Підручник з Хімії. 10 клас. Величко - Нова програма

§ 30. НАСИЧЕНІ ОДНООСНОВНІ КАРБОНОВІ КИСЛОТИ

Нові поняття й терміни:

димер, ангідрид, хлорангідрид.

Склад і будова молекул. Номенклатура. Вам відомо, що до карбонових кислот належать сполуки, у молекулах яких вуглеводнева група з’єднана з функціональною карбоксильною групою

Пригадайте, що її назва походить від назв двох груп, із яких вона складаєтся: карбонільної

та гідроксильної —OH.

Схему утворення σ-зв’язків у карбоксильній групі представлено на мал. 102, а π-зв’язку в карбонільній — на мал. 103.

Мал. 102. Схема утворення σ-зв'язків у карбоксильній групі

Мал. 103. Схема утворення π-зв'язку в карбонільній групі

Порівняйте ці схеми з подібними для спиртів і альдегідів. Відповідь поясніть.

Залежно від кількості карбоксильних груп у молекулі розрізняють одно-, дво-, багатоосновні карбонові кислоти, залежно від будови вуглеводневого ланцюга — насичені, ненасичені, ароматичні кислоти. Розглянемо насичені одноосновні карбонові кислоти (їх характеристики наведено в таблиці 15 (с. 163), модель молекули етанової кислоти — на мал. 104 на с. 162).

Мал. 104. Модель молекули етанової кислоти

Загальна формула цих сполук:

У найпростішій карбоновій кислоті — метановій (мурашиній) — карбоксильна група сполучена з атомом Гідрогену (порівняйте хімічну будову метаналю й метанової кислоти).

Тривіальні назви карбонових кислот часто відбивають їх походження, а за систематичною номенклатурою назви утворюють від назв вуглеводнів додаванням суфікса -ов, закінчення -а та слова кислота.

Із деякими карбоновими кислотами вам доводилося стикатися. Пекучий біль від укусу мурашки спричинений мурашиною кислотою, яка входить до складу отрути, що її виділяє комаха. Столовий оцет — це розчин етанової (оцтової) кислоти. Масляна кислота надає неприємних запаху і смаку згірклому вершковому маслу, вона виділяється також потовими залозами людини.

Фізичні властивості. Перші три кислоти в гомологічному ряду за стандартних умов — рідини з різким кислим запахом, добре розчинні у воді; наступні шість — оліїсті рідини з неприємним запахом; починаючи з кислоти з десятьма атомами Карбону в молекулі — тверді речовини (див. табл. 15, мал. 105). Розчинність карбонових кислот у воді зменшується зі зростанням відносної молекулярної маси, вищі карбонові кислоти нерозчинні у воді.

Мал. 105. Чиста («льодяна») етанова кислота замерзає за температури 16,7 °С

Порівнюючи температури кипіння карбонових кислот і близьких за відносними молекулярними масами спиртів, можна виявити, що кислоти киплять за значно вищих температур, отже, вони ще більше асоційовані, ніж спирти. Справді, водневі зв’язки між молекулами карбонових кислот установлюються за двома центрами, унаслідок чого утворюються димери:

Hа розрив таких зв’язків і руйнування асоціатів треба затратити додаткову енергію, що спричиняє підвищення температур кипіння цих сполук.

Ізомерія карбонових кислот зумовлена структурною ізомерією вуглеводневого ланцюга та міжкласовою ізомерією карбонові кислоти — естери:

Хімічні властивості. Рівняння реакцій карбонових кислот наведено на с. 164. Їхні хімічні властивості визначаються наявністю функціональної карбоксильної групи, яка формально поєднує в собі дві групи — карбонільну й гідроксильну. Проте це якісно нова група, властивості якої не є сумою властивостей карбонільної та гідроксильної груп, оскільки вони впливають одна на одну.

Таблиця 15

Характеристики насичених одноосновних карбонових кислот

Цей уплив виявляється в тому, що в карбоксильній групі електронна густина хімічного зв’язку зміщується до карбонільного атома Оксигену, внаслідок цього зв’язок О—Н поляризується, і атом Гідрогену набуває здатності відщеплюватись у вигляді протона:

Реакції насичених одноосновних карбонових кислот

Це зумовлює кислотні властивості карбонових кислот. Їхні розчини мають кислий смак, змінюють забарвлення індикаторів, що засвідчує перебіг електролітичної дисоціації.

Перевіримо дію етанової кислоти на індикатори. У дві пробірки наллємо розчин етанової кислоти об’ємом 1—2 мл. В одну з них добавимо кілька краплин розчину лакмусу, в іншу — розчин метилового оранжевого. Спостерігаємо зміну забарвлення індикаторів.

Проте карбонові кислоти (крім метанової) — слабкі електроліти, мають низькі ступені дисоціації (див. табл. 15). Через це в рівняннях йонних реакцій формули карбонових кислот записують у молекулярному вигляді.

Кислотність карбонових кислот зростає, якщо у вуглеводневій групі з’являється замісник, здатний притягувати до себе електронну густину (створювати негативний індукційний ефект), наприклад атом галогену:

Хлороетанова кислота значно сильніша за етанову, а трихлороетанова кислота належить до сильних кислот, подібна до сульфатної.

Складіть схему зміщення електронної густини в молекулі трихлороетанової кислоти.

Як вам уже відомо, карбонові кислоти можуть утворюватися в результаті окиснення вуглеводнів, спиртів, альдегідів, проте самі вони (за винятком мурашиної) стійкі проти дії окисників. Метанова кислота окиснюється (наприклад, калій перманганатом) до карбонатої кислоти, що розкладається на вуглекислий газ і воду:

Відновлюються карбонові кислоти до спиртів у жорстких умовах (за участі каталізаторів).

Карбонові кислоти подібно до неорганічних взаємодіють із активними металами, основними оксидами й основами, солями слабших кислот і утворюють сполуки з йонним зв’язком — солі.

Якщо до розчину етанової кислоти у пробірці добавити порошок магнію або ошурки магнію, можна спостерігати виділення газу.

Як довести, що цей газ — водень? Складіть рівняння реакції.

У пробірку з розчином натрій гідроксиду об’ємом 1—2 мл добавимо декілька краплин розчину фенолфталеїну. До забарвленого розчину по краплинах добавимо розчин етанової кислоти до знебарвлення вмісту пробірки.

Що засвідчує цей дослід? Складіть рівняння реакції.

Із побуту вам відома взаємодія питної соди з оцтом. Поясніть реакцію, що відбувається. Складіть рівняння реакції.

Загальна назва солей етанової (оцтової) кислоти — етаноати (традиційна — ацетати).

Солі карбонових кислот, як солі слабких кислот, здатні до гідролізу:

Визначте експериментально, яку реакцію мають розчини солей етанової кислоти.

Карбонові кислоти вступають і в специфічні реакції. Унаслідок зміщення електронної густини до карбоксильної групи атоми Гідрогену біля найближчого атома Карбону також набувають рухливості. Під дією хлору чи брому та за наявності каталізатора вони заміщуються на атоми галогену.

Карбонові кислоти реагують зі спиртами. За нагрівання та наявності каталізатора (сульфатної кислоти) відбувається реакція естерифікації.

До суміші етанолу із сульфатною кислотою добавимо етанової кислоти й суміш нагріємо. Пошириться приємний запах, це засвідчує утворення речовини, що належить до класу естерів.

Якщо реакцію проводити у приладі, зображеному на мал. 106, продукт реакції, як летку сполуку, можна зібрати під шаром льоду. Про естери йтиметься в наступній темі.

Мал. 106. Добування естеру в лабораторії

Своєрідними реакціями карбонових кислот є їхня здатність утворювати ангідриди й хлорангідриди.

Утворення ангідридів (від ан... і грец. ύδωρ — вода) — це реакція міжмолекулярної дегідратації, що відбувається за наявності водопоглинальних засобів, наприклад фосфор(V) оксиду:

Інакше діє на карбонові кислоти фосфор(V) хлорид — у результаті утворюються хлорангідриди карбонових кислот. У цій реакції гідроксильна група кислоти заміщується на атом Хлору.

Ангідриди й хлорангідриди належать до хімічно активних речовин. Це зумовлює їх застосування в органічному синтезі.

Добування. Загальний спосіб добування карбонових кислот — окиснення первинних спиртів та альдегідів такими окисниками, як калій перманганат, калій дихромат, нітратна кислота:

Існують промислові способи добування карбонових кислот окисненням алканів киснем повітря за наявності каталізаторів. Під час реакції розриваються карбон-карбонові зв’язки, і в результаті утворюється суміш оксигеновмісних сполук, з якої виділяють карбонові кислоти:

Доступність вуглеводневої сировини забезпечує перспективність цього способу.

Які ще карбонові кислоти можуть утворитися в результаті наведеної реакції? Складіть відповідні рівняння реакцій.

Завдання для самоконтролю

1. Які сполуки належать до класу карбонових кислот?

2. Поясніть за мал.102 і 103 утворення хімічних зв’язків у карбоксильній групі.

3. Поясніть розподіл електронної густини в карбоксильній групі.

4. Складіть формули ізомерів масляної кислоти.

5. Чому карбонові кислоти мають вищі температури кипіння порівняно зі спиртами близької відносної молекулярної маси?

6. Поясніть утворення водневих зв’язків між молекулами карбонових кислот.

7. Чому хлороетанова кислота сильніша за етанову? Відповідь поясніть.

8. Назвіть типи хімічних зв’язків у натрій етаноаті.

9. Натрієву сіль трихлороетанової кислоти використовують як гербіцид. Складіть формулу цієї сполуки.

10. Плюмбум(ІІ) етаноат — отруйну речовину — називають ще «свинцевим цукром» за солодкий смак. Складіть формулу сполуки.

11. У яких реакціях карбонові кислоти поводяться подібно до неорганічних? Складіть рівняння реакцій.

12. Етанова кислота витискує карбонатну кислоту з її солей. Про що це свідчить? Складіть рівняння реакції.

13. Назвіть специфічні реакції карбонових кислот. Складіть рівняння реакцій.

14. Поясніть відношення карбонових кислот до окисників і відновників.

15. Укажіть способи добування карбонових кислот.

А гідрування етену

Б окиснення парафінів

В дегідратація спиртів

Г окиснення альдегідів

16. Складіть рівняння за такою схемою хімічних перетворень:

Етанол —> Етаналь —> Етанова кислота —> Цинк етаноат.