Карбоновые кислоты – определение в химии, формула, свойства

Карбоновые кислоты

Карбоновые кислоты – класс органических соединений, молекулы которых содержат одну или несколько карбоксильных групп COOH.

Имеют разнообразное промышленное применение и большое биологическое значение. Общая формула одноосновных карбоновых кислот CnH2nO2 .

Классификация карбоновых кислот

По количеству карбоксильных групп в молекуле карбоновые кислоты подразделяются на:

  • Одноосновные – 1 карбоксильная группа
  • Двухосновные – 2 карбоксильных группы
  • Трехосновные – 3 карбоксильных группы

Высшие карбоновые кислоты называют жирными кислотами. Более подробно мы изучим их теме, посвященной жирам, в состав которых они входят.

Номенклатура и изомерия карбоновых кислот

Названия карбоновых кислот формируются путем добавления суффикса “овая” к названию алкана с соответствующим числом атомов углерода и слова кислота: метановая кислота, этановая кислота, пропановая кислота, и т.д.

Многие карбоновые кислоты имеют тривиальные названия. Наиболее известные:

  • Метановая – HCOOH – муравьиная кислота
  • Этановая – CH3-COOH – уксусная кислота
  • Пропановая – C2H5-COOH – пропионовая кислота
  • Бутановая – C3H7-COOH – масляная кислота
  • Пентановая – C4H9-COOH – валериановая кислота

Для предельных карбоновых кислот характерна структурная изомерия: углеродного скелета, межклассовая изомерия со сложными эфирами.

Получение карбоновых кислот
  • Окисление алканов

При повышенной температуре и в присутствии катализатора становится возможным неполное окисление алканов, в результате которого образуются кислоты.

При реакции спиртов с сильными окислителями, такими как подкисленный раствор перманганата калия, спирты окисляются до соответствующих кислот.

При окислении альдегиды образуют соответствующие карбоновые кислоты. Окисление можно проводить качественной реакцией на альдегиды – реакцией серебряного зеркала.

Обратите особое внимание, что при написании реакции с аммиачным раствором серебра в полном виде, правильнее будет указать не кислоту, а ее аммиачную соль. Это связано с тем, что выделяющийся аммиак, который обладает основными свойствами, реагирует с кислотой с образованием соли.

Окисление альдегидов также может быть успешно осуществлено другим реагентом – свежеосажденным гидроксидом меди II. В результате такой реакции образуется осадок кирпично-красного цвета оксида меди I.

Существует специфический способ получения муравьиной кислоты, который заключается в реакции твердого гидроксида щелочного металла с угарным газом под давлением и температуре 200°С – образуется формиат (соль муравьиной кислоты).

При дальнейшей обработке формиата серной кислотой образуется муравьиная кислота.

Специфичность синтеза уксусной кислоты заключается в реакции угарного газа с метанолом, в результате которой она образуется.

Также уксусную кислоту можно получить другим путем: сначала провести реакцию Кучерова, в ходе которой образуется уксусный альдегид. Окислить его до уксусной кислоты можно аммиачным раствором оксида серебра или гидроксидом меди II.

Химические свойства карбоновых кислот

Для карбоновых кислот не характерны реакции присоединения. Карбоновые кислоты обладают более выраженными кислотными свойствами, чем спирты.

Карбоновые кислоты вступают в реакции с металлами, которые способны вытеснить водород (стоят левее водорода в ряду напряжений металлов) из кислоты. Реагируют также с основаниями, с солями более слабых кислот, например, угольной кислоты.

Галогенирование происходит по типу замещения в радикале, который соединен с карбоксильной группой. Напомню, что наиболее легко замещается водород у третичного, чуть сложнее – у вторичного, и значительно сложнее – у первичного атома углерода.

Сила карбоновых кислот тем выше, чем меньше электронной плотности сосредоточено на атоме углерода в карбоксильной группе. Поэтому самая слабая из трех кислот – уксусная, чуть сильнее – хлоруксусная, за ней – дихлоруксусная и самая сильная – трихлоруксусная.

Перераспределение электронной плотности в молекулах этих кислот для лучшего запоминания лучше увидеть наглядно. Это перераспределение обусловлено большей электроотрицательностью хлора, который притягивает электронную плотность.

Читайте также:
Муравьиная кислота - формула, свойства, получение и применение

Муравьиная кислота отличается от своих гомологов. За счет наличия у нее альдегидной группы, она, единственная из карбоновых кислот, способна вступать в реакцию серебряного зеркала.

В такой реакции идет ее окисление до нестойкой угольной кислоты, которая распадается на углекислый газ и воду.

При нагревании и в присутствии серной кислоты (водоотнимающего компонента) муравьиная кислота распадается на воду и угарный газ.

Сложные эфиры

Получение сложных эфиров происходит в реакции этерификации (лат. aether – эфир), заключающейся во взаимодействии карбоновой кислоты и спирта.

Названия сложных эфиров формируются в зависимости от того, какой кислотой и каким спиртом эфир образован. Примеры:

  • Метановая кислота + метанол = метиловый эфир метановой кислоты (метилформиат)
  • Этановая кислота + этанол = этиловый эфир уксусной кислоты (этилацетат)
  • Метановая кислота + этанол = этиловый эфир метановой кислоты (этилформиат)
  • Пропановая кислота + бутанол = бутиловый эфир пропионовой кислоты (бутилпропионат)

Для сложных эфиров характерной реакцией является гидролиз – их разложение. Возможен щелочной гидролиз, при котором образуется соль кислоты и спирт, и кислотный гидролиз, при котором образуются исходные спирт и кислота.

Кислотный гидролиз протекает обратимо, щелочной – необратимо. Реакция щелочного гидролиза по-другому называется реакция омыления, и напомнит о себе, когда мы дойдем до темы жиров.

Ангидриды

Ангидриды – химические соединения, производные неорганических и органических кислот, образующиеся при их дегидратации.

Хлорангидриды карбоновых кислот образуются в реакции карбоновых кислот с хлоридом фосфора V.

Следующая реакция не имеет отношения к ангидридам, однако (из-за их схожести) вы увидите ее здесь для наилучшего запоминания. Это реакция галогенирования гидроксикислот, в результате которой гидроксогруппа в радикале меняется на атом галогена.

Непредельные карбоновые кислоты

Распределение электронной плотности в молекулах творит чудеса: иногда реакции идут против правила Марковникова. Так происходит в непредельной акриловой кислоте.

© Беллевич Юрий Сергеевич 2018-2021

Данная статья написана Беллевичем Юрием Сергеевичем и является его интеллектуальной собственностью. Копирование, распространение (в том числе путем копирования на другие сайты и ресурсы в Интернете) или любое иное использование информации и объектов без предварительного согласия правообладателя преследуется по закону. Для получения материалов статьи и разрешения их использования, обратитесь, пожалуйста, к Беллевичу Юрию.

Карбоновые кислоты — номенклатура, получение, химические свойства

Карбоновыми кислотами называются органические соединения, содержащие одну или несколько карбоксильных групп –СООН, связанных с углеводородным радикалом.

Классификация карбоновых кислот

По числу карбоксильных групп кислоты подразделяются на:
одноосновные (монокарбоновые) СН3СООН (уксусная),
многоосновные (дикарбоновые, трикарбоновые и т.д.) НООССН2СООН (малоновая).

По характеру углеводородного радикала различают кислоты:
предельные (например, CH3CH2CH2COOH);
непредельные (CH2=CH-COOH);
ароматические (C6H5COOH).

Номенклатура карбоновых кислот

Систематические названия кислот даются по названию соответствующего углеводорода с добавлением суффикса —овая и слова кислота: HCOOH — метановая (муравьиная) кислота, CH3COOH – этановая (уксусная) кислота.

Изомерия карбоновых кислот

Для карбоновых кислот характерная структурная изомерия:
а) изомерия скелета в углеводородном радикале (начиная с C4);
б) межклассовая изомерия, начиная с C2.

Возможна цис-транс изомерия в случае непредельных карбоновых кислот.

Строение карбоксильной группы:

Электронная плотность π-связи в карбонильной группе смещена в сторону атома кислорода. Вследствие этого у карбонильного углерода создается недостаток электронной плотности, и он притягивает к себе неподеленные пары атома кислорода гидроксильной группы, в результате чего электронная плотность связи О-Н смещается в сторону атома кислорода, водород становится подвижным и приобретает способность отщепляться в виде протона.

В водном растворе карбоновые кислоты диссоциируют на ионы.

Растворимость в воде и высокие температуры кипения кислот обусловлены образованием межмолекулярных водородных связей.

Читайте также:
Типы кристаллических решёток таблица с примерами атомной, ионной

С увеличением молекулярной массы растворимость кислот в воде уменьшается.

Способы получения карбоновых кислот

Химические свойства карбоновых кислот

Карбоновые кислоты проявляют высокую реакционную способность и вступают в реакции с различными веществами и образуют разнообразные соединения, среди которых большое значение имеют функциональные производные: сложные эфиры, амиды, нитрилы, соли, ангидриды, галогенангидриды.

Влияние заместителей на силу карбоновых кислот

  1. Донорные группы увеличивают прочность связи кислород-водород или дестабилизируют карбоксилат анион, подавая ещё больше электронной плотности, это приводит к уменьшению силы кислот.
  1. Акцепторные группы уменьшают электронную плотность связи кислород-водород или стабилизируют карбоксилат анион, это приводит к увеличению силы кислот (значение рКа уменьшается).

Урок 24. Карбоновые кислоты

Определение

Карбоновые кислоты — это производные углеводородов, в молекулах которых содержится одна или несколько карбоксильных групп:

Карбоксильная группа имеет сложный состав. Она состоит из карбонильной и гидроксильной (гидроксо) групп:

Карбоновые кислоты часто встречаются в природе, придавая ягодам и фруктам, а также некоторым другим продуктам питания кислый вкус. Их делят на различные группы (классы) по некоторым признакам:

  • По строению (составу) углеводородного радикала кислоты делят на:

в углеводородном радикале только простые связи;

– Непредельные (в углеводородном радикале есть кратная связь);

в углеводородном радикале есть кратная связь;

имеется бензольное кольцо.

Задание 24.1. Определите состав этих кислот.

Для того чтобы различить по составу предельные и непредельные кислоты, нужно умножить на два число атомов углерода в углеводородном радикале и сравнить полученную величину (С) с числом атомов водорода (В) в углеводородном радикале:

  • у предельных кислот В > C, например для С3Н7СООН: В = 7, а С = 3 · 2 = 6;
  • у непредельных кислот B Гомологический ряд, номенклатура, изомерия

Предельные одноосновные карбоновые кислоты образуют гомологический ряд с общей формулой:

  • n = 0, то Н–СООНметановая кислота (муравьиная)
  • n = 1, то СН3–СООНэтановая кислота (уксусная).

Вопрос. По какому принципу составляются названия кислот?

Для того чтобы составить название кислоты, нужно:

  • подсчитать все атомы углерода (считая и атом углерода карбоксильной группы);
  • назвать алкан, который имеет такое же число атомов углерода и то же строение;
  • дописать к этому названию «овая» и слово «кислота».

Кроме того, для кислот чаще всего используют тривиальные названия (муравьиная, уксусная), которые указывают на происхождение кислоты или её отличительные признаки. Например, название муравьиная указывает, что эта кислота входит в состав жгучего сока муравьёв. А слово «уксусная» происходит от греческого слова «оксос», что означает «кислый». Запомните некоторые из этих названий:

  • n = 2 CH3–СН2–СOОH С2Н5СООНпропионовая кислота,
  • n = 3 СН3–СН2–CH2–СООН С3Н7СООНмасляная кислота,
  • ………….
  • n = 17C17H35COOHстеариновая кислота.

Задание 24.3. Назовите по ИЮПАК пропионовую и масляную кислоты.

Если вы выполнили вышеизложенные правила, у вас получилось: пропановая кислота, бутановая кислота.

Начиная с n = 3, у кислот появляются изомеры. Изомерия предельных кислот связана со строением углеводородного радикала:

Задание 24.4. Составьте молекулярные формулы этих кислот и убедитесь, что это изомеры.

Строение молекул

В состав карбоксильной группы входит гидроксогруппа ОН.

Вопрос. В каких соединениях встречается функциональная группа ОН?

Такая же группа входит в состав молекул спиртов. Спирты проявляют очень слабые кислотные свойства, могут вступать в реакции только с очень активными, щелочными металлами, не изменяют окраску индикатора, не реагируют с растворами щелочей.

Если в раствор карбоновой кислоты добавить индикатор (лакмус), то раствор окрасится в красный цвет. Это означает, что кислоты проявляют более кислые свойства, чем спирты. Почему? Потому что карбонильная группа, которая расположена рядом с гидроксогруппой, влияет на неё.

Карбонильная группа, которая входит в состав карбоксильной группы, имеет (+) на атоме углерода. За счёт этого небольшого положительного заряда происходит смещение общих электронных пар связей «С–О» и «О–Н», поэтому эти связи становятся более полярными:

Таким образом, карбонильная группа увеличивает полярность связи О–Н, делая её более полярной. Поэтому атом водорода карбоксильной группы становится очень подвижным. Он легко замещается на атом металла, способен отщепляться в растворах: кислоты диссоциируют:

Гидроксогруппа тоже влияет на карбонильную группу, делая ее неактивной, поэтому кислоты не участвуют в реакциях с разрывом π-связи карбонильной группы.

Карбоксильная группа влияет на углеводородный радикал, делая некоторые связи С–Н в нём более полярными, и кислоты могут участвовать в реакциях замещения атомов водорода радикала.

Свойства кислот

Физические свойства

Кислоты с небольшим числом атомов углерода (1–10) — жидкости с резким запахом. Вкус у них разный — уксусная кислота — кислая, а масляная — горькая. Низшие кислоты растворимы в воде, причём с увеличением длины радикала их растворимость ухудшается.

Например, уксусная кислота — бесцветная жидкость с резким запахом. Смешивается с водой в любых соотношениях. 60…90 %-ные растворы уксусной кислоты (уксусная эссенция) опасны для жизни, в то время как 6…8 %-ные растворы столового уксуса широко применяются при приготовлении пищи.

Высшие кислоты, например стеариновая кислота, твёрдые, нерастворимые в воде вещества, лишённые запаха. Смесь таких кислот называется «стеарин». Из стеарина делают свечи.

Химические свойства

Кислоты проявляют все свойства неорганических кислот.

Вопрос. Какие свойства кислот вам известны?

Кислоты реагируют с металлами, которые стоят в ряду напряжений до водорода:

При составлении таких реакций следует помнить, что

  • кислотный остаток — это часть молекулы кислоты без подвижного атома водорода; в данном случае это: С3Н7СОО;
  • валентность кислотного остатка равна числу замещённых атомов водорода, в данном случае замещается один атом водорода и валентность равна I;
  • исходя из этого, нужно переписать после реакции кислотный остаток, взять его в скобки и за скобками поставить цифру, равную валентности металла, а затем записать символ самого металла.

В результате такой реакции образуется соль и выделяется водород.

Кислоты реагируют с основными и амфотерными оксидами:

В этом случае образуется соль и вода. Такие же продукты реакции образуются при взаимодействии кислоты и основания:

Большинство карбоновых кислот — слабые кислоты. Тем не менее они могут вытеснять более слабые кислоты из их солей:

Итак, во всех этих реакциях образуются соли. Названия солей происходят от латинских названий кислот. Запомните эти названия!

Задание 24.5. Составьте для известных Вам карбоновых кислот таблицу по схеме:

Названия солей см. выше (в уравнениях химических реакций).

Кислоты могут реагировать со спиртами, в результате получаются сложные эфиры:

Это реакция этерификации. Она происходит в присутствии концентрированной серной кислоты. (Подробнее о названиях и свойствах сложных эфиров см. урок 25.)

Кислоты могут реагировать с галогенами за счёт углеводородного радикала, при этом на атом галогена замещается атом водорода у ближайшего к карбоксильной группе атома углерода (это α-углеродный атом):

Получение и применение кислот

Кислоты можно получить при помощи окисления соответствующего альдегида:

Задание 24.6. Какой альдегид нужно взять для получения уксусной кислоты? 2-метилпропановой кислоты? Составьте уравнения реакций.

Вопрос. В каких условиях происходят процессы окисления альдегидов? Являются ли эти реакции качественными на альдегидную группу?

Кислоты применяются для получения душистых веществ, растворителей, входят в состав лекарств. Наибольшее применение получила ледяная (безводная) уксусная кислота, которая используется в технических целях (для получения лекарств, ацетатного шёлка, растворителей). В магазине можно купить и пищевую уксусную кислоту (70 %-ный раствор), и уксус (6 %-ный раствор). Концентрированная уксусная кислота — яд! Она вызывает тяжёлые ожоги внутренних органов, разрушает кровь. Её следует разбавлять водой до безопасных 5–7 % (примерно 1:10). Столовый уксус используют при приготовлении пищи. Его получают из глюкозы по схеме:

Некоторые (жирные) кислоты входят в состав жиров (см. урок 25).

Выводы

Кислоты — это производные углеводородов, содержащие карбоксильную группу. Для них характерны реакции:

  • замещения атома Н карбоксильной группы (с металлами);
  • обмена (с оксидами, гидроксидами, солями);
  • этерификации (со спиртами);
  • замещения атома Н радикала (с галогенами).

Кислоты входят в состав различных овощей, фруктов и других пищевых продуктов. Используются при приготовлении пищи, например уксус.

Карбоновые кислоты – особенности строения, классификация и примеры представителей

Описание вещества и параметры

Общая формула карбоновых кислот (не путать с карбонатной или угольной кислотой) — CH2 + COOH; в нормальных условиях имеют маслянистую жидкую форму с характерным неприятным запахом, однако начиная с C10-углеродов кислота представляет собой твёрдое вещество, нерастворимое в воде. Однако при количестве атомов углерода свыше 3, вещество неограниченно смешивается с водой. Так как кислотные свойства этого вещества являются относительно слабыми (за исключением муравьиной и уксусной кислоты), их соли подвергаются обратимому гидролизу.

Электронное строение карбоксильной группы сочетает в себе наличие двух функциональных групп — гидроксил (-OH) и карбонил (>C=0). Длина водородной связи в димере равна 0,26 нм, длина связи C=O в различных соединениях составляет около 0,122 нм. При диссоциации образуется стабилизированный сопряжением отрицательно заряженный анион.

Систематическая номенклатура

В названии этих химических соединений в первую очередь нумеруют атом углерода группы COOH. Образованные в процессе реакции соли получают наименования при помощи добавления суффикса «ат» или «оат» к названию углеводорода (к примеру, этандиоат калия). Гомологический ряд предельных и непредельных карбоновых растворов имеет следующий вид:

  • Тривиальное название — муравьиная кислота, систематическое — метановая. Химическая формула — H-COOH. Число двойных связей — 0. Температура плавления равна 8,4 градуса по Цельсию, температура кипения — 100,8.
  • Уксусная (этановая). Формула CH3-COOH. Реагент не имеет двойных связей, плавится при температуре 17 градусов, закипает при 118.
  • Пропионовая (пропановая). CH3-CH2-COOH, t плавления равна -22 градусам, t кипения 141 равен градус. Число двойных связей равно нулю.
  • Акриловая (пропеновая). CH2=CH-COOH. Кипит при 141 градусе, плавится при 12. Имеется 1 двойная связь (химические вещества этого типа особенно легко присоединяют водород при действии амальгамы натрия, а при окислении образуются диоксикислоты).
  • Капроновая (гексановая). CH3 (CH2)4-COOH. Температура плавления — минус 2 градуса, t кипения — 205.
  • Пальмитиновая (гексадекановая). C15-H31-COOH. Плавится при 64 градусах, кипит при 215. Двойных связей не имеется.
  • Стеариновая (октадекановая). C17-H35-COOH, t кипения равна 232 градуса, плавления — 70.
  • Олеиновая (цис-октадецен-9-овая). C17-H33-COOH. Закипает при температуре в 228 градусов, плавится при 14. При двойной связи происходит изомерия — образуется транс-изомер (элаидиновая кислота), протекающий под действием различных катализаторов типа алифатических нитрилов или диоксида азота.

Помимо этого, в таблицу классификации карбоновых кислот подобного типа также включают бутановую, линолевую, бензойную и щавелевую кислотную основу. Карбоновым соединениям свойственна структурная межклассовая и пространственная изомерия (начиная с С2), положение кратной связи, а также изомерия скелета в углеводородном радикале.

Физические свойства

Физические особенности и свойства веществ карбоксильной группы зависят от числа атомов углерода в их соединениях. Те соединения, в состав которых входят не более 3 атомов С, относятся к низшему классу. Они легко растворимы в воде, имеют резкий запах и не имеют цвета. Кислотные растворы, содержащие в своём составе свыше 9 атомов являются высшими; они относятся к твёрдым веществам, нерастворимым в воде.

Плотность уксусной и муравьиной кислоты больше единицы, у всех остальных видов плотность меньше. Кипение карбоновых соединений происходит при более высоких температур, чем у спиртов. Связи молекул кислорода и водорода (O — H) сильно поляризованы. Также химические соединения этого типа могут реагировать посредством образования водородных связей с кислородом карбонильного диполя, который обладает значительной электроотрицательностью.

Кислоты в твёрдом виде существуют в качестве циклических димеров; в жидком виде может происходить линейная ассоциация.

Химические реакции и особенности

При реакции с металлами, оксидами либо с некоторыми из их гидроксидов, карбоновые растворы проявляют типичные свойства всех слабых кислот — образование солей соответствующих металлов, вытеснение более слабого кислотного раствора из её соли, а также вытеснение самого карбонового соединения. В воде соли карбоновых соединений имеют щелочную реакцию и подвергаются гидролизу. Лакмусовую бумажку раствор окрашивает в красный цвет. В качестве примера можно привести следующие химические формулы:

  • 2CH3-COOH + Mg => (CH3COO)2-Mg + H2.
  • 2CH3-COOH + CaO => (CH3COO)2-Ca + H2O.
  • CH3-COOH + NaOH => CH3COONa + H2O.
  • 2CH3-COOH + Na2SiO3 => 2CH3COONa + H2SiO3.

Высокая полярность связи O — H приводит к значительной диссоциации карбоновой кислоты в водном растворе. Все соединения являются слабыми электролитами. Реакция горения выглядит таким образом: CH3COOH + 2O2 => 2CO2 + 2H2O. К химическим свойствам карбоновых кислот также относят этерификацию (так называется химическое взаимодействие со спиртами, которая приводит к образованию сложных эфиров).

Этерификация может происходить и многоатомные спирты типа глицерина. В результате реакции образовываются сложные жиры (смеси триглицеридов); пальмитиновая кислота и некоторые другие предельные жирные кислотные растворы образуют твёрдые жиры животного происхождения.

Свойства кислотных растворов обуславливаются наличием изомерного углеводородного радикала. В случае когда реакция протекает в присутствии красного фосфора, происходит образование продукта: CH3-CH2-COOH + Br2 =>CH3-CHBr-COOH + HBr. Карбоновые соединения окисляются хлором: HCOOH + Cl2 => CO2 + 2HCl.

Способы получения

На сегодняшний день существует несколько основных способов получения этого химического вещества. Соединения этой группы можно получить посредством окисления спиртов. Спирты взаимодействуют с разбавленной серной кислотой и оксидом хрома с добавлением марганцовки или ацетона: RCH2OH + [O] => RCOOH. Также необходимо выделить и другие, не менее распространённые способы:

  • При помощи гидролиза. Формула для гидролиза тригалогеналканов: RCCl3 + 3NaOH => RCOOH + 3NaCl + H2O. Общий вид гидролиза сложных эфиров — R1-COO-R2 + KOH => R1-COOK +R2-OH. При реакции и взаимодействии с нитрилами и амидами: RCN + H2O => RCONH2 либо RCONH2 + H2O => RCO2H.
  • Окисление альдегидов и кетонов. Промышленные методы получения подразумевают использование тех же реагентов, что и в случае со спиртами (RCH2OH). Для лабораторного производства могут использоваться такие окислители, как Ar2O, KMnO4, K2Cr2O7, Cu (OH)2 и прочие.
  • Карбоксилирование металлсодержащих соединений (чаще всего используются литийорганические соединения и реактивы Гриньяра). RLi + CO2 => RCOOLi либо 2RMg +2CO2 => (RCOO)2Mg.
  • Синтез ароматических соединений (одноосновные кислоты ряда бензола). Используются реакции Кольбе-Шмитта или карбоксилирование фенолятов металлов (чаще всего эта реакция используется для получения салицилловой кислоты), а также реакция ацилирование ароматических соединений с использованием фосгена.
  • Окисление алкенов смесью перманганата калия и периодата натрия в водном ацетоне. Сюда же входит окисление алкиларенов и алкинбензолов (C6H5CH3 => C6H5COOH) — является распространённым способом получения ароматических карбоновых соединений.
  • Выделение из природных органических веществ, таких как насыщенные жиры.
  • Получение кислотного раствора при помощи нагревания цианидов.

Следует знать, что в промышленных масштабах получение карбоновых кислот происходит, как правило, посредством окисления парафиновых углеводородов техническим кислородом при высокой температуре и давлении (как в присутствии катализаторов, так и без таковых). В качестве катализаторов служат соли и оксиды металлов.

Применение в жизни

Карбоновые соединения применяются во многих отраслях промышленности. Помимо этого, кислотная основа является важным элементом для получения промежуточных продуктов органического синтеза, к которым относятся кетены, галогенкислоты, виниловые эфиры и галогенангидриды. Наиболее широкое применение эти кислотные растворы получили в химической промышленности, в медицине и в сельском хозяйстве.

Бытовая химия

Различные виды солей, получаемых в процессе реакции, используются в качестве сырья для органического синтеза. К примеру, для производства мыла, шампуней, моющих средств, а также для изготовления лакокрасочных материалов, смазочных масел, эмульгаторов, растворителей и клеёв.

Уксусная кислотная основа (в частности, её ацетаты) необходима для производства ацетатного шёлка, пальмитиновая кислота добавляется в качестве загустителя при изготовлении технических масел для смазки, а также для производства различных пластификаторов. Акриловая кислота незаменима при изготовлении эмульсий для лакокрасочных материалов, для пропитки кожи, акриловых каучуков, а также для создания полиакрилонитрильных волокон.

Медицина и косметика

Уникальный молекулярный состав муравьиной кислоты позволяет её использовать во многих отраслях науки, в том числе и в медицине. Эту кислоту часто используют для дезинфекции кожного покрова и как наружное обезболивающее средство при ушибах и травмах, так как она обладает согревающим, бактерицидным и противовоспалительным действием. Смесь муравьиной кислоты с водой (муравьиный спирт) нередко используется при ревматических и неврологических болях.

Для лечения отдельных заболеваний желудочно-кишечного тракта используется масляная кислота — её соли создают в кишечнике благоприятную среду для развития полезных микроорганизмов, препятствуя при этом размножению патогенных бактерий. Помимо этого, эта разновидность карбоновой кислоты регулирует водно-электролитный баланс в организме. Линоленовая кислота снижает уровень холестерина и предотвращает развитие сосудистых заболеваний. В косметических целях могут использоваться следующие виды кислот:

  • Стеариновая кислота применяется в качестве загустителя кремов и стабилизатора смеси. Косметика, активными веществами которой являются частицы стеарина, быстро впитывается в кожу, оказывая на неё омолаживающее действие.
  • Пальмитиновая кислота входит в состав глицеридов большинства животных жиров. Крем с добавлением этой кислоты защищает кожу от ветра, предотвращает сухость и раздражение, а также способствует появлению гладкости, мягкости и упругости.
  • Щавелевая кислота, несмотря на свою едкость, применяется в косметологии довольно часто — в качестве отбеливающего компонента в специальных кремах от веснушек и пигментных пятен.
  • Олеиновая кислота входит в состав губных помад, в средствах по уходу за кожей, а также в средствах химической завивки.

Лимонная кислота (как и щавелевая) хорошо очищает пятна на коже; помимо этого, она добавляется в состав многих лаков для ногтей, придавая им блеск и свежесть (при умеренном использовании). Молочная кислота добавляется в состав шампуней, делая волосы объёмными, густыми и шелковистыми.

Сельское хозяйство

При помощи различных карбоновых соединений производится обработка корма, сена и силоса, что позволяет значительно замедлить процессы гниения и распада, увеличивая их срок хранения. Помимо этого, кислоты используются для изготовления инсектицидов и фунгицидов (та же уксусная кислота является средством для борьбы с паразитами в пчеловодстве).

Отдельные разновидности кислотного раствора применяются для консервирования продуктов (пищевая добавка Е260), овощей и приправ. Соли маслянистого кислотного раствора используются в животноводстве — их добавляют в корм для укрепления иммунитета и усвояемости пищи.

Карбоновые кислоты

Если внимательно посмотреть на представленные химические формулы, во всех можно заметить общую часть , при записи химических формул используется буквенное обозначение СООН .

Эта часть называется карбоксильной группой , именно она определяет общие свойства, характерные для всей группы карбоновых кислот.

Карбоксильная группа, в свою очередь, делится на карбонильную группу С=О и гидроксильную группу О-Н.

Карбоновые кислоты — группа органических веществ, в состав которых входят одна или несколько карбоксильных групп и углеводородный радикал (алкил).

Как вы можете заметить, у муравьиной кислоты одна группа СООН, у щавелевой две, а у лимонной – целых три.

По количеству карбоксильных групп карбоновые кислоты делятся на

В зависимости от структуры углеводородного радикала карбоновые кислоты делятся на

насыщенные — (муравьиная, щавелевая) — все связи углерода одинарные.

ненасыщенные (олеиновая, линолевая) — в составе радикала, между атомами углерода есть двойные связи.

ароматические (бензойная) — в составе радикала есть бензольное кольцо. Хотя имеют специфический запах все карбоновые кислоты, эта группа особенно ароматна.

В группу карбоновых кислот входят вещества с различными углеводородными радикалами. Если количество атомов углерода в составе радикала больше шести — карбоновую кислоту называют жирной .

Номенклатура карбоновых кислот.

Некоторые карбоновые кислоты имеют свои народные или тривиальные названия: муравьиная, уксусная, лимонная и т.д.

Также есть официальное название кислоты в зависимости от углеводородного радикала.

Для того, чтобы правильно назвать карбоновую кислоту, нужно:

1.Определить и пронумеровать самую длинную (главную) углеродную цепочку, считая от атома карбоксильной группы.

2. Назвать согласно номенклатуре углеводород (как это сделать, можно посмотреть в учебнике Химия.10 класс под редакцией Габриеляна на портале LECTA)

3. Добавить -овая кислота.

Получение карбоновых кислот

Первой открыли и начали использовать уксусную кислоту. Как и большинство открытий, произошло это случайно. Содержимое одной из винных бутылок, простояв дольше нужного времени, превратилось из вина в уксус.

На языке науки эта несложная реакция называется окислением спиртов.

Поскольку большинство из карбоновых кислот входят в состав природных продуктов, до сих пор около 30% получают из биологических объектов.

Однако карбоновые кислоты активно используются в фармацевтической, кожевенной, металлообрабатывающей промышленности и получать их химическим путем быстрее и дешевле. Одно дело год ждать превращения уксуса в вино, и совсем другое — окислить подходящий углеводород, добытый на месторождении полезных ископаемых.

Муравьиная кислота — в ряду карбоновых кислот эта самая скромная кислота с единственным атомом углерода в структуре обладает уникальными свойствами за счет одновременного присутствия в структуре карбонильной и карбоксильной групп.

При реакции муравьиной кислоты с аммиачным раствором оксида серебра образуется блестящий осадок — реакция серебряного зеркала.

HCOOH + Ag2O (аммиачный раствор) CO2 + H2O + 2Ag

Больше интересных материалов:

Способы получения карбоновых кислот в химической промышленности

1. При помощи различных катализаторов (оксид серебра, перманганат калия) окислить подходящий альдегид
2 RCHO + O2 2 RCOOH

2. При помощи катализатора провести реакцию окисления спиртов

RCH2OH + O2 RCOOH + H2O

3. При помощи окисления различных углеводородов (алкинов, алкенов, алкилбензолов) можно получить соответствующие карбоновые кислоты.

2 C4H10 + 5O2 4 CH3COOH + 2 H2O

Физические свойства карбоновых кислот

Поскольку, карбоновые кислоты довольно разнородная группа веществ, говорить об общих физических свойствах, характерных для всех представителей группы неправомерно.

По количеству атомов углерода, входящих в состав вещества, карбоновые кислоты делятся на:

низшие — количество атомов от 1 до 3 — (муравьиная кислота) прозрачные жидкости с характерным запахом, отлично растворяются в воде

средние — количество атомов от 4 до 9 — ( валериановая кислота) жидкости с резким, неприятным запахом. маслянистые на ощупь.

высшие — количество атомов превышает 9 — (олеиновая кислота) — твердые вещества, нерастворяются в воде.

Молекулярная масса кислоты влияет на температуры плавления и кипения.

Плотность карбоновых кислот (за исключением муравьиной и уксусной кислот) меньше единицы.

Химические свойства карбоновых кислот.

1. Карбоновые кислоты обратимо диссоциируют. Проверить это можно с помощью лакмусовой бумажки. Она покраснеет, как в растворе любой кислоты.

HCOOH HCOO – + H +

Чем длиннее радикал, тем меньше степень диссоциации, и тем меньше проявляются кислотные свойства.

2. Карбоновые кислоты по своей природе являются слабыми кислотами, и участвуют во всех реакциях, характерных для неорганических кислот. Реагируют с солями, металлами, оксидами и гидроксидами металлов. В результате образуются соли карбоновых соединений и вода.

Х и м и я

Органическая химия

Карбоновые кислоты.

Строение карбоновых кислот

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

Карбоксильная группа 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 кислотмуравьиная 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 – C9H19COOH,
  2. Лауриновая кислота – С11Н23СООН,
  3. Миристиновая кислота – С13Н27СООН,
  4. Пальмитиновая кислота – С15Н31СООН,
  5. Стеариновая кислота – С17Н35СООН.

Примеры непредельных высших жирных кислот:

  1. Олеиновая кислота – С17Н33СООН – имеет одну двойную связь,
  2. Линолевая кислота – С17Н31СООН – имеет две двойных связи,
  3. Линоленовая кислота – С17Н29СООН – 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.

C17H35COONa – стеарат натрия,

Натриевые мыла – твёрдые, калиевые – жидкие.

Примеры карбоновых кислот
Уксусная кислота

Уксусная кислота – 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.

Уксусная кислота 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

Бензойная кислота простейшая одноосновная кислота ароматического ряда. Формула С6Н5-СООН.

На вид – бесцветные кристаллы.

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

Щавелевая кислота

Щавелевая кислота – простейшая двухосновная карбоновая кислота.

Щавелевая кислота – кристаллическое вещество, растворяется в воде, ядовита.

В виде кислой калиевой соли содержится во многих растениях.

Применяется для крашения тканей.

Терефталевая кислота

Терефталевая кислота НООС-С6Н4-СООН

Двухосновная карбоновая кислота ароматического ядра.

Её структурная формула:

Из терефталевой кислоты и этиленгликоля получают синтетическое волокно лавсан.

Молочная кислота

Молочная кислота 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.

Салициловая кислота

Салициловая кислота – аналог молочной кислоты в ароматическом ряду. Имеет строение:

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

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

Также салициловую кислоту используют при синтезе других продуктов.

Карбоновые кислоты.

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.

Если в радикале водород поменять на любую функциональную группу, то такие кислоты называются гетерофункциональными. Среди них: аминокислоты (протон замещен на амино-группу), нитрокислоты (атом водорода замещен на нитро-группу) и т.д.

Если число атомов углерода в кислоте больше 6, то такая кислота называется жирной.

Строение карбоновых кислот.

Карбоксильная группа состоит из С=О и ОН группы. На свойства кислоты влияют оба эти показателя. В группе С=О атом углерода обладает частично положительным зарядом и притягивает неподеленную пару атома кислорода из гидроксильной группы. При этом на кислороде электронная плотность понижается и связь О-Н ослабляется:

Группа ОН «нейтрализует» положительный заряд на группе С=О, которая перестает вступать в реакции присоединения, которые так характерны для карбонильных кислот.

Как называть карбоновых кислот?

Наличие СООН группы обозначается окончанием –овая кислота.

Нумеровать цепь начинают с атома углерода карбоксильной группы, например:

Карбоксильную группу рассматривают в качестве заместителя. Например,

Изомерия карбоновых кислот.

Для карбоновых кислот характерна изомерия углеродного скелета, положение кратной связи, межклассовая изомерия, пространственная изомерия и изомерия положения функциональной группы:

Физические свойства карбоновых кислот.

Общая формула кислот CnH2n+1COOH. Низшие кислоты в нормальных условиях представляют собой жидкости, которые обладают характерным запахом. Начиная с С10 – твердые вещества.

Твердые кислоты нерастворимы в воде, а кислоты с 1-3 количеством атомов углерода неограниченно смешиваются с водой.

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.

5. Окислительно-восстановительные реакции. При восстановлении в присутствие катализаторов:

Исключение: муравьиная кислота:

6. Реакция серебряного зеркала:

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

9. Двухосновная кислота легко отщепляет СО2 при нагревании:

Рейтинг
( Пока оценок нет )
Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: