Карбоновые кислоты и их свойства

Карбоновые кислоты встречаются в пище, живых организмах и промышленной продукции. Уксусная кислота определяет кислый вкус столового уксуса, муравьиная содержится в выделениях муравьёв и крапиве, а жирные кислоты входят в состав масел и жиров. Их объединяет одна функциональная группа, но длина углеродной цепи и наличие других заместителей заметно меняют растворимость, запах и область применения вещества.

Состав и строение

Карбоксильная группа состоит из двух связанных с одним атомом углерода частей: карбонильной группы C=O и гидроксильной группы -OH. Её удобно записывать как -COOH. Атом водорода, который соединён с кислородом, может отщепляться в виде иона H⁺. Поэтому кислоты реагируют со щелочами и некоторыми металлами иначе, чем спирты, хотя оба класса содержат группу -OH.

Общая формула R-COOH показывает, что R является углеводородным радикалом. Если R = H, получается муравьиная, или метановая, кислота HCOOH. Если R = CH₃, это уксусная, или этановая, кислота CH₃COOH. В молекуле пропановой кислоты CH₃CH₂COOH три атома углерода, причём углерод карбоксильной группы обязательно включают в счёт.

Для насыщенных ациклических одноосновных кислот справедлива формула C_nH_2nO₂. Например, этановая кислота имеет формулу C₂H₄O₂, а бутановая, или масляная, кислота имеет формулу C₄H₈O₂. В многоосновных кислотах карбоксильных групп несколько. Щавелевая кислота HOOC-COOH содержит две группы -COOH, поэтому может замещать два атома водорода металлом или двумя частицами NaOH.

Кислотные свойства объясняются полярностью связи O-H в карбоксильной группе. После отщепления протона образуется карбоксилат-ион R-COO^-. Его отрицательный заряд распределён между двумя атомами кислорода, что делает ион устойчивее. У спиртов такой стабилизации нет, поэтому этанол значительно слабее уксусной кислоты. Большинство карбоновых кислот являются слабыми электролитами: в воде распадается только часть их молекул.

Названия и гомологический ряд

Систематические названия предельных одноосновных кислот образуют от названия соответствующего алкана с суффиксом «-овая кислота». Получаются метановая, этановая, пропановая и бутановая кислоты. На практике часто используют тривиальные названия: муравьиная HCOOH, уксусная CH₃COOH, масляная CH₃CH₂CH₂COOH и пальмитиновая C₁₅H₃₁COOH.

Карбоксильный атом углерода в главной цепи всегда получает номер 1. Поэтому для CH₃-CH(CH₃)-COOH систематическое название будет 2-метилпропановая кислота. У ненасыщенных кислот в названии указывают положение двойной связи. Например, CH₂=CH-COOH называется проп-2-еновой, или акриловой, кислотой.

Соседние члены гомологического ряда отличаются на группу -CH₂-. При переходе от муравьиной к уксусной кислоте, затем к пропановой постепенно растёт молекулярная масса. Строение углеродного скелета может различаться при одной формуле, поэтому для кислот возможна изомерия. Бутановая кислота CH₃CH₂CH₂COOH и 2-метилпропановая кислота (CH₃)₂CHCOOH имеют одинаковую формулу C₄H₈O₂, но разветвлённый и неразветвлённый скелеты.

Физические свойства

Низшие кислоты, от муравьиной до масляной, представляют собой бесцветные жидкости с резким запахом. Муравьиная и уксусная кислоты хорошо смешиваются с водой. С увеличением углеводородной части растворимость уменьшается: неполярная цепь всё сильнее влияет на поведение молекулы. Высшие предельные кислоты, например стеариновая C₁₇H₃₅COOH, являются твёрдыми веществами и в воде практически не растворяются.

Температуры кипения карбоновых кислот сравнительно высоки. Молекулы образуют друг с другом водородные связи, причём часто объединяются в пары, называемые димерами. На их разрушение при нагревании требуется энергия. По этой причине уксусная кислота кипит при более высокой температуре, чем углеводород с близкой молярной массой.

Безводная уксусная кислота замерзает при 16,6 °C, образуя прозрачные кристаллы. Её называют ледяной уксусной кислотой. Концентрированные кислоты могут вызвать ожог кожи и слизистых, поэтому в лаборатории их не пробуют на вкус и не определяют запах, наклоняясь к сосуду. Пары направляют к себе движением руки только при необходимости и под наблюдением преподавателя.

Химические свойства

Как кислоты, эти вещества реагируют с активными металлами, стоящими в ряду активности левее водорода. Образуется соль и выделяется водород. Для уксусной кислоты уравнение выглядит так: 2CH₃COOH + Mg → (CH₃COO)₂Mg + H₂↑. Металл, который расположен после водорода, например медь, с разбавленной уксусной кислотой не реагирует.

При взаимодействии с основаниями идёт реакция нейтрализации. Кислота отдаёт протон, а гидроксид-ион связывает его в воду: CH₃COOH + NaOH → CH₃COONa + H₂O. Получившееся вещество называют ацетатом, или этаноатом, натрия. Соли карбоновых кислот имеют общее название карбоксилаты. Например, HCOONa является формиатом натрия, а C₁₇H₃₅COONa называют стеаратом натрия.

С карбонатами и гидрокарбонатами кислоты дают соль, воду и углекислый газ. Пузырьки газа служат наблюдаемым признаком реакции: 2CH₃COOH + Na₂CO₃ → 2CH₃COONa + H₂O + CO₂↑. Уксусная кислота слабее угольной, но реакция идёт, потому что CO₂ улетучивается из раствора и смещает равновесие.

Важная реакция карбоновых кислот со спиртами называется этерификацией. При нагревании уксусной кислоты и этанола в присутствии концентрированной серной кислоты образуется сложный эфир этилэтаноат и вода: CH₃COOH + C₂H₅OH ⇄ CH₃COOC₂H₅ + H₂O. Многие сложные эфиры имеют приятный фруктовый запах. Реакция обратима, поэтому избыток одного из реагентов или удаление воды помогают увеличить выход эфира.

Муравьиная кислота отличается от остальных предельных одноосновных кислот. В её молекуле карбоксильная группа связана с атомом водорода, поэтому она проявляет восстановительные свойства, характерные для альдегидов. Муравьиная кислота способна давать реакцию серебряного зеркала: HCOOH + Ag₂O → CO₂↑ + H₂O + 2Ag↓. Уксусная и более высокие предельные кислоты в этой реакции обычно не участвуют.

Получение и применение

Один из школьных способов получения карбоновой кислоты состоит в окислении альдегида. Этаналь превращается в уксусную кислоту: CH₃CHO + [O] → CH₃COOH. Первичные спирты также могут окисляться до кислот, если окисление не остановить на стадии альдегида: CH₃CH₂OH + 2[O] → CH₃COOH + H₂O. В промышленности уксусную кислоту получают разными методами, в том числе окислением органического сырья.

Уксусная кислота используется в пищевой промышленности в виде разбавленного уксуса, а также при производстве красителей, полимеров и лекарственных веществ. Муравьиную кислоту применяют в кожевенной и текстильной промышленности. Высшие кислоты нужны для изготовления мыла. При нагревании жиров со щёлочью образуются глицерин и соли высших кислот, например стеарат натрия. Такие соли имеют длинную гидрофобную углеводородную часть и ионную гидрофильную группу, поэтому помогают удалять жирные загрязнения водой.

• Карбоксильная группа -COOH определяет характерные свойства карбоновых кислот.
• Предельные одноосновные кислоты имеют общую формулу C_nH_2nO₂.
• Кислоты реагируют с активными металлами, основаниями, основными оксидами и карбонатами.
• При взаимодействии кислоты со спиртом образуется сложный эфир.
• Муравьиная кислота обладает восстановительными свойствами и даёт реакцию серебряного зеркала.