Учебники Рудзитис / 10

§ 25 Карбоновые кислоты

•Запишите структурную формулу уксусной кислоты и выделите функциональные группы – карбонильную и гидроксильную.

•Что такое гомологи? Приведите два примера гомологов уксусной кислоты.

•На основании жизненного опыта опишите физические свойства уксусной кислоты.

Скарбоновыми кислотами мы уже встречались при изучении хими-

ческих свойств альдегидов. Уксусная кислота CH3COOH — одна из первых карбоновых кислот, которая стала известна человеку. Уже в древние времена она была выделена из уксуса, а последний получался при скисании вина.

Функциональную группу карбоновых кислот называют карбоксильной группой или карбоксогруппой. Карбоксильная группа –СООН со-

стоит из карбонильной группы и гидроксильной группы –ОН.

КАРБОНОВЫЕ КИСЛОТЫ — это органические вещества, молекулы которых содержат одну или несколько карбоксильных групп, соединённых с углеводородным радикалом или водородным атомом.

Карбоновые кислоты классифицируют: а) в зависимости от числа карбоксильных групп в молекуле на одноосновные, двухосновные и многоосновные; б) в зависимости от природы радикала на предельные, непредельные и ароматические.

В молекулах ОДНООСНОВНЫХ ПРЕДЕЛЬНЫХ КАРБОНОВЫХ КИСЛОТ имеется одна карбоксильная группа, связанная с радикалом предельного углеводорода или с атомом водорода.

Общая формула одноосновных карбоновых кислот R—COOH. Электронная формула одноосновных карбоновых кислот

120

Атом водорода в гидроксильной группе карбоновых кислот гораздо более подвижен, чем в молекулах спиртов. Поэтому растворимые в воде карбоновые кислоты отщепляют ионы водорода и окрашивают лакмус в красный цвет:

R—COOH R—COO– + H+

Отличие свойств спиртов от свойств карбоновых кислот объясняется тем, что в молекулах спиртов гидроксильная группа связана с углеводородным радикалом, а в молекулах карбоновых кислот — с карбонильной группой. Ослабление связи между кислородом и водородом в гидроксильной группе объясняется разностью электроотрицательностей атомов углерода, кислорода и водорода. Атом углерода карбонильной группы приобретает некоторый положительный заряд (электронная плотность сдвигается от него в сторону атома кислорода карбонильной группы). В результате этот атом углерода притягивает к себе электронную пару от атома кислорода гидроксильной группы. Компенсируя смещённую электронную плотность, атом кислорода гидроксильной группы оттягивает к себе электронную пару соседнего атома водорода. Вследствие этого связь между атомами кислорода и водорода в гидроксильной группе становится более полярной и атом водорода приобретает бо€льшую подвижность:

Изомерия и номенклатура. Изомерия предельных одноосновных карбоновых кислот аналогична изомерии альдегидов.

Чаще всего употребляют исторически сложившиеся названия кислот (муравьиная, уксусная и т. д.). По международной номенклатуре на-

звания карбоновых кислот образуют от названий соответствующих углеводородов с прибавлением окончания -овая и слова кислота, на-

пример: метановая кислота H—COOH, этановая кислота CH3—COOH. Формулы и названия некоторых одноосновных предельных карбоновых

кислот даны в таблице 9 (с. 122).

Нахождение в природе (рис. 34). Муравьиная кислота содержится в выделениях муравьёв, в крапиве и хвое ели. Ожог крапивой — это результат раздражающего действия муравьиной кислоты. Масляная (бутановая) кислота входит в состав прогорклого масла, а валериановая

(пентановая) кислота содержится в корнях валерианы.

Физические свойства. Низшие карбоновые кислоты — жидкости с острым запахом, хорошо растворимые в воде.

121

Таблица 9

Предельные одноосновные карбоновые кислоты

Муравьиная (метановая) кислота

Уксусная (этановая) кислота

Пропионовая (пропановая) кислота

Пальмитиновая кислота Стеариновая кислота

С повышением относительной молекулярной массы растворимость кислот в воде уменьшается, а температура кипения повышается. Высшие кислоты, начиная с пеларгоновой (нонановой) СН3(СН2)7СООН, —

твёрдые вещества, без запаха, нерастворимые в воде.

Получение. В лаборатории карбоновые кислоты, как и кислоты неорганические, можно получить из их солей, действуя на них серной кислотой при нагревании (см. § 27):

Рис. 34. Яблоки содержат яблочную кислоту, муравьи выделяют при укусе муравьиную

122

В промышленности карбоновые кислоты получают различными способами (табл. 10).

Таблица 10

Способы промышленного получения предельных одноосновных карбоновых кислот

123

Карбоновые кислоты. Карбоксильная группа (карбоксогруппа). Одноосновные предельные карбоновые кислоты

1. Какие соединения относят к карбоновым кислотам? Как их классифицируют? Приведите по одному примеру из каждой группы кислот.

2*. Изобразите электронную формулу уксусной кислоты и поясните, как происходит перекрывание и сдвиг электронных орбиталей при образовании химических связей в карбоксильной группе.

3*. Как изменяются свойства водородных атомов гидроксильных групп в ряду веществ: одноатомные спирты, многоатомные спирты, фенолы, карбоновые кислоты? Почему?

4. Какие две кислоты имеют общую молекулярную формулу С4Н8О2? Назовите их.

5*. На схеме строения молекулы монохлоруксусной кислоты стрелками указан сдвиг электронной плотности:

Как можно объяснить это явление? Какая из кислот — монохлоруксусная СlСН2—СООН или уксусная СН3—СООН — должна быть более сильной? Ответ мотивируйте.

6. Из веществ, формулы которых даны ниже, выпишите отдельно: а) гомологи; б) изомеры. Под формулами напишите названия соответствующих веществ:

124

7.Напишите структурные формулы следующих кислот: а) 2,2-ди- метилпропановой; б) 3-метилбутановой; в) 2-метил-3-хлорпентановой. Какие из них являются изомерами? Дайте обоснованный ответ.

8.При анализе вещества нашли, что в его состав входят углерод, водород и кислород, массовые доли которых равны соответственно 0,4, 0,0666 и 0,5334. Найдите молекулярную формулу и назовите это

вещество, если известно, что плотность его паров по воздуху равна 2,07.

1. Общая формула одноосновных предельных карбоновых кислот — это

3. Установите соответствие между названием органического соединения и формулой его гомолога.

Язнаю состав и строение молекул карбоновых кислот, их функциональную группу.

Яумею составлять формулы изомеров и гомологов карбоновых кислот и называть их по международной номенклатуре.

125

§26 Химические свойства

и применение одноосновных

предельных карбоновых кислот

• Что такое реакция «серебряного зеркала»?

Химические свойства. Общие свойства карбоновых кислот аналогичны соответствующим свойствам неорганических кислот (табл. 11).

Таблица 11

Химические свойства кислот

Химические реакции, характерные для кислот

126

Карбоновые кислоты обладают и некоторыми специфическими свойствами, обусловленными наличием в их молекулах радикалов. Так, например, уксусная кислота реагирует с хлором:

* Вещества, которые образуются при отщеплении воды от органических кислот, называют ангидридами.

127

Муравьиная кислота по химическим свойствам несколько отличается от других карбоновых кислот.

1)Из всех одноосновных карбоновых кислот муравьиная кислота является самой сильной кислотой.

2)Из-за особенности строения молекулы муравьиная кислота, подобно альдегидам, легко окисляется (реакция «серебряного зеркала»):

3) При нагревании с концентрированной серной кислотой муравьиная кислота отщепляет воду и образуется оксид углерода(II):

Эту реакцию иногда используют для получения оксида углерода(II) в лаборатории.

Уксусная кислота значительно слабее, чем муравьиная. Следовательно, радикал метил СН3— (и другие радикалы) влияет на карбоксильную группу. Мы также убедились, что в радикалах карбоновых кислот атомы водорода могут замещаться галогенами. При этом замещение легче происходит в углеводородном звене, которое находится ближе к карбоксильной группе. Следовательно, карбоксильная группа действует на углеводородный радикал, т. е. их влияние взаимно.

Влияние радикала на карбоксильную группу объясняется сдвигом электронной плотности к атому углерода карбоксильной группы. В результате частичный положительный заряд этого атома уменьшается и его действие на электронную плотность гидроксильной группы ослабляется. Связь между атомами кислорода и водорода в карбоксильной группе становится менее полярной и отщепление иона водорода затрудняется:

128