"Химия (углублённый уровень)", Пузаков С.А., Машнина Н.В., Попков В.А.
Карбоновые кислоты содержат карбоксильную группу −СООН, которая определяет их кислотные свойства и способность образовывать соли. Они реагируют с активными металлами, основаниями, основными оксидами и карбонатами, а со спиртами образуют сложные эфиры. Многие кислоты в воде диссоциируют лишь частично, поэтому являются слабыми электролитами. Сила кислоты зависит не только от карбоксильной группы, но и от строения углеводородного радикала.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Карбоксильная группа — функциональная группа −СООН, определяющая основные химические свойства карбоновых кислот. В ней связаны карбонильная группа C=O и гидроксильная группа −OH. Их взаимное влияние делает связь O−H достаточно полярной, чтобы кислота могла отдавать протон. Карбоксильную группу часто обозначают как −COOH, а углеводородную часть молекулы — буквой R.
Кислотная диссоциация — обратимый распад молекул карбоновой кислоты в воде с образованием ионов водорода и карбоксилат-ионов. Его записывают уравнением R−COOH ⇄ R−COO⁻ + H⁺. Стрелка в обе стороны показывает, что ионы могут вновь соединяться в молекулы. Это обозначение помогает отличать слабую карбоновую кислоту от вещества, которое полностью распадается на ионы.
Этерификация — взаимодействие карбоновой кислоты со спиртом с образованием сложного эфира и воды. Например, этановая кислота и этанол дают этил этаноат и H₂O. Эта реакция нужна для получения сложных эфиров, многие из которых встречаются в природе и используются в промышленности. Две встречные стрелки в уравнении показывают, что процесс обратим.
Декарбоксилирование — отщепление углекислого газа от карбоновой кислоты или её соли. При нагревании соли с натронной известью органическая цепь теряет углерод карбоксильной группы. Это превращение позволяет получить углеводород с более короткой цепью. Термин помогает сразу понять, почему в продукте становится на один атом углерода меньше.
В карбоксильной группе электронная плотность распределена неравномерно: кислород сильнее притягивает электроны, чем водород. Поэтому связь O−H полярна, а водород может отделяться в виде H⁺; оставшаяся часть молекулы превращается в карбоксилат-ион. Однако этот ион и протон могут соединиться обратно, так что равновесие обычно смещено к молекулам кислоты. По этой причине карбоновые кислоты чаще всего слабее сильных неорганических кислот.
Карбоновая кислота проявляет обычные кислотные свойства в реакциях с разными классами веществ. С активным металлом атом водорода карбоксильной группы замещается металлом, а два таких атома водорода образуют молекулу H₂. Основание или основной оксид нейтрализует кислоту: катион металла соединяется с карбоксилат-ионом, а водород и гидроксид-ион дают воду. Карбонаты и гидрокарбонаты дополнительно выделяют CO₂, который образуется при распаде промежуточной угольной кислоты.
При этерификации гидроксильная часть карбоксильной группы и водород спирта дают воду, а остатки кислоты и спирта соединяются в сложный эфир. Реакция обратима: вода и эфир могут взаимодействовать с образованием исходных веществ. Нагревание ускоряет установление равновесия, но само по себе не устраняет обратную реакцию. Если удалять воду или один из продуктов, равновесие смещается в сторону образования эфира, и его выход увеличивается.
Соли карбоновых кислот при нагревании с натронной известью, то есть смесью NaOH и CaO, подвергаются декарбоксилированию. Карбоксильная часть уходит в составе карбоната натрия, а оставшаяся углеродная цепь получает атом водорода. Например, из соли кислоты с тремя атомами углерода получается алкан с двумя атомами углерода. Углерод карбоксильной группы не входит в новый углеводород, поэтому цепь сокращается на один атом.
Заместители в углеводородном радикале меняют распределение электронной плотности в молекуле и влияют на прочность связи O−H. Электроноакцепторные группы, например атомы галогенов, обычно оттягивают электронную плотность и облегчают образование карбоксилат-иона, усиливая кислотность. Алкильные группы, напротив, обычно смещают электронную плотность к карбоксильной группе и ослабляют кислотные свойства. Положение заместителя тоже имеет значение: чем ближе он к группе −COOH, тем заметнее его влияние.
В таблице собраны типичные превращения карбоновых кислот и их солей. Сначала определите реагент и условия, затем выберите соответствующий тип реакции и проверьте, какие продукты должны образоваться. Признак реакции помогает сопоставить уравнение с наблюдением в опыте.
| Тип реакции | Общее уравнение | Реагенты и условия | Продукты | Признак реакции |
|---|---|---|---|---|
| Диссоциация в воде | R−COOH ⇄ R−COO⁻ + H⁺ | Водный раствор | Карбоксилат-ион и ион водорода | Раствор проводит ток; диссоциация частичная |
| Взаимодействие с активными металлами | 2R−COOH + 2Na → 2R−COONa + H₂↑ | Активный металл | Соль и водород | Выделяются пузырьки газа |
| Взаимодействие с основаниями и основными оксидами | R−COOH + NaOH → R−COONa + H₂O | Основание или основной оксид | Соль и вода | Нейтрализация; газа обычно нет |
| Взаимодействие с карбонатами и гидрокарбонатами | 2R−COOH + Na₂CO₃ → 2R−COONa + H₂O + CO₂↑ | Карбонат или гидрокарбонат | Соль, вода и углекислый газ | Выделяются пузырьки CO₂ |
| Этерификация со спиртами | R−COOH + R′−OH ⇄ R−COOR′ + H₂O | Нагревание, обычно концентрированная H₂SO₄ | Сложный эфир и вода | Может появиться характерный запах эфира |
| Декарбоксилирование солей | R−COONa + NaOH → R−H + Na₂CO₃ | Нагревание с натронной известью | Углеводород с цепью на один атом углерода короче | Образуется газообразный или летучий углеводород |
| Замещение в углеводородном радикале | R−CH₂−COOH + Cl₂ → R−CHCl−COOH + HCl | Хлор, обычно красный фосфор | Галогензамещённая кислота и HCl | Замещается водород у соседнего с −COOH атома углерода |
Задача 1. Составьте уравнения реакций этановой кислоты с натрием, гидроксидом натрия и карбонатом натрия. Во всех случаях карбоксильная группа отдаёт водород, а остаток кислоты входит в состав соли. По реагенту нужно определить, выделится ли газ и какой именно. Проверяйте коэффициенты и число атомов каждого элемента.
Ответ: уравнения приведены в пунктах решения. В реакции с металлом выделяется H₂, с карбонатом — CO₂, а при нейтрализации основанием образуется вода без газообразного продукта. Такие различия помогают проверить, правильно ли выбраны продукты.
Задача 2. Получите этил этаноат из этановой кислоты и этанола и укажите условия. Название эфира подсказывает, что его спиртовой остаток — этил, а кислотный — этаноат. Запишите кислоту и спирт, соедините их остатки и не забудьте побочный продукт. Поскольку реакция обратима, условия должны способствовать образованию эфира.
Ответ: этил этаноат CH₃COOC₂H₅ получают нагреванием этановой кислоты с этанолом в присутствии концентрированной H₂SO₄. Продуктами являются сложный эфир и вода, а обратимость реакции нужно обозначать двумя встречными стрелками. Чем эффективнее удаляется вода, тем выше выход эфира.
Задача 3. Определите органический продукт декарбоксилирования пропаноата натрия при нагревании с натронной известью и запишите уравнение. Сначала определите число атомов углерода в исходной кислоте: в пропаноате их три. При декарбоксилировании один из них уходит в карбонат, поэтому в органическом продукте останутся два атома углерода. Затем подберите формулу соответствующего алкана.
Ответ: органический продукт — этан. В уравнении число атомов углерода сохраняется: три атома исходной соли распределяются между этаном и карбонатом натрия. Проверка баланса подтверждает, что цепь углеводорода стала короче на один атом углерода.
Карбоновые кислоты иногда считают полностью диссоциирующими в воде. Так ошибаются, перенося свойства сильных неорганических кислот на все вещества с кислотной группой. Проверьте себя: для слабой кислоты записывайте обратимую стрелку и помните, что в растворе сохраняется значительная доля молекул.
Реакции кислоты с металлом и основанием могут путать, потому что обе дают соль. Но металл вытесняет водород из кислоты, а при нейтрализации основания образуется вода. Проверьте продукты по реагенту: активный металл означает H₂, гидроксид — H₂O; выделение газа при нейтрализации щёлочью обычно не записывают.
При этерификации иногда забывают воду или изображают процесс необратимым. Причина — внимание только к названию целевого продукта и игнорирование того, что соединяется с остатком спирта. Проверьте сохранение атомов в уравнении: вода обязательно входит в продукты, а две встречные стрелки отражают обратимость реакции.
При декарбоксилировании в органическом продукте оставляют прежнее число атомов углерода. Это происходит, если не учитывать, что карбоксильная группа отщепляется в составе CO₂ или карбоната. Пересчитайте атомы: один углерод должен оказаться в неорганическом продукте, а углеводородная цепь — стать короче на один атом.
Для понимания реакций карбоновых кислот нужны знания о строении карбоксильной группы, электролитической диссоциации, кислотах, основаниях и солях. Этерификация связывает эту тему со сложными эфирами, жирами и мылом: свойства функциональных групп помогают объяснять строение и превращения этих веществ. Уравнения реакций пригодятся при составлении генетических цепочек и решении расчётных задач. В таких задачах важно учитывать соотношение веществ по коэффициентам уравнения.
Почему карбоновые кислоты считаются слабыми электролитами?
В воде большинство карбоновых кислот распадается на ионы лишь частично: устанавливается равновесие между молекулами и ионами. Поэтому раствор проводит электрический ток слабее, чем раствор сильной кислоты той же концентрации.
Чем реакция кислоты с карбонатом отличается от реакции с металлом?
При взаимодействии с активным металлом образуются соль и водород. Карбонат реагирует с кислотой с образованием соли, воды и углекислого газа, поэтому наблюдаются пузырьки газа.
Почему при этерификации образуется именно вода?
При реакции кислоты со спиртом от карбоксильной группы кислоты и гидроксильной части спирта образуются сложный эфир и вода. В суммарном уравнении это записывают так: кислота + спирт ⇄ сложный эфир + H₂O.
Как определить продукт декарбоксилирования соли?
В формуле соли уберите карбоксильную группу −СООNa, а освободившийся участок углеродной цепи замените атомом водорода. Полученный углеводород содержит на один атом углерода меньше, чем исходная кислота.
Как углеводородный радикал влияет на кислотность карбоновой кислоты?
Заместители могут смещать электронную плотность в карбоксильной группе и тем самым изменять устойчивость образующихся ионов. Электроноакцепторные заместители, например атомы галогенов, обычно усиливают кислотные свойства, а алкильные группы обычно ослабляют их.
20.4. Химические свойства
