Главная >> Химия 10 класс. Габриелян. Углубленный уровень

Глава 4. Кислородсодержащие соединения

§ 20. Карбоновые кислоты

Строение карбоновых кислот

Группа атомов называется карбоксильной группой или карбоксилом.

Органические кислоты, содержащие в молекул одну карбоксильную группу, называются одноосноеными.

Общая формула этих кислот RCOOH, например

Карбоновые кислоты, содержащие две карбоксильные группы, называются двухосновными. К ним относятся, например, щавелевая и янтарная кислоты.

Существуют и многоосновные карбоновые кислоты, содержащие более двух карбоксильных групп, например лимонная кислота трёхосновная:

В зависимости от природы углеводородного радикала карбоновые кислоты делятся на предельные, непредельные и ароматические.

Предельными (насыщенными) являются, например, пропановая (пропионовая) кислота

или уже знакомая нам янтарная кислота.

Очевидно, что предельные карбоновые кислоты не содержат π-связей в углеводородном радикале.

В молекулах непредельных карбоновых кислот карбоксильная группа связана с ненасыщенным, непредельным углеводородным радикалом, например в молекулах акриловой (пропеновой) СН₂=СН—СООН, олеиновой СН₃—(СН₂)₇—СН=СН—(СН₂)₇—СООН или других кислот.

Как видно из формулы, бензойная кислота является ароматической, так как содержит в молекуле ароматическое (бензольное) кольцо:

Номенклатура и изомерия

Общие принципы образования названий карбоновых кислот, как и других органических соединений, мы уже рассматривали. Остановимся подробнее на номенклатуре одно- и двухосновных карбоновых кислот. Название карбоновой кислоты образуется от названия соответствующего алкана (с тем же числом атомов углерода в молекуле) с добавлением суффикса -ов, окончания -ая и слова кислота. Нумерация атомов углерода начинается с карбоксильной группы.

Количество карбоксильных групп указывается в названии префиксами ди- или три-.

Многие кислоты имеют исторически сложившиеся тривиальные названия (табл. 7).

После первого знакомства с многообразным миром органических кислот рассмотрим более подробно предельные одноосновные карбоновые кислоты.

Состав этих кислот отражается общей формулой С_nН_2nO₂, или С_nН_{2n + 1}СООН, или RCOOH.

Физические свойства предельных одноосновных карбоновых кислот

Низшие кислоты, т. е. кислоты с относительно небольшой молекулярной массой, содержащие в молекуле до четырёх атомов углерода, — жидкости с характерным резким запахом (вспомните запах уксусной кислоты). Кислоты, содержащие от 4 до 9 атомов углерода, — вязкие маслянистые жидкости с неприятным запахом. Кислоты, состоящие из 9 атомов углерода и более, — твёрдые вещества, которые не растворяются в воде. Температуры кипения предельных одноосновных карбоновых кислот увеличиваются с ростом числа атомов углерода в молекуле и, следовательно, с ростом относительной молекулярной массы. Так, например, температура кипения муравьиной кислоты равна 101 °С, уксусной — 118 °С, пропионовой — 141 °С.

Простейшая карбоновая кислота — муравьиная НСООН, имея небольшую относительную молекулярную массу (М_r(НСООН) = 46), при обычных условиях является жидкостью с температурой кипения 100,8 °С. В то же время бутан (М_r(С₄Н₁₀) = 58) в тех же условиях газ и имеет температуру кипения - 0,5 °С. Это несоответствие температур кипения и относительных молекулярных масс объясняется образованием димеров карбоновых кислот, в которых две молекулы кислоты связаны двумя водородными связями.

Возникновение водородных связей становится понятным при рассмотрении строения молекул карбоновых кислот.

Молекулы предельных одноосновных карбоновых кислот содержат полярную группу атомов — карбоксил

(подумайте, чем вызвана полярность этой функциональной группы) и практически неполярный углеводородный радикал. Карбоксильная группа притягивается молекулами воды, образуя с ними водородные связи.

Муравьиная и уксусная кислоты растворимы в воде неограниченно. Очевидно, что с увеличением числа атомов в углеводородном радикале растворимость карбоновых кислот снижается.

Зная состав и строение молекул карбоновых кислот, нетрудно предсказать химические свойства этих веществ.

Химические свойства карбоновых кислот

Общие свойства, характерные для класса кислот (как органических, так и неорганических), обусловлены наличием в молекулах гидроксильной группы, содержащей сильно полярную связь между атомами водорода и кислорода. Эти свойства вам хорошо известны.

Рассмотрим их ещё раз на примере растворимых в воде органических кислот.

1. Диссоциация с образованием катионов водорода и анионов кислотного остатка:

Более точно этот процесс описывает уравнение, учитывающее участие в нём молекул воды:

Равновесие в реакции смещено влево. Подавляющее большинство карбоновых кислот — слабые электролиты. Тем не менее кислый вкус, например, муравьиной и уксусной кислот объясняется диссоциацией на катионы водорода и анионы кислотных остатков.

Очевидно, что присутствием в молекулах «кислого» водорода (водорода карбоксильной группы) обусловлены и другие характерные свойства карбоновых кислот.

2. Взаимодействие с металлами, стоящими в электрохимическом ряду напряжений до водорода:

Так, железо восстанавливает водород из уксусной кислоты:

2СН₃—СООН + Fe → (CH₃COO)₂Fe + Н₂↑.

3. Взаимодействие с основными оксидами с образованием соли и воды:

2R—СООН + СаО → (R—СОО)₂Са + Н₂O.

4. Взаимодействие с гидроксидами металлов с образованием соли и воды (реакция нейтрализации):

R—СООН + NaOH → R—COONa + Н₂O,
2R—СООН + Са(ОН)₂ → (R—СОО)₂Са + 2Н₂O.

5. Взаимодействие с солями более слабых кислот, с образованием последних. Так, уксусная кислота вытесняет стеариновую из стеарата натрия и угольную из карбоната калия:

СН₃СООН + C₁₇H₃₅COONa →
→ CH₃COONa + С₁₇Н₃₅СООН↓,
2СН₃СООН + К₂СO₃ → 2СН₃СООК + Н₂O + CO₂↑.

6. Взаимодействие карбоновых кислот со спиртами с образованием сложных эфиров — уже известная вам реакция этерификации (одна из наиболее важных реакций, характерных для карбоновых кислот):

Взаимодействие карбоновых кислот со спиртами катализируется катионами водорода.

Реакция этерификации обратима. Равновесие смещается в сторону образования сложного эфира в присутствии водоотнимающих средств и при удалении воды из реакционной смеси.

Продолжение >>>