"Химия (углублённый уровень)", Пузаков С.А., Машнина Н.В., Попков В.А.
Карбоновые кислоты — органические вещества с одной или несколькими карбоксильными группами −COOH. Они проявляют кислотные свойства, реагируют с металлами, основаниями, основными оксидами и карбонатами. Важнейшие представители — муравьиная, уксусная и бензойная кислоты. Нужно уметь определять их строение и название, объяснять зависимость физических свойств от состава, записывать реакции получения, этерификации и декарбоксилирования.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Карбоновые кислоты — органические соединения, содержащие одну или несколько карбоксильных групп и проявляющие кислотные свойства. Их удобно обозначать формулой R−COOH, где R — углеводородный радикал. Такое обозначение помогает сразу увидеть кислотную группу и остальную часть молекулы.
Карбоксильная группа — функциональная группа −COOH, объединяющая карбонильную −C(=O)− и гидроксильную −OH группы. Эти части не рассматривают как полностью независимые: их взаимное влияние определяет свойства всей группы. Именно карбоксильная группа отличает карбоновые кислоты от спиртов и альдегидов.
Одноосновные и многоосновные карбоновые кислоты содержат соответственно одну или несколько карбоксильных групп. Например, CH₃COOH — одноосновная кислота, а HOOC−COOH — многоосновная. Число групп −COOH показывает, сколько ионов водорода молекула потенциально может отщепить.
Этерификация — обратимая реакция карбоновой кислоты со спиртом с образованием сложного эфира и воды: RCOOH + R′OH ⇄ RCOOR′ + H₂O. Сложный эфир обычно имеет характерный запах и не проявляет свойств исходной кислоты. Понятие этерификации необходимо для понимания получения эфиров, жиров и ароматизаторов.
В карбоксильной группе атом углерода связан с кислородом двойной связью и с гидроксильной группой. Электроны в этой системе распределены неравномерно, поэтому связь O−H становится полярной, а водород может отщепляться в виде H⁺. Если в молекуле одна группа −COOH, кислота одноосновная; наличие нескольких таких групп определяет многоосновность. Для предельных одноосновных кислот формула CₙH₂ₙO₂, а названия образуют от названия соответствующего алкана с добавлением окончания «-овая кислота»: CH₃CH₂COOH — пропановая кислота.
Карбоновые кислоты получают окислением первичных спиртов и альдегидов, потому что углерод функциональной группы в этих соединениях уже способен перейти в более окисленное состояние. Схемы превращений имеют вид RCH₂OH + 2[O] → RCOOH + H₂O и RCHO + [O] → RCOOH. Последовательное изменение строения радикала образует гомологический ряд предельных одноосновных кислот: HCOOH, CH₃COOH, C₂H₅COOH и далее. Соседние вещества этого ряда отличаются на группу −CH₂−.
Молекулы карбоновых кислот соединяются водородными связями между водородом группы O−H и атомом кислорода соседней молекулы. Часто образуются устойчивые пары — димеры, поэтому на разрыв межмолекулярных взаимодействий требуется много энергии и температуры кипения оказываются сравнительно высокими. Низшие кислоты хорошо смешиваются с водой, поскольку карбоксильная группа образует с водой водородные связи. По мере удлинения углеводородного радикала неполярная часть возрастает, и растворимость обычно уменьшается.
Карбоновые кислоты диссоциируют слабее большинства минеральных кислот, поскольку образующийся карбоксилат-ион частично стабилизирован распределением заряда между атомами кислорода, но равновесие всё же не полностью смещено вправо. Поэтому в воде это слабые электролиты, хотя они сильнее спиртов и воды. Электроноакцепторные заместители, например галогены, оттягивают электронную плотность и усиливают кислотность. Алкильные группы, напротив, подталкивают электронную плотность к карбоксильной группе и ослабляют её кислотные свойства.
Кислоты реагируют с активными металлами с выделением водорода: 2RCOOH + 2Na → 2RCOONa + H₂. С основными оксидами и основаниями они дают соль и воду, а с карбонатами — соль, воду и углекислый газ: 2RCOOH + Na₂CO₃ → 2RCOONa + H₂O + CO₂. При этерификации образуется сложный эфир, а при нагревании солей некоторых кислот с содовой известью происходит декарбоксилирование — отщепление CO₂ с образованием углеводорода.
В таблице сначала определите тип кислоты по строению углеводородной части и числу групп −COOH, затем сравните физические и химические свойства. Формулы и примеры помогают связать классификацию с номенклатурой. Дополнительная реакция указана как характерный способ распознавания или превращения данного класса.
| Признак | Предельные одноосновные | Непредельные одноосновные | Ароматические одноосновные | Многоосновные |
|---|---|---|---|---|
| Общая характеристика и пример | Насыщенный радикал; CH₃COOH | Есть C=C; CH₂=CHCOOH | −COOH связана с ареном; C₆H₅COOH | Несколько −COOH; HOOC−COOH |
| Общая формула или тип строения | CₙH₂ₙO₂ | Содержат двойную связь | Арильный радикал и −COOH | R(−COOH)ₘ, m ≥ 2 |
| Растворимость и физические свойства | Низшие растворимы; температуры кипения высокие | Зависит от длины цепи; возможны реакции по C=C | Обычно хуже растворимы в воде; часто кристаллические | Хорошая полярность; многие растворимы в воде |
| Отношение к кислотно-основным реакциям | Слабые кислоты; образуют соли | Реагируют как кислоты; сохраняют свойства C=C | Слабые кислоты; образуют бензоаты и другие соли | Могут ступенчато отдавать несколько H⁺ |
| Характерная дополнительная реакция | Этерификация, декарбоксилирование солей | Присоединение по двойной связи | Замещение в ароматическом ядре | Образование кислых и средних солей |
| Применение | Пищевые консерванты, растворители, синтез | Получение полимеров и смол | Консерванты, лекарства, красители | Производство полимеров и комплексонов |
Условие: назовите CH₃CH₂COOH, определите его класс и запишите молекулярную формулу. Сначала выделяем фрагмент −COOH, значит, перед нами карбоновая кислота. Затем считаем все атомы в углеродной цепи, включая углерод карбоксильной группы.
Ответ: CH₃CH₂COOH — пропановая кислота, предельная одноосновная карбоновая кислота; молекулярная формула C₃H₆O₂.
Условие: определить объём CO₂ при взаимодействии 12,0 г CH₃COOH с избытком NaHCO₃. Избыток гидрокарбоната означает, что ограничивающим реагентом является кислота. Записываем реакцию: CH₃COOH + NaHCO₃ → CH₃COONa + H₂O + CO₂.
Ответ: объём углекислого газа равен 4,48 л при нормальных условиях.
Условие: из 18,0 г уксусной кислоты и избытка этанола получают эфир с выходом 80%. Уравнение: CH₃COOH + C₂H₅OH ⇄ CH₃COOC₂H₅ + H₂O. Поскольку спирт в избытке, расчёт ведём по количеству кислоты.
Ответ: масса полученного этилацетата составляет примерно 21,1 г.
Карбоксильную группу иногда считают сочетанием двух независимых функциональных групп и переносят на неё свойства карбонильных соединений и спиртов по отдельности. Ошибка возникает потому, что в записи −COOH действительно видны C=O и OH, но их электронное взаимодействие меняет свойства группы. Проверяйте себя: кислотность и реакции нужно объяснять для единого фрагмента −COOH.
Коэффициент диссоциации карбоновой кислоты принимают равным единице, как у сильного электролита. На самом деле устанавливается равновесие RCOOH ⇄ RCOO⁻ + H⁺, поэтому большая часть молекул остаётся недиссоциированной. Проверка проста: знак ⇄ и слова «слабый электролит» указывают на неполную диссоциацию.
В реакции с карбонатом иногда записывают выделение водорода или забывают газообразный продукт. Кислота вытесняет нестойкую угольную кислоту, которая распадается на H₂O и CO₂. Проверьте продукты по схеме: соль, вода и углекислый газ.
Этерификацию ошибочно считают реакцией, идущей до конца. Она обратима, поскольку эфир и вода могут снова образовать кислоту и спирт, поэтому фактический выход ограничен равновесием и условиями. В уравнении ставьте знак ⇄, а в задаче с указанным выходом умножайте теоретическую массу на долю выхода.
Для понимания темы нужны строение органических веществ, функциональные группы, номенклатура, типы реакций и электролитическая диссоциация. Карбоновые кислоты логично связаны со спиртами и альдегидами через окисление, а со сложными эфирами и жирами — через этерификацию. Их свойства используются при изучении биомолекул, органического синтеза, пищевых кислот, мыл и полимерных материалов.
Почему карбоновые кислоты считают слабыми кислотами?
В водном растворе они диссоциируют лишь частично: RCOOH ⇄ RCOO⁻ + H⁺. Равновесие смещено в сторону исходных молекул, поэтому концентрация ионов водорода меньше, чем у сильных минеральных кислот.
Чем карбоновая кислота отличается от спирта с таким же числом атомов углерода?
У карбоновой кислоты функциональная группа −COOH, а у спирта — −OH, связанная с углеводородным радикалом. Кислоты заметно сильнее спиртов, реагируют с карбонатами и образуют соли.
Почему уксусная кислота реагирует с карбонатами с выделением газа?
Кислота вытесняет угольную кислоту из карбоната. Угольная кислота неустойчива и распадается на воду и углекислый газ, поэтому наблюдается выделение пузырьков CO₂.
Как определить, является ли кислота одноосновной или многоосновной?
Нужно посчитать карбоксильные группы −COOH в молекуле. Одна такая группа означает одноосновную кислоту, две и более — многоосновную.
Почему реакция этерификации считается обратимой?
Кислота и спирт образуют сложный эфир и воду, но эти продукты способны реагировать друг с другом с образованием исходных веществ. Поэтому устанавливается химическое равновесие, а выход эфира обычно меньше теоретического.
§ 15. Карбоновые кислоты
