Свойства органических соединений (стр. 8 )

В крбоксилат-анионе происходит делокализация π-связи карбонильной группы (С=О) и равномерное распределение отрицательного заряда между двумя атомами кислорода: . В связи с этим для карбоксила, в отличие от альдегидной группы, не характерны реакции присоединения.

В зависимости от природы радикала, связанного с карбоксильной группой, карбоновые кислоты классифицируются на предельные (насыщенные), непредельные (ненасыщенные), ароматические и т. д., а в зависимости от числа карбоксильных групп в молекуле – на однооснóвные, двухоснóвные и т. д. Если в радикале карбоновой кислоты присутствует какая-либо другая функциональная группа (-ОН; - NH2; >С=О и т. д.), то получаются оксикислоты, аминокислоты, кетокислоты и др.

Карбоновые кислоты имеют часто исторические названия (муравьиная, уксусная, масляная кислота и т. д.). По международной номенклатуре названия составляют путем прибавления окончания -овая и слова кислота к названию углеводорода с таким же числом атомов углерода, что и в молекуле кислоты. Например, С3Н7СООН – бутановая кислота (масляная). Карбоновые кислоты обладают свойствами, характерными для слабых неорганических кислот – взаимодействуют с основаниями, металлами, оснóвными оксидами, солями.

Характерными свойствами карбоновых кислот как органических веществ является их способность реагировать со спиртами с образованием сложных эфиров (реакции этерификации). При взаимодействии с аммиаком или аминами карбоновые кислоты дают амиды кислот.

При замещении атомов водорода в углеводородном радикале кислоты на галогены (например, трихлоруксусная кислота – Cl3С-СООН), сила кислот возрастает. Низшие карбоновые кислоты – бесцветные летучие жидкости с резким запахом, хорошо растворимые в воде. С ростом молярной массы, растворимость их понижается. Высшие предельные, дикарбоновые и ароматические карбоновые кислоты – твердые вещества. Относительно высокая температура кипения низших карбоновых кислот (муравьиная, уксусная и др.) объясняется ассоциацией их молекул вследствие действия водородных связей в димеры. Получают карбоновые кислоты окислением альдегидов, спиртов, углеводородов (особенно легко окисляются гомологи бензола). Высшие карбоновые кислоты получают гидролизом жиров. Многие кислоты получают в промышленности специфическими методами, например, синтез пропионовой кислоты:

СН2=СН2 + СО + H2O ® СН3-СН2-СООН.

Опыт 1. Физические свойства карбоновых кислот. Рассмотрите в прозрачных бесцветных склянках образцы жидких и твердых карбоновых кислот, имеющихся в лаборатории. Для установления запаха капните по одной капле жидких кислот и поместите по небольшой порции (с горошину) твердых кислот в небольшие стаканчики и предложите учащимся определить их запах, одновременно записывая результаты в тетради. Проведите опыт по растворению небольших порций различных кислот в воде, зафиксируйте результаты. Пробирку с 2-3 мл химически чистой (ледяной) уксусной кислоты опустите в охлаждающую смесь (снег или лед + нитрат калия или мочевина). Покажите учащимся через некоторое время кристаллизацию этого вещества, которая происходит около 16 оС.

Опыт 2. Получение чистой уксусной кислоты. Если в лаборатории нет ледяной уксусной кислоты, ее можно получить перекристаллизацией (вымораживанием). Колбу с уксусной эссенцией (70-80%) охладите в охлаждающей смеси до кристаллизации большей части жидкости. Слейте жидкость (разбавленный раствор уксусной кислоты в воде) в отдельную склянку; кристаллы оставьте в теплом месте до их полного перехода в жидкость (концентрированный раствор уксусной кислоты). Операцию по замораживанию и размораживанию повторите несколько раз. С каждым разом кристаллы будут содержать все меньше воды. Измерьте ареометром плотность очередной порции растаявшей жидкости и установите по таблице концентрацию кислоты. Примечание. Помните об особой зависимости плотности уксусной кислоты от ее концентрации.

Опыты 3-9. Уксусная кислота обладает свойствами, характерными для типичных неорганических кислот. а) Налейте в пробирку немного концентрированной уксусной кислоты; проверьте фиолетовой лакмусовой бумагой реакцию среды. Добавьте в пробирку равный объем воды и повторите пробу лакмусовой бумагой. Добавьте в пробирку с раствором кислоты 2-3 капли раствора метилового оранжевого. Опишите ваши наблюдения и сделайте выводы на основе эксперимента.

б) В три пробирки наберите небольшие порции порошков магния, цинка и меди. Добавьте в каждую пробирку по 2-3 мл раствора (10%) уксусной кислоты. Наблюдайте ход реакций, запишите уравнения и сделайте выводы.

в) Наберите в пробирку немного оксида магния, цинка или меди; добавьте в пробирку 2-3 мл раствора (10%) уксусной кислоты. Наблюдайте ход реакции, запишите уравнение и сделайте выводы.

г) Получите в пробирке взвесь гидроксида меди (II); добавьте к ней немного раствора (10%) уксусной кислоты. Налейте в пробирку 2-3 мл разбавленного раствора (1%) щелочи; капните в раствор 2-3 капли раствора фенолфталеина. Прилейте небольшими порциями раствор (5%) уксусной кислоты.

д) Хорошие методические и познавательные результаты можно получить, если этот же опыт провести количественно для установления оснóвности уксусной кислоты (только один атом водорода в молекуле кислоты способен к диссоциации, то есть лишь один атом водорода из четырех придает веществу кислотные свойства). Приготовьте одинаковой концентрации растворы (1 моль/л) гидроксида натрия (4 г в 100 мл раствора) и уксусной кислоты (6 мл в 100 мл раствора). Налейте в колбочку 20 мл раствора кислоты, добавьте 3-4 капли раствора фенолфталеина. Титруйте с помощью бюретки раствор кислоты раствором щелочи при постоянном перемешивании до появления розовой неисчезающей окраски раствора. Отметьте, что на нейтрализацию кислоты потребовался равный объем раствора щелочи. Наблюдайте ход реакции, запишите уравнение и сделайте выводы.

е) Для примера взаимодействия карбоновых кислот с солями поместите в пробирку кусочек мела и добавьте 2-3 мл кислоты. Наблюдайте ход реакции, запишите уравнение и сделайте выводы.

ж) Наберите в пробирку немного ацетата натрия или другой соли уксусной кислоты. Добавьте в пробирку несколько капель концентрированной серной кислоты. Установите по запаху образование уксусной кислоты, запишите уравнение и сделайте общие выводы о свойствах уксусной кислоты как типичной неорганической кислоты.

Опыты 10-11. Свойства уксусной кислоты как органического соединения. а) Нагрейте в пробирку, установленную вертикально в штативе 2-3 мл чистой уксусной кислоты. Подожгите выделяющиеся пары длинной горящей лучинкой. Кислота кипит при 118 оС, пары горят слабо светящимся пламенем. Запишите уравнение реакции полного окисления уксусной кислоты.

б) Приготовьте смесь равных объемов этанола и концентрированной серной кислоты. К 2-3 мл этой смеси прилейте равный объем чистой уксусной кислоты. Нагрейте раствор на малом огне до кипения и продолжайте поддерживать слабое кипение 1-2 минуты. Перелейте содержимое пробирки в стакан с насыщенным раствором поваренной соли. Серная кислота и избыток спирта или кислоты растворятся в растворе соли, а этилацетат (уксусноэтиловый эфир) высаливается над раствором соли. Несколько капель верхнего слоя смеси перелейте в пустой стакан и ознакомьте учащихся с запахом эфира. Опишите наблюдения и запишите уравнение реакции. Аналогично проведите реакции этерификации уксусной кислоты с другими спиртами.

Опыты 12-13. Свойства муравьиной кислоты. Примечание. Реакции, описанные выше для уксусной кислоты можно так же провести и для муравьиной кислоты. Важно показать, кроме того, особые свойства муравьиной кислоты, обусловленные ее строением. а) Приготовьте в пробирке 2-3 мл аммиачного раствора оксида серебра (см. выше "Альдегиды"), прилейте 1 мл муравьиной кислоты и осторожно нагрейте. Учтите, что в данной реакции выделяющееся серебро часто выпадает не в виде зеркального налета на стенке сосуда, а в виде черного мелкодисперсного осадка.

б) Налейте в пробирку 2-3 мл разбавленного раствора KMnO4, подкислите его несколькими каплями серной кислоты и добавьте 1-2 мл муравьиной кислоты. Осторожно нагрейте смесь и наблюдайте обесцвечивание раствора, выделение газа. Природу этого газа можно установить, пропуская его через известковую воду. Запишите уравнение окисления муравьиной кислоты перманганатом калия.

Опыты 14-17. Свойства стеариновой кислоты. а) Нарежьте немного хозяйственного (желательно белого) мыла в виде мелких стружек и поместите в колбу. Прилейте 50-100 мл воды и нагрейте при перемешивании до получения насыщенного раствора. Слейте жидкость с остатка мыла и добавьте к ней немного серной кислоты до получения слабо кислого раствора. Запишите уравнение реакции:

2С17Н35СООNa + H2SO4 ® 2С17Н35СООН¯ + Na2SO4.

б) Стеариновая кислота, выпадая в осадок, собирается сверху раствора. После охлаждения смеси соберите кислоту, высушите препарат и используйте для других опытов, если в лаборатории отсутствует это вещество.

в) Установите опытным путем физические свойства стеариновой кислоты (агрегатное состояние, внешние признаки, растворимость в воде и относительную плотность).

г) Расплавьте немного кислоты в пробирке и (осторожно!) добавьте небольшой кусочек натрия. Наблюдайте выделение газа по уравнению реакции:

2С17Н35СООН + 2Na ® 2С17Н35СООNa + H2­.

д) Растворите в гексане немного стеариновой кислоты, добавьте 2-3 капли раствора фенолфталеина. К смеси прибавляйте по каплям раствор (1%) щелочи. Первые порции щелочи не вызовут изменение окраски раствора, но после нейтрализации кислоты появляется розовое окрашивание:

С17Н35СООН + NaOH ® С17Н35СООNa + H2O.

Примечание. При изучении этой темы можно повторить некоторые опыты, иллюстрирующие свойства жесткой воды (см. раздел 4.3. Вода. Пероксид водорода).

Опыты 18-19. В молекуле олеиновой кислоты имеется двойная связь. а) Налейте в небольшую колбочку 3-5 мл олеиновой кислоты и добавьте несколько капель подкисленного раствора перманганата калия. б) К другой порции олеиновой кислоты добавьте несколько капель иодной воды. Наблюдайте обесцвечивание растворов и сделайте выводы.