Главная >> Химия 10 класс. Базовый уровень. Кузнецова

Глава 7. Альдегиды, кетоны, карбоновые кислоты и сложные эфиры

§ 24. Карбоновые кислоты

Какие одноосно́вные карбоновые кислоты вам известны? Каково их распространение в природе? Наличие каких химических свойств можно ожидать у одноосно́вных карбоновых кислот?
В чём исключительность состава муравьиной кислоты и соответствие общему определению класса карбоновых кислот?

Функциональная группа карбоновых кислот — карбоксильная группа которая является их главным признаком и определяет их химические свойства. Карбоксильная группа может быть рассмотрена как комбинация двух ранее изученных функциональных групп — карбонильной и гидроксильной —ОН.

Органические вещества, молекулы которых содержат одну или несколько карбоксильных групп, соединённых с углеводородным радикалом, называют карбоновыми кислотами.

Карбоновых кислот много, они давно известны человечеству. Однако большая их часть присутствует в различных природных источниках в очень небольших количествах. Поэтому многие из них были изучены относительно недавно, благодаря использованию новых методов, например метода газожидкостной хроматографии. Так, в 70-х гг. XX в. было известно около 170 карбоновых кислот, а в настоящее время — более 300.

Невозможно и не нужно знать все карбоновые кислоты, но, чтобы не затеряться в их многообразии, обратимся к их классификации.

Классификация карбоновых кислот строится по двум признакам: 1) по природе углеводородного радикала; 2) по количеству карбоксильных групп в молекуле кислоты (основности).

Классификация карбоновых кислот

1. По природе углеводородного радикала.

Наиболее простыми и хорошо изученными из кислот являются одноосно́вные предельные насыщенные карбоновые кислоты.

Одноосно́вные насыщенные карбоновые кислоты

Состав, номенклатура и распространение в природе. Общая формула предельных одноосновных карбоновых кислот R—СООН.

По систематической номенклатуре названия этой группы кислот образуются из названий предельных углеводородов с тем же числом углеродных атомов с добавлением суффикса и окончания -овая и слова кислота. Например: метановая кислота, этановая кислота и т. д. (табл. 13).

Однако для первых членов гомологического ряда, который начинает метановая (муравьиная) кислота, более употребляемыми являются их тривиальные (исторические) названия: муравьиная, уксусная, валериановая кислоты и т. д. Эти названия кислот указывают на природные источники, из которых они были впервые выделены. Как правило, это растения или животные.

Благодаря природному происхождению карбоновые кислоты имеют огромное значение в метаболизме всех растительных и животных организмов. Например, валериановая кислота содержится в корне всем известного растения валерианы. Многие кислоты впервые были выделены из продуктов животного происхождения. Так, в козьем молоке от 7 до 14% приходится на кислоты. Названия каприновой С₉Н₁₉СООН и каприловой C₇H₁₅COOH кислот происходят от латинского слова капра, что означает «коза».

Задание. Проанализируйте содержание таблицы 13. Какие закономерности изменения физических свойств вы обнаружили? Сравните плотность и температуру кипения одноосновных карбоновых кислот и сделайте заключение о влиянии радикала на их физические свойства.

Физические свойства карбоновых кислот

В целом в ряду гомологов с увеличением молекулярной массы уменьшается растворимость в воде и плотность, возрастает температура кипения. Первые три члена гомологического ряда — жидкости, имеющие резкий запах, начиная с масляной кислоты хорошо растворимые в воде — также жидкости, обладающие резким неприятным запахом, но плохо растворимые в воде. Высшие кислоты с числом атомов углерода 10 и более — твёрдые вещества, без запаха, нерастворимые в воде.

Лабораторный опыт. Рассмотрите образцы и познакомьтесь с агрегатным состоянием и с запахами выданных вам муравьиной, уксусной и стеариновой кислот. (Вспомните, как правильно определять запах веществ!)

Особенности строения карбоновых кислот

Проблема. Почему соединения с группой —СООН относятся к кислотам? Ваши гипотезы и доказательства.

В карбонильной, как и в гидроксильной группах, все связи полярны.

В карбонильной группе электронная плотность смещена от атома углерода к атому кислорода, поэтому на карбонильном углероде возникает частичный положительный заряд, атом углерода притягивает к себе неподелённую пару электронов атома кислорода гидроксильной группы, обеспечивая устойчивость карбоксилат-аниона НСОО^-. В свою очередь, атом кислорода оттягивает на себя электронную плотность связи О—Н. В результате атом водорода приобретает повышенную подвижность, что существенно упрощает его отрыв в виде протона:

Было обнаружено, что даже в парах уксусной кислоты содержится смесь единичных молекул и димеров, а пары муравьиной кислоты образованы исключительно димерами. Энергия каждой водородной связи в димерах составляет около 7 кДж/моль. Следовательно, относительно высокая температура кипения, а также и растворимость в воде первых гомологов карбоновых кислот объясняются их способностью к образованию водородных связей.

Химические свойства карбоновых кислот

Химические свойства карбоновых кислот обусловлены в первую очередь особенностями строения их молекул и функциональных групп. Рассмотрим наиболее характерные свойства карбоновых кислот.

1. Диссоциация карбоновых кислот в воде

Благодаря наличию в воде иона Н⁺ они имеют кислый вкус, изменяют окраску индикаторов и проводят электрический ток. В водном растворе эти кислоты — слабые электролиты. С увеличением углеводородного радикала снижается степень диссоциации и сила кислот в разбавленных растворах.

Карбоновые кислоты обладают химическими свойствами, характерными для растворов неорганических кислот, т. е. взаимодействуют с металлами, их оксидами, гидроксидами и слабыми солями.

2. Взаимодействие карбоновых кислот с металлами

(Активными и среднеактивными) с образованием солей:

3. Взаимодействие карбоновых кислот с оксидами металлов

4. Взаимодействие карбоновых кислот со щелочами

Взаимодействие карбоновых кислот с солями слабых кислот

СН₃СООН + NaHCO₃ → CH₃COONa + Н₂O + CO₂↑

Задание. Запишите ионное уравнение реакции уксусной кислоты с гидрокарбонатом натрия. Как его называют в быту? Что вам известно о практическом применении этой реакции?

Взаимодействие карбоновых кислот со спиртами

Специфическое свойство предельных, карбоновых кислот, осуществляемое за счёт функциональной группы, — взаимодействие со спиртами.

Карбоновые кислоты взаимодействуют со спиртами при нагревании и в присутствии концентрированной серной кислоты (как водоотнимающего средства). При нагревании появляется запах этилового эфира уксусной кислоты (этил ацетата):

Реакция протекает за счёт гидроксильных групп исходных веществ.

7. Специфическое свойство предельных карбоновых кислот может проявляться обычно за счёт радикала, например реакция галогенирования (хлорирования). Суть реакции галогенирования кислот состоит в замещении одного или нескольких атомов водорода в углеводородном радикале:

Проблема. Какова причина такого различия в силе кислот? Дайте объяснения.

Окончание параграфа >>>