§ 20. Карбоновые кислоты

Определения и обозначения

Карбоновая кислота — органическое соединение, в молекуле которого есть одна или несколько карбоксильных групп. Общая формула вещества с одной такой группой — R–COOH, а с несколькими — R–(COOH)n; R обозначает углеводородную часть, n — число карбоксильных групп. По этой записи сразу видно, какая часть молекулы определяет свойства кислоты.

Карбоксильная группа — функциональная группа –COOH, отвечающая за характерные химические свойства карбоновых кислот. В ней объединены карбонильная часть C=O и гидроксильная часть –OH, связанные с одним атомом углерода. Такое обозначение помогает отличить карбоновую кислоту от спирта и других органических веществ.

Одноосновная карбоновая кислота — кислота, содержащая одну карбоксильную группу. Основность показывает, сколько кислотных атомов водорода может отщепиться при диссоциации, поэтому для карбоновых кислот её связывают с числом групп –COOH. Например, уксусная кислота CH₃COOH одноосновная, хотя в молекуле есть и другие атомы водорода.

Гомологический ряд предельных одноосновных карбоновых кислот — последовательность веществ, в которой соседние представители отличаются на группу –CH₂–. К предельным относят кислоты, углеводородная часть которых не содержит кратных связей. Сравнение членов ряда позволяет проследить, как увеличение углеродной цепи меняет свойства веществ.

Как это устроено

Карбоксильная группа складывается из связи C=O и связи C–OH, но рассматривать эти части как независимые нельзя. Электронное строение карбонильной части влияет на гидроксильную связь O–H и облегчает отделение атома водорода в виде H⁺. После его отделения образуется ион карбоксилат –COO⁻, в котором заряд распределён между атомами кислорода. Поэтому вся группа –COOH проявляет кислотные свойства.

В предельной одноосновной кислоте к группе –COOH присоединён насыщенный углеводородный радикал. Формулы первых представителей можно записать так: HCOOH, CH₃COOH, C₂H₅COOH; каждому следующему веществу соответствует добавление –CH₂–. Для таких кислот общая молекулярная формула CₙH₂ₙO₂, если считать атом углерода группы –COOH частью цепи. Изменяется именно длина углеводородной части, тогда как функциональная группа остаётся той же.

Название кислоты строят по числу атомов углерода в главной цепи, включая карбоксильный атом. Цепь нумеруют от этого атома, потому что карбоксильная группа имеет приоритет и всегда занимает положение 1. Название получают от соответствующего алкана: например, цепь из двух атомов углерода даёт этановую кислоту, известную также как уксусная. Заместители в цепи обозначают с учётом нумерации от группы –COOH.

Кислотные свойства проявляются в диссоциации: R–COOH ⇄ R–COO⁻ + H⁺. С активными металлами водород кислоты замещается металлом и выделяется H₂, с основаниями образуются соль и вода. При реакции с карбонатами сначала образуется соль и угольная кислота, которая распадается на воду и углекислый газ. Поэтому в итоговом уравнении обязательно указывают CO₂.

Низшие карбоновые кислоты хорошо смешиваются с водой, потому что группа –COOH образует с её молекулами водородные связи — притяжения между атомами водорода и кислорода. Углеводородная часть, напротив, плохо взаимодействует с водой. По мере удлинения радикала его влияние становится заметнее по сравнению с полярной группой, поэтому растворимость уменьшается. Реакция кислоты со спиртом ведёт к сложному эфиру и воде; это пример превращения, использующего свойства группы –COOH.

Строение, свойства и реакции карбоновых кислот

Сначала найдите в таблице тип взаимодействия, затем проверьте, какие продукты характерны для него. В уравнениях сравнивайте число атомов каждого элемента слева и справа и расставляйте коэффициенты. Таблица также помогает не забыть, что при реакции с карбонатом выделяется газ.

Разбор задач

Задача 1. Составьте структурную формулу и назовите предельную одноосновную кислоту C₃H₆O₂. Сначала найдём в молекуле функциональную группу –COOH, обязательную для карбоновой кислоты. Оставшиеся атомы образуют углеводородную часть, а всего в формуле три атома углерода.

1. Записываем группу –COOH, содержащую один атом углерода, и оставляем два атома углерода для радикала C₂H₅.
2. Соединяем части: C₂H₅–COOH, или CH₃–CH₂–COOH. Проверяем состав: всего C₃H₆O₂, формула совпадает с условием.
3. В главной цепи три атома углерода, включая карбоксильный. Соответствующий алкан — пропан, поэтому название кислоты — пропановая кислота.

Ответ: CH₃–CH₂–COOH, пропановая кислота. Проверка по составу формулы помогает исключить ошибку, при которой атом углерода карбоксильной группы не учитывают в цепи. Кислота одноосновная, поскольку в ней одна группа –COOH.

Задача 2. Запишите уравнения реакций уксусной кислоты с магнием, гидроксидом натрия и карбонатом кальция. В каждом случае кислота образует ацетат — соль уксусной кислоты. Различие состоит в том, что с металлом выделяется водород, с основанием — вода, а с карбонатом дополнительно выделяется углекислый газ.

1. Магний двухвалентен, поэтому для образования соли нужны два ацетат-иона: 2CH₃COOH + Mg → (CH₃COO)₂Mg + H₂↑.
2. У NaOH соотношение с одноосновной уксусной кислотой равно 1:1: CH₃COOH + NaOH → CH₃COONa + H₂O.
3. Ион кальция имеет заряд 2+, поэтому образуются два ацетат-иона. Уравнение: 2CH₃COOH + CaCO₃ → (CH₃COO)₂Ca + H₂O + CO₂↑.

Ответ: записаны уравнения для трёх реакций. В первом и третьем уравнениях перед кислотой стоит коэффициент 2, потому что на одну формульную единицу соли требуется два ацетат-иона. Баланс атомов и зарядов помогает проверить правильность коэффициентов.

Задача 3. Какую массу уксусной кислоты нужно взять для полной нейтрализации 200 мл раствора NaOH с концентрацией 0,5 моль/л? Запишем реакцию CH₃COOH + NaOH → CH₃COONa + H₂O. По уравнению кислота и щёлочь реагируют в соотношении 1:1, значит, их количества вещества должны быть равны.

1. Переводим объём раствора в литры: 200 мл = 0,200 л. Находим количество NaOH: n = cV = 0,5 × 0,200 = 0,100 моль.
2. По соотношению 1:1 требуется столько же кислоты: n(CH₃COOH) = 0,100 моль. Молярная масса уксусной кислоты равна 60 г/моль.
3. Вычисляем массу: m = nM = 0,100 × 60 = 6,0 г. Единицы согласованы: моль умножаем на граммы на моль.

Ответ: для полной нейтрализации нужно 6,0 г уксусной кислоты. Если бы кислота была многоосновной, соотношение с NaOH следовало бы определять по числу карбоксильных групп из уравнения реакции. Здесь одна группа –COOH, поэтому коэффициенты перед кислотой и щёлочью равны.

Типичные ошибки

Считать карбоксильную группу простой суммой независимых фрагментов C=O и –OH — ошибка, потому что взаимное влияние этих частей определяет кислотные свойства всей группы. Такое представление часто возникает при механическом чтении структурной формулы. Проверяйте себя вопросом: объясняет ли ваша модель отделение H⁺ и образование устойчивого иона –COO⁻? Если нет, учитывайте взаимодействие частей карбоксильной группы.

Нумеровать цепь от конца, ближайшего к заместителю, неправильно: у карбоновых кислот отсчёт начинается с карбоксильного атома углерода. Обычные правила выбора меньшего номера для заместителя здесь не отменяют приоритета –COOH. Чтобы проверить название, найдите углерод группы –COOH и убедитесь, что он получил номер 1. Затем проверьте положение всех заместителей.

Основность нельзя определять по общему числу атомов водорода в молекуле, потому что часть из них связана с углеродом и не задаёт основность кислоты. Путаница появляется из-за бытового представления, будто каждый водород может проявлять кислотные свойства. Посчитайте только группы –COOH: одна группа означает одноосновную кислоту, две — двухосновную. Это правило применяйте независимо от размера углеводородной части.

В реакции кислоты с карбонатом нельзя забывать о выделении CO₂: карбонат-ион превращается в углекислый газ и воду. Также часто ошибаются в коэффициентах, например не учитывают, что кальций образует соль с двумя ацетат-ионами. Проверьте число атомов каждого элемента и наличие газа среди продуктов. Для реакции уксусной кислоты с CaCO₃ правильное соотношение кислоты и карбоната — 2:1.

Связь с другими темами

Для изучения карбоновых кислот нужны знания о строении органических веществ, функциональных группах и составлении формул углеводородов. Представление об электролитической диссоциации помогает объяснить появление ионов, а знания о кислотах и солях — понять продукты реакций. Далее эти понятия пригодятся при изучении сложных эфиров, жиров и других производных карбоновых кислот. Так строение одной функциональной группы связывает несколько разделов органической химии.

Что запомнить

• Функциональная группа карбоновых кислот — –COOH.
• Основность кислоты равна числу карбоксильных групп в её молекуле.
• В названиях кислот нумерацию углеродной цепи начинают с карбоксильного атома углерода.
• Карбоновые кислоты реагируют с основаниями с образованием соли и воды.
• При реакции кислоты с карбонатом выделяется углекислый газ.
• Растворимость низших карбоновых кислот в воде уменьшается при увеличении углеводородного радикала.