"Химия (углублённый уровень)", Пузаков С.А., Машнина Н.В., Попков В.А.
Предельные двухосновные карбоновые кислоты содержат две карбоксильные группы, поэтому способны отдавать два кислотных атома водорода. Они реагируют с основаниями, активными металлами, карбонатами и спиртами, образуя кислые или средние соли и сложные эфиры. Особенность соединений проявляется в ступенчатой диссоциации и разных превращениях при нагревании: малоновая кислота декарбоксилируется, а щавелевая разлагается с образованием CO₂ и CO.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Предельные двухосновные карбоновые кислоты — органические вещества, в молекулах которых две карбоксильные группы –COOH связаны с предельным углеводородным радикалом. Их общую схему можно записать как HOOC–R–COOH. Две группы –COOH определяют способность кислоты отдавать два кислотных атома водорода.
Щавелевая кислота имеет формулу HOOC–COOH. В её молекуле карбоксильные группы связаны непосредственно, без углеводородного фрагмента между ними. Это простейший пример двухосновной кислоты и удобное вещество для записи реакций полной нейтрализации и разложения.
Кислая соль двухосновной кислоты образуется, когда в соли замещён водород только одной из двух карбоксильных групп. Например, NaHOOC–COOH — кислая соль щавелевой кислоты. Сохранившийся кислотный водород показывает, что нейтрализация прошла не полностью.
Средняя соль содержит катионы металла вместо обоих кислотных атомов водорода. Для щавелевой кислоты такой солью будет NaOOC–COONa, или оксалат натрия. Это обозначение помогает отличать результат частичной нейтрализации от результата полного взаимодействия с основанием.
Две карбоксильные группы сообщают молекуле обычные кислотные свойства: каждая может отдавать протон H⁺. Поэтому кислота реагирует с основаниями и активными металлами. Число групп определяет не новый тип реакции, а возможность повторить кислотное превращение дважды.
Диссоциация идёт в две ступени: H₂A ⇌ H⁺ + HA⁻, затем HA⁻ ⇌ H⁺ + A²⁻. Вторая ступень обычно труднее первой, потому что отрицательно заряженная частица HA⁻ сильнее удерживает следующий протон. Неравноценность ступеней объясняет, почему кислые соли могут существовать отдельно от средних.
При добавлении щёлочи сначала нейтрализуется одна карбоксильная группа: H₂A + NaOH → NaHA + H₂O. Если основания достаточно, реакция продолжается: NaHA + NaOH → Na₂A + H₂O. Поэтому соотношение количества кислоты и NaOH определяет, получится кислая или средняя соль.
С карбонатами и гидрокарбонатами кислота реагирует с выделением CO₂. Причина в том, что образующаяся угольная кислота H₂CO₃ неустойчива и распадается на воду и углекислый газ. Для двухосновной кислоты нужно учитывать обе карбоксильные группы: HOOC–COOH + Na₂CO₃ → NaOOC–COONa + CO₂ + H₂O.
Нагревание не приводит у всех представителей к одному результату, поскольку соседние атомы и группы по-разному влияют на устойчивость молекулы. Малоновая кислота отщепляет CO₂: HOOC–CH₂–COOH → CH₃COOH + CO₂. Щавелевая кислота разлагается иначе: HOOC–COOH → CO₂ + CO + H₂O.
| Свойство или реакция | Условия и реагенты | Основные продукты | Особенность |
|---|---|---|---|
| Диссоциация | Водный раствор | H⁺, HA⁻, A²⁻ | Две ступени, первая легче второй |
| Взаимодействие с активными металлами | Металл до водорода в ряду активности | Соль и H₂ | Оба кислотных водорода могут замещаться |
| Нейтрализация щёлочью | NaOH или другой растворимый гидроксид | Кислая или средняя соль и H₂O | Результат зависит от соотношения реагентов |
| Взаимодействие с карбонатами и гидрокарбонатами | Na₂CO₃, NaHCO₃ | Соль, CO₂ и H₂O | Выделение газа; учитываются две группы –COOH |
| Этерификация спиртами | Спирт, обычно H₂SO₄, нагревание | Сложный эфир и H₂O | Замещение одной или обеих групп –OH |
| Разложение при нагревании | Нагревание | Зависит от строения кислоты | Малоновая кислота декарбоксилируется, щавелевая распадается |
Сначала определите, сколько карбоксильных групп участвует в реакции, а затем подберите коэффициенты. В строках о солях проверяйте, остался ли кислотный водород. Для реакций нагревания нельзя переносить продукт одного представителя на все двухосновные кислоты.
Условие: записать уравнение полной нейтрализации HOOC–COOH гидроксидом натрия и назвать соль. Полная нейтрализация означает замещение обоих кислотных водородов катионами Na⁺. Поэтому на одну молекулу кислоты потребуется две молекулы NaOH.
Ответ: образуется средняя соль — оксалат натрия, Na₂C₂O₄.
Условие: определить количество CO₂, которое выделится из заданного количества малоновой кислоты. Уравнение реакции: HOOC–CH₂–COOH → CH₃COOH + CO₂. Из него видно, что 1 моль кислоты даёт 1 моль углекислого газа.
Ответ: количество CO₂ численно равно количеству малоновой кислоты в молях; дальнейшая величина зависит от указанного в условии способа расчёта.
Условие: по количествам двухосновной кислоты и NaOH определить соль. Сначала сравниваем отношение n(NaOH) к n(кислоты), потому что одна молекула кислоты имеет два замещаемых водорода. Один эквивалент щёлочи даёт кислую соль, два — среднюю.
Ответ: одно молярное соотношение основания к кислоте соответствует кислой соли, двукратное — средней.
Ошибка: считать кислоту полностью нейтрализованной после добавления одного эквивалента щёлочи. Так допускают ошибку, перенося правило для одноосновной кислоты на молекулу с двумя группами –COOH. Проверьте число карбоксильных групп: при отношении NaOH:кислота = 1:1 обычно образуется кислая соль.
Ошибка: путать кислую и среднюю соль. Кислая соль сохраняет кислотный водород, а в средней оба водорода замещены металлом. Для проверки посчитайте атомы H в кислотной части формулы.
Ошибка: записывать одинаковые продукты нагревания для всех кислот. Причина — игнорирование строения углеводородного фрагмента. Сверяйте конкретную формулу: малоновая кислота даёт уксусную кислоту и CO₂, а щавелевая — CO₂, CO и H₂O.
Ошибка: забывать выделение CO₂ в реакции с карбонатом. Иногда ученик учитывает только образование соли и воды, хотя угольная кислота распадается. Составьте уравнение полностью и проверьте баланс углерода и водорода.
Для понимания темы нужны строение карбоксильной группы и реакции одноосновных карбоновых кислот: нейтрализация, взаимодействие с металлами и карбонатами. Эти знания помогают объяснить свойства двух групп –COOH.
Тема связана со сложными эфирами и солями карбоновых кислот, а также с получением органических веществ. Ступенчатая диссоциация подготавливает к изучению кислотно-основных равновесий и сравнительной силы кислот.
Почему двухосновная кислота может образовать два типа солей?
В её молекуле находятся две карбоксильные группы, каждая содержит кислотный атом водорода. Поэтому может замещаться один водород — образуется кислая соль, или оба — средняя соль.
Чем кислая соль отличается от средней?
В кислой соли один кислотный водород сохраняется, например NaHOOC–COOH. В средней соли оба водорода замещены катионами металла: NaOOC–COONa.
Сколько гидроксида натрия нужно для полной нейтрализации одной молекулы такой кислоты?
Нужны две формульные единицы NaOH. Каждая нейтрализует одну карбоксильную группу, поэтому образуются средняя соль и две молекулы воды.
Почему при реакции с карбонатами выделяется углекислый газ?
Кислота реагирует с карбонат-ионом, а сначала образующаяся угольная кислота неустойчива. Она распадается на воду и CO₂, поэтому наблюдаются выделение газа и шипение.
Какие особенности проявляются при нагревании малоновой и щавелевой кислот?
Малоновая кислота отщепляет CO₂ и превращается в уксусную кислоту. Щавелевая кислота разлагается с образованием углекислого газа, угарного газа и воды.
15.5. Химические свойства: особенности предельных двухосновных кислот
