Карбоновые кислоты гомологический. Карбоновые кислоты. Виды карбоновых кислот

Карбоновыми кислотами называют соединения, в которых содержится карбоксильная группа:

Карбоновые кислоты различают:

• одноосновные карбоновые кислоты;
• двухосновные (дикарбоновые) кислоты (2 группы СООН ).

В зависимости от строения карбоновые кислоты различают:

• алифатические;
• алициклические;
• ароматические.

Примеры карбоновых кислот.

Получение карбоновых кислот.

1. Окисление первичных спиртов перманганатом калия и дихроматом калия:

2. Гибролиз галогензамещенных углеводородов, содержащих 3 атома галогена у одного атома углерода:

3. Получение карбоновых кислот из цианидов:

При нагревании нитрил гидролизуется с образованием ацетата аммония:

При подкисления которого выпадает кислота:

4. Использование реактивов Гриньяра:

5. Гидролиз сложных эфиров:

6. Гидролиз ангидридов кислот:

7. Специфические способы получения карбоновых кислот:

Муравьиная кислота получается при нагревании оксида углерода (II) с порошкообразным гидроксидом натрия под давлением:

Уксусную кислоту получают каталитическим окислением бутана кислородом воздуха:

Бензойную кислоту получают окислением монозамещенных гомологов раствором перманганата калия:

Реакция Каннициаро . Бензальдегид обрабатывают 40-60% раствором гидроксида натрия при комнатной температуре.

Химические свойства карбоновых кислот.

В водном растворе карбоновые кислоты диссоциируют:

Равновесие сдвинуто сильно влево, т.к. карбоновые кислоты являются слабыми.

Заместители влияют на кислотность вследствие индуктивного эффекта. Такие заместители оттягивают электронную плотность на себя и на них возникает отрицательный индуктивный эффект (-I). Оттягивание электронной плотности приводит к повышению кислотности кислоты. Электронодонорные заместители создают положительный индуктивный заряд.

1. Образование солей. Реагирование с основными оксидами, солями слабых кислот и активными металлами:

Карбоновые кислоты - слабые, т.к. минеральные кислоты вытесняют их из соответствующих солей:

2. Образование функциональных производных карбоновых кислот:

3. Сложные эфиры при нагревании кислоты со спиртом в присутствие серной кислоты - реакция этерификации:

4. Образование амидов, нитрилов:

3. Свойства кислот обуславливаются наличием углеводородного радикала. Если протекает реакция в присутствие красного фосфора, то образует следующий продукт:

4. Реакция присоединения.

8. Декарбоксилирование. Реакцию проводят сплавлением щелочи с солью щелочного металла карбоновой кислоты:

9. Двухосновная кислота легко отщепляет СО 2 при нагревании:

Дополнительные материалы по теме: Карбоновые кислоты.

	Калькуляторы по химии
Химия онлайн на нашем сайте для решения задач и уравнений.

Как вы уже знаете, общим способом получения карбоновых кислот может служить окисление соответствующего альдегида согласно уравнению

В промышленности этот процесс проводят с помощью кислорода воздуха в присутствии катализаторов.

Анализируя общую формулу карбоновых кислот, можно заметить, что в состав ее молекулы входят две части - углеводородный радикал (алкил) и функциональная группа

которую называют карбоксильной. Название функциональной группы произошло от названий образующих ее карбонила >С=0 и гидроксила -ОН.

Класс карбоновых кислот чрезвычайно многообразен. В него входят одно-, двух- и многоосновные кислоты, непредельные и ароматические. Но эти подклассы карбоновых кислот являются предметом изучения в школах и классах естественнонаучного профиля. Мы лишь упомянем о двух непредельных кислотах: С 17 Н 33 СООН - олеиновой кислоте (содержит в молекуле одну двойную связь) (рис. 50) и С 17 Н 31 СООН - линолевой кислоте (содержит в молекуле две двойные связи). Эти кислоты называют жирными, и теперь, очевидно, вам стало понятно, почему мы обращаем ваше внимание на эти кислоты - они входят в состав жидких жиров.

Рис. 50.
Масштабная модель молекулы олеиновой кислоты

Однако вернемся к предельным одноосновным карбоновым кислотам. Начинает гомологический ряд этих кислот соединение, которое не полностью отвечает приведенному выше определению, - муравьиная, или метановая, кислота

Как видно, карбоксил в ее молекуле связан не с углеводородным радикалом, а с атомом водорода, как и карбонил в муравьином альдегиде (рис. 51).

Рис. 51.
Модель молекулы муравьиной (метановой) кислоты:

Очевидно, что названия кислот и соответствующих им альдегидов идентичны.

То, что строение муравьиной кислоты отличается от строения молекул других одноосновных карбоновых кислот, обусловливает и особенности ее химических свойств. Она вступает в реакцию «серебряного зеркала» подобно альдегидам, так как ее молекула представляет собой синтез двух функциональных групп: карбонильной и карбоксильной.

Муравьиная кислота - это жидкость с резким запахом (t кип = 100,8 °С), хорошо растворимая в воде. Муравьиная кислота ядовита! При попадании на кожу она вызывает ожоги. Жалящая жидкость, выделяемая муравьями, крапивой, некоторыми видами медуз, содержит эту кислоту (рис. 52).

Рис. 52.
Муравьиную кислоту содержит жалящая жидкость:
1 - медуз; 2 - крапивы; 3 - муравьев

Муравьиная кислота обладает дезинфицирующим действием и поэтому находит применение в пищевой, кожевенной и фармацевтической промышленности, а также в медицине. Кроме этого, ее используют при крашении тканей и бумаги (рис. 53).

Рис. 53.
Применение муравьиной кислоты:
1 - кожевенная промышленность; 2 - крашение тканей; 3 - медицина

Уксусная, или этановая, кислота

(рис. 54) - это бесцветная жидкость с характерным резким запахом, смешивается с водой в любых отношениях. Водные растворы уксусной кислоты поступают в продажу под названием «столовый уксус» (3-5%-й раствор), «уксусная эссенция» (70-80%-й раствор) и широко используются в пищевой промышленности.

Рис. 54.
Модель молекулы уксусной (этановой) кислоты:
1 - шаростержневая; 2 - масштабная

Уксусная кислота - хороший растворитель многих органических соединений, применяется при крашении, в кожевенном производстве, лакокрасочной промышленности (рис. 55). Кроме этого, уксусная кислота является исходным сырьем для производства многих важных в техническом отношении органических соединений: искусственных волокон, ядохимикатов, кино- и фотопленок и т. д. Уксусная кислота чрезвычайно опасна при попадании на кожу, поэтому необходимо соблюдать меры безопасности при работе с уксусной эссенцией.

Рис. 55.
Применение уксусной кислоты:
1 - консервирование; 2 - производство искусственных волокон, тканей; 3 - приправа к пище; 4-8 - производство органических соединений (пестицидов 4, лаков 5, красок 6, фотопленки 7, клея 8)

С увеличением относительной молекулярной массы в гомологическом ряду предельных одноосновных карбоновых кислот увеличиваются их плотность, температуры кипения и плавления, уменьшается растворимость в воде.

Высшие карбоновые кислоты, также называемые жирными (догадались почему), являются твердыми веществами. Это, например, пальмитиновая С 15 Н 31 СООН (рис. 56, 1) и стеариновая С 17 Н 35 СООН кислоты (рис. 56, 2).

Рис. 56.
Масштабные модели молекул:
1 - пальмитиновой кислоты; 2 - стеариновой кислоты

Химические свойства карбоновых кислот определяются в первую очередь их принадлежностью к типу кислот вообще. Подобно неорганическим кислотам, карбоновые кислоты являются электролитами, правда очень слабыми, а потому диссоциируют обратимо:

Водные растворы карбоновых кислот изменяют окраску индикаторов.

С увеличением углеводородного радикала происходит уменьшение степени электролитической диссоциации.

Как и неорганические кислоты, карбоновые взаимодействуют с металлами, основными и амфотерными оксидами, основаниями, амфотерными гидроксидами и солями.

Так, муравьиная и уксусная кислоты взаимодействуют с металлами, стоящими в электрохимическом ряду напряжений до водорода:

Эти кислоты реагируют с основными и амфотерными оксидами с образованием солей - формиатов и ацетатов:

Аналогично муравьиная и уксусная кислоты взаимодействуют с основаниями и амфотерными гидроксидами:

Взаимодействуют эти кислоты с солями более слабых кислот. Реакции идут до конца, если образуется осадок или газ:

Органические кислоты, как вы уже знаете, вступают в реакцию этерификации со спиртами, образуя сложные эфиры, согласно уравнению

Новые слова и понятия

1. Карбоксильная группа.
2. Карбоновые кислоты. Предельные одноосновные карбоновые кислоты.
3. Непредельные карбоновые кислоты: олеиновая и линолевая.
4. Муравьиная и уксусная кислоты.
5. Свойства карбоновых кислот: взаимодействие с металлами, основными и амфотерными оксидами, основаниями, амфотерными гидроксидами и солями.
6. Формиаты и ацетаты.
7. Реакция этерификации. Сложные эфиры.
8. Применение карбоновых кислот.

Вопросы и задания

1. Какие вещества называют предельными одноосновными карбоновыми кислотами?
Предельные одноосновные карбоновые кислоты – это органические соединения, молекулы которых содержат одну карбоксильную группу и насыщенный углеводородный радикал.

2. Рассмотрите переход количественных изменений в качественные на примере изменения физических свойств карбоновых кислот в гомологическом ряду.
С ростом молярной массы увеличивается температура плавления и кипения, растет плотность вещества. Первые девять представителей гомологического ряда – жидкости, с десятого и выше – твердые вещества.

3. Какие свойства являются общими для неорганических и карбоновых кислот? Подтвердите свой ответ уравнениями реакций.

4. В какие реакции могут вступать олеиновые и линолевые кислоты как непредельные органические соединения? Как называют эти реакции? Запишите их уравнения.

5. Структурную формулу муравьиной кислоты можно записать и таким образом . Следовательно, эта кислота будет являться веществом с двойственной функцией. Как можно назвать ее? Какую реакцию, характерную для других кислот, даст муравьиная кислота?

6. Запишите уравнения реакций, с помощью которых можно осуществить следующие превращения:

7. Какое вещество вызывает жалящее действие крапивы и стрекательных клеток медуз? Как снять боль от ожогов, вызванных выделениями этих организмов?
Жалящее действие вызвано муравьиной кислотой. Для уменьшения болевых ощущений место поражения необходимо обработать раствором соды для нейтрализации кислоты.

8. В уксусной кислоте растворили 250 г известняка, содержащего 20% примесей, и получили при этом 33,6 л (н.у.) углекислого газа. Какую объемную долю составляет выход углекислого газа от теоретически возможного?

9. Царица Клеопатра по совету придворного медика растворила в уксусе самую крупную из известных ювелирам жемчужину, а затем принимала полученный раствор в течение некоторого времени. Какую реакцию осуществила Клеопатра? Какое соединение она принимала?
Клеопатра осуществила реакцию взаимодействия уксусной кислоты и карбоната кальция. Именно из него состоят жемчужины. В результате получилась смесь из углекислого газа, ацетата кальция и воды. Пила она именно ацетат кальция.

10. На нейтрализацию 10,6 г смеси растворов муравьиной и уксусной кислот затратили 200 г 4%-ного раствора гидроксида натрия. Рассчитайте массовые доли кислот в исходной смеси.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

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

Первые три члена гомологического ряда карбоновых кислот, включая пропионовую кислоту, — жидкости, имеющие резкий запах, хорошо растворимые в воде. Следующие гомологи, начиная с масляной кислоты, — также жидкости, обладающие резким неприятным запахом, но плохо растворимые в воде. Высшие кислоты, с числом атомов углерода 10 и более, представляют собой твердые вещества, без запаха, нерастворимые в воде. В целом, в ряду гомологов с увеличением молекулярной массы уменьшается растворимость в воде, уменьшается плотность и возрастает температура кипения (табл. 1).

Таблица 1. Гомологический ряд карбоновых кислот.

Получение карбоновых кислот

Карбоновые кислоты получают окислением предельных углеводородов, спиртов, альдегидов. Например, уксусную кислоту - окислением этанола раствором перманганата калия в кислой среде при нагревании:

Химические свойства карбоновых кислот

Химические свойства карбоновых кислот обусловлены в первую очередь особенностями их строения. Так, растворимые в воде кислоты способны диссоциировать на ионы:

R-COOH↔R-COO — + H + .

Благодаря наличию в воде иона H + они имеют кислый вкус, способны менять окраску индикаторов и проводить электрический ток. В водном растворе эти кислоты - слабые электролиты.

Карбоновые кислоты обладают химическими свойствами, характерными для растворов неорганических кислот, т.е. взаимодействуют с металлами (1), их оксидами (2), гидроксидами (3) и слабыми солями (4):

2CH 3 -COOh + Zn → (CH 3 COO) 2 Zn + H 2 (1);

2CH 3 -COOH + CuO→ (CH 3 COO) 2 Cu + H 2 O (2);

R-COOH + KOH → R-COOK + H 2 O (3);

2CH 3 -COOH + NaHCO 3 → CH 3 COONa + H 2 O + CO 2 (4).

Специфическое свойство предельных, а также непредельных карбоновых кислот, проявляемое за счет функциональной группы, — взаимодействие со спиртами.

Карбоновые кислоты взаимодействуют со спиртами при нагревании и в присутствии концентрированной серной кислоты. Например, если к уксусной кислоте прилить этиловый спирт и немного серной кислоты, то при нагревании появляется запах этилового эфира уксусной кислоты (этилацетата):

CH 3 -COOH + C 2 H 5 OH ↔CH 3 -C(O)-O-C 2 H 5 + H 2 O.

Специфическое свойство предельных карбоновых кислот, проявляемое за счет радикала, — реакция галогенирования (хлорирования).

Применение карбоновых кислот

Карбоновые кислоты служат исходным сырьем для получения кетонов, галогенангидридов, виниловых эфиров и других важных классов органических соединений.

Муравьиная кислота широко применяется для получения сложных эфиров, используемых в парфюмерии, в кожевенном деле (дубление кож), текстильной промышленности (как протрава при крашении), в качестве растворителя и консерванта.

Водный раствор (70-80%-ной) уксусной кислоты называется уксусной эссенцией, а 3-9%-ный водный раствор - столовым уксусом. Эссенция нередко используется для получения уксуса в домашних условиях путем разведения.

Примеры решения задач

ПРИМЕР 1

Задание

С помощью каких химических реакций можно осуществить следующие превращения: а) CH 4 → CH 3 Cl → CH 3 OH → HCHO → HCOOH → HCOOK. Напишите уравнения реакций, укажите условия их протекания.

Ответ

а) Хлорирование метана на свету приводит к получению хлорметана: CH 4 + Cl 2 →CH 3 Cl + HCl. Галогенпроизводные алканов подвергаются гидролизу в водной или щелочной среде с образованием спиртов: CH 3 Cl + NaOH→CH 3 OH + NaCl. В результате окисления первичных спиртов, например, дихроматом калия в кислой среде в присутствии катализатора (Cu, CuO, Pt, Ag) образуются альдегиды: CH 3 OH+ [O] →HCHO. Альдегиды легко окисляются до соответствующих карбоновых кислот, например, перманганатом калия: HCHO + [O] →HCOOH. Карбоновые кислоты, проявляют все свойства, присущие слабым минеральным кислотам, т.е. способны взаимодействовать с активными металлами с образованием солей: 2HCOOH+ 2K→2HCOOK + H 2 .

ПРИМЕР 2

Задание

Напишите уравнения реакций между следующими веществами: а) 2-метилпропановой кислотой и хлором; б) уксусной кислотой и пропанолом-2; в) акриловой кислотой и бромной водой; г) 2-метилбутановой кислотой и хлоридом фосфора (V). Укажите условия протекания реакций.

Ответ

а) в результате реакции взаимодействия между 2-метилпропановой кислотой и хлором происходит замещение атома водорода в углеводородном радикале, находящемся в a-положение; образуется 2-метил-2-хлорпропановая кислота H 3 C-C(CH 3)H-COOH + Cl 2 → H 3 C-C(CH 3)Cl-COOH + HCl (kat = P). б) в результате реакции взаимодействия между уксусной кислотой и пропанолом-2 происходит образование сложного эфира - изопропиловый эфир уксусной кислоты. CH 3 -COOH + CH 3 -C(OH)H-CH 3 → CH 3 -C(O)-O-C(CH 3)-CH 3 . в) в результате реакции взаимодействия между акриловой кислотой и бромной водой присоединение галогена по месту двойной связи в соответствии с правилом Марковникова; образуется 2,3-дибромпропановая кислота CH 2 =CH-COOH + Br 2 → CH 2 Br-CHBr-COOH г) в результате реакции взаимодействия между 2-метилбутановой кислотой и хлоридом фосфора (V) образуется соответствующий хлорангидрид CH 3 -CH 2 -C(CH 3)H-COOH + PCl 5 →CH 3 -CH 2 -C(CH 3)H-COOCl + POCl 3 + HCl.

Карбоновые кислоты.

Строение карбоновых кислот

Карбоновые кислоты - это органические соединения, которые характеризуются присутствием в их молекулах карбоксильной группы -СООН .

Является функциональной (характеристической) группой этого класса соединений. Примерами карбоновых кислот могут служить:

Свойства карбоновых кислот.

Кислотный характер этих соединений является результатом того, что атом водорода гидроксильной группы способен диссоциировать с образованием иона водорода, например:

Взаимодействуя с основаниями карбоновые кислоты образуют соли:

Карбоновые кислоты являются слабыми кислотами, поэтому их соли подвергаются обратимоми гидролизу. Наиболее сильные из карбоновых кислот – муравьиная и уксусная .

Карбоновые кислоты со спиртами образуют сложные эфиры . Сложные эфиры – чрезвычайно важное соединение, очень часто встречающееся в продуктах животного и растительного мира.

Классификация карбоновых кислот.

Карбоновые кислоты можно классифицировать по различным признакам:

1. По количеству гидрокильных групп (одно- и двухосновные),
2. По числу атомов углерода (низшие, средние, высшие),
3. По наличию в них предельных и не предельных связей (предельные и непредельные).

Одноосновные и двухосновные карбоновые кислоты.

Карбоновые кислоты делятся одноосновные и двухосновные в зависимости от кличества в их составе гидроксильных групп ОН.

Все карбоновые кислоты , рассмотренные выше – это примеры одноосновных кислот. В их сотавах содержится по одной гидроксильной группе.

Соответственно, в молекулах двухосновных кислот содержится по две гидроксильных группы. К двухосновным карбоновым кислотам относятся, например, щавелевая или терефталиевая кислоты.

Низшие, средние и высшие карбоновые кислоты.

По числу атомов углерода в молекуле карбоновые кислоты делят на:

Низшие (С1-С3 ),

Средние (С4-С8 ) и

Высшие (С9-С26 ).

Высшие карбоновые кислоты называют высшими жирными кислотами, по причине того, что они входят в состав природных жиров.

Но иногда жирными называют все ациклические карбоновые кислоты. Таким образом, термины «жирные кислоты » и «карбоновые кислоты » часто используются как синонимы .

Предельные и непредельные карбоновые кислоты.

Предельные карбоновые кислоты в своём составе, содержат радикал предельных углеводородов, т.е. радикал только с простыми, одинарными связями.

И наоборот, непредельные карбоновые кислоты в своём составе содержат радикал непредельных углеводородов, т.е. радикал, в котором присутствуют кратные (двойные и тройные) связи.

Высшие карбоновые (жирные) кислоты

Напомним, что высшим карбоновым кислотам относят такие карбоновые кислоты, молекулы которых содержат сравнительно большое число атомов углерода (С9-С26 ).

По причине того, что высшие карбоновые кислоты входят в состав животных и растительных жиров их называют высшими жирными кислотами.

Примеры предельных высших жирных кислот:

1. Каприновая кислота - C 9 H 19 COOH ,
2. Лауриновая кислота - С 11 Н 23 СООН ,
3. Миристиновая кислота - С 13 Н 27 СООН ,
4. С 15 Н 31 СООН ,
5. Стеариновая кислота – С 17 Н 35 СООН .

Примеры непредельных высших жирных кислот:

С 17 Н 33 СООН – имеет одну двойную связь,
1. Линолевая кислота – С 17 Н 31 СООН - имеет две двойных связи,
2. Линоленовая кислота – С 17 Н 29 СООН – имеет три двойных связи.

Структурные формулы соединений, в которых присутствуют длинные углеводородный радикалы, часто изображают следующим образом:

В углеводородной цепи атомы углерода расположены не по прямой линии, а виде «змейки». Угол между двумя соседними отрезками такой «змейки» 109 градусов 28 минут. В случае двойной связи угол другой.

В структурной формуле каждая вершина такой «змейки» означает атом углерода, соединённый с двумя атомами водорода. Последний атом углерода соединён с тремя атомами водорода. При этом сами символы углерода (С ) и водорода(Н ) не изображаются.

Предельные и непредельные жирные кислоты имеют в значительной степени различные свойства.

Высшие предельные кислоты – воскообразные вещества, непредельные – жидкости (напоминающие растительное масло).

Натриевые и калиевые соли высших жирных кислот называют мылами .

Например:

C 17 H 35 COONa – стеарат натрия,

С – пальмитат калия.

Натриевые мыла – твёрдые, калиевые – жидкие.

Примеры карбоновых кислот

– жилкость с острым раздражающим запахом.

Температура кипения 118,5 градусов С, при +16,6 градусах С застывает в кристаллическую массу, похожую на лёд.

Смешивается с водой в любых соотношениях.

Широко применяется как прправа к пище и консервирующее средство. В продаже встречается в виде уксусной эссенции (80%) и уксуса (9,3%).

Натуральный или винный уксус – продукт, содержащий уксусную кислоту и получающийся при скисании виноградного вина.

Используется также при синтезе многих органических веществ и в качестве растворителя.

Уксусную кислоту получают преимущественно синтезом из ацетилена – присоединением к нему воды и окислением образующегося уксусного альдегида.

Бензойная кислота простейшая одноосновная кислота ароматического ряда. Формула С 6 Н 5 -СООН .

На вид – бесцветные кристаллы.

– антисептик. Применяется для консервирования пищевых продуктови во многих органических синтезах.

– простейшая двухосновная карбоновая кислота.

Формула НООС-СООН.

– кристаллическое вещество, растворяется в воде, ядовита.

В виде кислой калиевой соли содержится во многих растениях.

Применяется для крашения тканей.

Терефталевая кислота НООС-С 6 Н 4 -СООН

Двухосновная карбоновая кислота ароматического ядра.

Её структурная формула:

Из терефталевой кислоты и этиленгликоля получают синтетическое волокно лавсан.

Может служить примером соединения со смешанными функциями – проявляет свойства кислоты и спирта (спиртокислота )

Она образуется при молочнокислом брожении сахаристых веществ, вызываемых особыми бактериями. Содержится в кислом молоке, рассоле квашеной капусты, силосе.

– аналог молочной кислоты в ароматическом ряду. Имеет строение:

Относится к соединениям со смешанными функциями – проявляет свойства кислоты и фенола (фенолокислота ).

– антисептик. Её используют (особенно её соли и эфиры) как лекарственное вещество.

Также салициловую кислоту используют при синтезе других продуктов.