Карбонові кислоти: хімічні властивості й одержання
~20 хв · 8 розділів · 10 тестових запитань
Розглядаємо хімічні властивості насичених одноосновних карбонових кислот: реакції з металами, оксидами, основами, карбонатами та спиртами. Аналізуємо способи одержання етанової кислоти та особливі властивості метанової кислоти.
Метанова (HCOOH) та етанова (CH₃COOH) кислоти належать до слабких електролітів. Це означає, що в розчині вони дисоціюють лише частково, на відміну від сильних неорганічних кислот (HCl, H₂SO₄). Рівновага дисоціації етанової кислоти у воді виглядає так:
CH₃COOH ⇄ H⁺ + CH₃COO⁻
Оскільки рівновага зміщена ліворуч, концентрація йонів H⁺ у розчині є невеликою, тому pH розчину становить приблизно 2–3 (для 1 М розчину), а не 0, як у 1 М розчину сильної одноосновної кислоти (HCl). Кислотне середовище зумовлює зміну забарвлення індикаторів: лакмус червоніє, метилоранж рожевіє, а фенолфталеїн залишається безбарвним. Точний колір залежить від pH і концентрації кислоти.
Реакція нейтралізації з лугом
Як і будь-яка кислота, етанова кислота реагує з основами, утворюючи сіль і воду:
CH₃COOH + NaOH → CH₃COONa + H₂O
Натрій етаноат (ацетат натрію) — сіль, добре розчинна у воді. Складімо скорочене йонне рівняння цієї реакції. Повне йонне рівняння:
CH₃COOH + Na⁺ + OH⁻ → CH₃COO⁻ + Na⁺ + H₂O
Скорочене йонне рівняння:
CH₃COOH + OH⁻ → CH₃COO⁻ + H₂O
Важливо: етанову кислоту як слабкий електроліт у йонному рівнянні залишають у молекулярній формі (CH₃COOH), а не розписують на йони. Це принципова відмінність від сильних кислот (HCl → H⁺ + Cl⁻). Якби ми розписали CH₃COOH на H⁺ і CH₃COO⁻, то втратили б інформацію про те, що кислота слабка.
Взаємодія з основними оксидами
Карбонові кислоти реагують з основними оксидами, утворюючи сіль і воду. Наприклад, з купрум(II) оксидом:
2CH₃COOH + CuO → (CH₃COO)₂Cu + H₂O
Купрум(II) етаноат — сіль синьо-зеленого кольору. Ця реакція є типовою кислотно-основною взаємодією, де оксид металу виконує роль основи.
Розчинність і водневі зв'язки
Нижчі карбонові кислоти — метанова та етанова — добре змішуються з водою в будь-яких співвідношеннях. Причина — утворення міцних водневих зв'язків між карбоксильною групою (–COOH) і молекулами води. Ці ж водневі зв'язки зумовлюють аномально високі температури кипіння кислот порівняно зі спиртами такої самої молекулярної маси.
Зі зростанням довжини вуглеводневого ланцюга розчинність у воді зменшується, оскільки неполярна частина молекули стає більшою. Вищі жирні кислоти (пальмітинова, стеаринова) практично нерозчинні у воді.
Взаємодія з активними металами
Карбонові кислоти реагують з металами, що стоять у ряду активності лівіше від Гідрогену. При цьому утворюється сіль (карбоксилат) і виділяється водень. Наприклад, з магнієм:
2CH₃COOH + Mg → (CH₃COO)₂Mg + H₂↑
Магній етаноат — сіль, розчинна у воді. Активний метал витісняє Гідроген з карбоксильної групи. Важливо пам'ятати, що мідь не витісняє водень з розбавленої неокиснювальної етанової кислоти, оскільки Cu стоїть у ряду активності після H₂.
Взаємодія з карбонатами
Карбонові кислоти сильніші за карбонатну кислоту (H₂CO₃), тому вони витісняють CO₂ з карбонатів. Це одна з якісних реакцій на карбонові кислоти:
2CH₃COOH + Na₂CO₃ → 2CH₃COONa + CO₂↑ + H₂O
Виділення вуглекислого газу (бульбашки) — характерна ознака реакції. Зверни увагу: продуктом є CO₂, а не H₂. Це принципово відрізняє реакцію з карбонатом від реакції з металом.
Запам'ятай: з металом → H₂; з карбонатом → CO₂.
Естерифікація
Карбонові кислоти реагують зі спиртами в присутності кислотного каталізатора (зазвичай концентрованої H₂SO₄) і при нагріванні, утворюючи естери та воду. Ця реакція називається естерифікацією:
CH₃COOH + C₂H₅OH ⇄ CH₃COOC₂H₅ + H₂O
Етилетаноат (етилацетат) — естер із характерним фруктовим запахом. Реакція оборотна: естер може гідролізуватися назад у кислоту та спирт. Тому в рівнянні ставлять знак ⇄, а не →. Естерифікація відрізняється від нейтралізації тим, що потребує каталізатора, нагрівання, є оборотною і не утворює солі.
Ознака | Нейтралізація | Естерифікація |
|---|---|---|
Реагенти | Кислота + основа | Кислота + спирт |
Продукти | Сіль + вода | Естер + вода |
Каталізатор | Не потрібен | H₂SO₄ (конц.) |
Оборотність | Необоротна | Оборотна (⇄) |
Вищі карбонові кислоти
Серед карбонових кислот особливе місце посідають вищі жирні кислоти — насичені та ненасичені, які входять до складу жирів. Розгляньмо три важливі представниці:
Назва | Формула | Насиченість |
|---|---|---|
Пальмітинова | C₁₅H₃₁COOH | Насичена |
Стеаринова | C₁₇H₃₅COOH | Насичена |
Олеїнова | C₁₇H₃₃COOH | Ненасичена (містить C=C) |
Пальмітинова та стеаринова кислоти — насичені, тобто в їхніх вуглеводневих ланцюгах усі зв'язки між атомами Карбону одинарні. Олеїнова кислота — ненасичена: вона містить один подвійний зв'язок C=C, що робить її рідкою за кімнатної температури. Властивості жирів, до складу яких входять ці кислоти, детально розглядаються в окремій темі «Жири і мила».
Одержання етанової кислоти окисненням
Етанову кислоту в промисловості одержують окисненням різних органічних сполук. Два основні способи:
Окиснення етаналю (оцтового альдегіду):
CH₃CHO + [O] → CH₃COOH
Окиснення етанолу:
C₂H₅OH + 2[O] → CH₃COOH + H₂O
Окиснення спирту може проходити через проміжну стадію — утворення альдегіду, який далі окиснюється до кислоти. Символ [O] позначає окисник (наприклад, KMnO₄, K₂Cr₂O₇ або кисень повітря за каталізатора).
Особливість метанової кислоти (HCOOH)
Метанова кислота (мурашина) — унікальна серед карбонових кислот. Її молекула H–C(=O)–OH має карбоксильний атом Карбону, сполучений безпосередньо з атомом Гідрогену. Це означає, що в ній присутній альдегідний фрагмент H–C=O. Саме тому метанова кислота виявляє відновні властивості, нехарактерні для інших карбонових кислот:
Реакція «срібного дзеркала»: HCOOH окиснюється амоніачним розчином аргентум(I) оксиду до CO₂ (у лужному середовищі — до карбонату), а на стінках пробірки осідає срібло.
Відновлення Cu(OH)₂: при нагріванні метанової кислоти з купрум(II) гідроксидом у лужному середовищі синій осад Cu(OH)₂ перетворюється на цегляно-червоний Cu₂O.
Важливо: метанова кислота належить до карбонових кислот, а не до альдегідів, хоча й дає реакцію срібного дзеркала. Її класифікують за наявністю карбоксильної групи –COOH, а не за здатністю до окиснення.
Метанова кислота трапляється у виділеннях мурашок і деяких інших комах (звідси назва «мурашина»). Етанова кислота є кислотним компонентом оцту. Залишки вищих карбонових кислот входять до складу жирів. Усі карбонові кислоти використовують у синтезі естерів, а вищі — для виробництва мил.
Приклад 1. Вибір однієї з чотирьох — речовина, що з розчином етанової кислоти виділяє CO₂
Завдання: Яка з наведених речовин під час взаємодії з розчином етанової кислоти виділяє вуглекислий газ?
A) Mg
Б) NaOH
В) Na₂CO₃
Г) CuO
Розв'язання: Визначаємо, який продукт утворюється в кожній реакції.
Mg — активний метал, реагує з кислотою з виділенням H₂, а не CO₂: 2CH₃COOH + Mg → (CH₃COO)₂Mg + H₂↑.
NaOH — основа, реакція нейтралізації дає сіль і воду, без газу: CH₃COOH + NaOH → CH₃COONa + H₂O.
Na₂CO₃ — карбонат, реагує з кислотою з виділенням CO₂: 2CH₃COOH + Na₂CO₃ → 2CH₃COONa + CO₂↑ + H₂O.
CuO — основний оксид, реагує з утворенням солі та води, без газу: 2CH₃COOH + CuO → (CH₃COO)₂Cu + H₂O.
Відповідь: В) Na₂CO₃.
Чому інші варіанти неправильні: Mg виділяє H₂, а не CO₂; NaOH і CuO взагалі не виділяють газу. Типова помилка — плутати продукти реакції з металом (H₂) і з карбонатом (CO₂).
Приклад 2. Логічні пари 1–3 → А–Д
Завдання: Установи відповідність між реагентами (1–3) і продуктами реакції (А–Д).
Реагенти:
1 Mg + CH₃COOH
2 NaOH + CH₃COOH
3 C₂H₅OH + CH₃COOH (за каталізу)
Продукти:
А естер і вода
Б сіль і H₂
В сіль і вода
Г етаналь
Д глюкоза
Розв'язання: Визначаємо продукти кожної реакції.
1: Mg + CH₃COOH → (CH₃COO)₂Mg + H₂↑ — сіль і водень. Отже, 1 → Б.
2: NaOH + CH₃COOH → CH₃COONa + H₂O — сіль і вода. Отже, 2 → В.
3: C₂H₅OH + CH₃COOH ⇄ CH₃COOC₂H₅ + H₂O — естер і вода (естерифікація). Отже, 3 → А.
Відповідь: 1Б, 2В, 3А.
Чому дистрактори неправильні: Г (етаналь) — продукт окиснення спирту, а не естерифікації; Д (глюкоза) — вуглевод, не утворюється в жодній із цих реакцій.
Приклад 3. Вибір однієї з чотирьох — правильне скорочене йонне рівняння з NaOH
Завдання: Яке скорочене йонне рівняння правильно описує реакцію нейтралізації етанової кислоти натрій гідроксидом?
A) H⁺ + OH⁻ → H₂O
Б) CH₃COOH + OH⁻ → CH₃COO⁻ + H₂O
В) CH₃COOH + Na⁺ + OH⁻ → CH₃COONa + H₂O
Г) 2CH₃COOH + 2Na⁺ + 2OH⁻ → 2CH₃COONa + H₂↑ + O₂↑
Розв'язання: Етанова кислота — слабкий електроліт, тому в йонному рівнянні її записують у молекулярній формі (CH₃COOH), а не розкладають на H⁺ і CH₃COO⁻. NaOH — сильний електроліт, дисоціює на Na⁺ та OH⁻. У скороченому йонному рівнянні Na⁺ скорочується, оскільки він не бере участі в реакції.
A) H⁺ + OH⁻ → H₂O — неправильно, бо етанова кислота не дисоціює повністю, тому H⁺ не можна писати окремо.
Б) CH₃COOH + OH⁻ → CH₃COO⁻ + H₂O — правильно: слабку кислоту залишаємо молекулою, Na⁺ скорочуємо.
В) CH₃COOH + Na⁺ + OH⁻ → CH₃COONa + H₂O — неправильно, бо Na⁺ не має бути в скороченому рівнянні (він однаковий в обох частинах).
Г) 2CH₃COOH + 2Na⁺ + 2OH⁻ → 2CH₃COONa + H₂↑ + O₂↑ — неправильно, бо нейтралізація не виділяє H₂ та O₂.
Відповідь: Б) CH₃COOH + OH⁻ → CH₃COO⁻ + H₂O.
Розписувати слабку CH₃COOH на йони як сильну кислоту. Правильно: у йонних рівняннях етанову кислоту залишають у молекулярній формі (CH₃COOH), оскільки вона дисоціює лише частково. Це типова помилка в завданнях на йонні рівняння.
Одержувати H₂ при дії кислоти на карбонат. Правильно: карбонат з кислотою дає CO₂, а не H₂. Реакція: 2CH₃COOH + Na₂CO₃ → 2CH₃COONa + CO₂↑ + H₂O. Водень виділяється лише при взаємодії з активними металами.
Називати олеїнову кислоту насиченою. Правильно: олеїнова кислота C₁₇H₃₃COOH містить один подвійний зв'язок C=C, тому вона ненасичена. Насичені — пальмітинова C₁₅H₃₁COOH і стеаринова C₁₇H₃₅COOH.
Називати HCOOH альдегідом через срібне дзеркало. Правильно: метанова кислота належить до карбонових кислот (має карбоксильну групу –COOH), хоча й містить альдегідний фрагмент H–C=O. Реакція срібного дзеркала — доказ наявності альдегідної групи, а не належності до класу альдегідів.
Приписувати міді витіснення H₂ з розбавленої етанової кислоти. Правильно: мідь стоїть у ряду активності металів після Гідрогену, тому вона не витісняє водень з розбавлених неокиснювальних кислот, зокрема з етанової.
Тема «Карбонові кислоти» в програмі НМТ з хімії належить до розділу 3.3.4. Від тебе вимагають знати загальні кислотні властивості (реакції з металами, основами, основними оксидами, карбонатами), реакцію естерифікації, а також особливі властивості метанової кислоти та будову вищих жирних кислот.
Стратегія розв'язування завдань:
Спочатку визнач клас другого реагенту (метал, основа, основний оксид, карбонат чи спирт) — це підкаже тип реакції та продукти.
Окремо перевір, який газ виділяється: H₂ (з активним металом) чи CO₂ (з карбонатом).
У йонних рівняннях зверни увагу на стан слабкої кислоти — її залишають молекулою, не розкладають на йони.
Перевір заряд солі: карбоксилат-йон має заряд –1 (CH₃COO⁻), а для двовалентних металів потрібно два карбоксилат-йони.
Формати завдань на НМТ:
Формат | Номери завдань | Оцінювання |
|---|---|---|
Вибір однієї відповіді з чотирьох (А–Г) | 1–18 | 0 або 1 бал |
Логічні пари (1–3 → А–Д, дві букви зайві) | 19–20 | 1 бал за кожну правильно встановлену пару, до 3 балів |
Чому етанову кислоту залишають молекулою в йонному рівнянні?
Етанова кислота — слабкий електроліт. У водному розчині вона дисоціює лише частково, тому більша частина її молекул перебуває в недисоційованому стані. У йонних рівняннях слабкі електроліти прийнято записувати в молекулярній формі, щоб показати, що реакція відбувається за участю саме молекул, а не окремих йонів. Якби ми розписали CH₃COOH на H⁺ і CH₃COO⁻, то створили б хибне враження, ніби кислота дисоціює повністю, як HCl.
Який газ дає реакція кислоти з карбонатом?
Реакція карбонової кислоти з карбонатом (наприклад, Na₂CO₃) виділяє вуглекислий газ CO₂. Рівняння: 2CH₃COOH + Na₂CO₃ → 2CH₃COONa + CO₂↑ + H₂O. Це відбувається тому, що карбонові кислоти сильніші за карбонатну кислоту H₂CO₃ і витісняють її з солей. Не плутай з реакцією з металом, де виділяється H₂.
Чому мурашина кислота дає срібне дзеркало, хоча вона не альдегід?
Метанова кислота HCOOH має особливу будову: карбоксильний атом Карбону сполучений безпосередньо з атомом Гідрогену. У її молекулі є альдегідний фрагмент H–C=O, який і зумовлює здатність до окиснення. Тому HCOOH реагує з амоніачним розчином Ag₂O (срібне дзеркало) і відновлює Cu(OH)₂ до Cu₂O. Однак за наявністю карбоксильної групи –COOH її відносять до карбонових кислот, а не до альдегідів.
Чим олеїнова кислота відрізняється від стеаринової?
Стеаринова кислота C₁₇H₃₅COOH — насичена, тобто всі зв'язки між атомами Карбону в її ланцюзі одинарні. Олеїнова кислота C₁₇H₃₃COOH — ненасичена, вона містить один подвійний зв'язок C=C. Через це олеїнова кислота має нижчу температуру плавлення і за кімнатної температури є рідиною, тоді як стеаринова — тверда речовина. Обидві входять до складу жирів.
Карбонові кислоти реагують з основами (нейтралізація), основними оксидами, активними металами (виділення H₂) та карбонатами (виділення CO₂).
Етанова кислота — слабкий електроліт, тому в йонних рівняннях її записують у молекулярній формі CH₃COOH.
Естерифікація — реакція кислоти зі спиртом за наявності кислотного каталізатора й нагрівання, утворює естер і воду; реакція оборотна (⇄).
Метанова кислота HCOOH має відновні властивості (срібне дзеркало, відновлення Cu(OH)₂ до Cu₂O) через наявність альдегідного фрагмента, але належить до карбонових кислот.
Олеїнова кислота C₁₇H₃₃COOH — ненасичена (містить C=C); пальмітинова C₁₅H₃₁COOH і стеаринова C₁₇H₃₅COOH — насичені.
Етанову кислоту одержують окисненням етанолу або етаналю: C₂H₅OH + 2[O] → CH₃COOH + H₂O; CH₃CHO + [O] → CH₃COOH.