Получение и химические свойства карбоновых кислот

Определения и обозначения

Карбоновые кислоты — органические соединения, содержащие одну или несколько карбоксильных групп. Их общую формулу удобно записывать как R−COOH, где R — углеводородный радикал или атом водорода. К таким веществам относятся муравьиная HCOOH, уксусная CH₃COOH и стеариновая C₁₇H₃₅COOH кислоты; формула помогает увидеть состав и строение молекулы.

Карбоксильная группа — функциональная группа −СООН, объединяющая карбонильную C=O и гидроксильную −OH группы. В ней атом углерода одновременно связан с кислородом двойной связью и с гидроксильным кислородом. Такое сочетание объясняет кислотные свойства и отличает карбоновые кислоты от спиртов.

Одноосновные карбоновые кислоты содержат одну карбоксильную группу. Для предельных одноосновных кислот используют общую формулу CₙH₂ₙ₊₁COOH, например CH₃COOH при n = 1. Число карбоксильных групп определяет основность кислоты, то есть количество атомов водорода, способных замещаться в реакциях.

Этерификация — обратимая реакция карбоновой кислоты со спиртом, при которой образуются сложный эфир и вода: RCOOH + R′OH ⇄ RCOOR′ + H₂O. Обратимость означает, что продукты при определённых условиях могут снова превращаться в исходные вещества. Это понятие нужно для понимания получения ароматных веществ, растворителей, жиров и других производных кислот.

Как это устроено

Первичные спирты и альдегиды получают из одной углеродной цепи последовательным окислением. У первичного спирта группа −CH₂OH превращается в альдегидную −CHO, а затем альдегидная группа — в карбоксильную −COOH. Поэтому схема имеет вид RCH₂OH → RCHO → RCOOH; дальнейшее окисление альдегида связано с присоединением атомов кислорода.

Карбоксильная группа проявляет кислотные свойства благодаря влиянию двух частей. Карбонильная группа оттягивает электронную плотность, ослабляя связь O−H в гидроксильной части. В воде молекула частично отдаёт протон: RCOOH ⇄ RCOO⁻ + H⁺, а устойчивость карбоксилат-иона делает процесс возможным, но не полным.

Кислота реагирует с активными металлами, потому что металл способен вытеснить водород из кислоты. С основаниями и основными оксидами происходит нейтрализация: кислотный остаток соединяется с катионом металла, а водород гидроксильной группы образует воду. Поэтому в обоих случаях получается соль, например RCOONa.

Карбонаты и гидрокарбонаты также содержат частицы, способные связывать кислотный водород. Сначала возникает угольная кислота H₂CO₃, но она неустойчива и распадается на H₂O и CO₂. Выделение пузырьков углекислого газа служит признаком реакции карбоновой кислоты с карбонатом.

В этерификации кислота и спирт соединяются по месту карбоксильной и гидроксильной групп, а вода отделяется. Кислый катализатор ускоряет обмен атомами, но не расходуется, а нагревание увеличивает скорость реакции. Поскольку эфир и вода могут реагировать обратно, для повышения выхода продукта удаляют воду или берут один реагент в избытке.

С увеличением углеводородного радикала неполярная часть молекулы становится больше. Вода хуже растворяет такие вещества, поэтому растворимость и способность смешиваться с водой обычно уменьшаются. Одновременно увеличиваются молекулярная масса и температуры кипения, а низшие кислоты имеют резкий запах и хорошо растворяются в воде.

Получение и химические свойства карбоновых кислот

В таблице сначала определите тип превращения, затем проверьте формулу и коэффициенты. Стрелка ⇄ показывает обратимую реакцию, а знак t° — нагревание; катализатор H⁺ обычно записывают над стрелкой. В реакциях с карбонатами отдельно отмечайте образование CO₂, а при горении — продукты полного окисления.

Разбор задач

Задача 1. Составить уравнение получения уксусной кислоты окислением этанола и назвать промежуточный продукт.

1. Этанол является первичным спиртом, поэтому его первая стадия окисления даёт альдегид.
2. Промежуточное вещество — этаналь CH₃CHO: CH₃CH₂OH + [O] → CH₃CHO + H₂O.
3. Затем этаналь окисляется до уксусной кислоты: CH₃CHO + [O] → CH₃COOH.
4. Складывая стадии, получаем CH₃CH₂OH + 2[O] → CH₃COOH + H₂O.

Ответ: промежуточный продукт — этаналь, или уксусный альдегид, CH₃CHO.

Задача 2. Уксусная кислота количеством вещества 0,20 моль реагирует с карбонатом натрия. Определить объём CO₂ при н. у.

1. Записываем уравнение: 2CH₃COOH + Na₂CO₃ → 2CH₃COONa + H₂O + CO₂.
2. По коэффициентам 2 моль кислоты дают 1 моль CO₂, поэтому n(CO₂) = 0,20 : 2 = 0,10 моль.
3. При н. у. молярный объём газа равен 22,4 л/моль: V(CO₂) = 0,10 · 22,4 = 2,24 л.

Ответ: объём углекислого газа равен 2,24 л.

Задача 3. Из 0,50 моль этанола и избытка уксусной кислоты получить этиловый эфир уксусной кислоты и определить теоретическое количество эфира.

1. Составляем уравнение: CH₃COOH + C₂H₅OH ⇄ CH₃COOC₂H₅ + H₂O.
2. Коэффициенты показывают соотношение этанола и эфира 1:1, поэтому при полном превращении n(эфира) = 0,50 моль.
3. Молярная масса этилового ацетата C₄H₈O₂ равна 88 г/моль, значит m = 0,50 · 88 = 44 г.
4. Из-за обратимости реакции фактическая масса обычно меньше теоретической, если не указаны выход или удаление воды.

Ответ: теоретически образуется 0,50 моль, или 44 г, этилового эфира уксусной кислоты.

Типичные ошибки

Карбоновые кислоты часто считают сильными электролитами и пишут их диссоциацию необратимой. Ошибка возникает из-за переноса свойств сильных неорганических кислот на органические вещества. Проверяйте себя по знаку ⇄: большинство низших карбоновых кислот диссоциирует в воде частично.

Карбоксильную группу −СООН иногда смешивают с гидроксильной группой спиртов −ОН. В результате спиртам ошибочно приписывают реакции с карбонатами и основаниями как обычным кислотам. Сначала определите, к какому атому углерода присоединена группа и есть ли рядом карбонильный фрагмент C=O.

При реакции кислоты с карбонатом забывают записать CO₂ или составляют неверную соль. Причина — механическое применение схемы «кислота + основание», хотя карбонат содержит ещё угольную кислоту. Проверьте баланс: для карбоната нужны две одноосновные кислоты, а среди продуктов должны быть соль, вода и углекислый газ.

Продукт этерификации иногда называют солью. Такая ошибка появляется потому, что и соль, и эфир образуются при замене водорода в кислоте, но их состав и условия получения различаются. Если реагируют кислота и спирт и выделяется вода, продукт является сложным эфиром, а не солью.

Связь с другими темами

Для темы нужны строение органических веществ, функциональные группы, номенклатура, а также свойства спиртов и альдегидов. Из неорганической химии пригодятся общие свойства кислот, реакции обмена, нейтрализация и взаимодействие с карбонатами. Дальше эти знания используются при изучении сложных эфиров, жиров, мыла, полимеров и органического синтеза.

Что запомнить

• Карбоновые кислоты содержат карбоксильную группу −СООН.
• Предельные одноосновные кислоты имеют общую формулу CₙH₂ₙ₊₁COOH.
• Первичные спирты окисляются до альдегидов, а альдегиды — до карбоновых кислот.
• Кислоты реагируют с активными металлами, основаниями, основными оксидами и карбонатами.
• При реакции с карбонатами и гидрокарбонатами выделяется углекислый газ.
• Этерификация — обратимая реакция карбоновой кислоты со спиртом.
• В результате этерификации образуются сложный эфир и вода.