§ 24. Карбоновые кислоты

Определения и обозначения

Карбоновые кислоты — органические вещества, содержащие одну или несколько карбоксильных групп. Для одноосновных предельных кислот используют общую формулу CₙH₂ₙ₊₁COOH. Она помогает увидеть углеводородную часть молекулы и предсказать принадлежность вещества к данному классу.

Карбоксильная группа –COOH — функциональная группа, состоящая из карбонильной группы C=O и гидроксильной группы –OH, связанных с одним атомом углерода. Именно она является главным признаком карбоновых кислот. Поэтому нельзя рассматривать входящую в неё группу –OH как обычную спиртовую группу.

Гомологический ряд карбоновых кислот — последовательность веществ, соседние представители которой отличаются на группу –CH₂–. Начало ряда образуют муравьиная кислота HCOOH, уксусная CH₃COOH, пропановая CH₃CH₂COOH и масляная CH₃CH₂CH₂COOH. Такой ряд позволяет сравнивать свойства веществ с постепенно увеличивающейся углеводородной частью.

Номенклатура карбоновых кислот основана на названии соответствующего алкана: к основе добавляют окончание «-овая кислота». В главную цепь обязательно включают карбоксильный атом углерода, а нумерацию начинают с него. Так, CH₃CH₂COOH называется пропановой кислотой.

Как это устроено

В карбоксильной группе один и тот же атом углерода связан с кислородом двойной связью C=O и с гидроксильной группой –OH. Такое сочетание делает участок молекулы полярным: кислород притягивает электронную плотность, а связь O–H становится более склонной к разрыву. Поэтому свойства карбоновой кислоты нельзя объяснить отдельно только карбонильной или только гидроксильной группой.

Кислотные свойства связаны с отщеплением атома водорода от гидроксильной группы в виде иона H⁺. После этого образуется карбоксилат-ион RCOO⁻, в котором отрицательный заряд распределяется между двумя атомами кислорода, что повышает устойчивость частицы. Именно такая возможность объясняет реакции кислот с основаниями, активными металлами и карбонатами.

Растворимость зависит от соотношения полярной карбоксильной группы и неполярного углеводородного радикала. В низших кислотах радикал мал, поэтому полярная группа эффективно взаимодействует с водой, в том числе образует водородные связи. При удлинении цепи неполярная часть возрастает, и растворимость постепенно уменьшается.

Низшие карбоновые кислоты обычно представляют собой бесцветные летучие жидкости с резким запахом, а многие высшие кислоты — твёрдые вещества. У больших молекул сильнее межмолекулярное притяжение, поэтому повышаются температуры кипения и плавления, но ухудшается смешивание с водой. Физические свойства определяются одновременно размером молекулы, полярностью карбоксила и взаимодействием молекул между собой.

С активными металлами кислоты образуют соль и водород: 2RCOOH + Mg → (RCOO)₂Mg + H₂. С основаниями протекает нейтрализация: RCOOH + NaOH → RCOONa + H₂O. С карбонатами, например с карбонатом натрия, дополнительно выделяется углекислый газ: 2RCOOH + Na₂CO₃ → 2RCOONa + H₂O + CO₂.

Строение, свойства и применение карбоновых кислот

Таблица показывает, как увеличение углеводородной части меняет растворимость и агрегатное состояние веществ. Формулу и название удобно использовать для определения места кислоты в гомологическом ряду. Применение связано с конкретными физическими свойствами и химической активностью вещества.

Разбор задач

1. Структурная формула пропановой кислоты

Условие: записать структурную формулу пропановой кислоты и назвать её по систематической номенклатуре.

1. Выделяем обязательную карбоксильную группу –COOH.
2. Название «пропановая» указывает на три атома углерода во всей цепи, включая углерод карбоксильной группы.
3. Два оставшихся атома образуют фрагмент CH₃–CH₂–, поэтому формула имеет вид CH₃–CH₂–COOH.

Ответ: CH₃–CH₂–COOH; систематическое название — пропановая кислота.

2. Реакция уксусной кислоты с гидроксидом натрия

Условие: составить уравнение реакции CH₃COOH с NaOH и назвать продукты.

1. Кислота и основание вступают в реакцию нейтрализации.
2. Ион Na⁺ соединяется с остатком CH₃COO⁻, а H⁺ и OH⁻ образуют воду.
3. Записываем уравнение: CH₃COOH + NaOH → CH₃COONa + H₂O.

Ответ: образуются ацетат натрия, или этаноат натрия, и вода.

3. Объём водорода при реакции с магнием

Условие: определить объём H₂ при н. у. из 6,0 г уксусной кислоты, взятой с избытком магния.

1. Уравнение: 2CH₃COOH + Mg → (CH₃COO)₂Mg + H₂. Молярная масса CH₃COOH равна 60 г/моль, поэтому n(кислоты) = 6,0/60 = 0,10 моль.
2. По уравнению 2 моль кислоты дают 1 моль H₂, значит n(H₂) = 0,10/2 = 0,050 моль.
3. При н. у. 1 моль газа занимает 22,4 л, поэтому V(H₂) = 0,050 · 22,4 = 1,12 л.

Ответ: 1,12 л водорода.

Типичные ошибки

Ошибка: считать группу –OH в составе –COOH отдельной спиртовой группой. Так делают из-за похожей записи, но свойства определяет вся карбоксильная группа вместе с фрагментом C=O. Проверка: рядом с –OH должен быть тот же атом углерода, соединённый двойной связью с кислородом.

Ошибка: не включать карбоксильный атом углерода в главную цепь. Из-за этого пропановую кислоту могут ошибочно назвать этановой. Проверка: пересчитайте все атомы углерода от углерода группы –COOH до конца цепи.

Ошибка: записывать реакцию с металлом без коэффициентов и считать, что один моль любой кислоты даёт один моль водорода. Число молекул кислоты зависит от валентности металла: с магнием реагируют две молекулы кислоты. Проверка: уравняйте атомы и отдельно сравните коэффициенты перед кислотой и H₂.

Ошибка: считать все карбоновые кислоты одинаково хорошо растворимыми в воде. Неполярная углеводородная часть с ростом цепи усиливается и мешает взаимодействию с водой. Проверка: сравните размер радикала: низшие кислоты растворяются лучше высших.

Связь с другими темами

До изучения карбоновых кислот нужны знания о строении органических веществ, функциональных группах, гомологическом ряде алканов и структурных формулах. Эти понятия помогают распознавать карбоксильную группу и правильно строить молекулы.

Реакции кислот с основаниями, металлами и карбонатами связаны с уже известными свойствами неорганических кислот. Отличие состоит в том, что органический кислотный остаток содержит углеродный фрагмент.

Карбоновые кислоты используются при изучении сложных эфиров, жиров и мыла. Они также встречаются в биологически важных веществах и участвуют в превращениях органических соединений.

Что запомнить

• Функциональная группа карбоновых кислот — –COOH.
• В карбоксильной группе атом углерода связан с кислородом двойной связью и с группой –OH.
• Низшие карбоновые кислоты хорошо растворимы в воде; растворимость снижается с увеличением углеводородной части.
• Карбоновые кислоты реагируют с основаниями с образованием соли и воды.
• При реакции кислоты с активным металлом образуются соль и водород.
• При реакции кислоты с карбонатом образуются соль, вода и углекислый газ.
• В систематических названиях используют окончание «-овая кислота».