"Химия (углублённый уровень)", Еремин В.В., Кузьменко Н.Е., Дроздов А.А. и др./ Под ред. Лунина В.В.
Карбоновые кислоты — органические вещества с одной или несколькими группами –COOH. Эта группа определяет их кислотные свойства, а углеводородная часть влияет на растворимость и физическое состояние. Предельные одноосновные кислоты образуют гомологический ряд общей формулы CₙH₂ₙO₂, в котором соседние вещества отличаются на –CH₂–. Чтобы разбираться в теме, нужно уметь находить карбоксильную группу, называть кислоту по длине цепи и составлять уравнения её реакций с металлами, основаниями и карбонатами.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Карбоновые кислоты — органические вещества, содержащие одну или несколько карбоксильных групп –COOH. Их общую запись можно представить как R–(COOH)ₘ, где R обозначает углеводородную часть, а m — число карбоксильных групп. Например, HCOOH — муравьиная кислота, CH₃COOH — уксусная кислота. Эта запись помогает сразу распознать класс вещества и увидеть, сколько кислотных групп входит в его молекулу.
Карбоксильная группа –COOH — функциональная группа, в которой объединены карбонильная часть C=O и гидроксильная часть –OH. Это не просто соседство двух независимых групп: их взаимное влияние меняет свойства связи O–H. Атом водорода этой связи может отщепляться в реакциях, поэтому карбоксильная группа определяет кислотное поведение вещества. По ней отличают карбоновые кислоты от спиртов.
Одноосновные кислоты содержат одну карбоксильную группу, а многоосновные — две или более. К одноосновным относятся муравьиная HCOOH и уксусная CH₃COOH, к многоосновным — щавелевая HOOC–COOH и лимонная кислоты. Число групп важно при составлении формул солей и уравнений реакций: оно показывает, сколько кислотных атомов водорода может замещаться.
Гомологический ряд предельных одноосновных карбоновых кислот — последовательность кислот, соседние представители которой отличаются на группу –CH₂–. Для ряда характерна общая формула CₙH₂ₙO₂, где n — число атомов углерода в молекуле. Например, HCOOH и CH₃COOH — соседние представители: вторая молекула содержит на один фрагмент CH₂ больше. Понятие ряда позволяет предсказывать формулы и сравнивать свойства близких веществ.
Принадлежность вещества к карбоновым кислотам определяется наличием группы –COOH, а не только связью C=O или фрагментом –OH по отдельности. В карбоксильной группе электронное строение частей взаимно влияет друг на друга: карбонильная часть оттягивает электронную плотность. Поэтому связь O–H становится полярной, а водород может отделяться легче, чем в обычной гидроксильной группе спирта. Именно этим объясняются характерные кислотные реакции.
Предельные одноосновные кислоты можно записать как R–COOH, где R — насыщенный углеводородный остаток. Для кислоты с n атомами углерода общее число атомов водорода равно 2n, а кислород входит в карбоксильную группу в количестве двух атомов, поэтому получается CₙH₂ₙO₂. При переходе к следующему представителю углеводородная часть удлиняется на –CH₂–, но группа –COOH остаётся той же. Следовательно, ряд отражает постепенное изменение размера молекулы при сохранении главного функционального центра.
Название кислоты выбирают по длине главной углеродной цепи, в которую обязательно включают углерод карбоксильной группы. Так, цепь из двух атомов углерода соответствует этановой кислоте, из трёх — пропановой. Нумерацию начинают именно с карбоксильного атома углерода, потому что он является частью главной функциональной группы и получает положение 1. Этот порядок позволяет одинаково называть кислоты даже при наличии заместителей в цепи.
Группа –COOH полярна и способна взаимодействовать с водой, поэтому низшие кислоты хорошо растворяются в ней. Удлинение углеводородного радикала увеличивает неполярную часть молекулы, и растворимость обычно снижается. Между молекулами кислот возникают сильные межмолекулярные взаимодействия, в том числе водородные связи; на их разрыв требуется энергия, поэтому температуры кипения сравнительно высоки. Низшие кислоты — жидкости, а высшие предельные кислоты при комнатной температуре обычно твёрдые.
Кислотные свойства проявляются в реакциях, где водород карбоксильной группы замещается или кислота нейтрализуется. С активным металлом образуется соль и выделяется водород: 2CH₃COOH + Mg → (CH₃COO)₂Mg + H₂. С основанием происходит нейтрализация: CH₃COOH + NaOH → CH₃COONa + H₂O. С карбонатом образуются соль, вода и углекислый газ: 2CH₃COOH + Na₂CO₃ → 2CH₃COONa + H₂O + CO₂.
| Характеристика | Муравьиная кислота | Уксусная кислота | Высшие предельные кислоты |
|---|---|---|---|
| Молекулярная формула | CH₂O₂ (HCOOH) | C₂H₄O₂ (CH₃COOH) | CₙH₂ₙO₂, обычно n ≥ 12 |
| Строение карбоксильной группы | H–C(=O)–OH | CH₃–C(=O)–OH | R–C(=O)–OH |
| Физическое состояние при комнатной температуре | Жидкость | Жидкость | Обычно твёрдые вещества |
| Растворимость в воде | Хорошо растворима | Смешивается с водой в любых соотношениях | Низкая |
| Типичные кислотные реакции | С металлами, основаниями и карбонатами | С металлами, основаниями и карбонатами | С металлами, основаниями и карбонатами |
Сравнивайте прежде всего общую для всех представителей группу –COOH, а затем — размер углеводородной части. Таблица показывает, что характер кислотных реакций сохраняется, а растворимость и агрегатное состояние меняются с длиной цепи. Формула высших кислот дана для представителей предельного одноосновного ряда.
Задача: составьте структурную формулу пропановой кислоты и назовите кислоту CH₃–CH₂–CH₂–COOH. Сначала определите, где находится карбоксильная группа и какой атом углерода входит в главную цепь. Затем посчитайте все атомы углерода, включая атом группы –COOH. Это исключает ошибку, при которой кислотный атом углерода считают отдельно от цепи.
Ответ: CH₃–CH₂–COOH; CH₃–CH₂–CH₂–COOH — бутановая кислота.
Задача: запишите уравнения реакций уксусной кислоты с магнием и гидроксидом натрия. В первой реакции металл замещает кислотный водород, а выделяющиеся атомы водорода соединяются в молекулы H₂. Во второй реакции кислота нейтрализует основание с образованием соли и воды. Коэффициенты подбирают так, чтобы число атомов каждого элемента совпадало слева и справа.
Ответ: 2CH₃COOH + Mg → (CH₃COO)₂Mg + H₂; CH₃COOH + NaOH → CH₃COONa + H₂O.
Задача: какой объём водорода при н. у. выделится при реакции 12 г уксусной кислоты с избытком магния? Избыток магния означает, что кислота полностью прореагирует, а количество водорода определит именно количество кислоты. Сначала переводим массу кислоты в количество вещества, затем используем коэффициенты уравнения. При нормальных условиях молярный объём газа равен 22,4 л/моль.
Ответ: 2,24 л водорода при н. у.
Если не включить углерод группы –COOH в главную цепь, число атомов углерода получится на единицу меньше и название будет неверным. Так происходит, когда карбоксильную группу ошибочно воспринимают как отдельную приставку. Проверка простая: посчитайте все атомы углерода непрерывной цепи, в том числе тот, к которому присоединены кислороды. Например, CH₃–CH₂–COOH содержит три атома углерода и является пропановой кислотой.
Иногда карбоксильную группу обозначают как карбонильную, потому что в ней есть связь C=O. Но карбонильная группа — только фрагмент C=O, а карбоксильная включает также –OH у того же атома углерода. Если в формуле не показана гидроксильная часть, запись группы неполная. Сверяйте её с общей структурой R–C(=O)–OH.
Формулу предельной одноосновной кислоты иногда ошибочно записывают как CₙH₂ₙ₊₂O₂, перенося формулу алканов без учёта карбоксильной группы. Однако замена части водородов на группу –COOH меняет общее число атомов водорода: правильная формула ряда — CₙH₂ₙO₂. Проверить её можно на уксусной кислоте: при n = 2 получается C₂H₄O₂, что совпадает с CH₃COOH.
В реакции кислоты с металлом можно забыть, что водород выделяется молекулами H₂, а не отдельными атомами. Из-за этого нарушается баланс водорода и коэффициенты не соответствуют составу соли. Для одноосновной уксусной кислоты с магнием правильная запись содержит две молекулы кислоты на одну молекулу H₂: 2CH₃COOH + Mg → (CH₃COO)₂Mg + H₂. В конце проверьте число атомов каждого элемента по обе стороны уравнения.
Для изучения карбоновых кислот нужны знания о строении органических веществ, функциональных группах, гомологическом ряде и правилах называния цепей. Уравнения их реакций опираются на представления о кислотах, электролитической диссоциации и нейтрализации. Позже эти знания помогут разбирать сложные эфиры и жиры, а также аминокислоты и другие производные карбоновых кислот. Карбоксильная группа остаётся общей структурной опорой для сравнения этих классов соединений.
Чем карбоновая кислота отличается от спирта?
У спиртов функциональная группа — гидроксильная –OH, соединённая с углеродным атомом углеводородной части. У карбоновых кислот группа –COOH включает карбонильную и гидроксильную части, поэтому связь O–H в ней проявляет кислотные свойства.
Почему карбоксильную группу записывают как –COOH?
Такая запись показывает, что в группе –COOH один и тот же атом углерода связан с кислородом двойной связью и с гидроксильной группой –OH. Вместе эти части образуют карбоксильную группу, характерную для карбоновых кислот.
Как определить название карбоновой кислоты по её структурной формуле?
Найдите группу –COOH и посчитайте все атомы углерода в главной цепи, включая углерод этой группы. По числу атомов выберите основу названия: например, два атома углерода дают этановую кислоту, три — пропановую.
Почему низшие карбоновые кислоты растворяются в воде лучше высших?
Полярная группа –COOH может взаимодействовать с молекулами воды. При удлинении неполярного углеводородного радикала его влияние возрастает, поэтому растворимость кислоты в воде обычно уменьшается.
С какими веществами реагируют карбоновые кислоты?
Они реагируют с активными металлами, основаниями и карбонатами. В типичных реакциях с металлами выделяется водород, с основаниями образуются соль и вода, а с карбонатами — соль, вода и углекислый газ.
§ 9. Карбоновые кислот
