Карбоновые кислоты: свойства

Карбоновые кислоты содержат карбоксильную группу \(\ce{-COOH}\) — сочетание карбонильной и гидроксильной групп. Общая формула предельных одноосновных кислот \(\ce{C_nH_{2n+1}COOH}\) (или \(\ce{C_nH_{2n}O2}\)): муравьиная \(\ce{H-COOH}\), уксусная \(\ce{CH3-COOH}\), пропионовая \(\ce{CH3-CH2-COOH}\), масляная \(\ce{CH3-CH2-CH2-COOH}\). По числу карбоксильных групп кислоты бывают одно- и многоосновными (щавелевая \(\ce{HOOC-COOH}\)), по радикалу — предельными, непредельными (акриловая \(\ce{CH2=CH-COOH}\)) и ароматическими (бензойная \(\ce{C6H5-COOH}\)). Кислоты с длинной цепью (пальмитиновая, стеариновая, олеиновая) называют высшими, или жирными: они входят в состав жиров.

Почему карбоновые кислоты — кислоты

Карбонильная группа оттягивает электроны от атома кислорода группы \(\ce{OH}\), и связь \(\ce{O-H}\) становится намного полярнее, чем в спиртах. Кроме того, образовавшийся анион устойчив: отрицательный заряд распределён поровну между двумя атомами кислорода. Поэтому карбоновые кислоты в воде диссоциируют и окрашивают лакмус в красный цвет: \(\ce{CH3-COOH <=> CH3-COO- + H+}\). Это слабые электролиты, но они сильнее угольной кислоты и фенола.

Сила кислот меняется закономерно. В гомологическом ряду она падает: муравьиная сильнее уксусной, уксусная — пропионовой, потому что алкильные радикалы отдают электроны карбоксильной группе. Электроноакцепторные заместители у соседнего атома углерода, наоборот, усиливают кислоту, и тем сильнее, чем их больше: \(\ce{CCl3-COOH} > \ce{CHCl2-COOH} > \ce{CH2Cl-COOH} > \ce{CH3-COOH}\).

Между молекулами кислот возникают прочные водородные связи, и молекулы объединяются попарно в димеры. Поэтому кислоты кипят выше спиртов близкой молярной массы: уксусная кислота — при 118 °C, а безводная при 17 °C замерзает в кристаллы, похожие на лёд («ледяная» уксусная кислота).

Общие свойства кислот

Карбоновые кислоты реагируют с металлами, стоящими в ряду напряжений до водорода, с основными и амфотерными оксидами, основаниями, аммиаком и солями более слабых кислот:

\[ \ce{2CH3-COOH + Mg -> (CH3-COO)2Mg + H2 ^}; \qquad \ce{2CH3-COOH + CuO -> (CH3-COO)2Cu + H2O} \]

\[ \ce{CH3-COOH + NaOH -> CH3-COONa + H2O}; \qquad \ce{CH3-COOH + NH3 -> CH3-COONH4} \]

\[ \ce{CH3-COOH + NaHCO3 -> CH3-COONa + CO2 ^ + H2O}; \qquad \ce{2CH3-COOH + Na2CO3 -> 2CH3-COONa + CO2 ^ + H2O} \]

Выделение углекислого газа с гидрокарбонатом натрия отличает карбоновые кислоты от фенола и спиртов. С медью, серебром и солями сильных кислот (хлоридами, сульфатами, нитратами) карбоновые кислоты не реагируют. Сами соли карбоновых кислот — ацетаты, формиаты, стеараты — разлагаются сильными кислотами: \(\ce{2CH3-COONa + H2SO4 -> 2CH3-COOH + Na2SO4}\).

Этерификация

С участием группы \(\ce{OH}\) кислоты реагируют со спиртами в присутствии концентрированной серной кислоты и образуют сложные эфиры. Реакция обратима. Опыты со спиртом, меченным изотопом \(\ce{^{18}O}\), показали, что кислота отдаёт группу \(\ce{OH}\), а спирт — атом водорода:

\[ \ce{CH3-COOH + HO-CH2-CH3 <=>[H2SO4, t^\circ] CH3-COO-CH2-CH3 + H2O} \]

Производные кислот и замещение в радикале

Группа \(\ce{OH}\) кислоты замещается на хлор при действии \(\ce{PCl5}\): образуются хлорангидриды, очень активные реагенты. Аммонийные соли при нагревании теряют воду и превращаются в амиды:

\[ \ce{CH3-COOH + PCl5 -> CH3-COCl + POCl3 + HCl}; \qquad \ce{CH3-COONH4 ->[t^\circ] CH3-CO-NH2 + H2O} \]

Атомы водорода у атома углерода, соседнего с карбоксильной группой, замещаются на хлор или бром в присутствии красного фосфора; при избытке хлора — последовательно все три:

\[ \ce{CH3-COOH + Cl2 ->[P_{\text{красн.}}] Cl-CH2-COOH + HCl} \quad (\text{хлоруксусная кислота}) \]

Предельные кислоты (кроме муравьиной) устойчивы к окислителям; соли кислот используют для получения алканов (сплавление со щёлочью, электролиз) и кетонов (прокаливание солей кальция).