A karbonsavak kémiai tulajdonságai és előállítási módjai. Felkészülés a kémia egységes államvizsgára

MEGHATÁROZÁS

Azokat a szerves anyagokat, amelyek molekulái egy vagy több karboxilcsoportot tartalmaznak egy szénhidrogén gyökhöz kapcsolódóan, nevezzük karbonsavak.

A karbonsavak homológ sorozatának első három tagja, beleértve a propionsavat is, szúrós szagú és vízben jól oldódó folyadékok. A következő homológok, kezdve a vajsavval, szintén erős kellemetlen szagú, de vízben rosszul oldódó folyadékok. A magasabb szénatomszámú savak, amelyek szénatomszáma 10 vagy több, szilárd, szagtalan, vízben oldhatatlan. Általánosságban elmondható, hogy a homológok sorozatában a molekulatömeg növekedésével a vízben való oldhatóság csökken, a sűrűség csökken és a forráspont nő (1. táblázat).

1. táblázat Karbonsavak homológ sorozata.

Karbonsavak előállítása

A karbonsavakat telített szénhidrogének, alkoholok és aldehidek oxidációjával állítják elő. Például ecetsav - az etanol kálium-permanganát oldattal történő oxidálásával savas környezetben melegítés közben:

A karbonsavak kémiai tulajdonságai

A karbonsavak kémiai tulajdonságait elsősorban szerkezetük sajátosságai határozzák meg. Így a vízben oldódó savak ionokra disszociálhatnak:

R-COOH↔R-COO - + H + .

A vízben lévő H + ion miatt savanyú ízűek, képesek megváltoztatni az indikátorok színét és elektromos áramot vezetnek. Vizes oldatban ezek a savak gyenge elektrolitok.

A karbonsavak a szervetlen savak oldataira jellemző kémiai tulajdonságokkal rendelkeznek, pl. kölcsönhatásba lépnek fémekkel (1), oxidjaikkal (2), hidroxidjaikkal (3) és gyenge sóikkal (4):

2CH3-COOh + Zn → (CH3COO)2Zn + H2 (1);

2CH 3-COOH + CuO → (CH 3 COO) 2 Cu + H 2 O (2);

R-COOH + KOH → R-COOK + H2O (3);

2CH 3 -COOH + NaHCO 3 → CH 3 COONa + H 2 O + CO 2 (4).

A telített és telítetlen karbonsavak sajátos tulajdonsága, amely a funkciós csoportban nyilvánul meg, az alkoholokkal való kölcsönhatás.

A karbonsavak hevítéskor és tömény kénsav jelenlétében reagálnak alkoholokkal. Például, ha etil-alkoholt és kevés kénsavat adunk az ecetsavhoz, akkor hevítéskor az etil-ecetsav (etil-acetát) szaga jelenik meg:

CH 3 -COOH + C 2 H 5 OH ↔CH 3 -C(O)-O-C 2 H 5 + H 2 O.

A telített karbonsavak sajátos tulajdonsága, amely a gyökben nyilvánul meg, a halogénezési (klórozási) reakció.

Karbonsavak alkalmazása

A karbonsavak nyersanyagként szolgálnak ketonok, savhalogenidek, vinil-észterek és más fontos szerves vegyületek előállításához.

A hangyasavat széles körben használják az illatszeriparban, a bőriparban (bőr cserző), a textiliparban (festés maróanyagaként), oldószerként és tartósítószerként használt észterek előállítására.

Az ecetsav vizes oldatát (70-80%) ecetesszenciának, a 3-9%-os vizes oldatot asztali ecetnek nevezzük. Az esszenciát gyakran használják otthoni hígítással ecet előállítására.

Példák problémamegoldásra

1. PÉLDA

2. PÉLDA

Karbonsavak- szerves anyagok, amelyek molekulái egy vagy több karboxilcsoportot tartalmaznak.

A karboxilcsoport (rövidítve COOH) karbonsavak funkcionális csoportja, és egy karbonilcsoportból és egy kapcsolódó hidroxilcsoportból áll.

A karboxilcsoportok száma alapján a karbonsavakat egybázisú, kétbázisú stb.

Az egybázisú karbonsavak általános képlete R—COOH. A kétbázisú sav például a HOOC-COOH oxálsav.

A gyök típusa alapján a karbonsavakat telítettekre (például ecetsav CH 3 COOH), telítetlenekre osztják [például akrilsav CH 2 =CH-COOH, olajsav CH 3 - (CH 2) 7 -CH =CH—(CH 2) 7 -COOH] és aromás (például benzoesav C 6 H 5 -COOH).

Izomerek és homológok

Az R-COOH egybázisú telített karbonsavak azonos szénatomszámú észterek (rövidítve R"-COOR") izomerjei. Mindkettő általános képlete C. n H 2 n O2.

Algoritmus a karbonsavak nevének összeállítására

1. Keresse meg a szénvázat - ez a szénatomok leghosszabb lánca, beleértve a karboxilcsoport szénatomját.
2. Számozza meg a szénatomokat a főláncban, kezdve a karboxil-szénatommal!
3. Nevezze el a vegyületet a szénhidrogének algoritmusával!
4. A név végéhez adja hozzá az „-ov” utótagot, a „-aya” végződést és a „sav” szót.

A karbonsavak molekuláiban p-a hidroxilcsoport oxigénatomjainak elektronjai kölcsönhatásba lépnek a karbonilcsoport -kötésének elektronjaival, aminek következtében az O-H kötés polaritása megnő, a karbonilcsoportban lévő -kötés erősödik, a részleges töltés (+) a szénatomon csökken, és a hidrogénatomon lévő parciális töltés (+) nő .

Ez utóbbi elősegíti az erős hidrogénkötések kialakulását a karbonsavmolekulák között.

A telített egybázisú karbonsavak fizikai tulajdonságai nagyrészt a molekulák közötti erős hidrogénkötéseknek köszönhetők (erősebbek, mint az alkoholmolekulák között). Ezért a savak forráspontja és vízben való oldhatósága magasabb, mint a megfelelő alkoholoké.

A savak kémiai tulajdonságai

A karbonilcsoportban a -kötés erősítése azt a tényt eredményezi, hogy az addíciós reakciók nem jellemzőek a karbonsavakra.

1. Égés:
   

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

2. Savas tulajdonságok.
   Az O-H kötés nagy polaritása miatt a karbonsavak vizes oldatban észrevehetően disszociálnak (pontosabban reverzibilisen reagálnak vele):

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

   
   Minden karbonsav gyenge elektrolit. A szénatomok számának növekedésével a savak erőssége csökken (az O-H kötés polaritásának csökkenése miatt); ellenkezőleg, halogénatomok bejutása a szénhidrogén gyökbe a sav erősségének növekedéséhez vezet. Igen, sorban

   HCOOH CH 3 COOH C 2 H 5 COOH

   
   a savak erőssége csökken, és a sorozatban

   Növekvő.

   A karbonsavak a gyenge savakban rejlő összes tulajdonsággal rendelkeznek:

   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. Észterezés (karbonsavak reakciója alkoholokkal, ami észter képződéshez vezet):
   
   Az észterezési reakcióba többértékű alkoholok, például glicerin is bekapcsolódhatnak. A glicerin és a magasabb szénatomszámú karbonsavak (zsírsavak) által képzett észterek zsírok.

   A zsírok trigliceridek keverékei. A telített zsírsavak (palmitinsav C 15 H 31 COOH, sztearin C 17 H 35 COOH) szilárd állati eredetű zsírokat, a telítetlen zsírsavak (olajsav C 17 H 33 COOH, linolsav C 17 H 31 COOH stb.) pedig folyékony zsírokat. (olajok) növényi eredetű.

4. Szubsztitúció szénhidrogén gyökben:
   
   A helyettesítés a - helyzetben történik.

   A HCOOH hangyasav sajátossága, hogy ez az anyag egy bifunkciós vegyület, egyszerre karbonsav és aldehid:
   
   Ezért a hangyasav többek között az ezüst-oxid ammóniás oldatával reagál (ezüsttükör reakció; kvalitatív reakció):
   

   HCOOH + Ag 2 O (ammónia oldat) CO 2 + H 2 O + 2Ag

Karbonsavak előállítása

.
O

//
A -C atomok csoportját karboxilcsoportnak vagy karboxilcsoportnak nevezzük.
\

Ó
A molekulában egy karboxilcsoportot tartalmazó szerves savak egybázisúak. E savak általános képlete RCOOH.

A két karboxilcsoportot tartalmazó karbonsavakat kétbázisúnak nevezzük. Ilyenek például az oxálsav és a borostyánkősav.

Vannak olyan többbázisú karbonsavak is, amelyek kettőnél több karboxilcsoportot tartalmaznak. Ide tartozik például a hárombázisú citromsav. A szénhidrogén gyök természetétől függően a karbonsavakat telített, telítetlen és aromás csoportokra osztják.

Telített vagy telített karbonsavak például a propánsav (propionsav) vagy a már ismert borostyánkősav.

Nyilvánvaló, hogy a telített karbonsavak nem tartalmaznak P-kötések szénhidrogén gyökben.

A telítetlen karbonsavak molekuláiban a karboxilcsoport egy telítetlen, telítetlen szénhidrogéncsoporthoz kapcsolódik, például akril (propénsav) CH2=CH-COOH vagy olajsav CH3-(CH2)7-CH=CH-(CH2) molekulákban. 7-COOH és más savak.

Amint a benzoesav képletéből látható, aromás, mivel a molekulában egy aromás (benzol) gyűrűt tartalmaz.

Nomenklatúra és izoméria

Már megvizsgáltuk a karbonsavak, valamint más szerves vegyületek nevének kialakításának általános elveit. Nézzük meg részletesebben az egy- és kétbázisú karbonsavak nómenklatúráját. A karbonsav nevét a megfelelő alkán (a molekulában azonos számú szénatomot tartalmazó alkán) nevéből alakítjuk ki az -ov utótag, az -aya végződés és a sav szó hozzáadásával. A szénatomok számozása a karboxilcsoporttal kezdődik. Például:

Sok savnak történelmileg kialakult vagy triviális neve is van (6. táblázat).

A szerves savak változatos és érdekes világával való első megismerkedés után a telített egybázisú karbonsavakkal fogunk részletesebben foglalkozni.

Nyilvánvaló, hogy ezeknek a savaknak az összetételét a C n H 2n O2 vagy C n H 2n +1 COOH vagy RCOOH általános képlet tükrözi.

Telített egybázisú karbonsavak fizikai tulajdonságai

Az alacsonyabb rendű savak, azaz a viszonylag kis molekulatömegű, molekulánként legfeljebb négy szénatomot tartalmazó savak jellegzetes csípős szagú folyadékok (emlékezzünk az ecetsav szagára). A 4-9 szénatomot tartalmazó savak viszkózus olajos folyadékok, kellemetlen szaggal; molekulánként több mint 9 szénatomot tartalmaznak - szilárd anyagok, amelyek nem oldódnak vízben. A telített egybázisú karbonsavak forráspontja a molekulában lévő szénatomszám növekedésével és ennek következtében a relatív molekulatömeg növekedésével nő. Például a hangyasav forráspontja 101 °C, az ecetsav 118 °C, a propionsav pedig 141 °C.

A legegyszerűbb karbonsav, a hangyás HCOOH, amelynek kis relatív molekulatömege (46), normál körülmények között 100,8 °C forráspontú folyadék. Ugyanakkor a bután (MR(C4H10) = 58) azonos körülmények között gáz halmazállapotú, forráspontja -0,5 °C. A forráspont és a relatív molekulatömeg közötti eltérés a karbonsav-dimerek képződésével magyarázható, amelyekben két savmolekula két hidrogénkötéssel kapcsolódik össze. A hidrogénkötések előfordulása világossá válik, ha figyelembe vesszük a karbonsavmolekulák szerkezetét.

A telített egybázisú karbonsavak molekulái tartalmaznak egy poláris atomcsoportot - karboxilt (gondoljuk meg, mi okozza ennek a funkciós csoportnak a polaritását) és egy gyakorlatilag nem poláris szénhidrogéncsoportot. A karboxilcsoport vonzza a vízmolekulákat, és hidrogénkötéseket hoz létre velük.

A hangyasav és az ecetsav korlátlanul oldódik vízben. Nyilvánvaló, hogy a szénhidrogéngyökben lévő atomok számának növekedésével a karbonsavak oldhatósága csökken.

A karbonsavmolekulák összetételének és szerkezetének ismeretében nem lesz nehéz megértenünk és megmagyaráznunk ezen anyagok kémiai tulajdonságait.

Kémiai tulajdonságok

A savak (szerves és szervetlen) osztályára jellemző általános tulajdonságok a hidrogén- és oxigénatomok között erősen poláris kötést tartalmazó hidroxilcsoport jelenlétének köszönhetőek a molekulákban. Ezeket a tulajdonságokat jól ismeri Ön. Tekintsük újra ezeket a vízoldható szerves savak példáján.

1. Disszociáció a savmaradék hidrogénkationjainak és anionjainak képződésével. Pontosabban ezt a folyamatot egy egyenlet írja le, amely figyelembe veszi a vízmolekulák részvételét.

A karbonsavak disszociációs egyensúlya balra tolódik el, túlnyomó többségük gyenge elektrolit. Ennek ellenére például a hangyasav és az ecetsav savanyú ízét a savas maradékok hidrogénkationokká és anionokká történő disszociációja magyarázza.

Nyilvánvaló, hogy a „savas” hidrogén jelenléte a karbonsavak molekuláiban, azaz a karboxilcsoport hidrogénje más jellemző tulajdonságokat is meghatároz.

2. Kölcsönhatás fémekkel a hidrogénig terjedő elektrokémiai feszültségtartományban. Így a vas redukálja a hidrogént az ecetsavból:

2CH3-COOH + Fe -> (CHgCOO)2Fe + H2

3. Bázikus oxidokkal való kölcsönhatás sót és vizet képezve:

2R-COOH + CaO -> (R-COO)2Ca + H20

4. Reakció fém-hidroxidokkal só és víz képzése céljából (semlegesítési reakció):

R-COOH + NaOH -> R-COONa + H20 3R-COOH + Ca(OH)2 -> (R-COO)2Ca + 2H20

5. Kölcsönhatás gyengébb savak sóival, utóbbiak képződésével. Így az ecetsav kiszorítja a sztearinsavat a nátrium-sztearátból és a szénsavat a kálium-karbonátból.

6. A karbonsavak alkoholokkal való kölcsönhatása észterekké az Ön által már ismert észterezési reakció (a karbonsavakra jellemző egyik legfontosabb reakció). A karbonsavak alkoholokkal való kölcsönhatását hidrogénkationok katalizálják.

Az észterezési reakció reverzibilis. Az egyensúly eltolódik az észter képződése felé víztelenítő szerek jelenlétében és az észter eltávolítása a reakcióelegyből.

Az észterezés fordított reakciójában, amelyet észterhidrolízisnek neveznek (egy észtert vízzel reagáltatnak), sav és alkohol képződik. Nyilvánvaló, hogy a többértékű alkoholok, például a glicerin is reagálhatnak karbonsavakkal, azaz észterezési reakcióba léphetnek:

Minden karbonsav (a hangyasav kivételével) a karboxilcsoporttal együtt szénhidrogén-maradékot tartalmaz a molekuláiban. Természetesen ez nem befolyásolhatja a savak tulajdonságait, amelyeket a szénhidrogén-maradék természete határoz meg.

7. Addíciós reakciók többszörös kötésnél - telítetlen karbonsavak lépnek be; például a hidrogén addíciós reakciója a hidrogénezés. Az olajsav hidrogénezésekor telített sztearinsav képződik.

A telítetlen karbonsavak más telítetlen vegyületekhez hasonlóan kettős kötésen keresztül halogéneket adnak hozzá. Például az akrilsav elszínezi a brómos vizet.

8. Szubsztitúciós reakciók (halogénekkel) - telített karbonsavak léphetnek be; például ecetsav klórral való reagáltatásával különféle klórozott savak állíthatók elő:

A szénhidrogén-maradékban egynél több szénatomot tartalmazó karbonsavak halogénezésekor olyan termékek képződhetnek, amelyekben a molekulában a halogén különböző pozíciói vannak. Ha egy reakció szabad gyökös mechanizmuson keresztül megy végbe, a szénhidrogén-maradékban lévő bármely hidrogénatom helyettesíthető. Ha a reakciót kis mennyiségű vörös foszfor jelenlétében hajtjuk végre, akkor az szelektíven megy végbe - a hidrogént csak A-helyzetben (a funkciós csoporthoz legközelebbi szénatomon) a savmolekulában. Ennek a szelektivitásnak az okait egy felsőoktatási intézményben tanulja meg kémiával.

A karbonsavak a hidroxilcsoport helyettesítésekor különféle funkcionális származékokat képeznek. Amikor ezeket a származékokat hidrolizálják, ismét karbonsav képződik.

A karbonsav-kloridot úgy állíthatjuk elő, hogy foszfor(III)-kloridot vagy tionil-kloridot (SOCl2) reagáltatunk savval. A karbonsav-anhidrideket úgy állítják elő, hogy klór-anhidrideket karbonsavsókkal reagáltatnak. Az észterek karbonsavak alkoholokkal történő észterezésével keletkeznek. Az észterezést szervetlen savak katalizálják.

Ezt a reakciót a karboxilcsoport protonálódása indítja el - egy hidrogénkation (proton) kölcsönhatása az oxigénatom magányos elektronpárjával. A karboxilcsoport protonálása a benne lévő szénatom pozitív töltésének növekedésével jár:

Megszerzési módszerek

A karbonsavakat primer alkoholok és aldehidek oxidációjával állíthatjuk elő.

Az aromás karbonsavak benzolhomológok oxidációjával keletkeznek.

Különféle karbonsav-származékok hidrolízise is savakat eredményez. Így egy észter hidrolízise során alkohol és karbonsav keletkezik. Mint fentebb említettük, a savkatalizált észterezési és hidrolízises reakciók reverzibilisek. Az észter hidrolízise lúg vizes oldatának hatására visszafordíthatatlanul megy végbe, ebben az esetben nem sav, hanem sója képződik az észterből. A nitrilek hidrolízise során először amidok keletkeznek, amelyek ezután savakká alakulnak. A karbonsavak szerves magnéziumvegyületek és szén-monoxid (IV) kölcsönhatása révén jönnek létre.

A karbonsavak egyes képviselői és jelentőségük

A hangyasav (metán) A HCOOH szúrós szagú, 100,8 °C forráspontú folyadék, vízben jól oldódik. A hangyasav mérgező, bőrrel érintkezve égési sérülést okoz! A hangyák által kiválasztott szúrófolyadék tartalmazza ezt a savat. A hangyassav fertőtlenítő tulajdonságokkal rendelkezik, ezért az élelmiszer-, bőr- és gyógyszeriparban, valamint az orvostudományban használják. Szövetek és papír festésére is használják.

A CH3COOH ecetsav (etánsav) színtelen folyadék, jellegzetes csípős szaggal, vízzel bármilyen arányban elegyedik. Az ecetsav vizes oldatait ecet (3-5%-os oldat) és ecetesszencia (70-80%-os oldat) néven forgalmazzák, és széles körben használják az élelmiszeriparban. Az ecetsav számos szerves anyag jó oldószere, ezért festésben, cserzésben, valamint festék- és lakkiparban használják. Emellett az ecetsav számos technikailag fontos szerves vegyület előállításának alapanyaga: például a gyomok elleni védekezésre használt anyagokat - gyomirtó szereket - nyerik belőle.

Az ecetsav a borecet fő alkotóeleme, melynek jellegzetes illata köszönhető. Az etanol oxidációjának terméke, és abból keletkezik, amikor a bort levegőn tárolják.

A magasabban telített egybázisú savak legfontosabb képviselői a palmitinsav C15H31COOH és a sztearinsav C17H35COOH. A rövidebb savakkal ellentétben ezek az anyagok szilárdak és vízben rosszul oldódnak.

Sóik - sztearátok és palmitátok - azonban jól oldódnak és mosó hatásúak, ezért szappanoknak is nevezik őket. Nyilvánvaló, hogy ezeket az anyagokat nagy mennyiségben állítják elő.

A telítetlen magasabb szénatomszámú karbonsavak közül a C17H33COOH vagy (CH2)7COOH olajsav a legnagyobb jelentőségű. Ez egy olajszerű folyadék íz és szag nélkül. Sóit széles körben használják a technológiában.

A kétbázisú karbonsavak legegyszerűbb képviselője az oxálsav (etándisav) HOOC-COOH, amelynek sói számos növényben megtalálhatók, például a sóskában és a sóskában. Az oxálsav színtelen kristályos anyag, amely vízben jól oldódik. Fémek polírozására, fa- és bőriparban használják.

1. A telítetlen elaidinsav C17H33COOH az olajsav transz-izomerje. Írja fel ennek az anyagnak a szerkezeti képletét!

2. Írja fel az olajsav hidrogénezési reakciójának egyenletét! Nevezze meg a reakció termékét!

3. Írja fel a sztearinsav égési reakciójának egyenletét! Mekkora mennyiségű oxigén és levegő (n.a.) szükséges 568 g sztearinsav elégetéséhez?

4. A szilárd zsírsavak - palmitin és sztearin - keverékét sztearinnak nevezik (ebből készülnek a sztearin kúpok). Mekkora mennyiségű levegőre (n.a.) lesz szükség egy kétszáz grammos sztearingyertya elégetéséhez, ha a sztearin azonos tömegű palmitinsavat és sztearinsavat tartalmaz? Mekkora térfogatú szén-dioxid (n.o.) és tömegű víz keletkezik ebben az esetben?

5. Oldja meg az előző feladatot, feltéve, hogy a gyertya azonos mennyiségű (azonos mólszámú) sztearinsavat és palmitinsavat tartalmaz!

6. A rozsdafoltok eltávolításához ecetsavoldattal kezelje őket. Alkossunk molekuláris és ionos egyenleteket az ebben az esetben lezajló reakciókra, figyelembe véve, hogy a rozsda vas(III)-oxidot és hidroxidot tartalmaz - Fe2O3 és Fe(OH)3! Miért nem távolítják el az ilyen foltokat vízzel? Miért tűnnek el, ha savas oldattal kezeljük?

7. Az élesztőmentes tésztához adott szódabikarbóna NaHC03-at először ecetsavval „kioltjuk”. Hajtsa végre ezt a reakciót otthon, és írja fel az egyenletét, tudva, hogy a szénsav gyengébb, mint az ecetsav. Magyarázza el a habképződést!

8. Tudva, hogy a klór elektronegatívabb, mint a szén, rendezze a következő savakat: ecetsav, propionsav, klór-ecetsav, diklór-ecetsav és triklór-ecetsav a savas tulajdonságok növekedése szerint. Indokolja az eredményt.

9. Hogyan magyarázható, hogy a hangyasav „ezüsttükör” reakcióban reagál? Írj egyenletet erre a reakcióra! Milyen gáz szabadulhat fel ebben az esetben?

10. Amikor 3 g telített egybázisú karbonsav feleslegben lévő magnéziummal reagált, 560 ml (n.s.) hidrogén szabadult fel. Határozza meg a sav képletét!

11. Adjon meg reakcióegyenleteket, amelyekkel az ecetsav kémiai tulajdonságait leírhatjuk! Nevezze meg e reakciók termékeit!

12. Javasoljon egy egyszerű laboratóriumi módszert, amellyel felismerheti a propán- és akrilsavakat!

13. Írjon fel egyenletet a metil-formiát - metanol és hangyasav észterének - keletkezésének reakciójára! Milyen körülmények között kell ezt a reakciót végrehajtani?

14. Készítsen szerkezeti képleteket a C3H602 összetételű anyagokból! Milyen anyagosztályokba sorolhatók? Adja meg mindegyikre jellemző reakcióegyenleteket!

15. Az A anyag – az ecetsav izomerje – vízben oldhatatlan, de hidrolízisen mehet keresztül. Mi az A anyag szerkezeti képlete? Nevezze meg hidrolízisének termékeit!

16. Állítsa össze a következő anyagok szerkezeti képleteit:

a) metil-acetát;
b) oxálsav;
c) hangyasav;
d) diklór-ecetsav;
e) magnézium-acetát;
f) etil-acetát;
g) etil-formiát;
h) akrilsav.

17*. Egy 3,7 g tömegű telített egybázisú szerves sav mintát nátrium-hidrogén-karbonát vizes oldatával semlegesítettünk. A felszabaduló gázt mészvízen átvezetve 5,0 g üledéket kapunk. Milyen savat vettek fel és mekkora volt a felszabaduló gáz térfogata?

Karbonsavak a természetben

A karbonsavak nagyon gyakoriak a természetben. Gyümölcsökben és növényekben találhatók. Jelen vannak a tűkben, verejtékben, vizeletben és csalánlében. Tudja, kiderül, hogy a savak nagy része észtereket képez, amelyeknek szaga van. Így az emberi verejtékben található tejsav illata vonzza a szúnyogokat, és azt meglehetősen messziről érzékelik. Ezért bármennyire is próbálja elűzni az idegesítő szúnyogot, mégis jól érzi magát áldozatának. Az emberi verejtéken kívül a savanyúságban és a savanyú káposztában is megtalálható a tejsav.

A nőstény majmok pedig, hogy vonzzák a hímet, ecetsavat és propionsavat választanak ki. A kutya érzékeny orra érezheti a vajsav szagát, amelynek koncentrációja 10-18 g/cm3.

Számos növényfaj képes ecetsavat és vajsavat termelni. Egyes gyomnövények pedig kihasználják ezt, és anyagok kibocsátásával megsemmisítik versenytársaikat, elnyomják növekedésüket, és néha halálukat is okozzák.

Az indiánok savat is használtak. Az ellenség elpusztításához halálos méreggel áztatták a nyilakat, amelyről kiderült, hogy az ecetsav származéka.

És itt felvetődik egy természetes kérdés: veszélyt jelentenek-e a savak az emberi egészségre? Hiszen a természetben elterjedt, sóskában, narancsban, ribizliben és málnában előforduló oxálsav valamiért nem talált alkalmazásra az élelmiszeriparban. Kiderült, hogy az oxálsav kétszázszor erősebb az ecetsavnál, sőt az edényeket is korrodálhatja, sói pedig az emberi szervezetben felhalmozódva köveket képeznek.

A savakat az emberi élet minden területén széles körben alkalmazzák. Használják az orvostudományban, a kozmetológiában, az élelmiszeriparban, a mezőgazdaságban és háztartási szükségletekre.

Gyógyászati ​​célokra szerves savakat, például tejsavat, borkősavat és aszkorbinsavat használnak. Valószínűleg mindannyian C-vitamint használtatok a szervezet megerősítésére - ez pontosan az aszkorbinsav. Nemcsak az immunrendszer erősítésében segít, hanem képes eltávolítani a rákkeltő anyagokat és a méreganyagokat a szervezetből. A tejsavat kauterizálásra használják, mivel erősen higroszkópos. De a borkősav enyhe hashajtóként, lúgmérgezés ellenszereként és a vérátömlesztéshez szükséges plazma előkészítéséhez szükséges összetevőként működik.

De a kozmetikai eljárások kedvelőinek tudniuk kell, hogy a citrusfélékben található gyümölcssavak jótékony hatással vannak a bőrre, mivel mélyen behatolva felgyorsíthatják a bőr megújulásának folyamatát. Ezenkívül a citrusfélék illata tonizáló hatással van az idegrendszerre.

Észrevette, hogy a bogyók, például az áfonya és az áfonya hosszú ideig tárolódnak és frissek maradnak. Tudod miért? Kiderült, hogy benzoesavat tartalmaznak, ami kiváló tartósítószer.

De a mezőgazdaságban a borostyánkősavat széles körben alkalmazzák, mivel felhasználható a termesztett növények termelékenységének növelésére. Ezenkívül serkentheti a növények növekedését és felgyorsíthatja fejlődésüket.

táblázatban A 19.10 néhány, a karbonsavakhoz kapcsolódó szerves vegyületet mutat be. A karbonsavak jellemző tulajdonsága a karbonsav jelenléte bennük.

19.10. táblázat. Karbonsavak

(lásd szkennelés)

funkcionális csoport. A karboxilcsoport egy hidroxilcsoporthoz kapcsolódó karbonilcsoportból áll. Az egy karboxilcsoporttal rendelkező szerves savakat monokarbonsavaknak nevezzük. Szisztematikus nevük -ov(aya) utótaggal rendelkezik. A két karboxilcsoportot tartalmazó szerves savakat dikarbonsavaknak nevezzük. Szisztematikus nevük a -diov(aya) utótaggal rendelkezik.

A telített alifás monokarbonsavak homológ sorozatot alkotnak, amelyet az általános képlet jellemez. A telítetlen alifás dikarbonsavak különféle geometriai izomerek formájában létezhetnek (lásd 17.2. szakasz).

Fizikai tulajdonságok

A telített monokarbonsavak homológ sorozatának alsó tagjai normál körülmények között jellegzetes csípős szagú folyadékok. Például az etánsav (ecetsav) jellegzetes „ecetszagú”. A vízmentes ecetsav szobahőmérsékleten folyékony. Jégecetnek nevezett jeges anyaggá fagy.

A táblázatban felsorolt ​​összes dikarbonsav. 19.10, szobahőmérsékleten fehér kristályos anyagok. A monokarbonsavak és dikarbonsavak sorozatának alsó tagjai vízben oldódnak. A karbonsavak oldhatósága csökken a relatív molekulatömegük növekedésével.

Folyékony halmazállapotban és nem vizes oldatokban a monokarbonsavak molekulái dimerizálódnak a köztük lévő hidrogénkötések következtében:

A karbonsavak hidrogénkötése erősebb, mint az alkoholokban. Ez a karboxilcsoport magas polaritásával magyarázható, ami az elektronok hidrogénatomból a karbonil-oxigénatom felé történő visszahúzódása miatt következik be:

Ennek eredményeként a karbonsavak viszonylag magas forrásponttal rendelkeznek (19.11. táblázat).

19.11. táblázat. Ecetsav és hasonló relatív molekulatömegű alkoholok forráspontja

Megszerzésének laboratóriumi módszerei

A monokarbonsavak primer alkoholokból és aldehidekből oxidációval állíthatók elő feleslegben vett kálium-dikromát savanyított oldatával:

A monokarbonsavak és sóik előállíthatók nitrilek vagy amidok hidrolízisével:

A karbonsavak Grignard-reagensekkel és szén-dioxiddal történő reakcióval történő előállítását a fejezetben ismertetjük. 19.1.

A benzoesavat a metil-benzol metil-oldalláncának oxidálásával lehet előállítani (lásd a 18.2. szakaszt).

Ezenkívül benzoesav állítható elő benzaldehidből a Cannischaro-reakció segítségével. Ebben a reakcióban a benzaldehidet 40-60%-os nátrium-hidroxid oldattal kezelik szobahőmérsékleten. Az egyidejű oxidáció és redukció benzoesav és ennek megfelelően fenil-metanol képződéséhez vezet:

Oxidáció

A Cannizzaro-reakció azokra az aldehidekre jellemző, amelyek nem tartalmaznak -hidrogénatomot. Így nevezik azokat a hidrogénatomokat, amelyek az aldehidcsoport melletti szénatomhoz kapcsolódnak:

Mivel a metanol nem tartalmaz -hidrogénatomokat, áteshet a Cannizzaro-reakción. A legalább egy -hidrogénatomot tartalmazó aldehidek savkatalizált aldolkondenzáción mennek keresztül nátrium-hidroxid-oldat jelenlétében (lásd fent).

Kémiai tulajdonságok

Bár a karboxilcsoport tartalmaz karbonilcsoportot, a karbonsavak nem mennek át az aldehidekkel és ketonokkal előforduló reakciók némelyikén. Például nem mennek keresztül addíciós vagy kondenzációs reakciókon. Ez azzal magyarázható, hogy az atom

a karboxilcsoportban lévő szén kevésbé pozitív töltésű, mint az aldehid- vagy ketocsoportban.

Savasság. Az elektronsűrűség elhúzása a karboxil-hidrogénatomtól gyengíti az O-H kötést. Ennek eredményeként a karboxilcsoport képes absztrahálni (elveszíteni) egy protont. Ezért az egykarbonsavak úgy viselkednek, mint az egybázisú savak. E savak vizes oldataiban a következő egyensúly jön létre:

A karboxilát ion két rezonanciaszerkezet hibridjének tekinthető:

Ellenkező esetben úgy is felfogható

Az elektron delokalizációja a karboxilátcsoport atomjai között stabilizálja a karboxilát iont. Ezért a karbonsavak sokkal savasabbak, mint az alkoholok. A karbonsavmolekulák kovalens természete miatt azonban a fenti egyensúly erősen balra tolódik el. Így a karbonsavak gyenge savak. Például az etánsavat (ecetsavat) a savassági állandó jellemzi

A karbonsavmolekulában jelenlévő szubsztituensek nagymértékben befolyásolják annak savasságát az általuk nyújtott induktív hatás miatt. Az olyan szubsztituensek, mint a klór, maguk felé húzzák az elektronsűrűséget, és ezért negatív induktív hatást váltanak ki. Ezzel szemben az olyan szubsztituensek, mint az alkilcsoportok, elektronadó tulajdonságokkal rendelkeznek, és pozitív induktív hatást fejtenek ki, gyengítik a karbonsavat:

A szubsztituensek hatása a karbonsavak savasságára egyértelműen megnyilvánul a táblázatban feltüntetett számos sav értékében. 19.12.

19.12. táblázat. Karbonsav értékek

Sók képződése. A karbonsavak a közönséges savak összes tulajdonságával rendelkeznek. Reaktív fémekkel, bázisokkal, lúgokkal, karbonátokkal és bikarbonátokkal reagálnak, és a megfelelő sókat képezik (19.13. táblázat). A táblázatban bemutatott reakciók az oldható és az oldhatatlan karbonsavakra egyaránt jellemzőek.

A gyenge savak más sóihoz hasonlóan a karboxilátsók (karbonsavak sói) reakcióba lépnek a feleslegben felvett ásványi savakkal, és az anya karbonsavakat képezik. Például, ha nátrium-hidroxid-oldatot adunk oldhatatlan benzoesav vizes szuszpenziójához, a sav feloldódik a nátrium-benzoát képződése miatt. Ha ezután kénsavat adunk a kapott oldathoz, benzoesav válik ki:

19.13. táblázat. Sók képződése karbonsavakból

Észterezés. Ha karbonsav és alkohol keverékét tömény ásványi sav jelenlétében hevítjük, észter képződik. Ez az észterezésnek nevezett folyamat az alkoholmolekulák lebontását igényli. Két lehetőség van.

1. Alkoxihidrogén hasítás. Ebben az esetben az alkohol oxigénatomja (a hidroxilcsoportból) belép a kapott éter molekulájába:

2. Alkil-hidroxil-hasítás. Az ilyen típusú hasítás során az alkohol oxigénatomja belép a vízmolekulába:

Ezek közül az esetek közül melyik valósul meg konkrétan, kísérletileg meghatározható, ha észterezést végzünk 180-as izotópot tartalmazó alkohollal (lásd 1.3. fejezet), pl. izotópcímkével. A kapott észter relatív molekulatömegének tömegspektrometriával történő meghatározása megmutatja, hogy benne van-e az oxigén-18 izotóp jelölés. Ily módon felfedezték, hogy az észterezés primer alkoholok részvételével jelölt észterek képződéséhez vezet:

Ez azt mutatja, hogy a metanol molekula metoxi-hidrogén hasadáson megy keresztül a vizsgált reakció során.

Halogénezés. A karbonsavak reakcióba lépnek foszfor-pentakloriddal és kén-oxid-dikloriddal, és a megfelelő savakból savkloridokat képeznek. Például

Mind a benzoil-klorid, mind a foszfor-triklorid oxid folyadék, amelyet el kell választani egymástól. Ezért a karbonsavak klórozásához kényelmesebb a kén-oxid-diklorid használata: ez lehetővé teszi a gáznemű hidrogén-klorid és a kén-dioxid könnyű eltávolítását a folyékony karbonsav-kloridból:

Klór fúvatásával forrásban lévő ecetsavon katalizátorok, például vörös foszfor vagy jód jelenlétében és napfény hatására

monoklór-etánsav (monoklór-ecetsav) képződik:

A további klórozás diszubsztituált és triszubsztituált termékek képződéséhez vezet:

Felépülés. Ha száraz dietil-éterben lítiummal reagáltatjuk, a karbonsavak a megfelelő alkoholokká redukálhatók. Először egy alkoxid intermedier képződik, amelynek hidrolízise alkohol képződéséhez vezet:

A karbonsavakat sok szokásos redukálószer nem redukálja. Ezek a savak nem redukálhatók azonnal a megfelelő aldehidekké.

Oxidáció. A metán (hangyasav) és az etánsav (ecetsav) kivételével más karbonsavak nehezen oxidálódnak. A hangyasavat és sóit (formiátokat) kálium-permanganáttal oxidálják. A hangyasav képes redukálni a Fehling-reagenst, és ezüst-nitrát vizes-ammónia-oldatával keverve „ezüsttükröt” képez. A hangyasav oxidációja során szén-dioxid és víz keletkezik:

Az etándisav (oxálsavat) a kálium-permanganát is oxidálja, szén-dioxidot és vizet képezve:

Kiszáradás. A karbonsav valamilyen dehidratálószerrel, például oxiddal végzett desztillációja a vízmolekula két savmolekuláról való szétválásához és karbonsav-anhidrid képződéséhez vezet:

Ez alól kivételt képez a hangyasav és az oxálsav. A hangyasav vagy kálium- vagy nátriumsójának tömény kénsavval történő dehidratálása szén-monoxid képződéséhez vezet.

A nátrium-metanoát (formiát) tömény kénsavval történő dehidratálása általános laboratóriumi módszer a szén-monoxid előállítására. Az oxálsav forró tömény kénsavval történő dehidratálása szén-monoxid és szén-dioxid keverékét eredményezi:

Karboxilátok

A karbonsavak nátrium- és káliumsói fehér kristályos anyagok. Könnyen oldódnak vízben, erős elektrolitokat képezve.

A víz-metanol elegyben oldott nátrium- vagy kálium-karboxilátsók elektrolízise az anódon alkánok és szén-dioxid, a katódon pedig hidrogén képződéséhez vezet.

Az anódnál:

A katódon:

Az alkánok előállításának ezt a módszerét elektrokémiai Kolbe-szintézisnek nevezik.

Alkánok képződése akkor is előfordul, ha nátrium- vagy kálium-karboxilátok keverékét nátrium-hidroxiddal vagy nátronmésszel hevítik. (A nátronmész nátrium-hidroxid és kalcium-hidroxid keveréke.) Ezt a módszert alkalmazzák például metán laboratóriumi előállítására:

Az aromás nátrium- vagy kálium-karboxilátok hasonló körülmények között arénokat képeznek:

Ha nátrium-karboxilátok és savkloridok keverékét hevítjük, a megfelelő karbonsavak anhidridjei képződnek:

A kalcium-karboxilátok szintén fehér kristályos anyagok, és általában vízben oldódnak. Melegítésükkor kialakulnak

a megfelelő ketonok alacsony hozamával:

Kalcium-karboxilátok és kalcium-formiát keverékének melegítésekor aldehid képződik:

A karbonsavak ammóniumsói szintén vízben oldódó fehér kristályos anyagok. Erősen hevítve a megfelelő amidokat képezik: