ako protijed slúži paradoxne etanol. Alkoholdehydrogenáza ho spracúva oveľa ochotnejšie ako metanol. Keď je v krvi dosť etanolu, enzým je zamestnaný ním a metanol sa premieňa len veľmi pomaly. Telo ho medzitým vylučuje dychom a močom a lekári ho môžu z krvi odstrániť aj dialýzou, umelou obličkou. Modernejším protijedom je fomepizol, ktorý enzým priamo zablokuje. Liečba musí začať čo najskôr, preto pri podozrení na otravu metanolom treba ihneď volať záchrannú službu na čísle 155 alebo 112. Odpoveď na úvodnú otázku je teda v jedinej skupine CH₂. Metanol aj etanol sa v tele oxidujú rovnakou cestou, z etanolu však vznikne kyselina octová, ktorú telo spracuje, a z metanolu kyselina mravčia, ktorá ničí zrakový nerv.
teória
Časté chyby
- „Alkohol je len etanol.“ V bežnej reči áno, v chémii sú alkoholy celá skupina látok so skupinou −OH na nasýtenom uhlíku. Patrí k nim jedovatý metanol, propán-2-ol v dezinfekcii, etylénglykol v nemrznúcej zmesi aj glycerol v krémoch.
- „Metanol sa dá spoznať podľa vône alebo chuti.“ Metanol vyzerá, vonia aj chutí takmer rovnako ako etanol. Spoľahlivo ho odhalí len laboratórny rozbor. Preto je nebezpečný každý alkohol neznámeho pôvodu a každá fľaša či kanister bez označenia.
- „Každá látka so skupinou OH je alkohol a alkoholy sú zásady ako NaOH.“ Hydroxid sodný je iónová zlúčenina s aniónom OH⁻, ktorý sa vo vode uvoľní. V alkohole je skupina −OH kovalentne naviazaná na uhlík, roztok je neutrálny a etanol je dokonca ešte slabšia kyselina ako voda. Fenol so skupinou −OH na benzénovom jadre ani kyselina octová so skupinou −COOH alkoholy nie sú.
- „Čím viac skupín −OH, tým silnejší alkohol, napríklad nápoj.“ Sila nápoja udáva objemový podiel etanolu, nie počet skupín −OH. Počet skupín −OH hovorí o sýtnosti alkoholu. Trojsýtny glycerol neopíja a je sladký a nejedovatý, dvojsýtny etylénglykol je jedovatý.
- „Terciárne alkoholy sa oxidujú na ketóny.“ Ketón vzniká oxidáciou sekundárneho alkoholu. Terciárny alkohol nemá na uhlíku so skupinou −OH atóm vodíka, ktorý by mu oxidovadlo mohlo odobrať, a za miernych podmienok sa neoxiduje. Oranžový dichróman s ním zostane oranžový.
- „Kvasenie potrebuje kyslík.“ Alkoholové kvasenie prebieha bez kyslíka. Vinári preto kvasiace víno uzatvárajú kvasnou zátkou. Kyslík naopak potrebujú octové baktérie, ktoré z vína urobia ocot.
Čo sú funkčné skupiny a prečo skupina −OH tak mení vlastnosti molekuly, zhŕňa lekcia Deriváty a funkčné skupiny. Ako vzniká alkohol z halogénderivátu a ako sa alkohol mení späť na halogénderivát, opisuje lekcia Halogénderiváty, hydratáciu a elimináciu lekcia Alkény a alkíny. Látky so skupinou −OH na benzénovom jadre a étery spoznáš v ďalšej lekcii Fenoly a étery a čo vzniká oxidáciou alkoholov, v lekciách Aldehydy a ketóny a Karboxylové kyseliny. Názvy alkoholov si precvičíš v Teste z organického názvoslovia.