16.3. Химические свойства

Определения и обозначения

Карбоксильная группа — функциональная группа –COOH, в которой атом углерода связан с атомом кислорода двойной связью C=O и с гидроксильной группой O–H. Она входит в состав карбоновых кислот и определяет их основные химические свойства. Именно её строение объясняет кислотность, образование солей и реакцию со спиртами.

Диссоциация карбоновой кислоты — обратимое образование ионов H⁺ и карбоксилат-ионов в воде: R–COOH ⇄ R–COO⁻ + H⁺. В отличие от сильных кислот, например соляной, карбоновые кислоты обычно распадаются на ионы не полностью. Поэтому в растворе сохраняются и молекулы кислоты, и продукты диссоциации.

Этерификация — взаимодействие карбоновой кислоты со спиртом, при котором образуются сложный эфир и вода. Обобщённо реакцию записывают так: R–COOH + R′–OH ⇄ R–COO–R′ + H₂O. Это понятие нужно, чтобы распознавать способ получения эфиров и понимать его обратимость.

Карбоксилат — анион R–COO⁻, образующийся после отщепления протона от карбоксильной группы. При соединении карбоксилата с катионом металла получается соль карбоновой кислоты, например CH₃COONa. Значит, карбоксилат является кислотным остатком такой соли.

Как это устроено

Связь O–H в карбоксильной группе полярна: кислород сильнее притягивает общую электронную пару, чем водород. Поэтому водород легче отделяется в виде протона H⁺, а на кислороде остаётся отрицательный заряд. Группа C=O дополнительно оттягивает электронную плотность от O–H, поэтому карбоновые кислоты проявляют кислотные свойства заметнее, чем спирты.

В воде молекулы кислоты взаимодействуют с полярными молекулами воды, и часть из них распадается на ионы. Процесс обратим, потому что ионы могут снова соединяться в молекулы кислоты: R–COOH ⇄ R–COO⁻ + H⁺. Степень диссоциации зависит от строения вещества и определяет концентрацию ионов H⁺, а значит, кислотность раствора.

С активным металлом кислота вступает в реакцию замещения: атомы металла вытесняют водород из карбоксильных групп. В результате образуются соль и молекулярный водород, например 2R–COOH + 2Na → 2R–COONa + H₂↑. Реакция возможна, если металл достаточно активен и расположен в ряду активности до водорода.

Основания и основные оксиды связывают кислотную часть вещества. Ионы H⁺ соединяются с гидроксид-ионами в воду, а карбоксилат объединяется с катионом металла, поэтому образуются соль и вода. Например, R–COOH + NaOH → R–COONa + H₂O, а с основным оксидом реакция также приводит к соли и воде.

Карбонаты и гидрокарбонаты содержат частицы, из которых в кислой среде образуется нестойкая угольная кислота. Она распадается на воду и углекислый газ, поэтому кроме соли и воды наблюдается выделение CO₂: 2R–COOH + Na₂CO₃ → 2R–COONa + H₂O + CO₂↑. Пузырьки газа являются удобным внешним признаком реакции.

При нагревании кислоты со спиртом кислотный катализатор ускоряет установление равновесия, но не расходуется в суммарном уравнении. Реакция идёт в обе стороны, поскольку эфир и вода способны образовывать исходные вещества. Удаление воды или использование её связывающего вещества смещает равновесие к образованию эфира.

Химические свойства карбоновых кислот

Сначала определите тип реагента во второй колонке, затем найдите соответствующий состав продуктов. Условия и признаки помогают проверить результат: газ должен иметь формулу H₂ или CO₂, а этерификация обозначается обратимой стрелкой. Для уравнивания атомов удобно сначала составить формулы соли или эфира, а затем расставить коэффициенты.

Разбор задач

Задача 1

Запишите уравнение реакции уксусной кислоты с натрием и укажите, какой газ выделяется. Нужно определить тип реакции и учесть, что натрий вытесняет водород из карбоксильной группы.

1. Записываем формулы реагентов: CH₃COOH и Na.
2. Кислотный остаток CH₃COO⁻ соединяется с натрием, поэтому образуется CH₃COONa.
3. Для двух атомов натрия нужны две молекулы кислоты; оставшиеся атомы водорода образуют H₂.

Ответ: 2CH₃COOH + 2Na → 2CH₃COONa + H₂↑. Выделяется водород.

Задача 2

Составьте уравнение реакции пропионовой кислоты с гидроксидом натрия и назовите соль. Это реакция нейтрализации кислоты щёлочью, поэтому среди продуктов должны быть соль и вода.

1. Формула пропионовой кислоты — CH₃CH₂COOH, а щёлочи — NaOH.
2. Водород карбоксильной группы соединяется с гидроксид-ионом и образует H₂O.
3. Остаток CH₃CH₂COO⁻ присоединяет Na⁺, поэтому получается CH₃CH₂COONa.

Ответ: CH₃CH₂COOH + NaOH → CH₃CH₂COONa + H₂O. Соль называется пропионат натрия.

Задача 3

Запишите уравнение этерификации уксусной кислоты этанолом, назовите продукт и укажите условия. При составлении уравнения соединяем ацильную часть кислоты с углеводородным остатком спирта.

1. Реагенты имеют формулы CH₃COOH и C₂H₅OH.
2. Из них образуются CH₃COOC₂H₅ и H₂O, поэтому стрелка должна быть обратимой.
3. Указываем нагревание и катализатор — концентрированную серную кислоту.

Ответ: CH₃COOH + C₂H₅OH ⇄ CH₃COOC₂H₅ + H₂O, H₂SO₄, t. Продукт — этиловый эфир уксусной кислоты, или этилацетат.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что все карбоновые кислоты полностью диссоциируют, как сильные кислоты. Так происходит из-за привычки записывать для кислот только ионы, но большинство карбоновых кислот — слабые электролиты. Проверка: используйте обратимую стрелку и оставляйте в растворе молекулы R–COOH.

Ошибка: записывать при реакции с металлом выделение кислорода. Участвует реакция замещения, поэтому атомы металла вытесняют водород из кислоты и образуют H₂. Проверка: найдите водород в левой части и убедитесь, что справа стоит H₂.

Ошибка: забывать CO₂ и воду при взаимодействии с карбонатом или нарушать коэффициенты. Причина — смешение этой реакции с обычной нейтрализацией кислоты щёлочью. Проверка: среди продуктов должны быть соль, вода и углекислый газ, а число атомов каждого элемента должно совпадать.

Ошибка: записывать этерификацию как необратимую и не указывать воду. Эфир и вода способны снова дать кислоту и спирт, поэтому устанавливается равновесие. Проверка: поставьте знак ⇄, добавьте H₂O и укажите кислотный катализатор.

Связь с другими темами

Перед изучением химических свойств нужны знания о строении карбоксильной группы, кислотах, основаниях и правилах составления уравнений реакций. Они помогают понять, почему одни частицы отдают протон, а другие связывают его. Ряд активности металлов нужен для определения возможности реакции с выделением водорода.

Эти свойства подготавливают к изучению сложных эфиров, жиров и других производных карбоновых кислот. Реакция этерификации объясняет получение эфирных соединений, а образование карбоксилатов связывает тему с химией солей. Поэтому карбоновые кислоты занимают промежуточное место между неорганическими кислотами и органическими производными.

Что запомнить

• Карбоксильная группа определяет характерные свойства карбоновых кислот.
• В воде карбоновые кислоты диссоциируют обратимо.
• С активными металлами кислоты образуют соли и выделяют водород.
• При нейтрализации кислоты образуются соль и вода.
• Карбонаты при взаимодействии с кислотами выделяют углекислый газ.
• Этерификация — обратимая реакция кислоты со спиртом с образованием сложного эфира и воды.