Органическая химия для поступающих в вузы. Учебное пособие
.pdf
3.5. КАРБОНОВЫЕ КИСЛОТЫ
Карбоновые кислоты – это производные УВ, содержащие
О
//
функциональную карбоксильную группу ─С─ОН Это сложная функциональная группа.
О– карбонил
//
─С – карбоксил
\
ОН – гидроксил
Карбоновые кислоты 
Основность кислоты |
Строение УВ-радикала |
одноосновные |
двухосновные |
предельные непредельные |
О |
О О |
|
// |
|| || |
|
СН3─С─ОН |
НО─С─С─ОН |
Ароматические |
уксусная |
щавелевая |
|
кислота |
кислота |
|
Трехосновные
Насыщенные монокарбоновые кислоты
О
//
СnH2n+1С─ОН – общая формула кислот.
Гомологический ряд монокарбоновых кислот представлен в табл. 3.3.
81
|
|
|
Таблица 3.3 |
|
Гомологический ряд монокарбоновых кислот |
|
|||
|
|
|
|
|
|
Название кислоты |
Название |
||
Формула кислоты |
|
|
кислотного |
|
По международной |
|
|||
Тривиальное |
остатка |
|||
|
номенклатуре |
|||
|
|
- |
||
|
|
|
R─COO |
|
Н─СООН |
Метановая |
Муравьиная |
Формиат |
|
СН3─СООН |
Этановая |
Уксусная |
Ацетат |
|
СН3─СН2─СООН |
Пропановая |
Пропионовая |
Пропионат |
|
СН3─(СН2)2─СООН |
Бутановая |
Масляная |
Бутират |
|
СН3─(СН2)3─СООН |
Пентановая |
Валериановая |
Валеринат |
|
СН3─(СН2)4─СООН |
Гексановая |
Капроновая |
Капронат |
|
СН3─(СН2)8─СООН |
Декановая |
Каприновая |
Капринат |
|
СН3─(СН2)14─СООН |
Гексадекановая |
Пальметиновая |
Пальмитат |
|
СН3─(СН2)16─СООН |
Октодекановая |
Стеариновая |
Стеарат |
|
|
|
|
|
|
Номенклатура и изомерия
О
//
СH3─С─ОН – этановая кислота;
О
//
СН3─СН2─С─ОН – пропановая кислота.
Изомерия |
|
О |
|
// |
|
С3Н7С─ОН |
СН3 |
|
|
СН3─СН2─СН2─СООН |
СН3─СН─СООН |
бутановая (масляная) кислота |
метилпропановая |
|
(изомасляная) кислота |
Электронное строение
Кислоты диссоциируют на Н+ и кислотный остаток. Для них, в отличие от альдегидов, нехарактерны реакции присоединения
по двойной связи >С=О [1]. 
О δ- -
//...
R ─ C ←
O ← Hδ+
82
Физические свойства
НСООН, СН3СООН … С9Н19СООН |
С10Н21СООН …. |
Жидкости, смешиваются с водой |
Твердые вещества |
Растворимость уменьшается Ткип. увеличивается
Сила кислот уменьшается
Химические свойства
Высокая реакционная способность кислот определяется реакциями карбоксильной группы (разрыв связей О– Н и С– О), а также реакциями замещения атома водорода у α-углеродного атома:
H 
O
│//
R ─ C ─ C ─ O H
│
H 
1. Разрыв связи O─H:
а) диссоциация
ОО
// //
R─C─ОН →← R─C─О- + H+
б) взаимодействие с активными металлами
2НСОО Н + Mg ¾® (HCОО)2Mg +H2↑
формиат магния в) взаимодействие с основными оксидами
2СН3СОО 
Н + СаО¾® (СН3СОО)2Са + Н2О ацетат кальция
83
г) взаимодействие со щелочами СН3СООН + КОН ¾® СН3СООК + Н2О
ацетат калия д) взаимодействие с солями более слабых кислот
2СН3СООН + Na2CО3 ¾® 2СН3СООNa + Н2О + СО2↑
2. Разрыв связи С─О (замещение ОН-группы):
а) взаимодействие со спиртами (реакция этерификации) с обра-
зованием сложных эфиров |
|
|
||
О |
|
|
О |
|
// |
|
|
|
// |
СН3─С─ОН + С2Н5ОН ¬¾2¾4¾¾® |
СН3─С─О─С2Н5 + Н2О |
|||
|
|
|
t,H SO ,конц. |
|
|
|
|
|
этилацетат |
б) взаимодействие с аммиаком |
|
|||
О |
|
|
О |
|
// |
|
|
║ |
|
СН3─С─ОН + NH3 |
¾® СН3─С─NH2 + Н2О |
|||
|
|
|
ацетамид |
|
|
|
(амид уксусной кислоты) |
||
в) межмолекулярная дегидратация |
|
|||
О |
О |
О |
О |
|
// |
|
\\ |
║ |
║ |
СН3─С─ ОН + Н О─С─СН3 → СН3─С─О─С─СН3 + Н2О |
||||
|
|
|
уксусный ангидрид |
|
3. Разрыв связи С─Н: |
|
|
||
О |
|
|
О |
O |
// |
|
|
// |
// |
СН3─С─ОН |
t,hν |
|
+ Cl2 |
|
+ Cl2 ¾¾® |
СН2Cl─С─ОH ¾¾® СНCl2─С─ОH ¾® |
|||
|
- HCl |
- HCl |
||
|
|
монохлоруксусная |
дихлоруксусная |
|
|
О |
кислота |
кислота |
|
|
|
|
||
+ Cl2 |
// |
|
|
|
|
|
|
|
|
¾¾® СCl3─С─ОH |
|
|||
- HCl |
трихлоруксусная кислота |
|
||
84
Муравьиная кислота. У муравьиной кислоты можно выделить
две функциональные группы:
О
//
а) карбоксильная Н ─ C─ОН непосредственно связана с водородом, поэтому это самая сильная органическая кислота;
О
║
б) альдегидная группа Н─С ─ ОН, поэтому для муравьиной кислоты характерны реакция окисления (до угольной кислоты) и качественные реакции альдегидов:
О |
О |
// |
║ |
а) Н─С─OН + [О] → НО─С─ОН → СО2↑ + Н2О угольная кислота
в) реакция «серебряного зеркала»:
О
//
Н─С─OН + Ag2О ¾t,¾NH¾4¾OH ® CO2↑ + Н2О + 2Ag↓
в)
О
//
Н─С─OН |
t |
|
|
|
|
+ 2Cu(OH)2 ¾® CO2↑ + 3Н2О + Cu2O↓ |
|||||
|
|
голубой |
|
кирпично-красный |
|
|
|
Получение кислот |
|
||
1. Окисление первичных спиртов и альдегидов: |
|
||||
|
|
|
O |
|
O |
R |
|
|
// |
¾¾® |
// |
CH OH + [O] ¾¾¾® R C |
R C |
||||
─ |
2 |
−Н2О |
─ ─Н |
+[O] |
─ ─ОН |
|
|||||
2. Окисление алканов: |
¾¾® 4СН3СООН + 2Н2О |
||||
2СН3─СН2─СН2─СН3 + 5О2 |
|||||
|
|
|
kat |
|
|
85
3. Омыление сложных эфиров (щелочной гидролиз):
O |
O |
// |
// |
R─C─OR1 + NaOH → R─C─ONa + R1OH |
|
O |
O |
// |
// |
R─C─ONa + HCl → R─C─OH + NaCl
Способы получения муравьиной кислоты:
1. NaOH + CO ¾¾®t,P HCOONa
формиат натрия
2НСООNa + H2SO4 ¾® 2HCOOH + Na2SO4
2. Нагревание щавелевой кислоты (реакция декарбоксилирования):
O
//
Н─О─С─С─ОН ¾t ® Н─С─ОН + СО2
║║
O О
Способы получения уксусной кислоты:
1. Пищевую уксусную кислоту получают брожением веществ,
содержащих спирт:
О
//
СН3─СН2ОН + О2 ¾ферменты¾¾¾® СН3─С─ОН + Н2О;
воздух
2. Синтетическую СН3СООН получают:
а) окислением бутана (см. выше);
б) окислением ацетальдегида
О |
О |
// |
// |
СН3─С─Н + [O] ¾® СН3─С─ОН
86
в) синтезом из метанола и СО: СН3ОН + СО ¾t,¾kat ® СН3СООН
Применение важнейших кислот
Растворители
Пестициды
Формиаты (соли и эфиры)
Дезинфекция
Для пищевых целей
Инсектициды
Лекарственные
средства
Красители
|
|
|
|
Лекарственные |
|
|
|
|
средства |
|
|
|
|
|
|
НСООН |
|
|
|
|
|
|
Консервирование |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Крашение тканей |
|
|
|
|
и бумаги |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Обработка кожи |
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
Растворители |
|
Ацетаты |
|
|
|
|
|
(соли и эфиры) |
|
|
|
|
|
|
СН3СООН |
|
(СН3СО)2О |
|
|
|
|
|
уксусный ангидрид |
|
|
|
|
|
СН2СlCOOH
монохлоруксусная кислота
О
//
СН3─С─Сl ацетилхлорид
Ненасыщенные карбоновые кислоты
Важнейшие представители:
О
//
СН2═СН─С─ОН – акриловая (пропеновая) кислота С17Н33СООН – олеиновая кислота
87
О
//
СН3─(СН2)7─СН═СН─(СН2)7─С─ОН
С17Н31СООН – линолевая кислота
О
//
СН3─(СН2)4─СН═СН─СН2─СН═СН─(СН2)7─С─ОН
Химические свойства
1. Гидрирование
СН3─(СН2)7─СН═СН─(СН2)7─СООН+Н2 ¾® СН3─(СН2)16─СООН олеиновая кислота стеариновая кислота
2. Галогенирование
СН3─(СН2)4─СН═СН─СН2─СН=СН─(СН2)7─СООН + 2Вr2 ¾® ¾® СН3─(СН2)4─СН─СН─СН2─СН─СН─(СН2)7─СООН
|
|
|
|
Вr |
Вr |
Вr |
Br |
9,10,12,13 – |
тетрабромстеариновая кислота |
||
Задача 3.8. Для нейтрализации 11,40 г столового уксуса понадобилось 18,24 мл водного раствора гидроксида натрия, содержащего в литре 0,5 моль этого основания. Вычислите массовую долю (%) уксусной кислоты в этом образце столового уксуса.
Решение
1.Запишем уравнение реакции нейтрализации:
СН3СООН + NaOH ¾® CH3COONa + H2O
2.Определим массу NaОН, вступившего в реакцию:
m (NaOH) = C M × M × V = 0,5 × 40 × 0,01824 = 0,3648 г,
где СМ – |
молярная концентрация (0,5 моль/л). |
|||||
3. Определим количество вещества NaOH: |
||||||
n (NaOH) |
= |
m (NaOH) |
= |
0,3648 |
= 0,009 моль. |
|
M(NaOH) |
40 |
|||||
|
|
|
|
|||
88
4. |
По уравнению реакции |
|
|
|
|
|
||
n (CH3COOH) = n (NaOH) ; |
n(CH3COOH) = 0,009 моль. |
|||||||
5. |
Масса СН3СООН составит |
|
|
|
|
|||
m(CН3COОO ) = n(CH 3COOH ) × M(CH 3COOH ) |
= 0,009 × 60 = 0,54 г. |
|||||||
6. |
Найдем массовую долю СН3СООН в столовом уксусе |
|||||||
ω |
(CH3COOH) = |
m (CH3COOH) |
×100% = |
|
0,54 |
×100% = 4,7% . |
||
m р−ра |
11,40 |
|||||||
|
|
|
|
|||||
Ответ: 4,7 %.
Задача 3.9. При прокаливании соли состава СаС2О4 образуются оксид кальция и два газа, из которых один горючий, а другой негорючий. Составьте уравнение этой реакции.
Решение
1. При разложении соли СаС2О4 образуются два газа – оксид углерода (IV) СО2 (негорючий) и оксид углерода (II) CO (который горит
до СО2).
Запишем уравнения реакций:
СаС2О4 ¾t ® СаО + СО + СО2
2CO + О2 ¾® 2СО2
СО2 + О2 ¹
Тренировочный тест
1. Общая формула СnH2nO. Это: 1) альдегид; 2) спирт;
3)кетон; 4) карбоновая кислота.
2.Химическая формула одноатомного фенола:
1) |
СnH2n+1OН; |
2) СnH2n-1OН; |
3) СnH2n-7OН; |
4) СnH2n(OН)2. |
|
3. Гомологами являются: |
||
1) |
СН3СООН; |
2) С6Н5СООН; |
3) |
С5Н9СООН; |
4) С7Н15СООН. |
89
4.Вещества каких классов могут быть изомерны между собой:
1)спирты и альдегиды;
2)кислоты и соли;
3)сложные эфиры и карбоновые кислоты;
4)сложные эфиры и кетоны.
5.Атомы в молекуле этилового спирта соединены:
1)σ-связями;
2)σ-связями и π-связями;
3)π-связями;
4)водородными связями.
6.Какая из реакций невозможна:
1)СH3COOH + Ag →
2)СH3COOH + Ag2O →
3)СH3COOH + Cu(OH)2 →
4)СH3COOH + Na →
7.С помощью какого реактива можно различить водные растворы уксусной кислоты и фенола:
1) лакмуса; |
2) гидроксида натрия; |
3)бромной воды; 4) гидроксида меди.
8.Каталитическому окислению бутана кислородом воздуха со-
ответствует уравнение реакции:
1) С2Н4 + [О] → СН3 – C = О;
\
H
2)2СН3 – СН2 – СН2 – CH 3 + 5O2 → 4CH3COOH + 2H2O;
3)С4Н8 + 6О2 → 4СО2 + 4Н2О;
4)2С4Н10 + 13О2 → 8СО2 + 10Н2О.
9.Сколько изомеров соответствует формуле С4Н8О2?
1) 2; |
2) 3; |
3) 5; |
4) 6. |
90