Kyslík, hydroxysloučeniny, ethery

Kyslík, hydroxysloučeniny, ethery

Kyslík

Výskyt
-  nejrozšířenější prvek na Zemi
-  vyskytuje se volný v atmosféře (21 obj. %)
-  chemicky vázaný ve vodě, v řadě organických a anorganických látek
-  biogenní prvek – potřebný k dýchání
 
Vlastnosti
-  bezbarvý plyn bez chuti a bez zápachu, těžší než vzduch. Při teplotě –183 0C kondenzuje na modrou kapalinu.
-  rozpouští se v malém množství ve vodě
-  atomy kyslíku jsou nestálé, a proto tvoří molekuly O2. Tyto mají dvojnou vazbu mezi atomy.
-  má po fluoru největší elektronegativitu a patří k nejsilnějším oxidačním činidlům. Silnějším oxidačním činidlem je ozón.
-  vytváří sloučeniny téměř se všemi prvky (s výjimkou lehčích vzácných plynů), přičemž tyto reakce jsou silně exotermní
-  kyslík má tři stabilní izotopy: 16O, 17O a 18O. Z nich převládá 16O.
-  prudká reakce látek s kyslíkem za vývoje tepla a světla se nazývá hoření
 
Příprava
- tepelným rozkladem látek snadno uvolňujících kyslík:

    2 KClO3  2 KCl  +  3 O2
2. rozpouštěním oxidů některých těžkých kovů v kyselinách:
  2 MnO2  +  2 H2SO4  →  2 MnSO4  +  O2  +  2 H2O
3. reakcí peroxidu vodíku s manganistanem draselným v kyselém prostředí:
  2 KMnO4  +  5 H2O2  +  3 H2SO4  →  2 MnSO4  +  5 O2  +  8 H2O  +  K2SO4
 
Výroba
-  frakční destilací kapalného vzduchu
-  elektrolýzou vody
 
Použití
-  v hutnictví při výrobě železa a oceli
-  ke sváření a řezání kovů
-  ve sklářství, v lékařství
-  do dýchacích přístrojů
-  kapalný kyslík jako oxidovadlo pro raketová paliva
-  k výrobě celé řady chemických látek
 
Sloučeniny
-  oxidy: binární sloučeniny kyslíku s jinými prvky, v nichž je kyslík v oxidačním čísle –II (OIIF - difluorid kyslíku). Dělení:
  A. podle charakteru vazeb:
-  iontové (oxidy s1 a s2 prvků) netěkavé, vysoké body tání, rozpustné ve vodě
-  kovalentní – kovalentní vazba, skládají se z molekul, popř. mají polymerní strukturu molekulové (CO, P4O10) – těkavé, plynné nebo kapalné. S atomovou strukturou (SiO2, Al2O3) – málo těkavé, vynikají tvrdostí.
B.  podle chemických reakcí s vodou, kyselinami a hydroxidy:
 - kyselinotvorné např. molekulové oxidy (CO2) a oxidy kovů s oxidačním číslem vyšším než V (Mn2O7). S vodou se slučují na kyslíkaté kyseliny:
SO2  +  H2O  →  H2SO3
Ve vodě nerozpustné oxidy reagují se zásadami a poskytují soli:
SiO2  +  2 NaOH  →  Na2SiO3  +  H2O
-  zásadotvorné – iontové oxidy a oxidy kovů s oxidačním číslem menším než IV. S vodou se slučují na hydroxid:
  CaO  +  H2O  →  Ca(OH)2
   Ve vodě nerozpustné poskytují s kyselinami soli:
MgO  +  H2SO4  →  MgSO4  +  H2O
-  amfoterní – oxidy kovů s atomovou strukturou, s nižšími oxidačními čísly, reagují s kyselinami i hydroxidy:
ZnO  +  H2SO4  →  ZnSO4  +  H2O
ZnO  +  2 NaOH  +  H2O  →  Na2[Zn(OH)4]
-  netečné (CO, N2O) nereagují s vodou ani kyselinami a zásadami
-  peroxidy: binární sloučeniny obsahující dva atomy kyslíku navzájem spojené kovalentní vazbou – O – O – (skupina peroxo-). Oxidační číslo atomu kyslíku je –I.
Peroxid vodíku H2O2: bezbarvá kapalina, ve vodě neomezeně rozpustná, chová se jako slabá kyselina. Její soli jsou peroxidy. Je poměrně nestálý, rozkládá se podle reakce: 2 H2O2  →  2 H2O  +  O2  Rozklad katalyticky podporuje účinek některých látek – Pt, Ag, MnO2, krev. Naopak rozklad lze zpomalit inhibitory, jako kyselina sírová, citronová, močovina. Má oxidační i redukční účinky:
PbS  +  4 H2O2  →  PbSO4  +  4 H2O (oxidační účinek)
Ag2O  +  H2O2  →  2 Ag  +  H2O  +  O2  (redukční účinek)
V laboratořích a průmyslu se používá jako 30 % roztok. Jeho 3 % roztok se používá jako bělicí a dezinfekční prostředek.
 
Ozon O3
-  alotropická modifikace
-  namodralý plyn charakteristického zápachu
-  velmi reaktivní (O3  →  O2  +  O)
-  za běžné teploty a za přítomnosti UV-záření je nestálý a rozkládá se podle reakce:
  2 O3  →  3 O2
  - vytváří se v horních vrstvách atmosféry (asi 25 km nad povrchem Země). Ozonová vrstva chrání pozemský život před velkými  dávkami UV záření.
  - má silné oxidační účinky, z běžných kovů ozonu odolávají pouze zlato a platinové kovy
  -  vyrábí se působením tichého elektrického výboje v ozonizátorech
  -  používá se jako dezinfekční činidlo (sterilizace vody), bělicí prostředek, ke sterilizaci potravin a ve farmacii
  -   v nižších koncentracích působí osvěžujícím způsobem. Při vyšších koncentracích dráždí sliznici, vyvolává kašel a působí jako nervový jed.
  -  váže se snadno na nenasycené organické sloučeniny, může způsobit nežádoucí zesíťování pryží (materiál se stává křehčí, láme se)
  -  reakcí se suchými práškovými MOH vznikají ozonidy:
  5 O3  +  2 KOH  →  2 KO3  +  5 O2  +  H2O

Hydroxysloučeniny

Alkoholy
-  odvozují se od uhlovodíků náhradou jednoho nebo více atomů vodíku za jednovaznou hydroxylovou skupinu –OH
- rozdělení:
A. podle počtu –OH skupin:
  -  jednofunkční – jednosytné (R – OH)
  -  dvojfunkční – dvojsytné (glykol)
  -  trojsytné (glycerol)
B. podle charakteru uhlíku, na který je vázána –OH skupina:
  -  primární: CH3 – CH2 – OH ethanol
  -  sekundární: CH3 – CH – CH3 2-propanol
|
  OH
 CH3
   |
 -  terciární: CH3 – C – OH  2-methyl-2-propanol
  |
  CH3
-  příprava:
1.  hydratací alkenů:
  R – CH = CH2  R – CH – CH3  R – CH – CH3 
| |
  OSO3H OH
2.  hydrolýzou halogenderivátů:
R – X  +  H2O  →  R – OH  +  HX  (SN)
  3. katalytickou hydrogenací karbonylových sloučenin:
  R – CH2 – CHO  +  H2  R – CH2 – CH2 – OH primární alkohol
 
  R – C – R  +  H2  R – CH – R sekundární alkohol
  ║  |
  O OH
  4. adice Grignardových sloučenin na karbonylové sloučeniny:
   OMgCl  CH3
  | |
  CH3 – CHO  +  CH3MgCl  →  CH3 – C – H →  CH – OH  +  Mg(OH)Cl
 | |
CH3  CH3
 
-  vlastnosti: nejnižší jednosytné alkoholy jsou kapaliny narkotických vlastností, od C4 mají nepříjemnou vůni, nejvyšší – tuhé látky. Rozpustné ve vodě, se stoupající molekulovou hmotností, rozpustnost klesá. Rozpustnost stoupá s počtem – OH v molekule. Alkoholy se dvěma či více hydroxylovými skupinami mají sladkou chuť.
 
-  reaktivita:
1.  reakcí se silnými zásadami (alkalickými kovy a jejich hydroxidy) vznikají alkoholáty (alkoxidy) – vůči silným zásadám se chovají jako kyseliny:
2 C2H5OH  +  2 Na  →  2 C2H5ONa  +  H2
ethanol  ethanolát sodný 
2.  reakcí se silnými kyselinami vznikají alkoxoniové soli – vůči silným kyselinám se chovají jako zásady:
C2H5OH  +  HCl  →  CH3CH2 – O+ – H Cl-
  |
H  ethyloxoniumchlorid
3.  oxidace alkoholů – mají průmyslový význam (lze provádět KMnO4, H2CrO4)
-  oxidací primárních alkoholů vznikají aldehydy, při další oxidaci pak karboxylové kyseliny:
  C2H5OH  →  CH3COH  →  CH3COOH
  ethanol acetaldehyd octová kyselina
-  oxidací sekundárních alkoholů  vznikají ketony:
CH3CH CH3  →  CH3COCH3
  | aceton
OH  propan-2-ol
4.  eliminace probíhá za odštěpení vody a vzniku alkenu, např. přeměna ethanolu na ethylen a vodu působením kyseliny sírové (dehydratace ethanolu):
 C2H5OH  CH2 ═ CH2  + H2O
5.  esterifikace je reakce s anorganickými nebo karboxylovými kyselinami, produktem je ester a voda:
R – OH  +  HNO3  ↔  R – O – NO2  +  H2O
alkohol alkylnitrát
 
-  zástupci:
  Methanol CH3OH: bezbarvá kapalina příjemné vůně, neomezeně mísitelná s vodou, velmi jedovatý, jeho požitím hrozí oslepnutí až smrt, vyrábí se ze syntézního plynu:
  CO  +  2 H2  CH3OH
  Používá se jako rozpouštědlo, palivo, k výrobě formaldehydu.
Ethanol C2H5OH: bezbarvá kapalina příjemné vůně, neomezeně mísitelná s vodou, získává se etanolovým kvašením cukerných šťáv:
C6H12O6  →  2 C2H5OH  +  2 CO2
glukóza
  Je obsažen v alkoholických nápojích, ve větším množství je jedovatý, dlouhodobé  používání může vyvolat závislost. Používá se např. k výrobě kosmetiky, léčiv, jako dezinfekční prostředek, rozpouštědlo, k výrobě octové kyseliny, acetaldehydu.
  Ethylenglykol (ethan-1,2-diol) HOCH2 – CH2OH: jedovatá, olejovitá kapalina, neomezeně mísitelná s vodou, s nasládlou chutí. Používá se jako složka do nemrznoucích směsí (Fridex), rozpouštědlo, pro výrobu plastů (polyuretanů, polyesterů).
  Glycerol (propan-1,2,3-triol) HOCH2 – CHOH – CH2OH: vysokovroucí sirupovitá kapalina sladké chuti, neomezeně mísitelná s vodou. Vyrábí se hydrolýzou tuků nebo z propylenu. Používá se v kosmetice, k výrobě celofánu, plastů, glyceroltrinitrátu (ester glycerolu s kyselinou dusičnou) sloužícího jako výbušnina a lék na některé srdeční choroby.
  Cyklohexanol: kapalina. Vyrábí se katalytickou hydrogenací fenolů. Používá se při výrobě plastů a syntetických vláken (tesil, terylen).
 

Fenoly

-  sloučeniny mající na aromatickém jádře navázanou(é) hydroxylovou(é) skupinu(y)
-  rozdělují se podle počtu hydroxylových skupin: jednosytné, dvojsytné, trojsytné a vícesytné
-  příprava:
1.  oxidací toluenu vzniká fenol:
C6H5CH3  →  C6H5OH
2.  hydrolýzou halogenarenů:
C6H5Cl  +  H2O  C6H5OH
chlorbenzen  fenol
 
-  vlastnosti: fenoly jsou bezbarvé kapaliny nebo krystalické látky charakteristického zápachu, málo rozpustné ve vodě
 
-  reaktivita:
1.  reakcí se silnými zásadami (alkalickými kovy a jejich hydroxidy) vznikají fenoláty (fenoxidy):
2 C6H5OH  +  2 Na  →  2 C6H5ONa  +  H2
  fenol  fenolát sodný (natrium-fenolát)
2.  oxidací fenolů (hlavně vícesytných, které mají hydroxyskupinu v poloze ortho- a para-) vznikají chinony:
3.  elektrofilní substituce: nitrace probíhá až do třetího stupně:
 
Obdobně probíhá bromace a sulfonace.
 
-  zástupci:
  Fenol C6H5OH: bezbarvá krystalická látka, na vzduchu tmavne, leptá pokožku (je to žíravina). Vyrábí se z černouhelného dehtu. Používá se při výrobě plastů, léčiv, pesticidů, barviv. Jeho nitraci vzniká kyselina pikrová (2,4,6-trinitofenol) tvořící žluté krystaly, silně hořké chuti, používá se jako trhavina (ekrazit) a v organické syntéze.
  Kresoly: (hydroxyderiváty toluenu: 3 isomery o-, m-, p-), jsou obsaženy v černouhelnémdehtu. Používají se jako dezinfekční prostředky.
  α-naftol, β-naftol: krystalické látky, výroba azobarviv.
  Pyrokatechol (benzen-1,2-diol), hydrochinon (benzen-1,4-diol): bezbarvé krystalické látky, jsou složkou fotografických vývojek, mají silné redukční účinky.
  Rezorcinol (benzen-1,3-diol): bezbarvá krystalická látka, používá se v kožním lékařství jako antiseptikum a k výrobě barviv.

Ethery

-  obsahují ve svých molekulách dvojvaznou skupinu – O –, na kterou jsou vázány dva uhlíkové zbytky
-  obecný vzorec R – O – R
-  rozdělují se na jednoduché CH3 – O – CH3 (dimethylether), smíšené nesymetrické CH3 – O – C2H5 (ethylmethylether)
 
-  příprava:
1.  intermolekulární dehydratací alkoholů:
   2 C2H5OH  C2H5OC2H5  +  H2O
  diethylether
2.  alkylací (arylací) alkoholátů (fenolátů):
C2H5ONa  +  C6H5Cl  C6H5OC2H5
natrium-ethanolát ethoxybenzen, ethylfenyether
 
-  vlastnosti: dimethylether je plyn, ostatní vyšší ethery jsou kapaliny a některé i pevné látky. Jsou charakteristické svoji vůní. Jsou těkavé, hořlavé. Mají nižší teploty varu než alkoholy, nevytvářejí vodíkové můstky. S vodou jsou nemísitelné. Jsou to výborná nepolární rozpouštědla.
 
-  reaktivita:
Nukleofilní substituce je uskutečňována obtížněji než u alkoholů:
CH2 – CH2  +  RMgX  →  CH2 – CH2 – R  CH2 – CH2 – R
 \ /  |  | 
O    OMgX  OH 
   ethylenoxid
 
-  zástupci:
  Diethylether CH3CH2 – O – CH2CH3: nazývaný jen ether, snadno těkavá kapalina, vysoce hořlavá. Používá se jako rozpouštědlo, extrakční činidlo a dříve jako anestetikum.
  Ethylenoxid (oxiran): jedovatý plyn, používá se v organické syntéze, hydratací za přítomnosti kyselých katalyzátorů vzniká ethylenglykol:
  CH2 – CH2  +  H2O  CH2 – CH2 
  \ /  |  | 
O  OH OH
Anisol (fenylmethylether) C6H5OCH3: příjemně vonící kapalina, používá se k výrobě voňavek, v organické syntéze, jako rozpouštědlo.