Предельные карбоновые кислоты

Уксусную кислоту CH₃COOH каждый видел на кухне: столовый уксус — её раствор с массовой долей 9 %. Знакомое вещество не спасает от ошибок: на контрольной по карбоновым кислотам спотыкаются в одних и тех же пяти местах.

• ❌ Атом углерода группы COOH не считают частью главной цепи → ✅ он входит в цепь и получает номер 1: CH₃–CH₂–COOH — пропановая кислота.

• ❌ Муравьиную кислоту считают просто младшей сестрой уксусной → ✅ в HCOOH есть альдегидная группа, поэтому она даёт реакцию серебряного зеркала.

• ❌ При этерификации пишут, что кислота отдаёт атом водорода, а спирт — группу OH → ✅ наоборот: от кислоты уходит OH, от спирта — водород.

• ❌ Уксусную кислоту пишут в реакции с медью → ✅ она реагирует только с металлами, стоящими в ряду активности до водорода: Mg, Zn, Fe.

• ❌ Раз кислоты слабые, они не вытесняют CO₂ из карбонатов → ✅ вытесняют, потому что угольная кислота ещё слабее.

Карбоксильная группа COOH определяет класс

Карбоновые кислоты — органические вещества, в молекулах которых есть карбоксильная группа –COOH. В ней при одном атоме углерода соединены карбонильная группа C=O и гидроксил. Предельные одноосновные кислоты образуют гомологический ряд с общей формулой C_nH_2n+1COOH.

Первые члены ряда удобно запоминать парами «тривиальное название — название по ИЮПАК»:

• HCOOH — муравьиная, или метановая, кислота;

• CH₃COOH — уксусная, или этановая;

• C₂H₅COOH — пропионовая, или пропановая;

• C₃H₇COOH — масляная, или бутановая.

Высшие кислоты входят в состав жиров. Пальмитиновая C₁₅H₃₁COOH и стеариновая C₁₇H₃₅COOH — твёрдые вещества без запаха, в воде они не растворяются. Низшие кислоты, от муравьиной до масляной, — жидкости с резким запахом, которые хорошо смешиваются с водой.

Между молекулами кислот возникают водородные связи, поэтому кипят кислоты выше, чем спирты с близкой молярной массой. Безводная уксусная кислота замерзает при 16,6 °C. Кристаллы похожи на лёд. Отсюда её название — «ледяная».

Карбоновые кислоты ведут себя как слабые неорганические кислоты

В воде кислота частично распадается на ионы: CH₃COOH ⇄ CH₃COO⁻ + H⁺. Лакмус в растворе краснеет. Дальше всё знакомо по неорганической химии, только кислотным остатком служит ацетат-ион, а соли называют ацетатами.

1. С активными металлами: 2CH₃COOH + Mg → (CH₃COO)₂Mg + H₂↑.

2. С основными оксидами: 2CH₃COOH + CaO → (CH₃COO)₂Ca + H₂O.

3. Со щелочами: CH₃COOH + NaOH → CH₃COONa + H₂O.

4. С солями более слабых кислот: CH₃COOH + NaHCO₃ → CH₃COONa + H₂O + CO₂↑.

Последнюю реакцию видел каждый, кто гасил соду уксусом для теста: пузырьки — это углекислый газ.

Спирт и кислота дают сложный эфир

Этерификация — реакция кислоты со спиртом в присутствии концентрированной серной кислоты. Она обратима: CH₃COOH + C₂H₅OH ⇄ CH₃COOC₂H₅ + H₂O (H₂SO₄ конц., t). Получается этилацетат с фруктовым запахом. Опыты с мечеными атомами кислорода показали, что вода образуется из группы OH кислоты и атома водорода спирта.

Особый случай — муравьиная кислота HCOOH. Её молекула содержит сразу карбоксильную и альдегидную группу, поэтому HCOOH, в отличие от уксусной, даёт реакцию серебряного зеркала: HCOOH + Ag₂O → CO₂ + H₂O + 2Ag↓ (NH₃). Название ей дали муравьи. Кислота есть в их выделениях и в жгучих волосках крапивы.

Техническую уксусную кислоту делают из метанола, пищевую — из спирта

В промышленности уксусную кислоту получают из метанола и угарного газа, CH₃OH + CO → CH₃COOH (кат.), или окислением бутана кислородом воздуха: 2C₄H₁₀ + 5O₂ → 4CH₃COOH + 2H₂O (кат., t). Пищевой уксус делают по старинке: этиловый спирт окисляют уксуснокислые бактерии, C₂H₅OH + O₂ → CH₃COOH + H₂O. В лаборатории кислоту вытесняют из ацетата натрия серной кислотой: CH₃COONa + H₂SO₄ → CH₃COOH + NaHSO₄ (t).

Уксусную кислоту применяют от маринадов до аспирина

На кухне уксусная кислота — приправа и консервант: в кислой среде маринада бактерии почти не размножаются. Химические заводы делают из неё ацетатное волокно, сложные эфиры для растворителей и аспирин, то есть ацетилсалициловую кислоту. Смесь стеариновой и пальмитиновой кислот называют стеарином. Из него отливают свечи.

Задача 1. К избытку мела прилили 100 г столового уксуса с массовой долей уксусной кислоты 9 %. Вычисли объём углекислого газа (н. у.), который выделился.

1. Уравнение: 2CH₃COOH + CaCO₃ → (CH₃COO)₂Ca + H₂O + CO₂↑.

2. Масса кислоты: m = 100 · 0,09 = 9 г.

3. M(CH₃COOH) = 60 г/моль, n = 9 / 60 = 0,15 моль.

4. Углекислого газа по уравнению вдвое меньше: n(CO₂) = 0,15 / 2 = 0,075 моль.

5. V = 0,075 · 22,4 = 1,68 л.

Ответ: 1,68 л.

Задача 2. Массовая доля кислорода в предельной одноосновной карбоновой кислоте с неразветвлённой цепью равна 36,36 %. Выведи молекулярную формулу кислоты и назови её.

1. Общую формулу ряда можно записать как C_nH_2nO₂: атомов кислорода два, на них приходится 32 г/моль.

2. Молярная масса кислоты: M = 32 / 0,3636 = 88 г/моль.

3. 14n + 32 = 88, откуда 14n = 88 − 32 = 56 и n = 56 / 14 = 4.

4. Формула C₄H₈O₂, то есть C₃H₇COOH. Цепь неразветвлённая, поэтому это CH₃–CH₂–CH₂–COOH; разветвлённый изомер назывался бы 2-метилпропановой кислотой.

Ответ: C₃H₇COOH, бутановая (масляная) кислота.

Задача 3. Составь уравнения реакций по схеме: этанол → этаналь → уксусная кислота → ацетат натрия.

1. CH₃–CH₂–OH + CuO → CH₃–CHO + Cu + H₂O (t).

2. 2CH₃–CHO + O₂ → 2CH₃–COOH (кат.).

3. CH₃–COOH + NaOH → CH₃–COONa + H₂O.

Ответ: окисление спирта оксидом меди(II), окисление альдегида кислородом, нейтрализация кислоты щёлочью.