§ 25. Карбоновые кислоты

Определения и обозначения

Карбоновые кислоты — органические вещества, молекулы которых содержат одну или несколько карбоксильных групп −COOH. Карбоксильная группа состоит из карбонильной части −C(=O)− и гидроксильной группы −OH. Это определение сразу показывает, какая часть молекулы отвечает за кислотные свойства.

Одноосновные кислоты содержат одну карбоксильную группу, а многоосновные — две или больше. Для предельных одноосновных кислот используют общую формулу CₙH₂ₙ₊₁COOH, где углеводородный радикал может быть разным. Обозначение R−COOH удобно тем, что R заменяет любую углеводородную часть молекулы.

Карбоксилат — остаток кислоты, образующийся после отщепления иона H⁺: R−COO⁻. В соединении с металлом он входит в состав соли, например CH₃COONa — ацетат натрия. Такое обозначение помогает правильно составлять формулы продуктов реакций.

Как это устроено

В карбоксильной группе атом углерода соединён с атомом кислорода двойной связью и с гидроксильной группой. Электроны сильно смещены к атомам кислорода, поэтому связь O−H становится полярной. В воде водород может отделяться в виде иона H⁺, а оставшаяся часть превращается в карбоксилат-ион.

Карбоновые кислоты являются слабыми электролитами: в растворе распадается на ионы только часть их молекул. Поэтому их растворы проводят электрический ток хуже, чем растворы сильных кислот. Несмотря на неполную диссоциацию, кислоты изменяют окраску индикаторов и вступают в обычные реакции обмена.

Кислотные свойства зависят не только от −COOH, но и от углеводородного радикала. Алкильные группы немного отталкивают электронную плотность к карбоксильной группе и ослабляют отрыв водорода. А атомы хлора и другие электроноакцепторные заместители, наоборот, оттягивают электронную плотность и усиливают кислотные свойства.

Название кислоты связывают с названием соответствующего углеводорода и числом атомов углерода в главной цепи. Нумерацию начинают с атома углерода карбоксильной группы, поэтому он получает номер 1. Например, CH₃COOH содержит два атома углерода и называется этановой, или уксусной, кислотой.

Физические свойства меняются с ростом углеводородной цепи. Низшие кислоты хорошо растворяются в воде, потому что карбоксильная группа образует водородные связи с молекулами воды. При увеличении неполярной части растворимость уменьшается, а температуры кипения обычно повышаются.

Карбоновые кислоты реагируют с активными металлами, потому что металл вытесняет водород из полярной связи O−H. С основаниями и основными оксидами происходит нейтрализация: образуются соль и вода. С карбонатами кроме соли и воды получается углекислый газ, поэтому выделение пузырьков служит качественным признаком кислоты.

При нагревании кислоты со спиртом в присутствии кислого катализатора образуется сложный эфир. Гидроксильная группа кислоты и водород спирта объединяются в воду, а оставшиеся части соединяются. Процесс обратим, поэтому для увеличения выхода эфира удаляют воду или берут один из реагентов в избытке.

Сравнение представителей карбоновых кислот

Таблица помогает сопоставить состав, название и характерные свойства веществ. При решении задания сначала найдите карбоксильную группу, затем определите число атомов углерода и выберите нужное уравнение реакции.

Рациональные названия часто связаны с природным источником или историей получения вещества, а систематические показывают строение молекулы. Например, уксусная кислота и этановая кислота — одно и то же вещество.

Разбор задач

Задача. Определите массу уксусной кислоты, необходимую для полной нейтрализации 8,0 г гидроксида натрия. Запишите уравнение реакции и считайте, что кислота и щёлочь реагируют в соотношении 1:1. Нужно связать массу щёлочи с количеством вещества, а затем найти массу кислоты.

1. Записываем уравнение: CH₃COOH + NaOH → CH₃COONa + H₂O. По коэффициентам видно, что 1 моль уксусной кислоты реагирует с 1 моль NaOH.
2. Находим молярную массу гидроксида натрия: M(NaOH) = 23 + 16 + 1 = 40 г/моль. Количество вещества щёлочи равно n(NaOH) = m/M = 8,0/40 = 0,20 моль.
3. Используем соотношение из уравнения: n(CH₃COOH) = n(NaOH) = 0,20 моль. Молярная масса уксусной кислоты равна M(CH₃COOH) = 2 · 12 + 4 · 1 + 2 · 16 = 60 г/моль.
4. Вычисляем массу кислоты: m(CH₃COOH) = nM = 0,20 · 60 = 12 г. Единицы согласованы: моли умножаются на граммы на моль, поэтому получается грамм.

Ответ: для нейтрализации 8,0 г NaOH потребуется 12 г уксусной кислоты. Проверка показывает, что продуктом действительно является соль, а не новая кислота: ион H⁺ кислоты соединяется с OH⁻ щёлочи и образует воду.

Типичные ошибки

Путают карбоксильную группу с гидроксильной. В спиртах есть −OH, но карбоксильная группа обязательно включает ещё и атом углерода с двойной связью к кислороду. Проверяйте наличие фрагмента −C(=O)OH.

Неверно называют кислоту. Иногда отсчитывают цепь не от карбоксильного углерода или забывают включить его в число атомов углерода. Проверьте, что этот атом имеет номер 1 и входит в главную цепь.

Составляют неправильные продукты реакции с карбонатами. При взаимодействии кислоты с карбонатом должны появиться соль, вода и CO₂, а не только соль. Если пузырьки газа не отражены в уравнении, расставьте продукты заново.

Игнорируют коэффициенты при расчётах. Массы веществ не обязательно относятся так же, как коэффициенты, потому что у веществ разные молярные массы. Сначала переходите к количеству вещества, используйте уравнение, а затем возвращайтесь к массе.

Связь с другими темами

Карбоновые кислоты связаны с изучением спиртов: окисление первичных спиртов может приводить к образованию альдегидов, а затем кислот. С неорганической химией их объединяют реакции нейтрализации, взаимодействие с металлами, оксидами и карбонатами.

Реакция этерификации связывает кислоты со сложными эфирами и жирами. Строение карбоновых кислот также помогает понять свойства аминокислот, поскольку в их молекулах одновременно присутствуют карбоксильная и аминогруппа.

Что запомнить

• Карбоновые кислоты содержат одну или несколько групп −COOH.
• Общая формула предельных одноосновных кислот: CₙH₂ₙ₊₁COOH.
• Кислотные свойства связаны с диссоциацией связи O−H и образованием карбоксилат-иона.
• Кислоты реагируют с активными металлами, основаниями, основными оксидами и карбонатами.
• При реакции с карбонатами выделяется углекислый газ.
• Со спиртами кислоты образуют сложные эфиры и воду.
• Атом углерода карбоксильной группы первым включают в нумерацию цепи.