Карбоновые кислоты: свойства, строение, получение
Ключевые тезисы
- Карбоновые кислоты — один из важнейших классов кислородсодержащих соединений.
- Их классифицируют по числу карбоксильных групп, насыщенности углеводородного радикала и наличию ароматического ядра.
- Общие свойства включают кислотность, этерификацию и специфические реакции для отдельных кислот (муравьиной, щавелевой, бензойной, непредельных).
- Соли карбоновых кислот участвуют в ключевых реакциях получения алканов, кетонов и альдегидов (Дюма, Кольбе, пиролиз).
Классификация и номенклатура
Классификация карбоновых кислот:
- По основности: одноосновные (одна -COOH), двухосновные (две -COOH), трёхосновные.
- По радикалу: предельные (только одинарные связи), непредельные (с двойными/тройными связями), ароматические (с бензольным кольцом).
- По дополнительным группам: гидроксикислоты (есть -OH), аминокислоты (есть -NH₂).
Тривиальные названия (важные для ЕГЭ):
- Предельные: HCOOH — муравьиная, CH₃COOH — уксусная, C₃H₇COOH — пропионовая, C₁₅H₃₁COOH — пальмитиновая, C₁₇H₃₅COOH — стеариновая.
- Непредельные: C₁₇H₃₃COOH — олеиновая (1 двойная связь), C₁₇H₃₁COOH — линолевая (2 двойных связи), C₁₇H₂₉COOH — линоленовая (3 двойных связи).
- Ароматические: C₆H₅COOH — бензойная.
- Двухосновные: HOOC-COOH — щавелевая, HOOC-(CH₂)₄-COOH — адипиновая.
Запоминалки:
- Пальмитиновая: P (пальмитиновая) — 15 атомов C в хвосте.
- Стеариновая: S (стеариновая) — 17 атомов C в хвосте.
- Дикарбоновые (последовательность): Щавелевая, Малоновая, Янтарная, Глутаровая, Адипиновая (первые буквы: ЩМЯГА).
Химические свойства
1. Общие кислотные свойства (реакции с образованием солей):
- Диссоциация: R-COOH ⇄ R-COO⁻ + H⁺ (кислоты слабые, сила падает с ростом цепи).
- С металлами (левее H в ряду активности): 2CH₃COOH + Zn → (CH₃COO)₂Zn + H₂↑
- С основными/амфотерными оксидами: 2HCOOH + Na₂O → 2HCOONa + H₂O
- С основаниями: CH₃COOH + NaOH → CH₃COONa + H₂O
- С аммиаком: CH₃COOH + NH₃ → CH₃COONH₄
- С солями слабых кислот: CH₃COOH + NaHCO₃ → CH₃COONa + CO₂↑ + H₂O
Сравнение кислотности:
Карбоновые кислоты > Фенолы > Вода > Спирты.
- Спирты реагируют только с активными металлами.
- Фенолы — с активными металлами и щелочами.
- Карбоновые кислоты — с активными металлами, щелочами, карбонатами и гидрокарбонатами.
2. Реакция галогенирования (по α-атому C):
Реакция с Cl₂/Br₂ в присутствии красного фосфора. Замещение идёт у атома углерода, соседнего с карбоксильной группой.
CH₃COOH + Cl₂ (Pкрасн.) → Cl-CH₂-COOH + HCl
3. Реакция этерификации:
Образование сложного эфира при взаимодействии с спиртом (фенолы не вступают!). Реакция обратима, катализируется кислотой.
CH₃COOH + C₆H₁₁OH ⇄ CH₃COOC₆H₁₁ + H₂O
Специфические свойства отдельных кислот
Муравьиная кислота (HCOOH)
Имеет альдегидную группу, поэтому для неё характерны реакции окисления:
- С аммиачным раствором оксида серебра (I) (реакция "серебряного зеркала"): HCOOH + Ag₂O → CO₂ + H₂O + 2Ag↓
- С Cu(OH)₂ при нагревании: HCOOH + 2Cu(OH)₂ → CO₂↑ + 3H₂O + Cu₂O↓
- С галогенами (Br₂, Cl₂) и KMnO₄ (обесцвечивание): HCOOH + Br₂ → CO₂↑ + 2HBr
- Разложение с конц. H₂SO₄: HCOOH →(H₂SO₄ конц.)→ CO↑ + H₂O
Непредельные кислоты (напр., олеиновая C₁₇H₃₃COOH)
Свойства аналогичны алкенам за счёт двойной связи:
- Гидрирование: C₁₇H₃₃COOH + H₂ → C₁₇H₃₅COOH (стеариновая)
- Присоединение галогенов (обесцвечивание Br₂ воды).
- Важно: Присоединение галогеноводородов (HBr, HCl) идёт ПРОТИВ правила Марковникова, если двойная связь соседствует с группой -COOH.
- Окисление KMnO₄.
- Полимеризация (напр., акриловая кислота → полиакриловая кислота).
Бензойная кислота (C₆H₅COOH)
Реакции идут по двум направлениям:
- По карбоксильной группе: как у типичной кислоты (со щелочами, спиртами — этерификация).
- По бензольному кольцу: реакции электрофильного замещения (нитрование, галогенирование). Группа -COOH — ориентант II рода, поэтому заместители встают в мета--положение.
Щавелевая кислота (HOOC-COOH)
- Разложение с конц. H₂SO₄: HOOC-COOH →(H₂SO₄ конц.)→ CO↑ + CO₂↑ + H₂O
- Окисляется сильными окислителями (KMnO₄, K₂Cr₂O₇ в кислой среде) до CO₂.
- Не вступает в реакции "серебряного зеркала" и с Cu(OH)₂.
Свойства и реакции солей карбоновых кислот
- Реакция Дюма (сплавление соли с твёрдой щёлочью): получение алкана.
CH₃COONa + NaOH(тв.) →(t)→ CH₄↑ + Na₂CO₃
- Электролиз по Кольбе (водного раствора соли): получение симметричного алкана.
2CH₃COONa + 2H₂O →(электролиз)→ C₂H₆↑ + 2CO₂↑ + 2NaOH + H₂↑
- Пиролиз солей Ca/Ba: получение кетона.
(CH₃COO)₂Ca →(t)→ CH₃-CO-CH₃ (ацетон) + CaCO₃
Способы получения карбоновых кислот
- Окисление углеводородов:
- Алкенов, алкинов, алкадиенов KMnO₄/K₂Cr₂O₇ в кислой среде (с разрывом кратных связей).
- Аренов с боковой цепью (толуол, стирол) до бензойной кислоты.
- Окисление кислородсодержащих соединений:
- Первичных спиртов и альдегидов сильными окислителями.
- Щелочной гидролиз тригалогенпроизводных:
- Галогены при одном атоме C замещаются на -OH с последующим отщеплением воды и образованием соли кислоты.
CCl₃-CH₃ + 4KOH → CH₃COOK + 3KCl + 2H₂O
- Галогены при одном атоме C замещаются на -OH с последующим отщеплением воды и образованием соли кислоты.
- Промышленное получение уксусной кислоты: каталитическое окисление бутана.
2CH₃-CH₂-CH₂-CH₃ + 5O₂ →(кат., t)→ 4CH₃COOH + 2H₂O
- Получение муравьиной кислоты: взаимодействие CO с расплавом щёлочи под давлением с последующим вытеснением более сильной кислотой.
CO + NaOH(расплав) →(p, t)→ HCOONa →(+ HCl)→ HCOOH + NaCl
Выводы
Карбоновые кислоты — многофункциональный класс соединений. Для успешного освоения темы необходимо:
- Выучить тривиальные названия ключевых кислот.
- Чётко различать общие кислотные свойства и специфические реакции для муравьиной, щавелевой, бензойной и непредельных кислот.
- Помнить важные реакции их солей (Дюма, Кольбе, пиролиз).
- Уметь составлять цепочки превращений, используя все изученные способы получения.