Березан О.В. Органічна хімія

§53. Одержання карбонових кислот

1. Часткове окиснення насичених вуглеводнів повітрям або киснем за наявності каталізаторів, тиску і високої температури:

2. Часткове окиснення первинних спиртів, альдегідів:

3*. Гідроліз гемінальних тригалогенопохідних насичених вуглеводнів:

§54. Окремі представники карбонових кислот*

Метанова (мурашина, форміатна) кислота HCOOH

100

Акри́лова (проп-2-енова) кислота СН2=СН–СООН

Найпростіша ненасичена кислота.

Отримання:

Властивості (приєднання відбувається не за правилом Марковникова):

СН2=СН–СООН + НОН → СН2ОН–СН2–СООН

Щавле́ва (оксала́тна, етандіо́ва) кислота HООС–COOH, мало́нова (пропандіова) кислота HООС–СН2–COOH

Це найпростіші двохосновні карбонові кислоти.

Властивості:

Унаслідок нагрівання — розкладаються:

Саліци́лова кислота НО–С6Н4–СООН

Отримання:

Властивості:

ацетилсаліцилова к-та

Фтáлева та терефтáлева кислоти С6Н4(СООН)2

+ Н2О →

Фталева кислота легко дегідратується з утворенням фталевого ангідриду.

101

§57. Це варто знати та вміти

Знати будову карбоксильної групи, зміщення електронної густини в ній, уміти пояснювати причини кислотності кислот, порівнювати силу кислот у гомологічному ряду насичених монокарбонових кислот.

Пояснювати вплив на кислотні властивості появи атома (атомів) галогену в алкільному заміснику.

Знати хімічний склад, будову насичених монокарбонових кислот, систематичну номенклатуру та тривіальні назви, писати формули ізомерів та називати їх за систематичною номенклатурою.

Знати формули основних представників ненасичених, ароматичних та дикарбонових кислот, особливості їхніх хімічних властивостей.

Знати хімічні властивості насичених монокарбонових кислот, особливі властивості метанової кислоти.

Знати загальні методи отримання монокарбонових кислот та спеціальні методи отримання етанової і метанової кислот.

Використовувати теоретичні знання для виконання практичних завдань. Розуміти генетичний зв’язок між різними класами органічних речовин та органічними і неорганічними речовинами.

Передбачати хімічні властивості речовин, що містять різні функціональні групи (у тому числі й карбоксильну), а також кратні зв’язки, бензенові ядра.

Розв’язувати задачі на:

складання рівнянь реакцій, користуючись загальними формулами та використовуючи їх для визначення формули карбонової кислоти;

установлення масових часток речовин у двокомпонентних сумішах;

уміння застосовувати поняття вихід.

103

VII. ЕСТЕРИ. ЖИРИ. МИЛА́ §58. Естери

Есте́ри — це органічні сполуки, що утворюються внаслідок взаємодії карбонових кислот зі спиртами з відщепленням молекул води.

104

§59. Жири

Жири — це повні естери трьохатомного спирту гліцеролу та одноосно́вних жирних (аліфатичних) кислот. Їх ще називають тригліцери́дами.

Загальна формула (R, R1 та R2 — залишки насичених і ненасичених кислот з нерозгалуженим ланцюгом):

Класифікація:

за складом алкільних замісників:

а) прості — містять залишки одної кислоти (R = R1 = R2); б) змішані — містять залишки різних кислот;

за фізичними властивостями:

а) тверді жири — містять переважно залишки пальмітинової (C15H31COOН) та стеа-

ри́нової (C17H35COOН) кислот;

б) рідкі жири — містять залишки олеї́нової (C17H33COOН, один подвійний зв’язок), ліно́левої (C17H31COOН, два подвійні зв’язки), ліноле́нової (C17H29COOН, три подвійні зв’язки) та арахідо́нової (C19H31COOН, чотири подвійні зв’язки) кислот.

Хімічні властивості:

1. Гідроліз (каталізатор — MgO, CaO, ZnO, кислóти): а) кислотний (відбувається за наявності кислоти):

б) лужний; крім гліцеролу, утворюються солі вищих жирних кислот — милá, тому цю реакцію називають також реакцією омилення:

+ 3NaOH → + R–COONa + R1–COONa + R2–COONa

в) у живих організмах відбувається ферментативний гідроліз.

2. Гідрогенізація (цей процес є основою виробництва маргарину):

+ 3Н2 →

3. Окиснення. Під час зберігання жирів на повітрі відбувається часткове окиснення. Утворюються вільні карбонові кислоти, а ненасичені карбонові кислоти окиснюються з утворенням альдегідів і кетонів.

Значення жирів для життєдіяльності людини

Жири — важлива складова їжі людини і тварин, в організмі виконують пластичну та енергетичну функції. Під впливом травних ферментів жири гідролізуються з утворенням гліцеролу і вищих карбонових кислот11, які всмоктують ворсинки кишечника. Потім ці компоненти частково витрачаються на синтез власного жиру та інших речовин в клітинах нашого організму, частково — окиснюються до вуглекислого газу і води з виділенням значної кількості енергії: 1 г жиру в середньому дає 39 кДж енергії12, що удвічі більше, ніж вуглеводи чи білки.

11Значну частину вищих карбонових кислот утворює мікробіота травного тракту людини.

12Такої кількості енергії вистачає для підняття близько 4 тонн вантажу на висоту 1 м.

105

§60. Милá. Синтетичні мийні засоби

Мила́— це поверхнево-активні речовини (ПАР), які містять гідрофобну (вуглеводневий ланцюг) і гідрофільну (група СОО–) частини. Мийна функція зумовлена складним комплексом поверхневих явищ і колоїдно-хімічних процесів взаємодії мила, води (розчинника) і частинок бруду (зазвичай жирової плівки із включенням пилу), унаслідок чого молекули мила оточують частинки бруду. Така система утворює стійку емульсію чи суспензію, що й виводиться з поверхні предмета, який відмивається.

Вищі насичені (жирні) карбонові кислоти у воді нерозчинні через наявність у молекулі великого вуглеводневого залишку. Однак вони добре розчинні в розчинах лугів унаслідок утворення солей:

СnH2n+1COOH + KOH → СnH2n+1COOK + H2O

Як мила використовують натрієві і калієві солі вищих карбонових кислот (пальміти́нової С15Н31СООН і стеаринової С17Н35СООН). Натрієві солі згаданих кислот — основна складова твердого мила (до його складу можуть входити і солі інших жирних кислот з кількістю карбонових атомів 10–18). Калієві солі цих кислот — рідкі мила.

Натрієві та калієві мила, розчиняючись у воді, утворюють колоїдні розчини. Одночасно відбувається і реакція гідролізу цих солей:

R–COONa + НОН → R–СООН + NaOH

Звичайні мила мають погану мийну здатність у жорсткій воді, бо натрієві та калієві солі вступають у реакцію обміну з солями Кальцію та Магнію (гідрогенкарбонатами і сульфатами):

2С15Н31СООК + Ca(HCO3)2 → (С15Н31СОО)2Са↓ + 2КНСО3

2C17H35COONa + MgSО4 → (Cl7H35COO)2Mg↓ + Na2SО4

Солі, що утворюються при цьому, погано розчиняються у воді (мило не милиться, не піниться). Крім того, у жорсткій воді мила частково гідролізовані. Унаслідок цього утворюються вищі карбонові кислоти та луги, що можуть руйнувати деякі види волокон (вовну). Цих вад позбавлені інші ПАР, а саме синтетичні мийні засоби, або детерге́нти.

Синтетичні мийні засоби (СМЗ) є похідними алкансульфокислот. Сировина для їх виробництва — це не цінні харчові жири, а продукти переробки нафти. Унаслідок окиснення парафіну, крім вищих жирних кислот, як побічний продукт отримують вищі жирні спирти. З них і одержують солі естерів вищих спиртів і сульфатної кислоти, або алкілсульфати (R–О–SO2–ONа) за такою схемою:

натрій алкілсульфат

СМЗ на відміну від мила, не псують тканини, мають кращу мийну здатність (приблизно у 10 разів), добре миють у жорсткій воді, оскільки алкілсульфати Кальцію і Магнію розчинні у воді. Сучасні СМЗ — це складні композиції, які крім ПАР містять силікати, фосфати, соду, відбілювачі, духмяні речовини тощо.

106

§61. Застосування естерів

Естери широко використовують у харчовій, парфумерній, фармацевтичній, хімічній промисловості для виготовлення фруктових есенцій, парфумів, лікарських препаратів, пластмас. Естери — добрі розчинники органічних речовин, зокрема лаків.

§62. Найважливіші поняття, терміни та правила

Гідрофі́льність — властивість поверхні фізичного тіла змочуватися водою.

Гідрофо́бність — властивість поверхні фізичного тіла не змочуватися водою. Властива більшості органічних речовин з довгими вуглеводневими замісниками.

Еcтерифіка́ції реакція — реакція кислот зі спиртами, унаслідок якої утворюється естер. Жири́(тригліцери́ди) — трьохатомні естери гліцеролу і вищих карбонових кислот. Оми́лення — лужний гідроліз естерів з утворенням спирту і карбонової кислоти чи її солі. Омилення число — маса калій гідроксиду (у мг), яка потрібна для омилення 1 г естеру.

Поверхне́во-активні речовини (ПАР, сурфактáнти, детергéнти) — речовини, які кон-

центруються на межі поділу фаз (тверде тіло/рідина або газ/рідина), спричиняючи зниження поверхневого (міжфазового) натягу.

§63. Це варто знати та вміти

Хімічний склад та будову естерів та жирів.

Називати естери за систематичною номенклатурою. Знати основні хімічні властивості естерів та жирів (реакції гідролізу, гідрогенізація жирів) та їхнє практичне значення.

Отримання естерів реакцією естерифікації, механізм реакції, умови її проведення.

Розуміти, що таке мила, як їх отримують. Уміти пояснити, у чому полягає мийна дія мила і причина поганої мийної здатності мила у твердій воді, склад синтетичних мийних засобів, спосіб їх отримання, їхні переваги над милом.

Уміти запропонувати методи отримання естерів (різних за будовою), якщо дано неорганічні речовини (вапняк, вуглець та водень, алюміній карбід).

Уміти наводити приклади рівнянь реакцій, що відображають генетичні зв’язки між класами органічних сполук.

Практичні завдання

467.Напишіть рівняння електролітичної дисоціації метанової кислоти.

468.Установіть з-поміж наведених кислот ізомери:

107

471.Напишіть напівструктурні формули ізомерів (карбонових кислот та естерів) для речовини складу С5Н10О2. Назвіть їх.

472.Запропонуйте кілька методів отримання: а) етилетаноату з вапняку, вугілля, води; б) гексилпропаноату з пропану; в) бензойної кислоти з н-гептану.

473.Порівняйте хімічні властивості: а) метанової та етанової кислот; б) метаналю і метанової кислоти.

474.У чотирьох пробірках містяться такі речовини: метанова кислота, метанол, пропанова кислота та етаналь. За допомогою яких хімічних реакцій можна розпізнати ці речовини? Наведіть рівняння хімічних реакцій.

475.Встановіть невідомі речовини в кожній схемі та напишіть рівняння реакцій, за якими можна здійснити такі перетворення:

а) етан → А → етанол → Б → етанова кислота → метилетаноат → метанол;

в) тристеарин → гліцерол → триолеїн → олеїнова кислота → стеаринова кислота;

купрум(ІІ) гліцерат г) ;

ґ) метан → А → метанол → Б → метанова кислота → метилметаноат.

476.Запропонуйте методи отримання: а) етилбензоату з метану;

б) етилового естеру монохлороетанової кислоти з метану; в) бутилетаноату (ананасової есенції) з етину; г) етилбутаноату (абрикосової есенції) з алюміній карбіду.

477.Установіть невідомі речовини та напишіть рівняння реакцій, за якими можна здійснити перетворення:

CaC2 → C2H2 → C2H4 → C2H5OH → CH3CHO → CH3COOH → CH3COOCH3

479.Густина випарів одноосновної карбонової кислоти за воднем становить 37. Який об’єм розчину калій гідроксиду з масовою часткою лугу 20 % і густиною 1,2 г/см3 витратиться на нейтралізацію 22,2 г цієї кислоти?

480.Напишіть рівняння реакцій, за якими можна здійснити такі перетворення:

етаналь → етанова кислота → етилетаноат → етанол → етаналь.

481.Унаслідок окиснення 111 г первинного спирту одержали 132 г одноосновної карбонової кислоти з такою самою кількістю атомів Карбону. Напишіть напівструктурні формули ізомерів одержаної кислоти та вкажіть їхні назви за систематичною номенклатурою.

482.Напишіть рівняння реакцій, за якими можна здійснити такі перетворення: вуглець → метан → бромометан → метанол → метаналь → метанова кислота → етилметаноат.

108

483.Масова частка Оксигену в естері невідомої одноосновної карбонової кислоти становить 36,36 %. Установіть молекулярну формулу естеру і напишіть напівструктурні формули його ізомерів.

484.Об’ємна частка метану в природному газі становить 96 %. Яку масу метанової кислоти можна одержати каталітичним окисненням 420 л природного газу (н. у.), якщо вихід кислоти становить 70 %?

485.Напишіть рівняння реакцій, за якими з неорганічних речовин можна одержати етилетаноат. Укажіть необхідні умови проведення і назви продуктів цих реакцій.

486.Який об’єм розчину лугу з масовою часткою калій гідроксиду 10 % (густина — 1,09 г/cм3) витратиться на нейтралізацію суміші, яка містить 6 г етанової кислоти та 11,5 г метанової кислоти?

487.Напишіть рівняння реакцій, за якими можна здійснити такі перетворення: триолеїн → олеїнова кислота → стеаринова кислота → калій стеарат → магній стеарат

488.Яку масу триолеїну використали для гідролізу, якщо для гідрогенізації подвійного зв’язку в кислоті, що утворилась, використали 33,6 л водню (н. у.)?

489.Напишіть рівняння реакцій, за якими можна здійснити такі перетворення: пропан-1-ол → пропаналь → пропан-1-ол → пропілметаноат → метанова кислота → калій метаноат.

490.Які маси кислоти і спирту витратили на отримання 114,4 г етилетаноату, якщо вихід естеру становив 90 %?

491.Який об’єм розчину лугу з масовою часткою барій гідроксиду 10 % (ρ = 1,05 г/cм3) потрібно використати для нейтралізації 0,75 моль етанової кислоти?

492.Який об’єм розчину лугу з масовою часткою калій гідроксиду 25 % та густиною 1,24 г/мл потрібно використати для проведення гідролізу суміші етилетаноату і метилетаноату, кількості речовин яких у суміші відповідно становлять 0,3 та 0,5 моль?

493.Для повної нейтралізації 33,3 г насиченої одноосновної карбонової кислоти витратили 0,45 моль калій гідроксиду. Установіть молекулярну формулу кислоти, назвіть її за систематичною номенклатурою, укажіть тривіальну назву.

494.Напишіть рівняння реакцій, за якими можна здійснити перетворення:

вуглець → кальцій карбід → етин → етанова кислота → пропілетаноат.

495.Масова частка Кальцію, що входить до складу солі одноосновної насиченої карбонової кислоти, становить 30,77 %. Назвіть кислоту за систематичною номенклатурою, укажіть тривіальну назву.

496.Унаслідок взаємодії 1,125 кг метанової кислоти з етанолом одержали 1,2 кг естеру. Установіть вихід продукту.

497.Напишіть рівняння реакцій, за якими можна здійснити такі перетворення: трипальмітин → пальмітинова кислота → калієва сіль пальмітинової кислоти → магнієва сіль пальмітинової кислоти.

498.Який об’єм розчину з масовою часткою калій гідроксиду 10 % та густиною 1,09 г/cм3 потрібно використати для нейтралізації суміші, яка містить 0,25 моль метанової кислоти та 0,4 моль етанової кислоти?

499.Який об’єм газу (н. у.) виділиться, якщо 3,8 г магнію помістити в 300 мл розчину етанової кислоти із вмістом кислоти 5 моль/л?

500.Укажіть масу етилетаноату, яку можна одержати із 120 г етанової кислоти та 90 г спирту, якщо вихід естеру становить 92 %.

109