"Химия (углублённый уровень)", Пузаков С.А., Машнина Н.В., Попков В.А.
Предельные одноосновные карбоновые кислоты содержат одну карбоксильную группу −COOH и имеют общую формулу CₙH₂ₙ₊₁COOH. Их свойства определяются строением этой группы: кислоты диссоциируют в воде, реагируют с металлами, основаниями, оксидами и солями более слабых кислот. Со спиртами они образуют сложные эфиры, а некоторые соли при нагревании теряют углекислый газ. Понимание этих реакций помогает решать уравнения и расчётные задачи.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Предельные одноосновные карбоновые кислоты — вещества с одной карбоксильной группой и предельным углеводородным радикалом. Их общая формула — CₙH₂ₙ₊₁COOH, где n показывает число атомов углерода в радикале. Формула помогает увидеть принадлежность вещества к гомологическому ряду и составлять формулы его представителей.
Карбоксильная группа — функциональная группа −COOH, объединяющая карбонильную −C=O и гидроксильную −OH группы. Именно она определяет основные кислотные свойства соединения. Углеводородная часть молекулы влияет на эти свойства, но не заменяет карбоксильную группу.
Электролитическая диссоциация карбоновых кислот — обратимый распад молекул кислоты на ионы H⁺ и карбоксилат-ионы в воде: R−COOH ⇄ R−COO⁻ + H⁺. Карбоксилат-ион R−COO⁻ — остаток кислоты после отщепления протона. Эта запись показывает, почему раствор проводит ток и изменяет окраску индикаторов.
Этерификация — обратимая реакция карбоновой кислоты со спиртом, в результате которой образуются сложный эфир и вода. Например, этановая кислота со спиртом образует этилэтаноат. Понятие нужно для записи реакций получения эфиров и объяснения их равновесного характера.
Предельный углеводородный радикал содержит только одинарные связи между атомами углерода, а одна группа −COOH делает кислоту одноосновной. Поэтому представители ряда отличаются друг от друга на группу −CH₂−: метановая кислота имеет формулу HCOOH, этановая — CH₃COOH, пропановая — C₂H₅COOH. Число карбоксильных групп определяет основность кислоты, а не количество атомов водорода в молекуле.
Связь O−H в карбоксильной группе полярна: атом кислорода сильнее притягивает общую электронную пару, поэтому на нём возникает частичный отрицательный заряд, а на водороде — частичный положительный. После отщепления протона отрицательный заряд распределяется между двумя атомами кислорода карбоксилат-иона. Такое распределение стабилизирует ион и делает возможным проявление кислотных свойств.
Карбоновые кислоты называют слабыми электролитами, потому что в воде диссоциирует лишь часть их молекул. Установившееся равновесие записывают обратимой стрелкой, а не знаком полного распада. Электронные свойства радикала тоже важны: алкильные группы обычно усиливают оттягивание протона назад и ослабляют кислотность, поэтому с увеличением углеводородной цепи сила одноосновных кислот обычно немного уменьшается.
Кислота реагирует с металлами, основаниями и основными оксидами, потому что во всех случаях её протон замещается на металл, а образуется карбоксилат. С солями более слабых кислот реакция идёт, если появляется газ, осадок или слабый электролит: например, угольная кислота распадается на CO₂ и H₂O. В карбоксильной группе карбонильный углерод также способен взаимодействовать со спиртом: часть −OH кислоты замещается на −OR, поэтому образуются эфир и вода.
Пользуйтесь таблицей так: сначала определите реагент, затем найдите тип реакции и общий продукт. После этого подставьте формулы конкретных веществ и проверьте баланс атомов и зарядов.
| Свойство или тип реакции | Общее уравнение | Условия и признаки | Пример |
|---|---|---|---|
| Диссоциация в воде | R−COOH ⇄ R−COO⁻ + H⁺ | Водный раствор, обратимость, слабая электролитическая диссоциация | CH₃COOH ⇄ CH₃COO⁻ + H⁺ |
| Реакция с активными металлами | 2R−COOH + 2M → 2R−COOM + H₂↑ | Выделение пузырьков водорода | 2CH₃COOH + Mg → (CH₃COO)₂Mg + H₂↑ |
| Реакция с основаниями и щелочами | R−COOH + MOH → R−COOM + H₂O | Нейтрализация | CH₃COOH + NaOH → CH₃COONa + H₂O |
| Реакция с основными оксидами | 2R−COOH + MO → (R−COO)₂M + H₂O | Образуются соль и вода | 2CH₃COOH + CuO → (CH₃COO)₂Cu + H₂O |
| Реакция с солями более слабых кислот | 2R−COOH + M₂CO₃ → 2R−COOM + H₂O + CO₂↑ | Шипение, выделение углекислого газа | 2CH₃COOH + Na₂CO₃ → 2CH₃COONa + H₂O + CO₂↑ |
| Этерификация со спиртами | R−COOH + R′−OH ⇄ R−COOR′ + H₂O | Конц. H₂SO₄, нагревание; обратимая реакция | CH₃COOH + C₂H₅OH ⇄ CH₃COOC₂H₅ + H₂O |
| Декарбоксилирование солей | R−COONa + NaOH → RH + Na₂CO₃ | Нагревание с твёрдой щёлочью; удаление CO₂ из карбоксилата | CH₃COONa + NaOH → CH₄ + Na₂CO₃ |
Записать реакции этановой кислоты с магнием, гидроксидом натрия и карбонатом натрия. Назвать продукты и расставить коэффициенты.
Ответ: коэффициенты равны 2:1:1 в первой реакции, 1:1:1:1 во второй и 2:1:2:1:1 в третьей.
Из 0,20 моль этановой кислоты получают этилэтаноат с выходом 80 %. Определить массу продукта.
Ответ: при указанных условиях получится 14,08 г этилэтаноата.
Смесь этановой и пропановой кислот массой 9,2 г нейтрализовали 0,15 моль NaOH. Определить состав смеси. Обозначим количества кислот x и y.
Ответ: в смеси примерно 8,14 г этановой и 1,06 г пропановой кислоты; проверка даёт общую массу 9,20 г.
Карбоновые кислоты иногда считают сильными электролитами и пишут диссоциацию необратимо. Так происходит из-за смешения их с сильными минеральными кислотами. Проверяйте себя: для слабой кислоты нужна обратимая стрелка R−COOH ⇄ R−COO⁻ + H⁺.
Другая ошибка — замена карбоксилат-иона гидроксид-ионом. В соли этановой кислоты должен быть фрагмент CH₃COO⁻, поэтому продукт реакции с натрием — CH₃COONa, а не NaOH. Полезно сначала выписать кислотный остаток, а затем уравнять заряд с катионом.
При реакции с карбонатом иногда записывают только соль. Это неверно, потому что образующаяся угольная кислота распадается на воду и CO₂. Если среди реагентов есть карбонат, проверьте наличие сразу трёх продуктов: соли, H₂O и CO₂.
Этерификацию считают необратимой и забывают условия реакции. На самом деле устанавливается равновесие, а концентрированная H₂SO₄ катализирует процесс и связывает воду; обычно также требуется нагревание. В уравнении должна стоять обратимая стрелка.
Для понимания темы нужны строение органических веществ, функциональные группы, гомологические ряды и общие свойства кислот: реакции с основаниями и солями. Без этих знаний трудно правильно определить продукт и расставить коэффициенты.
Знания о карбоновых кислотах используются при изучении сложных эфиров, жиров, мыла и гидролиза. Этерификация также показывает один из способов получения органических веществ.
В расчётных задачах применяются количество вещества, молярная масса, массовая доля и выход продукта. Сначала используют коэффициенты уравнения, затем переходят к массам или объёмам.
Почему карбоновые кислоты называют слабыми, если они изменяют окраску индикаторов?
Слабым электролитом называют вещество, которое в растворе диссоциирует лишь частично. Даже небольшого количества ионов H⁺ достаточно, чтобы изменить окраску индикатора.
Чем реакция кислоты с металлом отличается от реакции с щёлочью?
С активным металлом кислота образует карбоксилат и выделяет водород. Со щёлочью происходит нейтрализация: образуются карбоксилат и вода.
Почему при взаимодействии карбоновой кислоты с карбонатом выделяется углекислый газ?
Сначала образуется угольная кислота, но она неустойчива. Поэтому сразу разлагается на воду и углекислый газ, который выделяется в виде пузырьков.
Зачем при этерификации используют концентрированную серную кислоту?
Она катализирует реакцию и ускоряет установление равновесия. Кроме того, концентрированная серная кислота связывает воду, смещая равновесие в сторону образования сложного эфира.
Как отличить реакцию этерификации от реакции нейтрализации?
При нейтрализации кислота реагирует с основанием, образуя соль и воду. При этерификации кислота взаимодействует со спиртом, и продуктом становится сложный эфир, обычно также выделяется вода.
15.4. Химические свойства: особенности предельных одноосновных кислот
