2.2.3. Кислоты

Кислотами называются сложные вещества, распадающиеся в водном растворе (или расплаве) на положительно заряженные ионы водорода и отрицательно заряженные ионы кислотного остатка (определение Аррениуса).

Например:

HCl  H⁺ + Cl^

^{хлороводородная кислота ион водорода кислотный остаток}

Н₂SO₄  2Н⁺ + SO₄ ^2-

^{серная кислота ионы водорода кислотный остаток}

Классификация кислот

1. Все кислоты по основности можно подразделить на одноосновные и многоосновные.

Основность кислот определяется количеством атомов водорода в молекуле кислоты, которые могут замещаться на атомы металлов с образованием соли.

Одноосновные кислоты

Например:

HCI – хлороводородная (соляная кислота),

НJ – йодоводородная кислота,

HBr – бромоводородная кислота,

НNО₃ – азотная кислота,

НСN – циановодородная (синильная) кислота,

HPO₃ – метафосфорная кислота,

HNO₂ – азотистая кислота и др.

Многоосновные кислоты

а) двухосновные:

например:

Н₂S – сероводородная кислота,

H₂SO₄ – серная кислота,

Н₂SО₃ – сернистая кислота,

Н₂СО₃ – угольная кислота,

H₃PO₃ (H₂HPO₃) – фосфористая кислота.

в) трехосновные:

например:

H₃PO₄ – ортофосфорная кислота,

H₃AsO₄ – ортомышьяковая кислота и др.

2. По наличию в составе молекулы кислоты кислорода

все кислоты подразделяются на бескислородные и кислородсодержащие (оксокислоты).

Бескислородные кислоты (как говорит само название) не содержат в своем составе кислорода.

Кислородсодержащие кислоты представляют собой гидраты кислотных оксидов (ангидридов кислот):

SO₂ + Н₂О = Н₂SО₃ – сернистая кислота,

CO₂ + H₂O = H₂CO₃ – угольная кислота,

Р₂О₅ + 3Н₂О = 2Н₃РО₄ – ортофосфорная кислота.

Некоторые кислотные оксиды непосредственно с водой не взаимодействуют, но соответствующие им гидраты, полученные другим способом, представляют собой кислородсодержащие кислоты.

Например:

SiO₂

+ H₂O →

Данная реакция не идет, но в качестве гидрата оксиду кремния (IV) соответствует кремниевая кислота H₂SiO_3, которую можно получить косвенным путем.

3. В зависимости от количества молекул воды, присоединенных одной молекулой кислотного оксида (ангидрида), кислородсодержащие кислоты можно подразделить на мета-, пиро- и орто — формы.

Например:

Р₂О₅ + Н₂О = 2НРО₃ – метафосфорная кислота,

P₂O₅ + 2H₂O = H₄P₂O₇ – пирофосфорная кислота,

Р₂О₅ + ЗН₂О = 2Н₃РО₄ ортофосфорная кислота.

Если кислота имеет две формы, то менее богатая водой форма –это метаформа кислоты, более богатая водой форма  ортоформа

кислоты.

Например:

НВО₂ – метаборная кислота,

Н₃ВО₃ – ортоборная кислота,

НА1O₂ – метаалюминиевая кислота,

H₃AlO₃ – ортоалюминиевая кислота и др.

Номенклатура кислот

Водные растворы галогеноводородов, а также водородных соединений серы, селена, теллура и некоторые другие рассматривают как бескислородные кислоты.

Названия бескислородных кислот образуются от названия неметалла с прибавлением слова водородная:

Например:

HF – фтороводородная кислота

НС1 – хлороводородная кислота

НВr – бромоводородная кислота

HJ – йодоводородная кислота

НСN – циановодородная кислота

НСNS – родановодородная кислота

Традиционные названия кислородсодержащих кислот образуются в зависимости от названия элемента, образующего кислоту (кислотообразующего элемента), с учетом степени его окисления.

Если кислотообразующий элемент имеет высшую (совпадающую с номером группы в периодической системе элементов) или любую единственную степень окисления, то название кислоты складывается из названия элемента с добавлением следующих суффиксов: -н-, -ов- или -ев-.

Например:

H₂S⁺⁶O₄ – серная кислота,

НМn⁺⁷О₄ – марганцовая кислота,

H₂Ge⁺⁴O₃ – германиевая кислота.

Традиционные названия кислородсодержащих кислот представлены в табл. 2.1.

Таблица 2.1

Традиционные названия некоторых кислородсодержащих кислот

Формула	Название
H3AsO4	Ортомышьяковая кислота
H3AsO3	Ортомышьяковистая кислота
HAsO3	Метамышьяковая кислота
H3BO3	Ортоборная кислота
НВО2	Метаборная кислота
НВrO4	Бромная кислота
HBrO3	Бромноватая кислота
НВrО	Бромноватистая кислота
Н2CO3	Угольная кислота
HClO4	Хлорная кислота
HClO3	Хлорноватая кислота
HClO2	Хлористая кислота
НС1O	Хлорноватистая кислота
НМnО4	Марганцовая кислота
Н2МnО4	Марганцовистая кислота
НNO3	Азотная кислота
НNO2	Азотистая кислота
H3PO4	Фосфорная кислота
Н3PО3	Ортофосфористая кислота

Н4P2O7	Дифосфорная (пирофосфорная) кислота
H2SO4	Серная кислота
H2S2O7	Дисерная кислота
H2SO3	Сернистая кислота
H2SiO3	Кремниевая кислота
H2CrO4	Хромовая кислота
H2Cr2O7	Двухромовая кислота
CH3COOH	Уксусная кислота

studfile.net

Карбоновые кислоты.

Органическая химия

Карбоновые кислоты.

Строение карбоновых кислот

Карбоновые кислоты — это органические соединения, которые характеризуются присутствием в их молекулах карбоксильной группы -СООН.

Карбоксильная группа является функциональной (характеристической) группой этого класса соединений. Примерами карбоновых кислот могут служить:

Свойства карбоновых кислот.

Кислотный характер этих соединений является результатом того, что атом водорода гидроксильной группы способен диссоциировать с образованием иона водорода, например:

Взаимодействуя с основаниями карбоновые кислоты образуют соли:

Карбоновые кислоты являются слабыми кислотами, поэтому их соли подвергаются обратимоми гидролизу. Наиболее сильные из карбоновых кислот

– муравьиная и уксусная.

Карбоновые кислоты со спиртами образуют сложные эфиры. Сложные эфиры – чрезвычайно важное соединение, очень часто встречающееся в продуктах животного и растительного мира.

Классификация карбоновых кислот.

Карбоновые кислоты можно классифицировать по различным признакам:

1. По количеству гидрокильных групп (одно- и двухосновные),
2. По числу атомов углерода (низшие, средние, высшие),
3. По наличию в них предельных и не предельных связей (предельные и непредельные).

Одноосновные и двухосновные карбоновые кислоты.

Карбоновые кислоты делятся одноосновные и двухосновные в зависимости от кличества в их составе гидроксильных групп ОН.

Все карбоновые кислоты, рассмотренные выше – это примеры одноосновных кислот. В их сотавах содержится по одной гидроксильной группе.

Соответственно, в молекулах двухосновных кислот содержится по две гидроксильных группы. К двухосновным карбоновым кислотам относятся, например, щавелевая или терефталиевая кислоты.

Низшие, средние и высшие карбоновые кислоты.

По числу атомов углерода в молекуле карбоновые кислоты делят на:

Низшие (С1-С3),

Средние (С4-С8) и

Высшие (С9-С26).

Высшие карбоновые кислоты называют высшими жирными кислотами, по причине того, что они входят в состав природных жиров.

Но иногда жирными называют все ациклические карбоновые кислоты. Таким образом, термины «жирные кислоты» и «карбоновые кислоты» часто используются как синонимы.

Предельные и непредельные карбоновые кислоты.

Предельные карбоновые кислоты в своём составе, содержат радикал предельных углеводородов, т.е. радикал только с простыми, одинарными связями.

И наоборот, непредельные карбоновые кислоты в своём составе содержат радикал непредельных углеводородов, т.е. радикал, в котором присутствуют кратные (двойные и тройные) связи.

Высшие карбоновые (жирные) кислоты

Напомним, что высшим карбоновым кислотам относят такие карбоновые кислоты, молекулы которых содержат сравнительно большое число атомов углерода (С9-С26).

По причине того, что высшие карбоновые кислоты входят в состав животных и растительных жиров их называют высшими жирными кислотами.

Примеры предельных высших жирных кислот:

1. Каприновая кислота — C₉H₁₉COOH,
2. Лауриновая кислота — С₁₁Н₂₃СООН,
3. Миристиновая кислота — С₁₃Н₂₇СООН,
4. Пальмитиновая кислота — С₁₅Н₃₁СООН,
5. Стеариновая кислота – С₁₇Н₃₅СООН.

Примеры непредельных высших жирных кислот:

1. Олеиновая кислота — С₁₇Н₃₃СООН – имеет одну двойную связь,
2. Линолевая кислота – С₁₇Н₃₁СООН — имеет две двойных связи,
3. Линоленовая кислота – С₁₇Н₂₉СООН – имеет три двойных связи.

Структурные формулы соединений, в которых присутствуют длинные углеводородный радикалы, часто изображают следующим образом:

В углеводородной цепи атомы углерода расположены не по прямой линии, а виде «змейки». Угол между двумя соседними отрезками такой «змейки» 109 градусов 28 минут. В случае двойной связи угол другой. В структурной формуле каждая вершина такой «змейки» означает атом углерода, соединённый с двумя атомами водорода. Последний атом углерода соединён с тремя атомами водорода. При этом сами символы углерода (С) и водорода(Н) не изображаются.

Предельные и непредельные жирные кислоты имеют в значительной степени различные свойства.

Высшие предельные кислоты – воскообразные вещества, непредельные – жидкости (напоминающие растительное масло).

Натриевые и калиевые соли высших жирных кислот называют мылами.

Например:

C₁₇H₃₅COONa – стеарат натрия,

СН₃₁СООК – пальмитат калия.

Натриевые мыла – твёрдые, калиевые – жидкие.

Примеры карбоновых кислот

Уксусная кислота

Уксусная кислота – жилкость с острым раздражающим запахом.

Температура кипения 118,5 градусов С, при +16,6 градусах С застывает в кристаллическую массу, похожую на лёд.

Смешивается с водой в любых соотношениях.

Широко применяется как прправа к пище и консервирующее средство. В продаже встречается в виде уксусной эссенции (80%) и уксуса (9,3%).

Натуральный или винный уксус – продукт, содержащий уксусную кислоту и получающийся при скисании виноградного вина.

Уксусная кислота используется также при синтезе многих органических веществ и в качестве растворителя.

Уксусную кислоту получают преимущественно синтезом из ацетилена – присоединением к нему воды и окислением образующегося уксусного альдегида.

Бензойная кислота

Бензойная кислота простейшая одноосновная кислота ароматического ряда. Формула С₆Н₅-СООН.

На вид – бесцветные кристаллы.

Бензойная кислота – антисептик. Применяется для консервирования пищевых продуктови во многих органических синтезах.

Щавелевая кислота

Щавелевая кислота – простейшая двухосновная карбоновая кислота.

Формула НООС-СООН.

Щавелевая кислота – кристаллическое вещество, растворяется в воде, ядовита.

В виде кислой калиевой соли содержится во многих растениях.

Применяется для крашения тканей.

Терефталевая кислота

Терефталевая кислота НООС-С₆Н₄-СООН

Двухосновная карбоновая кислота ароматического ядра.

Её структурная формула:

Из терефталевой кислоты и этиленгликоля получают синтетическое волокно лавсан.

Молочная кислота

Молочная кислота может служить примером соединения со смешанными функциями – проявляет свойства кислоты и спирта (спиртокислота)

Она образуется при молочнокислом брожении сахаристых веществ, вызываемых особыми бактериями. Содержится в кислом молоке, рассоле квашеной капусты, силосе.

Салициловая кислота

Салициловая кислота – аналог молочной кислоты в ароматическом ряду. Имеет строение:

Относится к соединениям со смешанными функциями – проявляет свойства кислоты и фенола (фенолокислота).

Салициловая кислота – антисептик. Её используют (особенно её соли и эфиры) как лекарственное вещество.

Также салициловую кислоту используют при синтезе других продуктов.

xn—-7sbb4aandjwsmn3a8g6b.xn--p1ai

Одноосновные ненасыщенные кислоты

Если в молекуле карбоновой кислоты имеется одна или несколько связей или , то такие кислоты являются ненасыщенными:

Структурная изомерия одноосновных ненасыщенных кислот связана со строением углеродного скелета и положением двойной связи. Для ненасыщенных кислот существует пространственная изомерия (цис- и транс-):

СПОСОБЫ ПОЛУЧЕНИЯ

Для получения ненасыщенных кислот обычно используют соединение, уже содержащее одну из функциональных групп (карбоксильную группу или двойную связь).

1) Высшие карбоновые кислоты (содержащие от 12 до 22 атомов углерода), получают гидролизом жиров (липидов). Метод был рассмотрен ранее.

2) Из α-галогенкарбоновых кислот. Кратная связь образуется под действием спиртовых растворов щелочей или твердой щелочи.

3) Дегалогенирование дигалогенозамещенных карбоновых кислот, содержащих галогены у соседних атомов углерода. Образование кратной связи происходит под действием цинковой пыли.

4) Дегидратация β-гидроксикислот (при нагревании они легко отщепляют воду с образованием двойной связи):

5) Окисление непредельных альдегидов:

6) Получение непредельных карбоновых кислот из алкенов:

Физические свойства.

Ненасыщенные одноосновные кислоты – жидкости или твердые вещества, низшие – со специфическим запахом, растворимы в воде; высшие – без запаха и нерастворимы в воде.

ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

Химические свойства определяются наличием двух функциональных группировок: карбоксильной группы и двойной связи. Они вступают во все реакции, характерные для карбоновых кислот, а по двойной связи – в реакции присоединения, окисления, полимеризации.

Введение в молекулу двойной связи увеличивает силу кислоты. Влияние двойной связи снижается по мере удаления ее от карбоксильной группы. Кислоты, в которых двойная связь находится между вторым и третьим атомом углерода, отличаются некоторыми особенностями поведения из-за сопряжения между двойной связью и карбоксильной группой. Например, присоединение галогеноводородов, Н₂О и H₂SO₄ происходит по типу 1,4 (водород присоединяется к наименее гидрогенизированному атому углерода, т.е. против правила Марковникова):

Применение.

Акриловая кислота – ее эфиры применяют для получения ценных полимерных материалов (органического стекла).

Сорбиновая кислота – антисептик, применяется для консервирования мясных и рыбных изделий, сыра, соков, овощей и др.

Олеиновая кислота – широко распространена в природе, входит в состав практически всех жиров. Является не только важнейшим компонентом пищи, но и широко применяется в технике, для производства пластмасс, мыла и т.д.

Двухосновные кислоты

Двухосновные карбоновые кислоты – это соединения, в молекулах которых содержатся две карбоксильные группы.

В зависимости от строения углеводородного радикала различают насыщенные, ненасыщенные, ароматические двухосновные карбоновые кислоты.

Структурная изомерия насыщенных алифатических двухосновных кислот обусловлена строением углеводородного радикала, ненасыщенных – строением радикала и положением двойных связей. У ненасыщенных кислот появляется также геометрическая (цис-, транс-) изомерия.

У ароматических кислот изомерия связана с взаимным расположением карбоксильных групп.

ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА.

Двухосновные кислоты – твердые вещества, без запаха, растворимы в воде и нерастворимы в углеводородах. Растворимость уменьшается с увеличением числа атомов углерода.

СПОСОБЫ ПОЛУЧЕНИЯ.

Большинство двухосновных кислот имеют специфические способы получения.

1) Получение щавелевой кислоты из формиата натрия:

2) Получение малоновой кислоты из монохлоруксусной:

3) Получение фталевой кислоты окислением о-ксилола:

ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА.

Двухосновные кислоты – сильнее одноосновных, т.к. вторая карбоксильная группа, выступая в качестве акцептора электронов, инициирует ионизацию первой карбоксильной группы. В водных растворах двухосновные кислоты диссоциируют на ионы:

Двухосновные кислоты вступают во все реакции, характерные для одноосновных кислот, либо одной или обеими карбоксильными группами. Кислоты алифатического ряда с количеством атомов углерода С₂ – С₅ обладают рядом особенностей, связанных с расположением карбоксильных групп относительно друг друга.

1) Декарбоксилирование двухосновных карбоновых кислот. Кислоты с близко расположенными карбоксильными группами легко отщепляют карбоксильную группировку с образованием одноосновных кислот:

Дикарбоновые кислоты, у которых карбоксильные группы находятся в положении 1,4 и 1,5 при нагревании образуют циклические ангидриды:

Двухосновные кислоты, содержащие непредельные связи или ароматическое кольцо, вступают в реакции, характерные для алкенов и производных бензола.

studfile.net

Предельные одноосновные карбоновые кислоты, их строение и свойства на примере уксусной кислоты.

Карбоновые кислоты — органические вещества, молекулы которых содержат одну или несколько карбоксильных групп -СООН, соединённых с углеводородным радикалом или водородным атомом.

 – карбоксильная группа

Гомологический ряд

НСООН    метановая (муравьиная)

СН₃СООН этановая (уксусная)

С₂Н₅СООН пропановая (пропионовая)

С₃Н₇СООН бутановая (масляная)

С₄Н₉СООН пентановая

С₁₅Н₃₁СООН пальмитиновая

С₁₇Н₃₅СООН стеариновая

Физические свойства

Низшие карбоновые кислоты – это жидкости с острым запахом, растворимы в воде. Высшие карбоновые кислоты – твёрдые вещества без запаха, не растворимы в воде. Муравьиная кислота – средней силы, уксусная – слабая.

Химические свойства

1. Диссоциация (слабые кислоты, меняют окраску индикаторов)

         CH₃COOH CH₃COO^— + H⁺

2. Взаимодействие с металлами

         2CH₃COOH + Mg → (CH₃–COО)₂Mg + H₂

3. С оксидами

        CH₃COOH + MgO → (CH₃–COO)₂Mg + H₂O

4. С гидроксидами

        CH₃COOH + NaOH → CH₃COONa + H₂O

5. С солями более слабых и летучих кислот

        2CH₃COOH + Na₂CO₃ → CH₃COONa + H₂CO₃ (разлагается на H₂O и CO₂ )

6. Со спиртами (реакция этерификации)

        CH₃COOH + С₂Н₅ОН →СН₃СООС₂Н₅ +Н₂О

                                                 уксусно-этиловый

                                                                           эфир

Применение уксусной кислоты: получение лекарств, волокон, пластмасс, солей, фруктовых эссенций, растворителей, в пищевой промышленности.

Жиры как сложные эфиры глицерина и карбоновых кислот, их состав и свойства. Жиры в природе, превращение жиров в организме. Продукты технической переработки жиров, понятие о мылах.

Жиры –сложные эфиры трёхатомного спирта глицерина и высших карбоновых кислот.

Физические свойства

Жиры – легкоплавкие вещества, легче воды, нерастворимы в воде, растворимы в органических растворителях, имеют низкую теплопроводность. Животные жиры – твёрдые, растительные жиры (масла) – жидкие. В состав животных жиров входят преимущественно насыщенные кислоты: стеариновая С₁₇Н₃₅СООН, пальмитиновая С₁₅Н₃₁СООН, в состав растительных масел входят ненасыщенные кислоты: олеиновая С₁₇Н₃₃СООН, линолевая С₁₇Н₃₁СООН.

Химические свойства

1. Гидролиз жиров. Жиры гидролизуются с образованием глицерина и карбоновых кислот:

   СН₂-О-СО-С₁₇Н₃₅                            СН₂ОН

    СН -О-СО-С₁₇Н₃₅ + 3Н₂О → СНОН + 3 С₁₇Н₃₅СООН

   СН₂-О-СО-С₁₇Н₃₅                            СН₂ОН

 

2. Гидрирование масел. Жидкие растительные масла превращаются в твёрдые

   СН₂-О-СО-С₁₇Н₃₃                            СН₂ОСОС₁₇Н₃₅

   СН -О-СО-С₁₇Н₃₃ + 3Н₂ → СНО СОС₁₇Н₃₅  

   СН₂-О-СО-С₁₇Н₃₃                            СН₂ОСОС₁₇Н₃₅

        жидкий жир                                твёрдый жир

 

3. Получение мыла. Мыла – соли щелочных металлов высших карбоновых кислот.

 

   СН₂-О-СО-С₁₇Н₃₅                                   СН₂ОН

   СН -О-СО-С₁₇Н₃₅ + 3NaОH →   СНОН + 3 С₁₇Н₃₅СООNa

   СН₂-О-СО-С₁₇Н₃₅                                   СН₂ОН

Применение — жиры – ценный продукт питания, служат для получения глицерина, карбоновых кислот, мыла, гидрированный жир служит для получения маргарина.

Жиры в природе. Жиры входят в состав животных и растительных организмов, служат источником энергии. При пищеварении жиры под действием ферментов распадаются на глицерин и карбоновые кислоты.

 

studopedia.net