Текст учебника. Урок 13. Предельные одноосновные карбоновые кислоты

Предельные одноосновные карбоновые кислоты

1. Карбоновые кислоты: функциональная группа, гомологический ряд

Карбоновые кислоты – это органические вещества, в молекулах которых содержится одна или несколько карбоксильных групп (–COOH), связанных с углеводородным радикалом.

Карбоксильная группа (–COOH) является функциональной группой этих соединений и состоит из карбонильной группы (>C=O) и гидроксильной группы (–OH), непосредственно связанных друг с другом. Именно такое сочетание и их взаимное влияние определяют специфические свойства карбоновых кислот.

Предельные одноосновные карбоновые кислоты содержат в молекуле одну карбоксильную группу и не содержат кратных связей в углеводородном радикале. Их общая формула – CnH2n+1COOH или, в упрощенном виде, CnH2nO2.

Представители гомологического ряда предельных одноосновных кислот:

• Метановая (муравьиная) кислота: HCOOH

• Этановая (уксусная) кислота: CH3COOH

• Пропановая (пропионовая) кислота: C2H5COOH

• Бутановая (масляная) кислота: C3H7COOH

• Пентановая (валериановая) кислота: C4H9COOH

С увеличением молекулярной массы в гомологическом ряду закономерно изменяются физические свойства: возрастают температуры кипения и плавления, а кислоты, начиная с масляной, при комнатной температуре представляют собой мазеобразные вещества.

2. Номенклатура и изомерия карбоновых кислот

Номенклатура
Для названия карбоновых кислот используют международную заместительную номенклатуру (ИЮПАК).

1. Главная углеродная цепь должна обязательно включать атом углерода карбоксильной группы.

2. Нумерация атомов углерода в главной цепи начинается с атома карбоксильной группы.

3. Название кислоты образуется от названия соответствующего углеводорода с добавлением суффикса «-овая» и слова «кислота».

Например:
CH3–CH2–CH2–COOH — бутановая кислота.
(CH3)2CH–COOH — 2-метилпропановая кислота.

Изомерия
Для карбоновых кислот характерны следующие виды изомерии:

1. Изомерия углеродного скелета (начиная с бутановой кислоты (C4H8O2)):

   • бутановая кислота (CH3–CH2–CH2–COOH)

   • 2-метилпропановая кислота ((CH3)2CH–COOH)

2. Межклассовая изомерия со сложными эфирами, имеющими одинаковую общую формулу CnH2nO2.

   • Например, пропановая кислота (C2H5COOH) и метиловый эфир уксусной кислоты (метилацетат, CH3COOCH3) являются межклассовыми изомерами.

3. Связь между строением и силой кислот (влияние радикала)

Карбоновые кислоты являются электролитами и в водных растворах диссоциируют с образованием катионов водорода (H+) и анионов кислотного остатка (RCOO–):

R–COOH ⇄ R–COO– + H+

Однако они относятся к слабым электролитам. Сила кислоты зависит от легкости, с которой разрывается связь O–H в гидроксильной группе. Электроотрицательный атом кислорода карбонильной группы оттягивает на себя электронную плотность, что увеличивает полярность связи O–H и облегчает отщепление протона. Этот эффект называется отрицательным индуктивным эффектом (–I).

Углеводородный радикал, обладающий положительным индуктивным эффектом (+I), наоборот, подпитывает карбоксильную группу электронной плотностью. Это компенсирует дефицит электронной плотности на атоме кислорода, уменьшает полярность связи O–H и затрудняет отщепление протона. Чем больше и разветвлённее радикал, тем сильнее проявляется этот эффект.

Поэтому сила кислот в гомологическом ряду убывает:
HCOOH > CH3COOH > C2H5COOH > C3H7COOH ...

Муравьиная кислота – самая сильная в ряду предельных одноосновных кислот, так как в ней у карбоксильной группы «слабый» атом водорода, а не донор электронов – углеводородный радикал.

4. Химические свойства карбоновых кислот

Химические свойства карбоновых кислот обусловлены строением карбоксильной группы и подразделяются на реакции, идущие с разрывом связи O–H (кислотные свойства) и с разрывом связи C–OH (реакции с участием гидроксильной группы).

1. Реакции диссоциации. Кислотные свойства.
Карбоновые кислоты проявляют общие свойства, характерные для всех кислот.

• Диссоциация в водном растворе: CH3COOH ⇄ CH3COO– + H+

• Изменяют окраску индикаторов (например, лакмуса в красный цвет).

2. Реакции с металлами.
Кислоты реагируют с металлами, стоящими в ряду активности металлов до водорода, с образованием соли и выделением газообразного водорода.

• 2CH3COOH + Mg → (CH3COO)2Mg + H2↑

3. Реакции с основаниями (реакция нейтрализации).
Кислоты реагируют с основными оксидами и нерастворимыми основаниями с образованием соли и воды.

• 2CH3COOH + CuO → (CH3COO)2Cu + H2O

• CH3COOH + NaOH → CH3COONa + H2O

4. Реакции с солями более слабых или летучих кислот.
Карбоновые кислоты вытесняют более слабые кислоты (например, угольную) из их солей.

• 2CH3COOH + Na2CO3 → 2CH3COONa + CO2↑ + H2O

5. Реакция этерификации (со спиртами).
При взаимодействии карбоновых кислот со спиртами в присутствии катализатора (минеральной кислоты, например, H2SO4) образуются сложные эфиры. Эта реакция обратима.

• CH3COOH + C2H5OH ⇄ CH3COOC2H5 + H2O

• (этановая кислота + этанол ⇄ этилацетат (этиловый эфир уксусной кислоты) + вода)

Таким образом, карбоновые кислоты – важный класс органических соединений, которые сочетают в себе свойства как неорганических кислот, так и специфические свойства, обусловленные их строением.