22.5. Химические свойства

Определения и обозначения

Карбоксильная группа — функциональная группа –COOH, в которой карбонильная часть C=O соединена с гидроксильной частью –OH. Их взаимное влияние делает связь O–H полярной и определяет кислотные свойства вещества. Поэтому по группе –COOH распознают карбоновые кислоты и предсказывают их основные реакции.

Карбоксилат-ион — анион R–COO⁻, образующийся после отщепления протона от карбоксильной группы. Отрицательный заряд распределяется между двумя атомами кислорода, поэтому ион устойчивее, чем частица с зарядом только на одном кислороде. Его образование объясняет, почему диссоциация карбоновых кислот возможна.

Диссоциация карбоновых кислот — обратимое образование карбоксилат-иона и иона водорода в воде. Общее уравнение: R–COOH ⇄ R–COO⁻ + H⁺. Знак обратимости показывает, что одновременно существуют и молекулы кислоты, и образовавшиеся ионы.

Этерификация — обратимая реакция карбоновой кислоты со спиртом. В результате образуются сложный эфир и вода: R–COOH + R′–OH ⇄ R–COOR′ + H₂O. Эта реакция нужна для получения эфиров, многие из которых имеют характерный запах и используются в промышленности.

Как это устроено

Карбоксильная группа объединяет полярные фрагменты C=O и O–H. Карбонильный кислород притягивает электронную плотность, поэтому связь O–H становится более полярной и протон легче отделяется в виде H⁺. После отщепления возникает карбоксилат-ион, в котором заряд распределяется между двумя кислородами, что повышает его устойчивость.

Карбоновые кислоты называют слабыми электролитами, потому что в воде диссоциирует лишь часть их молекул. Устанавливается равновесие между недиссоциированными молекулами и ионами, а не полное превращение всех молекул в частицы с зарядом. Поэтому их кислотные свойства обычно слабее, чем у сильных минеральных кислот, например соляной или азотной.

С активными металлами карбоновые кислоты реагируют по общей закономерности кислот: металл вытесняет водород из карбоксильной группы. Образуются соль — карбоксилат металла — и водород H₂. С основаниями происходит нейтрализация, поэтому продуктами становятся соль и вода: R–COOH + NaOH → R–COONa + H₂O.

Основные оксиды тоже нейтрализуют карбоновые кислоты. Ион металла из оксида соединяется с карбоксилат-ионами, а кислород оксида и протон кислоты образуют воду. Например, 2CH₃COOH + MgO → (CH₃COO)₂Mg + H₂O.

Карбонаты и гидрокарбонаты взаимодействуют с кислотами с выделением CO₂. Сначала образуется угольная кислота, но она неустойчива и распадается на воду и углекислый газ. Поэтому появление пузырьков газа позволяет обнаружить карбоновую кислоту: 2CH₃COOH + Na₂CO₃ → 2CH₃COONa + H₂O + CO₂.

Этерификация протекает при нагревании в присутствии кислотного катализатора, часто концентрированной серной кислоты. Катализатор ускоряет достижение равновесия, но не расходуется и не меняет его положения сам по себе. Избыток спирта или кислоты, а также удаление воды смещают равновесие к сложному эфиру.

Химические свойства карбоновых кислот

Таблица помогает установить связь между реагентом, типом превращения и наблюдаемым признаком. Сначала определите, с каким классом веществ реагирует кислота, затем подберите общую схему и проверьте состав продуктов. В уравнениях для многоосновных по составу солей учитывайте число карбоксильных групп и заряд катиона.

Разбор задач

Взаимодействие этановой кислоты с магнием

Условие. Запишите уравнение взаимодействия этановой кислоты с магнием и расставьте коэффициенты. Нужно определить продукты реакции кислоты с активным металлом. Магний двухвалентен, поэтому для образования его соли потребуются два остатка этановой кислоты.

1. Записываем формулы реагентов: CH₃COOH и Mg.
2. По общей схеме кислота + металл → соль + H₂ получаем (CH₃COO)₂Mg и H₂.
3. Ставим коэффициент 2 перед кислотой, чтобы образовались два ацетат-иона и одна молекула водорода.

Ответ: 2CH₃COOH + Mg → (CH₃COO)₂Mg + H₂↑. Коэффициенты равны 2, 1, 1, 1.

Нейтрализация пропановой кислоты

Условие. Составьте уравнение реакции пропановой кислоты с гидроксидом натрия и назовите органический продукт. Это реакция кислоты с основанием, поэтому ожидаются соль и вода. В соли атом водорода карбоксильной группы заменяется на катион натрия.

1. Записываем формулы: CH₃CH₂COOH и NaOH.
2. Заменяем H в группе –COOH на Na и получаем CH₃CH₂COONa.
3. Добавляем воду и проверяем число атомов в обеих частях уравнения.

Ответ: CH₃CH₂COOH + NaOH → CH₃CH₂COONa + H₂O. Органический продукт — пропионат натрия, или пропаноат натрия.

Этерификация этановой кислоты этанолом

Условие. Запишите уравнение этерификации этановой кислоты этанолом, укажите условия и назовите эфир. Реакция кислоты со спиртом приводит к замене гидроксильной группы кислоты на остаток спирта. Поскольку процесс обратим, в уравнении используют знак равновесия.

1. Записываем реагенты: CH₃COOH и C₂H₅OH.
2. Соединяем ацильную часть кислоты с этильной группой и получаем CH₃COOC₂H₅.
3. Вторым продуктом ставим H₂O, а над стрелкой указываем концентрированную H₂SO₄ и нагревание.

Ответ: CH₃COOH + C₂H₅OH ⇄ CH₃COOC₂H₅ + H₂O, H₂SO₄, t. Сложный эфир называется этилэтаноат, или этилацетат.

Типичные ошибки

Считать карбоновые кислоты сильными электролитами — ошибка: большинство из них диссоциирует в воде лишь частично. Её допускают, потому что кислоты в целом связывают с высокой концентрацией H⁺. Проверка: в уравнении диссоциации слабой кислоты ставьте знак ⇄, а не знак полного превращения.

Приписывать кислотные свойства только атому водорода в –OH недостаточно. Кислотность возникает из-за взаимного влияния C=O и O–H и устойчивости карбоксилат-иона. Проверяйте объяснение, указав обе части карбоксильной группы и распределение заряда после отщепления H⁺.

При реакции кислоты с карбонатом нельзя записывать только соль и воду. Неустойчивая угольная кислота распадается, поэтому дополнительно выделяется CO₂. Самопроверка проста: если среди реагентов есть CO₃²⁻ или HCO₃⁻, в продуктах должны быть вода и углекислый газ.

Этерификацию ошибочно считают необратимой и забывают условия. На самом деле устанавливается равновесие, а реакцию обычно проводят при нагревании и кислотном катализаторе. Проверьте запись: должен быть знак ⇄, сложный эфир, вода и указание катализатора.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны строение карбоксильной группы, электролитическая диссоциация, а также понятия кислот, оснований и солей. Эти знания позволяют объяснить образование ионов и предсказать продукты реакций.

Тема опирается на свойства спиртов, поскольку спирт участвует в этерификации. Позже эти закономерности пригодятся при изучении сложных эфиров, жиров и превращений органических веществ.

Что запомнить

• Карбоновые кислоты содержат карбоксильную группу –COOH.
• В водном растворе карбоновые кислоты диссоциируют обратимо и неполно.
• С активными металлами кислоты образуют соли и водород.
• При нейтрализации образуются соль и вода.
• При взаимодействии с карбонатами выделяется углекислый газ.
• Этерификация кислоты спиртом — обратимая реакция с образованием сложного эфира и воды.