О чём этот урок

До сих пор мы разбирали кислородсодержащие соединения по отдельности: спирты с их гидроксилом, альдегиды и кетоны с карбонилом. Сейчас эти две группы встретятся в одной молекуле — и результат окажется веществом с полноценными кислотными свойствами, знакомыми ещё из неорганической химии. Разберёмся, что такое карбоксильная группа, почему такие вещества кислее спиртов и даже фенолов, и как они реагируют с металлами, основаниями и спиртами.

Прежде чем начать

Для этого урока понадобится то, что уже разобрано раньше:

• строение гидроксильной группы $-OH$ и свойства спиртов (урок 13) — в том числе то, что окисление первичного спирта идёт через альдегид дальше, до кислоты;
• строение карбонильной группы $C=O$ и свойства альдегидов и кетонов (урок 15);
• из неорганической химии — общие свойства кислот: взаимодействие с металлами, основными оксидами, основаниями и солями более слабых кислот;
• из урока 5 — принцип образования названий по суффиксу, обозначающему функциональную группу.

Разбираемся с нуля

Карбоксильная группа: слияние двух уже известных групп

Возьмём карбонильную группу $C=O$ и гидроксильную группу $-OH$ и разместим их на одном и том же атоме углерода. Получится группа:

$$-COOH$$

Её называют карбоксильной группой, а класс веществ с такой группой — карбоновыми кислотами. Важно увидеть: карбоксил — это не новая, независимо придуманная группа, а результат объединения двух уже известных вам групп на одном атоме углерода. Именно из-за такого соседства свойства группы оказываются совсем не такими, как у спирта или альдегида по отдельности — об этом чуть ниже.

Общая формула предельных одноосновных карбоновых кислот:

$$C_nH_{2n+1}-COOH \quad \text{или} \quad C_nH_{2n}O_2$$

Номенклатура карбоновых кислот

Название карбоновой кислоты строится так же, как вы уже привыкли: берём название углеводорода с тем же числом атомов углерода (включая атом карбоксильной группы) и добавляем суффикс -овая кислота.

Формула	Название
$HCOOH$	метановая (муравьиная) кислота
$CH_3COOH$	этановая (уксусная) кислота
$C_2H_5COOH$	пропановая (пропионовая) кислота
$C_3H_7COOH$	бутановая (масляная) кислота

Тривиальные названия (муравьиная, уксусная, масляная) настолько привычны, что используются наравне с систематическими — их стоит просто запомнить.

Классификация карбоновых кислот

Кислоты классифицируют сразу по двум независимым признакам.

По числу карбоксильных групп в молекуле:

• одноосновные — одна группа $-COOH$ (уксусная, муравьиная);
• многоосновные — две и более группы (например, щавелевая кислота $HOOC-COOH$ — двухосновная).

По строению углеводородного радикала:

• предельные — радикал без кратных связей (уксусная, стеариновая);
• непредельные — радикал содержит двойную или тройную связь (олеиновая кислота);
• ароматические — карбоксил связан с бензольным кольцом (бензойная кислота).

Важно: высшие предельные и непредельные одноосновные кислоты (с длинным углеводородным радикалом, от 12–18 атомов углерода) — это тот самый «строительный материал», из которого состоят природные жиры. Подробно об этом — в следующем уроке.

Почему карбоновые кислоты кислее спиртов и даже фенолов

Вы уже знаете из урока 14, что фенол кислее обычных спиртов: отрицательный заряд на атоме кислорода фенолят-иона частично «рассредоточивается» по бензольному кольцу, и такому иону выгоднее существовать, чем обычному алкоксид-иону спирта. Значит, фенол легче отдаёт протон.

С карбоновыми кислотами происходит похожий, но ещё более выраженный эффект. При отрыве протона от группы $-COOH$ образуется карбоксилат-анион $-COO^-$, в котором отрицательный заряд не «застревает» на одном атоме кислорода, а равномерно распределяется сразу между двумя атомами кислорода карбоксильной группы. Такой ион гораздо стабильнее, чем анион спирта или даже фенолят-ион, — а значит, карбоновой кислоте гораздо выгоднее отдать протон, чем спирту или фенолу.

Важно: порядок кислотности выстраивается так: спирты — самые слабые, фенолы — заметно сильнее, карбоновые кислоты — сильнее всех. Причина в каждом случае одна и та же идея: чем стабильнее анион, образующийся после отрыва протона, тем сильнее кислота.

Химические свойства карбоновых кислот

Раз карбоновые кислоты — кислоты, они дают все реакции, знакомые вам из неорганической химии, только партнёром выступает не минеральная, а органическая кислота. На примере уксусной кислоты:

Взаимодействие с активными металлами:

$$2CH_3COOH + Mg \rightarrow (CH_3COO)_2Mg + H_2\uparrow$$

Взаимодействие с основными оксидами:

$$2CH_3COOH + CaO \rightarrow (CH_3COO)_2Ca + H_2O$$

Взаимодействие с основаниями (реакция нейтрализации):

$$CH_3COOH + NaOH \rightarrow CH_3COONa + H_2O$$

Взаимодействие с солями более слабых кислот (карбоновая кислота вытесняет угольную из карбонатов — точно так же, как это делают минеральные кислоты):

$$2CH_3COOH + Na_2CO_3 \rightarrow 2CH_3COONa + H_2O + CO_2\uparrow$$

Выделение пузырьков газа при добавлении соды — простой качественный способ убедиться, что перед вами кислота (в том числе органическая).

Реакция этерификации. Кроме «обычных» кислотных реакций, у карбоновых кислот есть особая реакция — со спиртом, с образованием сложного эфира:

$$CH_3COOH + C_2H_5OH \underset{H^+}{\overset{t}{\rightleftharpoons}} CH_3COOC_2H_5 + H_2O$$

Эта реакция обратима, идёт при нагревании и требует катализатора — обычно концентрированной серной кислоты. Подробно про эту реакцию, её механизм и про сложные эфиры вообще — в уроке 17.

Важнейшие представители

• Муравьиная кислота $HCOOH$ — простейшая из кислот; необычна тем, что в её молекуле атом водорода связан прямо с карбоксильным углеродом, из-за чего она проявляет отчасти альдегидные свойства (в частности, тоже даёт реакцию «серебряного зеркала»).
• Уксусная кислота $CH_3COOH$ — самая известная бытовая кислота, компонент столового уксуса.
• Стеариновая ($C_{17}H_{35}COOH$, предельная) и олеиновая ($C_{17}H_{33}COOH$, непредельная) кислоты — высшие карбоновые кислоты, из которых построены природные жиры (урок 17).
• Бензойная кислота $C_6H_5COOH$ — ароматическая кислота, консервант в пищевой промышленности.

Примеры и разбор

Пример 1. Реакции уксусной кислоты

Задача: Напишите уравнения реакций уксусной кислоты с: а) цинком; б) гидроксидом калия; в) карбонатом натрия.

Разбор: Во всех трёх случаях уксусная кислота ведёт себя как обычная одноосновная кислота — карбоксильная группа отдаёт протон.

а) $2CH_3COOH + Zn \rightarrow (CH_3COO)_2Zn + H_2\uparrow$

б) $CH_3COOH + KOH \rightarrow CH_3COOK + H_2O$

в) $2CH_3COOH + Na_2CO_3 \rightarrow 2CH_3COONa + H_2O + CO_2\uparrow$

Вывод: карбоновая кислота реагирует с металлами, основаниями и карбонатами точно по тем же правилам, что и минеральные кислоты — меняется только природа кислотного остатка.

Пример 2. Почему кислотность разная

Задача: Расположите вещества в порядке возрастания кислотности и объясните разницу: этанол $C_2H_5OH$, фенол $C_6H_5OH$, уксусная кислота $CH_3COOH$.

Разбор: Кислотность определяется устойчивостью аниона, который образуется после отрыва протона. У этанола анион $C_2H_5O^-$ не стабилизирован ничем — заряд «сидит» на одном атоме кислорода. У фенола заряд фенолят-иона частично рассредоточен по кольцу — анион устойчивее. У уксусной кислоты заряд карбоксилат-иона распределён сразу между двумя атомами кислорода — это самый устойчивый анион из трёх.

Вывод: этанол < фенол < уксусная кислота — чем стабильнее анион, тем сильнее кислота.

Пример 3. Классификация кислот

Задача: Отнесите кислоты к соответствующим группам: щавелевая кислота $HOOC-COOH$, стеариновая кислота $C_{17}H_{35}COOH$, олеиновая кислота $C_{17}H_{33}COOH$, бензойная кислота $C_6H_5COOH$.

Разбор: Щавелевая содержит две группы $-COOH$ — многоосновная, предельная (кратных связей в радикале нет). Стеариновая — одноосновная, предельная. Олеиновая — одноосновная, непредельная (в радикале одна двойная связь). Бензойная — одноосновная, ароматическая.

Вывод: классификация всегда идёт по двум независимым признакам сразу — числу групп $-COOH$ и строению радикала.

Проверьте себя

1. Из каких двух уже известных вам функциональных групп «собрана» карбоксильная группа?
2. Как отличить одноосновную кислоту от многоосновной? Приведите пример многоосновной кислоты.
3. Почему карбоновая кислота кислее спирта и даже фенола? Ответьте на уровне устойчивости аниона.
4. Напишите уравнение реакции пропановой кислоты с гидроксидом натрия.
5. Что произойдёт, если к раствору карбоновой кислоты добавить карбонат натрия? Как это можно использовать как качественную реакцию?
6. Что такое реакция этерификации и какой катализатор ей нужен?
7. Какие две высшие кислоты упомянуты как «строительный материал» жиров и чем они отличаются друг от друга?
8. Почему муравьиная кислота — не совсем типичная карбоновая кислота?

Коротко о главном

• Карбоксильная группа $-COOH$ — результат объединения карбонильной ($C=O$) и гидроксильной ($OH$) групп на одном атоме углерода.
• Название кислоты строится по суффиксу -овая кислота; общая формула предельных одноосновных кислот — $C_nH_{2n+1}COOH$.
• Кислоты делят по числу групп $-COOH$ (одноосновные / многоосновные) и по строению радикала (предельные / непредельные / ароматические).
• Карбоновые кислоты сильнее спиртов и фенолов, потому что заряд карбоксилат-аниона распределён сразу между двумя атомами кислорода — такой анион самый устойчивый из трёх.
• Карбоновые кислоты дают все типичные реакции кислот: с активными металлами, основными оксидами, основаниями и солями более слабых кислот (например, вытесняют $CO_2$ из карбонатов).
• Особая реакция карбоновых кислот — этерификация со спиртом: обратимая реакция с образованием сложного эфира, катализатор — кислота (обычно $H_2SO_4$).
• Высшие предельные (стеариновая) и непредельные (олеиновая) кислоты — основа природных жиров.
• Муравьиная кислота из-за особенностей строения способна давать реакцию «серебряного зеркала», как альдегид.

Куда дальше

Мы упомянули реакцию этерификации лишь в общих чертах — пора разобрать её подробно и увидеть, к чему она приводит в природе: к образованию жиров. Следующий урок посвящён сложным эфирам и жирам — вы увидите, как карбоновые кислоты из этого урока соединяются со спиртами из урока 13 в новый класс веществ.

➡ Урок 17: Сложные эфиры и жиры