Урок 21. Карбоновые кислоты
план-конспект урока по химии (10 класс)

Урок 21. Карбоновые кислоты

Карбоновые кислоты: классификация, изомерия, номенклатура

Карбоновые кислоты — производные углеводородов, в молекулах которых содержатся карбоксильные группы

Дополнительная информация

Что такое карбоксил?

Что такое карбоксил?

Карбоксильная группа (карбоксил) — сложная функциональная группа, состоящая из карбонила и гидроксила:

Классификация карбоновых кислот R(COOH)n

Общая формула одноосновных карбоновых кислот: 

Общая формула предельных одноосновных карбоновых кислот:CnH2n+1COOH (n ≥ 0)

Первые три члена этого гомологического ряда не имеют изомеров внутри класса, для других возможна изомерия углеродной цепи:

Обратите внимание на то, что:

• международные названия кислот составляют добавлением к названию соответствующего алкана окончания –овая и слова кислота;
• тривиальные названия карбоновых кислот и соответствующих альдегидов подобны (НСНО — муравьиный альдегид, НСООН — муравьиная кислота; СН3СНО — уксусный альдегид, СН3СООН — уксусная кислота).

Электронное строение карбоновых кислот обусловлено наличием и влиянием друг на друга двух функциональных групп:

гидроксильной O—H и карбонильной C=O.

Результатом взаимного влияния двух функциональных групп (карбонильной C=O и гидроксильной O—H) является:

Ансамбль "не в коня корм"

• увеличение полярности связи OH и подвижности атома водорода по сравнению со спиртами;
• уменьшение полярности связи C=O и увеличение ее прочности по сравнению с альдегидами.

Дополнительная информация

Электронное строение и кислотные свойства

Электронное строение и кислотные свойства

Карбоксильная группа содержит сильнополяризованную карбонильную группу 

Атом С с частичным положительным зарядом притягивает к себе неподеленную пару электронов от атома кислорода группы OH. Электронная плотность на атоме кислорода понижается, вместе с тем увеличивается полярность связи O ← H и водород легче отщепляется в виде протона.

Карбоксилат-ион построен симметрично, отрицательный заряд делокализован между атомами кислорода карбоксильной группы.

Делокализация стабилизирует карбоксилат-ион.

Это интересно!

Щавелевая кислота HOOC — COOH содержится в лиственных растениях, например в ревене, шпинате, щавеле в виде калиевой соли, а кальциевая соль — составная часть некоторых почечных камней.

Это интересно!

Янтарная кислота HOOC—CH2—CH2—COOH присутствует в свободном виде как в растениях, так и в животных, а также содержится в окаменевшей смоле — янтаре.

 Янтарь

Это интересно!

Бензойная кислота C6H5COOH встречается в свободном виде в некоторых смолах, особенно в бензойной смоле и в «драконовой крови».

Заметное количество бензойной кислоты содержится в клюкве, бруснике, морошке. Бензойная кислота — прекрасный природный консервант, поэтому эти ягоды можно хранить без особых ухищрений почти целый год.

В виде бензилового эфира она входит в состав перуанского бальзама.

 Брусника и клюква

Это интересно!

Муравьиную кислоту содержит жалящая жидкость медуз, крапивы, муравьев.

Физические свойства

В твердом, жидком (а иногда газообразном) состоянии молекулы карбоновых кислот образуют димеры, соединяясь попарно двумя водородными связями:

Водородная связь в кислотах сильнее, чем в спиртах, поэтому температуры кипения кислот выше температур кипения соответствующих спиртов.

Образованием водородных связей с водой объясняется и растворимость низших карбоновых кислот.

Это интересно!

В малых количествах пропионовая кислота обнаружена в молоке, масле, сырах, древесной смоле.

Химические свойства

Карбоновые кислоты — слабые электролиты

Кислотная среда водного раствора уксусной кислоты обнаруживается с помощью индикаторов: универсального, лакмуса, метилоранжа.

С увеличением R сила карбоновых кислот уменьшается.

Дополнительная информация

Сила карбоновых кислот

Сила карбоновых кислот

Кислотные свойства спиртов выражаются только в одной реакции — взаимодействии с очень активными металлами, например с натрием.

Алкильные радикалы, начиная с метильного в уксусной кислоте, отталкивая электроны С—С связи, уменьшают положительный заряд на атоме углерода карбоксильной группы, это в свою очередь уменьшает полярность связи O—H. Поэтому кислотные свойства в представленном ниже ряду ослабляются:

Карбоновые кислоты, как и неорганические, взаимодействуют с:

• металлами до H2 (в электрохимическом ряду напряжений)

;

• основными оксидами

;

• основаниями (и амфотерными гидроксидами)

;

• солями более слабых кислот

.

NaHCO3 — гидрокарбонат натрия (питьевая сода). Уравнение реакции отражает известный в быту процесс — «гашение» соды.

Этерификация

Реакция этерификации — это межмолекулярная дегидратация при взаимодействии кислот и спиртов с образованием сложных эфиров (разрушается связь СO).

Галогенирование (замещение атомов H в радикале)

Особенно легко замещение происходит в углеводородном звене, ближайшем к карбоксилу.

Подведем итоги

Выделим реакционные центры в молекулах карбоновых кислот и укажем, какие свойства с ними связаны:

Реакции присоединения с участием карбонильной группы не характерны, т. к. двойная связь по сравнению с альдегидами более прочная.

Дополнительная информация

Реакции образования функциональных производных карбоновых кислот

Реакции образования функциональных производных карбоновых кислот

Функциональные производные карбоновых кислот — это соединения, в которых гидроксильная группа замещена на какую-либо иную группу или атом:

Общим свойством всех функциональных производных карбоновых кислот является то, что они гидролизуются с образованием исходной кислоты.

Сложные эфиры тоже функциональные производные кислот, однако реакция этерификации ввиду ее важности рассматривалась отдельно.

Это интересно!

Капроновая кислота CH3—(CH2)4—COOH входит в состав козьего жира (латинское caper — «коза»).

Это интересно!

Валериановая кислота CH3—(CH2)3—COOH есть в растении под названием «валериана».

 Валериана

Это интересно!

С помощью бактерий, выделяющих пропионовую кислоту, можно уберечь силос от гниения.

Это интересно!

Масляная кислота CH3—CH2—CH2—COOH является низшей кислотой, содержащейся в виде сложного эфира с глицерином в масле. А в свободном виде она обнаружена в грибах и в потовых выделениях, имеет отвратительный запах. Латинское butyrum — «масло» — дало название масляной кислоте.

Отдельные представители карбоновых кислот

Муравьиная кислота HCOOH

• Вещество с двойственной функцией:

Легко окисляется аммиачным раствором оксида серебра:

• Применяется как консервант фруктовых и овощных полуфабрикатов, дезинфицирующее средство, сырье для получения сложных эфиров.

Уксусная кислота CH3COOH

• 3 — 9% раствор — уксус, 70 — 80% раствор — уксусная эссенция, применяется как консервант в пищевой промышленности.
• Растворитель многих органических веществ.
• Сырье в производстве красителей, лекарств, душистых веществ, гербицидов и др.

Высшие предельные карбоновые кислоты

C15H31COOH — пальмитиновая кислота.

C17H35COOH — стеариновая кислота.

Модель стеариновой кислоты

Натриевые и калиевые соли этих кислот (пальмитаты C15H31COONa, C15H31COOK; стеараты C17H35COONa, C17H35COOK) хорошо растворимы в воде, обладают моющим действием и являются основой твердого и жидкого мыла соответственно.

Олеиновая кислота C17H33COOH

Олеиновая кислота — вещество с двойственной функцией (непредельная карбоновая кислота).

Это жидкость, в отличие от стеариновой кислоты, с более слабым межмолекулярным взаимодействием, что обусловлено строением ее молекул, которые имеют цис-форму:

Высшие предельные и непредельные карбоновые кислоты входят в состав природных жиров, поэтому их называют жирными.

Это интересно!

Чем только в старину не лечились! Человека, страдающего радикулитом, сажали на потревоженный муравейник. Разъяренные муравьи (вернее, муравьиная кислота) быстро приводили его в движение. Говорят, эффект был стойким.

Это интересно!

Мы часто в прямом и переносном смысле употребляем фразу «нюх как у собаки». Она не лишена основания: собака улавливает запахи в концентрации, недоступной не только обонянию человека, но и современным приборам. Например, она может уловить запах масляной кислоты, если в 1 см3 воздуха содержится всего 9000 молекул этого вещества, т. е. всего 9000 / 6 · 1023 = 1,5 · 10-20 моль вещества!

Это интересно!

Мировое производство уксусной кислоты (только для непищевых целей) составляет около 4 млн т/год!

Общие способы получения

Каталитическое окисление кислородом воздуха:

Напомним, что в схемах реакций часто используют символ [O], он означает условную запись окислителя.

В лабораторных условиях окислителем альдегидов, как вы знаете, могут быть аммиачный раствор оксида серебра Ag2O и свeжеприготовленный гидроксид меди (II) Cu(OH)2.

Напишите уравнения реакций получения уксусной кислоты окислением алкана, спирта, альдегида.

Ответ

Другие способы получения карбоновых кислот

Это интересно!

Еще в XVI веке было обнаружено, что выделяющийся из муравейников «кислый пар» изменяет синий цвет растительных красителей на красный. Неудивительно, что Дж. Рей, впервые получив новую кислоту перегонкой … муравьев, назвал ее муравьиной.