Карбоновые кислоты

Уксусная кислота взаимодействует со щёлочью, карбонатом или подходящим металлом, а со спиртом может образовать сложный эфир. Эти разные реакции объединяет карбоксильная группа COOH. Важно рассматривать её как целую функциональную группу: наличие O–H не делает кислоту спиртом, а наличие C=O не делает её альдегидом.

Карбоксильная группа и классификация

Карбоновые кислоты содержат одну или несколько карбоксильных групп –C(=O)OH. В одноосновной кислоте с одной COOH её формулу часто записывают R–COOH; у муравьиной кислоты вместо органического фрагмента находится H.

Внутри COOH гидроксильная и карбонильная части влияют друг на друга. Кислотный протон в обычных водных реакциях отдаёт O–H. После отщепления образуется карбоксилат-ион R–COO⁻, в котором отрицательный заряд делокализован между двумя атомами O.

Число групп COOH определяет основность простых карбоновых кислот: уксусная CH₃COOH одноосновна, щавелевая HOOC–COOH двухосновна. Гидроксикарбоновые кислоты могут иметь также спиртовые OH, но такие OH не следует считать дополнительными карбоксильными протонами.

Кислоты бывают предельными, непредельными и ароматическими. Формула C_nH_2nO₂, n ≥ 1, относится только к предельным ациклическим одноосновным кислотам без других функциональных групп. Она совпадает с формулой ряда сложных эфиров и не является самостоятельным доказательством класса.

Названия и представители

В простой ациклической кислоте C группы COOH входит в главную цепь и получает номер 1. Название связывают с соответствующим углеводородом и окончанием -овая кислота. Для распространённых кислот употребляются также традиционные названия.

Число водородов в молекуле не равно основности: у уксусной кислоты их четыре, но в обычной нейтрализации реагирует один H карбоксильной группы. Натриевая соль имеет формулу CH₃COONa, а кальциевая — (CH₃COO)₂Ca, поскольку катион Ca²⁺ требует двух однозарядных ацетатов.

Физические свойства и сила

Низшие карбоновые кислоты хорошо взаимодействуют с водой благодаря полярной группе и водородным связям. При увеличении длинной неполярной части растворимость в воде обычно уменьшается. Высшие жирные кислоты, например стеариновая C₁₇H₃₅COOH, при комнатной температуре могут быть твёрдыми и плохо растворяться.

Температуры кипения карбоновых кислот относительно высоки из-за межмолекулярных взаимодействий; во многих средах образуются водородно-связанные димеры. Однако это не означает, что любое вещество существует только в виде пар молекул при любых условиях.

Уксусная кислота — слабая кислота в воде:

CH₃COOH + H₂O ⇌ CH₃COO⁻ + H₃O⁺.

Слабая кислота всё равно может практически полностью нейтрализоваться достаточным количеством щёлочи. Сила описывает равновесие передачи протона, а не отсутствие характерных реакций и не концентрацию раствора.

Кислотность разных карбоновых кислот различается и зависит от заместителей. Уксусная и муравьиная кислоты заметно сильнее простого фенола, но нельзя приписывать всем органическим кислотам одно одинаковое значение силы.

Общие кислотные свойства

При нейтрализации уксусной кислоты гидроксидом натрия образуются ацетат и вода:

CH₃COOH + NaOH → CH₃COONa + H₂O.

В сокращённом ионном уравнении слабую кислоту сохраняют молекулярной формулой:

CH₃COOH + OH⁻ → CH₃COO⁻ + H₂O.

С основным оксидом CuO при нагревании также получаются соль и вода:

2CH₃COOH + CuO → (CH₃COO)₂Cu + H₂O.

С достаточно активным металлом возможно выделение H₂. Для магния в водном растворе:

2CH₃COOH + Mg → (CH₃COO)₂Mg + H₂↑.

Нельзя объявлять любой металл реагирующим с любой кислотой. В частности, медь не вытесняет водород из обычного разбавленного раствора уксусной кислоты; наличие кислорода воздуха и других окислителей создаёт уже другие условия.

С карбонатом или гидрокарбонатом уксусная кислота образует CO₂:

2CH₃COOH + Na₂CO₃ → 2CH₃COONa + CO₂↑ + H₂O.

CH₃COOH + NaHCO₃ → CH₃COONa + CO₂↑ + H₂O.

Различие коэффициентов связано с зарядами и составом анионов. Газообразование не является доказательством исключительно уксусной кислоты: другие достаточно сильные кислоты тоже могут давать такой результат.

Этерификация и получение

Карбоновая кислота взаимодействует со спиртом с образованием сложного эфира и воды. Для уксусной кислоты и этанола при кислотном катализе:

CH₃COOH + C₂H₅OH ⇌ CH₃COOC₂H₅ + H₂O.

Это обратимая реакция. Катализатор ускоряет установление равновесия, но не превращает автоматически всю смесь в эфир. Конечный состав зависит от соотношения веществ, температуры и удаления или присутствия воды и других компонентов.

Кислоты получают разными путями. Окисление первичного спирта через альдегид — один из важных учебных маршрутов:

CH₃CH₂OH → CH₃CHO → CH₃COOH.

Стрелки здесь обозначают последовательность подходящих окислительных стадий, а не полные уравнения. Муравьиная кислота отличается от многих гомологов: она сама способна выступать восстановителем и окисляться до CO₂. Поэтому правило «карбоновые кислоты больше не окисляются» неверно.

Три разобранных примера

1. Название и формула соли

CH₃CH₂COOH содержит три C, включая C карбоксила: это пропановая кислота. Пропаноат-ион CH₃CH₂COO⁻ однозаряден, поэтому формула соли кальция — (CH₃CH₂COO)₂Ca.

2. Нейтрализация уксусной кислоты

В 12,0 г чистой кислоты при M ≈ 60 г/моль содержится 0,20 моль. Для полной нейтрализации:

n(NaOH) = 12,0 / 60 = 0,20 моль; m(NaOH) = 0,20 · 40 = 8,0 г.

Одноосновность даёт отношение кислота : NaOH = 1 : 1.

3. Сколько выделится углекислого газа?

Пусть 0,10 моль Na₂CO₃ полностью реагирует с достаточным количеством уксусной кислоты. По коэффициентам:

n(кислоты) = 0,20 моль; n(CO₂) = 0,10 моль; m(CO₂) ≈ 4,4 г.

Два протона нужны одному карбонат-иону, но углерод карбоната даёт только одну молекулу CO₂.

Частые ошибки

• Отделять C карбоксила от общего числа C в названии кислоты.
• Считать COOH независимыми спиртовой и альдегидной группами.
• Отождествлять слабую кислоту с разбавленной или не реагирующей.
• Забывать обратимость этерификации и возможное окисление муравьиной кислоты.

Пять заданий

1. Почему CH₃COOH одноосновна?
2. Какова формула ацетата кальция?
3. Сколько NaOH нужно для полной нейтрализации 0,10 моль щавелевой кислоты HOOC–COOH?
4. Какой эфир соответствует взаимодействию уксусной кислоты с метанолом?
5. Сколько CO₂ образуется при полном взаимодействии 0,15 моль NaHCO₃ с избытком уксусной кислоты?

Ответы с объяснениями

1. В обычной нейтрализации отдаётся один H группы COOH; три H метильной группы таким способом не отщепляются.
2. (CH₃COO)₂Ca: два ацетат-иона компенсируют заряд Ca²⁺.
3. В двух COOH два кислотных протона:

   n(NaOH) = 2 · 0,10 = 0,20 моль.

4. Метилацетат CH₃COOCH₃, или метиловый эфир уксусной кислоты; второй продукт — вода.
5. По отношению гидрокарбонат : CO₂ = 1 : 1:

   n(CO₂) = 0,15 моль.

Связанные темы и источники

Повторите альдегиды, спирты, сложные эфиры и ионные уравнения.

Для проверки фактов: OpenStax — строение и свойства карбоновых кислот и этерификация и другие превращения.