Карбоновые кислоты - особенности строения, классификация и примеры представителей

Описание вещества и параметры

Общая формула карбоновых кислот (не путать с карбонатной или угольной кислотой) — CH2 + COOH; в нормальных условиях имеют маслянистую жидкую форму с характерным неприятным запахом, однако начиная с C10-углеродов кислота представляет собой твёрдое вещество, нерастворимое в воде. Однако при количестве атомов углерода свыше 3, вещество неограниченно смешивается с водой. Так как кислотные свойства этого вещества являются относительно слабыми (за исключением муравьиной и уксусной кислоты), их соли подвергаются обратимому гидролизу.

Электронное строение карбоксильной группы сочетает в себе наличие двух функциональных групп — гидроксил (-OH) и карбонил (>C=0). Длина водородной связи в димере равна 0,26 нм, длина связи C=O в различных соединениях составляет около 0,122 нм. При диссоциации образуется стабилизированный сопряжением отрицательно заряженный анион.

Систематическая номенклатура

В названии этих химических соединений в первую очередь нумеруют атом углерода группы COOH. Образованные в процессе реакции соли получают наименования при помощи добавления суффикса «ат» или «оат» к названию углеводорода (к примеру, этандиоат калия). Гомологический ряд предельных и непредельных карбоновых растворов имеет следующий вид:

• Тривиальное название — муравьиная кислота, систематическое — метановая. Химическая формула — H-COOH. Число двойных связей — 0. Температура плавления равна 8,4 градуса по Цельсию, температура кипения — 100,8.
• Уксусная (этановая). Формула CH3-COOH. Реагент не имеет двойных связей, плавится при температуре 17 градусов, закипает при 118.
• Пропионовая (пропановая). CH3-CH2-COOH, t плавления равна -22 градусам, t кипения 141 равен градус. Число двойных связей равно нулю.
• Акриловая (пропеновая). CH2=CH-COOH. Кипит при 141 градусе, плавится при 12. Имеется 1 двойная связь (химические вещества этого типа особенно легко присоединяют водород при действии амальгамы натрия, а при окислении образуются диоксикислоты).
• Капроновая (гексановая). CH3 (CH2)4-COOH. Температура плавления — минус 2 градуса, t кипения — 205.
• Пальмитиновая (гексадекановая). C15-H31-COOH. Плавится при 64 градусах, кипит при 215. Двойных связей не имеется.
• Стеариновая (октадекановая). C17-H35-COOH, t кипения равна 232 градуса, плавления — 70.
• Олеиновая (цис-октадецен-9-овая). C17-H33-COOH. Закипает при температуре в 228 градусов, плавится при 14. При двойной связи происходит изомерия — образуется транс-изомер (элаидиновая кислота), протекающий под действием различных катализаторов типа алифатических нитрилов или диоксида азота.

Помимо этого, в таблицу классификации карбоновых кислот подобного типа также включают бутановую, линолевую, бензойную и щавелевую кислотную основу. Карбоновым соединениям свойственна структурная межклассовая и пространственная изомерия (начиная с С2), положение кратной связи, а также изомерия скелета в углеводородном радикале.

Физические свойства

Физические особенности и свойства веществ карбоксильной группы зависят от числа атомов углерода в их соединениях. Те соединения, в состав которых входят не более 3 атомов С, относятся к низшему классу. Они легко растворимы в воде, имеют резкий запах и не имеют цвета. Кислотные растворы, содержащие в своём составе свыше 9 атомов являются высшими; они относятся к твёрдым веществам, нерастворимым в воде.

Плотность уксусной и муравьиной кислоты больше единицы, у всех остальных видов плотность меньше. Кипение карбоновых соединений происходит при более высоких температур, чем у спиртов. Связи молекул кислорода и водорода (O — H) сильно поляризованы. Также химические соединения этого типа могут реагировать посредством образования водородных связей с кислородом карбонильного диполя, который обладает значительной электроотрицательностью.

Кислоты в твёрдом виде существуют в качестве циклических димеров; в жидком виде может происходить линейная ассоциация.

Химические реакции и особенности

При реакции с металлами, оксидами либо с некоторыми из их гидроксидов, карбоновые растворы проявляют типичные свойства всех слабых кислот — образование солей соответствующих металлов, вытеснение более слабого кислотного раствора из её соли, а также вытеснение самого карбонового соединения. В воде соли карбоновых соединений имеют щелочную реакцию и подвергаются гидролизу. Лакмусовую бумажку раствор окрашивает в красный цвет. В качестве примера можно привести следующие химические формулы:

• 2CH3-COOH + Mg => (CH3COO)2-Mg + H2.
• 2CH3-COOH + CaO => (CH3COO)2-Ca + H2O.
• CH3-COOH + NaOH => CH3COONa + H2O.
• 2CH3-COOH + Na2SiO3 => 2CH3COONa + H2SiO3.

Высокая полярность связи O — H приводит к значительной диссоциации карбоновой кислоты в водном растворе. Все соединения являются слабыми электролитами. Реакция горения выглядит таким образом: CH3COOH + 2O2 => 2CO2 + 2H2O. К химическим свойствам карбоновых кислот также относят этерификацию (так называется химическое взаимодействие со спиртами, которая приводит к образованию сложных эфиров).

Этерификация может происходить и многоатомные спирты типа глицерина. В результате реакции образовываются сложные жиры (смеси триглицеридов); пальмитиновая кислота и некоторые другие предельные жирные кислотные растворы образуют твёрдые жиры животного происхождения.

Свойства кислотных растворов обуславливаются наличием изомерного углеводородного радикала. В случае когда реакция протекает в присутствии красного фосфора, происходит образование продукта: CH3-CH2-COOH + Br2 =>CH3-CHBr-COOH + HBr. Карбоновые соединения окисляются хлором: HCOOH + Cl2 => CO2 + 2HCl.

Способы получения

На сегодняшний день существует несколько основных способов получения этого химического вещества. Соединения этой группы можно получить посредством окисления спиртов. Спирты взаимодействуют с разбавленной серной кислотой и оксидом хрома с добавлением марганцовки или ацетона: RCH2OH + [O] => RCOOH. Также необходимо выделить и другие, не менее распространённые способы:

• При помощи гидролиза. Формула для гидролиза тригалогеналканов: RCCl3 + 3NaOH => RCOOH + 3NaCl + H2O. Общий вид гидролиза сложных эфиров — R1-COO-R2 + KOH => R1-COOK +R2-OH. При реакции и взаимодействии с нитрилами и амидами: RCN + H2O => RCONH2 либо RCONH2 + H2O => RCO2H.
• Окисление альдегидов и кетонов. Промышленные методы получения подразумевают использование тех же реагентов, что и в случае со спиртами (RCH2OH). Для лабораторного производства могут использоваться такие окислители, как Ar2O, KMnO4, K2Cr2O7, Cu (OH)2 и прочие.
• Карбоксилирование металлсодержащих соединений (чаще всего используются литийорганические соединения и реактивы Гриньяра). RLi + CO2 => RCOOLi либо 2RMg +2CO2 => (RCOO)2Mg.
• Синтез ароматических соединений (одноосновные кислоты ряда бензола). Используются реакции Кольбе-Шмитта или карбоксилирование фенолятов металлов (чаще всего эта реакция используется для получения салицилловой кислоты), а также реакция ацилирование ароматических соединений с использованием фосгена.
• Окисление алкенов смесью перманганата калия и периодата натрия в водном ацетоне. Сюда же входит окисление алкиларенов и алкинбензолов (C6H5CH3 => C6H5COOH) — является распространённым способом получения ароматических карбоновых соединений.
• Выделение из природных органических веществ, таких как насыщенные жиры.
• Получение кислотного раствора при помощи нагревания цианидов.

Следует знать, что в промышленных масштабах получение карбоновых кислот происходит, как правило, посредством окисления парафиновых углеводородов техническим кислородом при высокой температуре и давлении (как в присутствии катализаторов, так и без таковых). В качестве катализаторов служат соли и оксиды металлов.

Применение в жизни

Карбоновые соединения применяются во многих отраслях промышленности. Помимо этого, кислотная основа является важным элементом для получения промежуточных продуктов органического синтеза, к которым относятся кетены, галогенкислоты, виниловые эфиры и галогенангидриды. Наиболее широкое применение эти кислотные растворы получили в химической промышленности, в медицине и в сельском хозяйстве.

Бытовая химия

Различные виды солей, получаемых в процессе реакции, используются в качестве сырья для органического синтеза. К примеру, для производства мыла, шампуней, моющих средств, а также для изготовления лакокрасочных материалов, смазочных масел, эмульгаторов, растворителей и клеёв.

Уксусная кислотная основа (в частности, её ацетаты) необходима для производства ацетатного шёлка, пальмитиновая кислота добавляется в качестве загустителя при изготовлении технических масел для смазки, а также для производства различных пластификаторов. Акриловая кислота незаменима при изготовлении эмульсий для лакокрасочных материалов, для пропитки кожи, акриловых каучуков, а также для создания полиакрилонитрильных волокон.

Медицина и косметика

Уникальный молекулярный состав муравьиной кислоты позволяет её использовать во многих отраслях науки, в том числе и в медицине. Эту кислоту часто используют для дезинфекции кожного покрова и как наружное обезболивающее средство при ушибах и травмах, так как она обладает согревающим, бактерицидным и противовоспалительным действием. Смесь муравьиной кислоты с водой (муравьиный спирт) нередко используется при ревматических и неврологических болях.

Для лечения отдельных заболеваний желудочно-кишечного тракта используется масляная кислота — её соли создают в кишечнике благоприятную среду для развития полезных микроорганизмов, препятствуя при этом размножению патогенных бактерий. Помимо этого, эта разновидность карбоновой кислоты регулирует водно-электролитный баланс в организме. Линоленовая кислота снижает уровень холестерина и предотвращает развитие сосудистых заболеваний. В косметических целях могут использоваться следующие виды кислот:

• Стеариновая кислота применяется в качестве загустителя кремов и стабилизатора смеси. Косметика, активными веществами которой являются частицы стеарина, быстро впитывается в кожу, оказывая на неё омолаживающее действие.
• Пальмитиновая кислота входит в состав глицеридов большинства животных жиров. Крем с добавлением этой кислоты защищает кожу от ветра, предотвращает сухость и раздражение, а также способствует появлению гладкости, мягкости и упругости.
• Щавелевая кислота, несмотря на свою едкость, применяется в косметологии довольно часто — в качестве отбеливающего компонента в специальных кремах от веснушек и пигментных пятен.
• Олеиновая кислота входит в состав губных помад, в средствах по уходу за кожей, а также в средствах химической завивки.

Лимонная кислота (как и щавелевая) хорошо очищает пятна на коже; помимо этого, она добавляется в состав многих лаков для ногтей, придавая им блеск и свежесть (при умеренном использовании). Молочная кислота добавляется в состав шампуней, делая волосы объёмными, густыми и шелковистыми.

Сельское хозяйство

При помощи различных карбоновых соединений производится обработка корма, сена и силоса, что позволяет значительно замедлить процессы гниения и распада, увеличивая их срок хранения. Помимо этого, кислоты используются для изготовления инсектицидов и фунгицидов (та же уксусная кислота является средством для борьбы с паразитами в пчеловодстве).

Отдельные разновидности кислотного раствора применяются для консервирования продуктов (пищевая добавка Е260), овощей и приправ. Соли маслянистого кислотного раствора используются в животноводстве — их добавляют в корм для укрепления иммунитета и усвояемости пищи.