КАРБОНОВЫЕ КИСЛОТЫ

Карбоновыми кислотами называют производные углеводородов, содержащие одну или несколько карбоксильных групп.

Число карбоксильных групп характеризует основность кислоты.

В зависимости от количества карбоксильных групп карбоновые кислоты подразделяются на одноосновные карбоновые кислоты (содержат одну карбоксильную группу), двухосновные (содержат две карбоксильные группы) и многоосновные кислоты.

В зависимости от вида радикала, связанного с карбоксильной группой, карбоновые кислоты делятся на предельные, непредельные и ароматические. Предельные и непредельные кислоты объединяют под общим названием кислоты алифатического или жирного ряда.

Одноосновные карбоновые кислоты

1.1 Гомологический ряд и номенклатура

Гомо­логический ряд одноосновных предельных карбоновых кислот (иногда их называют жирными кислотами) начинается с муравьиной кислоты

Формула гомологического ряда

Номенклатура ИЮПАК разрешает сохранять для многих кислот их тривиальные названия, которые обычно указывают на природный источник, из которого была выделена та или иная кислота, например, муравьиная, уксусная, масляная, валериановая и т.д.

Для более сложных случаев названия кислот производят от названия уг­леводородов с тем же числом атомов углерода, что и в молеку­ле кислоты, с добавлением окончания -овая и слова кислота. Муравьиная кислота Н-СООН называется метановой кисло­той, уксусная кислота СН 3 -СООН - этановой кислотой и т. д.

Таким образом, кислоты рассматриваются как производные углеводородов, одно звено которых превращено в карбоксил:

При составлении названий кислот с разветвленной цепью по рациональной номенклатуре их рассматривают как производные уксусной кислоты, в молекуле которой атомы водорода замещены радикалами, например, триметилуксусная кислота (СН 3) 3 С – СООН.

1.2 Физические свойства карбоновых кислот

Только с чисто формальных позиций можно рассматривать карбоксильную группу как комбинацию карбонильной и гидроксильной функций. Фактически их взаимное влияние друг на друга таково, что полностью изменяет их свойства.

Обычная для карбонила поляризация двойной связи С=0 сильно возрастает за счет дополнительного стягивания свобод­ной электронной пары с соседнего атома кислорода гидроксильной группы:

Следствием этого является значительное ослабление связи О-Н в гидроксиле и легкость отщепления атома водорода от него в виде протона (Н +). Появление пониженной электронной плотности (δ+) на центральном углеродном атоме карбоксила приводит также к стягиванию σ-электронов соседней связи С-С к карбоксильной группе и появлению (как у альдегидов и кетонов) пониженной электронной плотности (δ +) на α-углеродном атоме кислоты.

Все карбоновые кислоты обладают кислой реакцией (обна­руживается индикаторами) и образуют соли с гидроксидами, оксидами и карбонатами металлов и с активными метал­лами:

Карбоновые кислоты в большинстве случаев в водном растворе диссоциированы лишь в малой степени и являются слабыми кислотами, значительно уступая таким кислотам, как соляная, азотная и серная. Так, при растворении одного моля в 16 л воды степень диссоциации муравьиной кислоты равна 0,06, уксусной кислоты - 0,0167, в то время как соля­ная кислота при таком разбавлении диссоциирована почти полностью.

Для большинства одноосновных карбоновых кислот рК а = 4,8, только муравьиная кислота имеет меньшую величи­ну рК а (около 3,7), что объясняется отсутствием электронодонорного эффекта алкильных групп.

В безводных минеральных кислотах карбоновые кислоты протонируются по кислороду с образованием карбкатионов:

Сдвиг электронной плотности в молекуле недиссоцииро­ванной карбоновой кислоты, о котором говорилось выше, по­нижает электронную плотность на гидроксильном атоме кис­лорода и повышает ее на карбонильном. Этот сдвиг еще боль­ше увеличивается в анионе кислоты:

Результатом сдвига является полное выравнивание заря­дов в анионе, который фактически существует в форме А - резонанс карбоксилат-аниона.

Первые четыре представителя ряда карбоновых кислот - подвижные жидкости, смешивающиеся с водой во всех отно­шениях. Кислоты, в молекуле которых содержится от пяти до девяти атомов углерода (а также изомасляная кислота), - маслянистые жидкости, растворимость их в воде невелика.

Высшие кислоты (от С 10) - твердые тела, практически не­растворимы в воде, при перегонке в обычных условиях они разлагаются.

Муравьиная, уксусная и пропионовая кислоты имеют ост­рый запах; средние члены ряда обладают неприятным запа­хом, высшие кислоты запаха не имеют.

На физических свойствах карбоновых кислот сказывается значительная степень ассоциации вследствие образования во­дородных связей. Кислоты образуют прочные водород­ные связи, так как связи О-Н в них сильно поляризованы. Кроме того, карбоновые кислоты спо­собны образовывать водородные связи с участием атома кисло­рода карбонильного диполя, обладающего значительной электроотрицательностью. Действительно, в твердом и жидком со­стоянии карбоновые кислоты существуют в основном в виде циклических димеров:

Такие димерные структуры сохраняются в некоторой степе­ни даже в газообразном состоянии и в разбавленных растворах в неполярных растворителях.

Химические свойства

Для кислот характерны три типа реакций: замещения иона водорода карбоксильной группы (образование солей); с участием гидроксильной группы (образование сложных эфиров, галогенангидридов, ангидридов кислот); замещения водорода в радикале.

Образование солей. Карбоновые кислоты легко образуют соли при взаимодействии с взаимодействии с металлами, их оксидами, со щелочами или основаниями, при действии аммиака или аминов:

Соли карбоновых кислот находят широкое применение в народном хозяйстве. Они используются в качестве катализаторов, стабилизаторов полимерных материалов, при изготовлении красок и т.д.

Образование сложных эфиров. Со спиртами кислоты дают сложные эфиры:

Образование галогенангидридов. При действии на кислоты галогенидов фосфора или SОС1 2 получаются галогенангидриды кислот:

Галогенангидриды – очень реакционноспособные вещества, которые применяются для разнообразных синтезов.

Образование ангидридов кислот. Если от двух молекул карбоновых кислот отнять одну молекулу воды (в присутствии водоотнимающих веществ Р 2 О 5 и др.), образуется ангидрид карбоновой кислоты:

Ангидриды кислот, подобно галогенангидридам, очень реакци-онноснособны; они разлагаются различными соединениями с активным водородом, образуя производные кислоты и свобод­ную кислоту:

Галогенирование карбоновых кислот. Водородные атомы углеводо­родных радикалов в кислотах по реакционной способности по­добны атомам водорода в алканах. Исключение составляют атомы водорода, расположенные у α-углеродного атома (непо­средственно связанного с карбоксилом). Так, при действии хлора и брома в присутствии переносчиков галогенов (РС1 3 , 1 2 и др.) на карбоновые кислоты или на их хлорангидриды проис­ходит замещение именно α -водородных атомов:

Действие окислителей. Одноосновные карбоновые кис­лоты, как правило, устойчивы к действию окислителей. Легко окисляются лишь муравьиная кислота (до СО 2 и Н 2 О) и кисло­ты с третичным атомом углерода в α -положении. При окисле­нии последних получаются α -оксикислоты:

В животных организмах одноосновные карбоновые кисло­ты также способны окисляться, причем атом кислорода на­правляется всегда в β-положение. Так, например, в организме больных диабетом масляная кислота переходит в β -оксимасляную кислоту:

Образование кетонов Сухая пе­регонка кальциевых и бариевых солей карбоновых кислот (кроме муравьиной кислоты) приводит к образованию кетонов. Так, при перегонке ацетата кальция, полученного из СаСО 3 и СН 3 СООН, образуется диметилкетон, при перегонке пропионовокислого кальция - диэтилкетон:

Образование амидов. При нагревании аммониевых солей кислот по­лучаются амиды:

Образование углеводородов. При сплавле­нии солей щелочных металлов карбоновых кислот со щелоча­ми (пиролиз) происходит расщепление углеродной цепи и декарбоксилирование, в результате чего из углеводородного радикала кис­лоты образуется соответствующий углеводород, например:

Важнейшие представители

Муравьиная кислота - бесцветная жидкость с резким запа­хом. Является сильным восстановителем и окисляется до уголь­ной кислоты. В природе свободная муравьиная кислота встреча­ется в выделениях муравьев, в соке крапивы, в поте животных. Применяют муравьиную кислоту при крашении тканей в качестве восстановителя, при дублении кож, в медицине, в различных органических синтезах.

Уксусная кислота - бесцветная жидкость с резким запахом. Водный раствор (70 - 80 %) уксусной кислоты называется уксусной эссенцией, а 3 -5%-ный водный раствор - столовым уксу­сом.

Уксусная кислота широко встречается в природе. Она содер­жится в моче, поте, желчи и коже животных, растениях. Образуется при уксуснокислом брожении жидкостей, содержащих спирт (вино, пиво и др.).

Широко используется в химической промышленности для производства ацетатного шелка, красителей, сложных эфиров, ацетона, уксусного ангидрида, солей и т.д. В пищевой промыш­ленности уксусная кислота используется для консервирования продуктов, некоторые сложные эфиры уксусной кислоты приме­няются в кондитерском производстве.

Масляная кислота представляет собой жидкость с неприят­ным запахом. Содержится в виде сложного эфира в коровьем масле. В свободном состоянии находится в прогоркшем масле.

2. Двухосновные карбоновые кислоты

Общая формула гомологического ряда предельных двухосновных кислот

Примерами могут служить:

Предельные двухосновные кислоты - твердые кристалли­ческие вещества. Подобно тому, как это отмечалось для одноосновных кислот, предельные двухосновные кислоты с четным числом атомов углерода плавятся при более высокой темпера­туре, чем соседние гомологи с нечетным числом атомов углерода. Растворимость в воде кислот с нечетным числом атомов угле­рода значительно выше растворимости кислот с четным чис­лом атомов углерода, причем с возрастанием длины цепи рас­творимость кислот в воде уменьшается.

Двухосновные кислоты диссоциируют последовательно:

Они сильнее соответствующих одноосновных кислот. Сте­пень диссоциации двухосновных кислот понижается с увели­чением их молекулярной массы.

В молекуле двухосновных кислот содержатся две карбок­сильные группы, поэтому они дают два ряда производных, на­пример средние и кислые соли, средние и кислые сложные эфиры:

При нагревании щавелевой и малоновой кислот легко от­щепляется СО 2:

Двухосновные кислоты с четырьмя и пятью атомами угле­рода в молекуле, т. е. янтарная и глутаровая кислоты, при на­гревании отщепляют элементы воды и дают внутренние цик­лические ангидриды:

3. Непредельные карбоновые кислоты

Состав непредельных одноосновных кислот с одной двой­ной связью можно выразить общей формулой С n Н 2 n -1 СООН. Как и для любых бифункциональных соединений, для них ха­рактерны реакции как кислот, так и олефинов. α.β-Непредельные кислоты несколько превосходят по силе соответст­вующие жирные кислоты, так как двойная связь, находящая­ся рядом с карбоксильной группой, усиливает ее кислотные свойства.

Акриловая кислота. Простейшая непредельная одноосновная кислота

Олеиновая, линолевая и линоленовая кислоты.

Олеиновая кислота С 17 Н 33 СООН в виде глицеринового эфира чрезвычайно распространена в природе. Ее строение выража­ется формулой

Олеиновая кислота - бесцветная маслянистая жидкость, легче воды, на холоду затвердевает в игольчатые кристаллы, плавящиеся при 14 °С. На воздухе она быстро окисляется и желтеет.

Молекула олеиновой кислоты способна присоединять два атома галогена:

В присутствии катализаторов, например Ni, олеиновая кислота присоединяет два атома водорода, переходя в стеари­новую кислоту.

Олеиновая кислота представляет собой цис-изомер (все природные непредельные высокомолекулярные кислоты, как правило, относятся к цис-ряду).

Линолевая С 17 Н 31 СООН и линоленовая С 17 Н 29 СООН кисло­ты еще более ненасыщены, чем олеиновая кислота. В виде сложных эфиров с глицерином - глицеридов - они являются главной составной частью льняного и конопляного масел:

В молекуле линолевой кислоты две двойные связи. Она может присоединять четыре атома водорода или галогена. В молекуле линолевой кислоты три двойные связи, поэтому она присоединяет шесть атомов водорода или галогена. Обе кислоты, присоединяя водород, переходят в стеариновую кис­лоту.

Сорбиновая кислота

Она имеет две сопряженные друг с другом и с карбоксильной группой двойные связи, имеющие транс-конфигурацию; является пре­красным консервантом для многих пищевых продуктов: овощ­ных консервов, сыра, маргарина, фруктов, рыбных и мясных продуктов.

Малеиновая и фумаровая кислоты. Простейшими из двухосновных кислот, содержащих этиленовую связь, являют­ся два структурных изомера:

Кроме того, для второй из этих кислот возможны две про­странственные конфигурации:

Фумаровая кислота содержится во многих растениях: осо­бенно часто она встречается в грибах. Малеиновая кислота в природе не найдена.

Обе кислоты обычно получают при нагревании яблочной (оксиянтарной) кислоты:

При медленном, осторожном нагревании получается главным образом фумаровая кислота; при более сильном нагревании и при перегонке яблочной кислоты получается малеиновая кис­лота.

Как фумаровая, так и малеиновая кислота при восстанов­лении дают одну и ту же янтарную кислоту.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Карбоновые кислоты – органические соединения, молекулы которых содержат одну или несколько функциональных карбоксильных групп –СООН, связанных с углеводородным радикалом.

Карбоксильная группа состоит из карбонильной группы > C = O и связанной с ней гидроксильной группы –ОН.

Общая формула карбоновых кислот: R–COOH.

Кислотные свойства карбоновых кислот обусловлены смещением электронной плотности к карбонильному кислороду, что обусловливает возникновение частичного положительного заряда на атоме .

В результате полярность связи О–Н возрастает, и становится возможным процесс диссоциации:

Образующийся анион стабилизируется за счет делокализации заряда:

Низшие карбоновые кислоты, содержащие до 3 атомов углерода – бесцветные жидкости с характерным резким запахом, смешиваются с водой в любых соотношениях. Большинство кислот, содержащих 4–9 атомов – маслянистые жидкости с неприятным запахом. Кислоты, содержащие больше 10 атомов водорода – твёрдые вещества, нерастворимые в воде.

Растворимость карбоновых кислот в воде и высокие температуры кипения связаны с образованием межмолекулярных водородных связей. В твердом состоянии карбоновые кислоты существуют главным образом в виде циклических димеров, а в жидком происходит и линейная ассоциация:

Виды карбоновых кислот

В зависимости от строения углеводородного радикала, карбоновые кислоты разделяются на:

• ароматические (бензойная кислота)
• алифатические (предельные (капроновая кислота) и непредельные (акриловая кислота))
• алициклические (хинная кислота)
• гетероциклические (никотиновая кислота).

По числу карбоксильных групп карбоновые кислоты разделяются на:

• одноосновные ()
• двухосновные (щавелевая кислота)
• многоосновные (лимонная кислота).

При введении в молекулу кислоты других функциональных групп (–ОН, =CO, –NH 2 и др.) образуются другие классы соединений: окси-, кетокислоты, и др.

Общая формула предельных одноосновных карбоновых кислот:

С n H 2n O 2 (n = 1,2,3…) или Cn H 2n+1 COOH (n = 0,1,2…)

Общая формула непредельных одноосновных карбоновых кислот:

С n H 2 n –2 O 2 (n = 1,2,3…) или C n H 2 n –1 COOH (n = 0,1,2…)

Общая формула предельных двухосновных карбоновых кислот:

C n H 2n–2 O 4 (n = 2,3…)

Названия и формулы некоторых карбоновых кислот

метановая

муравьиная

этановая

уксусная

пропановая

пропионовая

бутановая

масляная

пентановая кислота

валериановая кислота

гексановая кислота

капроновая кислота

октадекановая

стеариновая

2-пропеновая

акриловая

CH 3 –CH=CH–COOH

2-бутеновая

кротоновая

CH 2 =CH–CH 2 –COOH

3-бутеновая

винилуксусная

CH 2 =C(CH 3)COOH

2-метил-2-пропеновая

метакриловая

этандиовая

щавелевая

COOH–CH 2 –COOH

пропандиовая

малоновая

COOH–(CH 2) 2 –COOH

бутандиовая

янтарная

COOH–(CH 2) 3 –COOH

пентандиовая

глутаровая

COOH–(CH 2) 4 –COOH

гександиовая

адипиновая

Формула карбоновой кислоты	Название по ИЮПАК	Тривиальное название
Предельные одноосновные карбоновые кислоты
Непредельные одноосновные карбоновые кислоты
Двухосновные карбоновые кислоты

Примеры решения задач

ПРИМЕР 1

Задание

В трех одинаковых пробирках без подписей находятся три кислоты: муравьиная, уксусная и соляная. Как на основании различия их химических свойств определить, какая кислота находится в каждой пробирке?

Решение

Муравьиная кислота проявляет также некоторые свойства (восстановительные). Поэтому ее можно определить, например, по реакции с гидроксидом меди (II), в случае муравьиной кислоты образуется оксид меди (I) красного цвета: Различить оставшиеся кислоты можно по реакции с нитратом серебра. В случае соляной кислоты выпадает белый осадок хлорида серебра: Ацетат серебра растворяется в воде, поэтому в пробирке с изменений не произойдет. Таким образом, в оставшейся пробирке – уксусная кислота.

ПРИМЕР 2

Задание

Определить , если при гидролизе его образца массой 2,64 г выделяется 1,38 г спирта и 1,8 г одноосновной карбоновой кислоты.

Решение

Общая формула сложного эфира, состоящего из спирта и кислоты с разным числом атомов углерода: Таким образом, формула спирта: а формула кислоты: Запишем уравнение гидролиза сложного эфира: В соответствии с законом сохранения массы веществ, масса продуктов реакции равна массе исходных веществ. Рассчитаем массу : M(кислоты) + m(спирта) – m(эфира) г Рассчитаем количество вещества воды: По уравнению реакции n(кислоты) = n(спирта) моль

1. Карбоновые кислоты – это кислородсодержащие органически вещества, молекулы которых содержат одну или несколько карбоксильных групп

(-С OOH ), соединённых с углеродным радикалом или водородным атомом.

Карбоксильная группа содержит две функциональные группы – карбонил >С=О и гидроксил -OH, непосредственно связанные друг с другом:

2. Классификация

А) По числу карбоксильных групп в молекуле

Название	Примеры
1) Одноосновные	Метановая , муравьиная кислота Этановая , уксусная кислота
2) Двухосновные	HOOC – COOH Щавелевая кислота
3) Многоосновные

Б) По природе углеводородного радикала

Название	Примеры
1) Предельные (насыщенные)	HCOOH Метановая , муравьиная кислота CH 3 COOH Этановая , уксусная кислота
2) Непредельные	Акриловая кислота СН 2 =СНСООН Кротоновая кислота СН 3 –СН=СН–СООН Олеиновая СН 3 –(СН 2) 7 –СН=СН–(СН 2) 7 –СООН Линолевая СН 3 –(СН 2) 4 –(СН=СН–СН 2) 2 –(СН 2) 6 –СООН Линоленовая СН 3 –СН 2 –(СН=СН–СН 2) 3 –(СН 2) 6 –СООН
3) Ароматические	С 6 Н 5 СООН – бензойная кислота НООС–С 6 Н 4 –СООН Пара -терефталевая кислота

3. Изомерия и номенклатура

I . Структурная

А) Изомерия углеродного скелета (начиная с C 4 )

Б) Межклассовая со сложными эфирами R - CO – O - R 1 (начиная с C 2 )

Например: для С 3 Н 6 О 2

CH 3 -CH 2 -COOH пропионовая кислота

СH 3 -CO -OCH 3 метиловый эфир уксусной кислоты

II . Пространственная

А) Оптическая

Например:

Б) Цис- транс – изомериядля непредельных кислот

Пример:

4. Номенклатура карбоновых кислот

Систематические названия кислот даются по названию соответствующего углеводорода с добавлением суффикса -овая и слова кислота .

Чтобы указать положение заместителя (или радикала), нумерацию углеродной цепи начинают от атома углерода карбоксильной группы. Например, соединение с разветвленной углеродной цепью (CH 3) 2 CH-CH 2 -COOH называется 3-метилбутановая кислота . Для органических кислот широко используются также тривиальные названия, которые обычно отражают природный источник, где были впервые обнаружены эти соединения.

Некоторые одноосновные кислоты

Формула	Название кислоты R-COOH		Название остатка RCOO -
	систематическое	тривиальное
HCOOH	метановая	муравьиная	формиат
CH 3 COOH	этановая	уксусная	ацетат
C 2 H 5 COOH	пропановая	пропионовая	пропионат
C 3 H 7 COOH	бутановая	масляная	бутират
C 4 H 9 COOH	пентановая	валерьяновая	валерат
C 5 H 11 COOH	гексановая	капроновая	капрат
C 15 H 31 COOH	гексадекановая	пальмитиновая	пальмитат
C 17 H 35 COOH	октадекановая	стеариновая	стеарат
C 6 H 5 COOH	бензолкарбоновая	бензойная	бензоат
CH 2 =СH-COOH	пропеновая	акриловая	акрилат

Для многоосновных кислот применяют суффиксы -диовая, -триовая и т.д.

Например:

HOOC-COOH - этандиовая (щавелевая) кислота;

HOOC-CH 2 -COOH - пропандиовая (малоновая) кислота.

ПРЕДЕЛЬНЫЕ ОДНООСНОВНЫЕ КАРБОНОВЫЕ КИСЛОТЫ

C n H 2 n +1 - COOH или C n H 2 n O 2

Гомологический ряд

Название		Формула кислоты	t пл. °C	t кип. °C	ρ г/см 3
кислоты
муравьиная	метановая	HCOOH		100,5	1,22
уксусная	этановая	CH 3 COOH	16,8		1,05
пропионовая	пропановая	CH 3 CH 2 COOH			0,99
масляная	бутановая	CH 3 (CH 2) 2 COOH			0,96

Строение карбоксильной группы

Карбоксильная группа сочетает в себе две функциональные группы – карбонил >C =O и гидроксил -OH , взаимно влияющие друг на друга:

Кислотные свойства карбоновых кислот обусловлены смещением электронной плотности к карбонильному кислороду и вызванной этим дополнительной (по сравнению со спиртами) поляризации связи О–Н.
В водном растворе карбоновые кислоты диссоциируют на ионы:

Растворимость в воде и высокие температуры кипения кислот обусловлены образованием межмолекулярных водородных связей.

С увеличением молекулярной массы растворимость кислот в воде уменьшается.

Физические свойства предельных одноосновных кислот

Низшие члены этого ряда при обычных условиях представляют собой жидкости, обладающие характерным острым запахом. Например, этановая (уксусная) кислота имеет характерный "уксусный" запах. Безводная уксусная кислота при комнатной температуре представляет собой жидкость; при 17 °С она замерзает, превращаясь в льдистое вещество, которое получило название "ледяная" уксусная кислота. Средние представители этого гомологического ряда - вязкие, "маслообразные" жидкости; начиная с С 10 - твердые вещества.

Простейший представитель – муравьиная кислота НСООН – бесцветная жидкость с т. кип. 101 °С, а чистая безводная уксусная кислота CH 3 COOH при охлаждении до 16,8 °С превращается в прозрачные кристаллы, напоминающие лед (отсюда ее название ледяная кислота ).
Простейшая ароматическая кислота - бензойная C 6 H 5 COOH (т. пл. 122,4°С) - легко возгоняется, т.е. переходит в газообразное состояние, минуя жидкое. При охлаждении её пары сублимирутся в кристаллы. Это свойство используется для очистки вещества от примесей.

Назад Вперёд

Внимание! Предварительный просмотр слайдов используется исключительно в ознакомительных целях и может не давать представления о всех возможностях презентации. Если вас заинтересовала данная работа, пожалуйста, загрузите полную версию.

Цели:

• Воспитания:
  • воспитывать аккуратность в ведении записей в тетрадях;
  • приучать к поддержанию чистоты и аккуратности рабочего места;
  • воспитывать умение общения в коллективе;
  • осознание учениками того, какую значительную роль играют карбоновые кислоты в жизни человека;
  • формирование мировоззренческих знаний: показать причинно-следственные связи при рассмотрении строения, свойств, применения данных веществ; переход количественных изменений в качественные при рассмотрении гомологического ряда кислот и изменении их физических свойств с увеличением масс.
• Развития:
  • уметь формулировать определение предельным карбоновым кислотам;
  • уметь составлять названия представителям класса;
  • уметь находить изомеров и гомологов из перечня предложенных веществ;
  • уметь составлять уравнения химических реакций, отражающих химические свойства карбоновых кислот.
• Образования:
  • сформировать представление о карбоновых кислотах как о классе органических соединений;
  • изучить номенклатуру и изомерию предельных карбоновых кислот, а также их классификацию;
  • изучить гомологический ряд предельных карбоновых кислот;
  • изучить строение карбоновых кислот;
  • рассмотреть свойства карбоновых кислот и их применение.

Оборудование и реактивы: уксусная кислота, муравьиная кислота, универсальная лакмусовая бумажка, метиловый оранжевый, водный экстракт калины, медная проволока, гидроксид железа (III), гидрокарбонат натрия, нитрат серебра, нашатырный спирт (для приготовления аммиачного раствора оксида серебра), раствор перманганата калия; держатель пробирок, спички, спиртовка, пробирки; демонстрационные плакаты, демонстрационные препараты (яйца Kinder Сюрприз), мультимедийные средства, видеоопыт (растворимость карбоновых кислот в воде, взаимодействие уксусной кислоты с металлами), натуральные объекты (лимонад, кетчуп), лист фронтальной работы (ЛФР) (Приложение 1 ).

Методы: словесно-наглядный, лабораторный эксперимент, групповая работа.

Методика: традиционный урок, изучение нового.

ХОД УРОКА

– Добрый день!

«Всякое вещество – от самого простого до самого сложного – имеет три различные, но взаимосвязанные стороны – свойство, состав, строение».

В.М. Кедров

Одной из ведущих идей науки химии является зависимость свойств веществ от их состава и строения, изучить и подтвердить которую нам сегодня предстоит.
Сегодняшний урок посвящён особому классу органических соединений. Какому? Окунёмся в прошлое.
С древнейших времён люди выращивали виноград и запасали впрок виноградный сок. При хранении сок бродил, получалось вино. Если вино скисало, образовывался уксус. Отсюда и понятно происхождение слова «уксус» – от греческого «оксос» – кислый. (Демонстрация рисунка «столовый уксус»).
Люди стали пользоваться уксусом почти 3000 лет назад. В древности уксус был единственной пищевой кислотой. Позднее появилась важная «добавочка» к различным кулинарным изделиям – лимонная кислота… Впервые она выделена из сока незрелых лимонов.
Для придания пище кислого вкуса использовались листья щавеля, стебли ревеня, сок лимона, ягоды кислицы (демонстрация рисунков) . Разумеется, тогда никто и не думал о том, что кислый вкус во всех случаях обусловлен присутствием соединений одного класса. Какого? (Кислот). Органических кислот, которые называют карбоновыми.
В состав клюквы, брусники, черники и мёда входит бензойная кислота. Она широко используется в пищевой промышленности в качестве консерванта (Е210) при изготовлении напитков и кетчупов (демонстрация лимонада и кетчупа) .
У многих насекомых, образующих семьи или просто «сообщества» (термиты, муравьи, осы, пчёлы), вырабатываются в организме особые химические вещества, с помощью которых они оповещают своих соплеменников об опасности. Например, рыжие муравьи обладают феромоном тревоги – муравьиной кислотой, которая одновременно служит их оружием.
Муравьиная кислота встречается также в некоторых растениях, в частности в жгучей крапиве.

– Ребята, сформулируйте тему урока. (Карбоновые кислоты). Запишите число и тему урока.

Исследуя настои, полученные из корней и листьев разных растений, к концу 18 века Карл Шееле выделил винную, лимонную, яблочную, галловую, щавелевую кислоты.

– Сегодняшний урок посвящён одному из классу органических соединений – карбоновым кислотам. Неорганические кислоты вы изучили.

– Какую цель мы поставим на сегодняшнем уроке? (Определить, обладают карбоновые кислоты свойствами неорганических, изучив их состав и строение).

Показываю формулы некоторых карбоновых кислот (Приложение 2 ).

– Что общего вы видите в их строении? (Одну или несколько групп ).
– Мысленно «расчлените» неизвестную функциональную группу на две.
– Какие из изученных групп можно обнаружить в её составе? (Гидроксильную и карбо нильную). Отсюда и название – карбоксильная группа.
– А теперь попробуйте сформулировать определение карбоновым кислотам.

Карбоновые кислоты – органические вещества, молекулы которых содержат одну или несколько карбоксильных групп, соединённых с углеводородным радикалом.
Вполне очевидно, что познакомиться со всеми кислотами невозможно. Поэтому обратимся к их классификации.

– Глядя на формулы кислот, классифицируйте их на группы по разным критериям.
– По каким критериям вы можете их разделить? (По природе углеводородного радикала, по основности).

(Работа ученика у доски).

Карбоновые кислоты (по природе углеводородного радикала)
Предельные (насыщенные)	Непредельные (ненасыщенные)	Ароматические

Вспомните классификацию неорганических кислот.
Что понимается под основностью неорганических кислот? (Число атомов водорода, способных замещаться на металл).
Тоже справедливо и для органических кислот.

Карбоновые кислоты (по основности)
Одноосновные	Двухосновные	Многоосновные

Итак, карбоновые кислоты бывают предельными, непредельными и ароматическими, а также одноосновными, двухосновными и многоосновными.
На сегодняшнем уроке мы изучим одноосновные предельные карбоновые кислоты .
Многообразие карбоновых кислот, как и всех органических соединений, обеспечивают два важных явления.
Какие это явления? (Изомерия и гомология).
Сформулируйте определение гомологам. (Гомологи – это вещества, которые имеют одинаковый качественный состав, но разный количественный состав (отличаются на одну или несколько групп –СН 2), имеют сходное строение, а следовательно – сходные свойства.
У вас на столах находятся листочки, которые вы вклеите в свои тетради (Приложение 3 ). В первой колонке записаны первые члены гомологического ряда карбоновых кислот и некоторые наиболее распространённые другие. Во вторую вы впишите их систематическое название (Самостоятельно с последующей проверкой) . Третья, четвёртая и пятая колонки уже заполнены.
А теперь назовём карбоновые кислоты по систематической номенклатуре. Вспомним правила номенклатуры органических соединений на примере:

В систематической номенклатуре карбоновых кислот используют окончание -овая кислота . Если карбоксильных групп несколько, то используют приставки ди- , три- , тетра- и т.д. Наиболее часто для карбоновых кислот применяются исторически возникшие названия, связанные в большинстве случаев с названием их природных источников. Поэтому, чтобы в дальнейшем хорошо ориентироваться в номенклатуре органических соединений, следует запомнить названия простейших одноосновных кислот.
Первый представитель – муравьиная кислота. В его составе только один атом углерода. Какой углеводород ему соответствует? (Метан). Значит, как будет называться карбоновая кислота? (Метановая кислота). Запишем название.

Формула кислоты	Название		Название кислотного остатка	Формула кислотного остатка
	Систематическое	Тривиальное
HCOOH	Метановая кислота	Муравьиная	формиат	HCOO –
CH 3 COOH	Этановая кислота	Уксусная	ацетат	CH 3 COO –
C 2 H 5 COOH	Пропановая кислота	Пропионовая	пропионат	C 2 H 5 COO –
C 3 H 7 COOH	Бутановая кислота	Масляная	бутират	C 3 H 7 COO –
C 4 H 9 COOH	Пентановая кислота	Валериановая	валерат	C 4 H 9 COO –
C 5 H 11 COOH	Гексановая кислота	Капроновая	капрат	C 5 H 11 COO –
CH 2 =CH–COOH	Пропеновая кислота	Акриловая	акрилат	CH 2 =CH–COO –
C 15 H 31 COOH	Гексадекановая кислота	Пальмитиновая	пальмитат	C 15 H 31 COO –
C 17 H 35 COOH	Октадекановая кислота	Стеариновая	стеарат	C 17 H 35 COO –

Мы назвали только одно явление, которое обеспечивает многообразие альдегидов. А теперь, посмотрите. (Показываю детям 3 шоколадных яйца Kinder Сюрприз). Внешне они абсолютно одинаковы. У нас тоже есть три абсолютно одинаковые молекулярные формулы веществ. (На доске заранее вывешены 3 плаката закрытой стороной). Открываю их (Приложение 4 ).
Но известно, что это 3 разных вещества. В чём причина? С каким явлением это связано? (С явлением изомерии).
Вот так, как внешне шоколадные яйца одинаковы, внутри содержат совершенно разные игрушки, так и эти вещества имеют одинаковые молекулярные формулы, но разное строение.
Сформулируйте определение изомерам. (Изомеры – вещества, которые имеют одинаковый качественный и количественный состав, но разное строение).
Составьте к веществу с молекулярной формулой C 4 H 8 O 2 изомеры. (Работа у доски) .

Можно составить и другие изомеры. Остановимся на этом.
Сделайте вывод, какие виды изомерии характерны для карбоновых кислот. (Изомерия углеродного скелета (1 и 2) и межклассовая изомерия (например, 1 и 4)).
С каким классом органических соединений изомерны карбоновые кислоты? (Со сложными эфирами).
А теперь назовём 1 и 2 соединения по систематической номенклатуре. (Работа у доски).
Зная систематическое название, можно составить структурную формулу. Составьте формулу 2-гидроксипропановой кислоты. (Работа у доски).

Эта кислота имеет тривиальное название – молочная – принимает активное участие в жизненных процессах. Ещё в прошлом веке И.И. Мечников заметил, что питание молочнокислой продукцией окисляет кишечник от гнилостной микрофлоры и способствует долголетию .
Напомню, свойства вещества зависят от их строения. Обратимся к строению.

В молекуле карбоновой кислоты р -электроны атома О –гидроксильной группы взаимодействуют с электронами π -связи карбонильной группы, в результате чего возникает полярность связи О-Н, упрочняется π -связь в карбонильной группе, уменьшается δ+ заряд на атоме С и увеличивается частичный δ+ на атоме Н . Это способствует образованию прочных водородных связей между молекулами карбоновых кислот.
В гомологическом ряду карбоновых кислот их сила падает с увеличением углеводородного радикала, поэтому наиболее сильной из них является муравьиная кислота. Это объясняется увеличением положительного индукционного эффекта алкильного заместителя в ряду –H > –CH 3 > –C 2 H 5 . Дальнейшее удлинение углеродной цепи не оказывает заметного влияния на величину +I -эффекта и, следовательно, силу кислоты:

Физические свойства карбоновых кислот опишем, выполнив № 4 ЛФР. Выясним, как изменяются физические свойства карбоновых кислот в гомологическом ряду. Посмотрим видеоопыт – растворимость карбоновых кислот в воде.
Вспомним свойства неорганических кислот. (Ответы учащихся).
Кислотные свойства карбоновых кислот аналогичны свойствам слабых неорганических кислот. Неорганические кислоты диссоциируют (растворимые в воде), изменяют окраску индикатора (растворимые в воде), взаимодействуют с металлами, стоящими в электрохимическом ряду напряжения металлов до Н 2 , с амфотерными и основными оксидами, с основаниями, с солями более слабых кислот.
Обладают ли карбоновые кислоты этими свойствами? Проверим.
Повторим правила техники безопасности при работе с кислотами.
При попадании на кожу растворов кислот или щелочей стряхивают видимые капли и затем смывают широкой струёй прохладной воды; запрещается обрабатывать поражённый участок увлажнённым тампоном. Почему?
Выберите правильный ответ.
При ожоге кислотой кожу необходимо обработать раствором:

Нейтрализацию катионов водорода проводить едкой щёлочью нельзя, так как можно получить химические и термические ожоги. Для этой цели используют раствор соды, имеющий щелочную среду. Ответ: 2.

Проведём опыты. (Работа по группам с написанием соответствующих уравнений реакций на доске).

Посмотрим на ребус. . С какой кислотой мы будем работать?

Одна из групп будет исследовать особые свойства муравьиной кислоты , выполнив № 7 ЛФР.

Ход практической работы и предполагаемые ответы учащихся – Приложение 5 .

Взаимодействие уксусной кислоты с металлами – видеоопыт.

А будут ли спирты взаимодействовать с карбоновыми кислотами? (Да).

Такие реакции называют реакциями этерификации .

Реакция этерификации – реакция образования сложных эфиров при взаимодействии кислот и спиртов в присутствии водоотнимающего средства.
В соответствии с механизмом протекания реакции этерификации при образовании сложного эфира от молекулы кислоты отщепляется гидроксильная группа, от молекулы спирта – атом водорода гидроксила:

Применение карбоновых кислот (слайды) .
– Подведем итоги:
– Что нового мы узнали на уроке? Чему научились? Что знаем?

(Краткие ответы учеников).

– Сформулируйте вывод о свойствах карбоновых кислот. (Карбоновые кислоты обладают свойствами неорганических кислот, проявляют специфические свойства).
Растворимые кислоты диссоциируют изменяют окраску индикатора, карбоновые кислоты взаимодействуют с активными металлами с выделением водорода, реагируют с основными и амфотерными оксидами, основаниями, солями более слабых кислот.

– Мы сегодня прошли путь от состава и строения веществ к предсказанию их свойств.

1. Сформулируйте определение понятию «карбоновые кислоты»?
2. В чем заключаются особенности классификации кислот?
3. Какие виды изомерии для них характерны?
4. В чем особенности номенклатуры карбоновых кислот?
5. С какими вещества взаимодействуют карбоновые кислоты?
6. Где находят применение карбоновые кислоты?
7. В пищевой промышленности уксусная кислота используется в качестве консерванта и регулятора кислотности под кодом Е-260. Напишите структурную формулу предыдущего гомолога этой кислоты, имеющего код Е-236. Назовите вещество по систематической и тривиальной номенклатуре.
8. Составьте уравнение реакции взаимодействия уксусной кислоты с бромом на свету; гидрирование акриловой кислоты; пропионовой кислоты с метиловым спиртом.

Домашнее задание: §30, ЛФР № 13, 14, 15.

Список литературы

1. Габриелян О.С. Химия / О.С. Габриелян, И.Г. Остроумова, С.А. Сладков. – М.: / Дрофа, 2011.
2. Карцова А.А. Химия без формул. – 3-е изд., перераб. – СПб.: Авалон, Азбука-классика, 2005.
3. Мартыненко Б.В. Химия: кислоты и основания: Пособие для учащихся 8-11 кл. общеобразоват. учреждений. – М.: просвещение, 2000.
4. Химия в школе, 2008, № 5-80.
5. Химия в школе, 2010, № 3-80.

Карбоновые кислоты - органические вещества, молекулы которых содержат одну или несколько карбоксильных групп.

Карбоксильная группа (сокращенно —COOH) - функциональная группа карбоновых кислот - состоит из карбонильной группы и связанной с ней гидроксильной группы.

По числу карбоксильных групп карбоновые кислоты делятся на одноосновные, двухосновные и т.д.

Общая формула одноосновных карбоновых кислот R—COOH. Пример двухосновной кислоты - щавелевая кислота HOOC—COOH.

По типу радикала карбоновые кислоты делятся на предельные (например, уксусная кислота CH 3 COOH), непредельные [например, акриловая кислота CH 2 =CH—COOH , олеиновая CH 3 —(CH 2) 7 —CH=CH—(CH 2) 7 —COOH] и ароматические (например, бензойная C 6 H 5 —COOH).

Изомеры и гомологи

Одноосновные предельные карбоновые кислоты R—COOH являются изомерами сложных эфиров (сокращенно R"—COOR"") с тем же числом атомов углерода. Общая формула и тех, и других C n H 2n O 2 .

г	HCOOH метановая (муравьиная)
	CH 3 COOH этановая (уксусная)		HCOOCH 3 метиловый эфир муравьиной кислоты
	CH 3 CH 2 COOH пропановая (пропионовая)		HCOOCH 2 CH 3 этиловый эфир муравьиной кислоты	CH 3 COOCH 3 метиловый эфир уксусной кислоты
	CH 3 (CH 2) 2 COOH бутановая (масляная)	2-метилпропановая	HCOOCH 2 CH 2 CH 3 пропиловый эфир муравьиной кислоты	CH 3 COOCH 2 CH 3 этиловый эфир уксусной кислоты	CH 3 CH 2 COOCH 3 метиловый эфир пропионовой кислоты
	и з о м е р ы

Алгоритм составления названий карбоновых кислот

1. Найдите главную углеродную цепь - это самая длинная цепь атомов углерода, включающая атом углерода карбоксильной группы.
2. Пронумеруйте атомы углерода в главной цепи, начиная с атома углерода карбоксильной группы.
3. Назовите соединение по алгоритму для углеводородов.
4. В конце названия допишите суффикс "-ов", окончание "-ая" и слово "кислота".

В молекулах карбоновых кислот p -электроны атомов кислорода гидроксильной группы взаимодействуют с электронами -связи карбонильной группы, в результате чего возрастает полярность связи O—H, упрочняется -связь в карбонильной группе, уменьшается частичный заряд (+) на атоме углерода и увеличивается частичный заряд (+) на атоме водорода.

Последнее способствует образованию прочных водородных связей между молекулами карбоновых кислот.

Физические свойства предельных одноосновных карбоновых кислот в значительной степени обусловлены наличием между молекулами прочных водородных связей (более прочных, чем между молекулами спиртов). Поэтому температуры кипения и растворимость в воде у кислот больше, чем у соответствующих спиртов.

Химические свойства кислот

Упрочнение -связи в карбонильной группе приводит к тому, что реакции присоединения для карбоновых кислот нехарактерны.

1. Горение:
   

   CH 3 COOH + 2O 2 2CO 2 + 2H 2 O

2. Кислотные свойства.
   Из-за высокой полярности связи O-H карбоновые кислоты в водном растворе заметно диссоциируют (точнее, обратимо с ней реагируют):

   HCOOH HCOO - + H + (точнее HCOOH + H 2 O HCOO - + H 3 O +)

   
   Все карбоновые кислоты - слабые электролиты. С увеличением числа атомов углерода сила кислот убывает (из-за снижения полярности связи O-H); напротив, введение атомов галогена в углеводородный радикал приводит к возрастанию силы кислоты. Так, в ряду

   HCOOH CH 3 COOH C 2 H 5 COOH

   
   сила кислот снижается, а в ряду

   Возрастает.

   Карбоновые кислоты проявляют все свойства, присущие слабым кислотам:

   Mg + 2CH 3 COOH (CH 3 COO) 2 Mg + H 2
   CaO + 2CH 3 COOH (CH 3 COO) 2 Ca + H 2 O
   NaOH + CH 3 COOH CH 3 COONa + H 2 O
   K 2 CO 3 + 2CH 3 COOH 2CH 3 COOK + H 2 O + CO 2

3. Этерификация (реакция карбоновых кислот со спиртами, приводящая к образованию сложного эфира):
   
   В реакцию этерификации могут вступать и многоатомные спирты, например, глицерин. Сложные эфиры, образованные глицерином и высшими карбоновыми кислотами (жирными кислотами) - это жиры.

   Жиры представляют собой смеси триглицеридов. Предельные жирные кислоты (пальмитиновая C 15 H 31 COOH, стеариновая C 17 H 35 COOH) образуют твердые жиры животного происхождения, а непредельные (олеиновая C 17 H 33 COOH, линолевая C 17 H 31 COOH и др.) - жидкие жиры (масла) растительного происхождения.

4. Замещение в углеводородном радикале:
   
   Замещение протекает в -положение.

   Особенность муравьиной кислоты HCOOH состоит в том, что это вещество - двуфункциональное соединение, оно одновременно является и карбоновой кислотой, и альдегидом:
   
   Поэтому муравьиная кислота кроме всего прочего реагирует и с аммиачным раствором оксида серебра (реакция серебряного зеркала; качественная реакция):
   

   HCOOH + Ag 2 O(аммиачный раствор) CO 2 + H 2 O + 2Ag

Получение карбоновых кислот