Chemia Liceum Gimnazjum Testy Matura

Powrót

Kwasy karboksylowe

Grupa funkcyjna: grupa karboksylowa –COOH

Wzór ogólny R–COOH lub Ar–COOH (R - grupa węglowodorowa, Ar - grupa arylowa) 

Nazewnictwo

Nazwy tworzy się z nazw węglowodorów dodając nazwę kwas i końcówkę –owy, bardzo często używa się też nazw zwyczajowych.

kwas metanowy mrówkowy chemia LO kwas etanowy octowy chemia LO kwas propanowy propionowy chemia LO kwas butanowy masłowy chemia LO

 kwas metanowy
mrówkowy

 kwas octowy
kwas etanowy

 kwas propanowy
propionowy

kwas butanowy
masłowy

 

 kwas benzoesowy chemia LO

kwas benzoesowy (nazwa preferowana przez IUPAC)
kwas benzenokarboksylowy

(R) Atom węgla w grupie karboksylowej ma hybrydyzację sp2. Grupa karboksylowa jest płaska i ma kształt trójkata, gdzie C jest atomem centralnym a w narożach trójkąta znajdują się: O, OH, R.

Jeżeli w cząsteczce kwasu występują podstawniki lub wielokrotne wiązanie, wówczas numeruje się atomy węgla - węgiel z grupy karboksylowej zawsze ma lokant 1. Cyfry używa się tylko w nazwach systematycznych.

kwas pent-3-enowy kwas pent-3-enowy
kwas 2-metylobutanowy chemia LO kwas 2-metylobutanowy

 


Własności fizyczne

Cząsteczki kwasów karboksylowych są silnie zasocjowane przez obecność wiązań wodorowych. Większość kwasów występuje w postaci cyklicznych dimerów.

Dimer kwasu octowego dimer kwasu octowego

 

 

Taka struktura ma duży wpływ na temperatury wrzenia kwasów karboksylowych, które są wyższe niż temperatury odpowiednich alkoholi.

Rozpuszczalność w wodzie wynika z tworzenia wiązań wodorowych między kwasem a wodą. W wodzie rozpuszczają się dobrze kwasy o długości łańcucha C1–C4, słabo C5–C9 a pozostałe są nierozpuszczalne.

Są dobrze rozpuszczalne w rozpuszczalnikach organicznych.

Kwas mrówkowy: bezbarwna ciecz, o ostrym zapachu, parzący, dobrze rozpuszczalny w wodzie.
Kwas octowy: bezbarwna ciecz o ostrym zapachu, żrący,  dobrze rozpuszczalny w wodzie. Krzepnie w temp. 16,6o C, tworząc kryształy podobne do lodu (tzw. lodowaty kwas octowy).
Lodowaty kwas octowy ma stosunkowo wysoką temperaturę topnienia w porównaniu z innymi homologami. Jest to spowodowane*** obecnością dużej ilości międzycząsteczkowych (intermolekularnych) wiązań wodorowych.
kwas octowy lodowaty struktura
 


Dysocjacja kwasów karboksylowych

Kwasy karboksylowe łatwo dysocjują do anionu karboksylanowego i kationu wodoru.

R–COOH ⇌ R–COO + H+

Dla większości kwasów karboksylowych stała dysocjacji Ka jest rzędu 10–5. Czyli ok. 0,1% cząsteczek jest zdysocjowanych.

Moc kwasów maleje wraz z długością łańcucha węglowodorowego.

Kwasy karboksylowe są znacznie słabsze od kwasów nieorganicznych, lecz silniejsze niż alkohole.

—————— kwasowość —————————→

alkohole —————— kwasy organiczne —————— kwasy nieorganiczne

 

(R) Dlaczego kwasy karboksylowe są bardziej kwasowe niż alkohole, mimo, że w obu grupach związków występuje taka sama grupa -OH?

Dysocjacja kwasów organicznych

Atom tlenu z grupy karbonylowej =CO ściąga elektrony π wiązania podwójnego i tym samym atom C robi się uboższy w elektrony.

To z kolei powoduje osłabienie wiązania O−H, więc atom wodoru łatwo może odejść od cząsteczki.

Po oderwaniu wodoru powstaje stabilny jon –COO .

Anion karboksylanowy jest stabilizowany przez rezonans i dlatego kwasy dysocjują łatwiej niż alkohole, które również posiadają grupę –OH. Powstają dwie równoważne struktury rezonansowe:

 Rezonans w grupie karboksylowej

Ładunek ujemny jest zdelokalizowany i jest dzielony w strukturze rezonansowej między dwoma elektroujemnymi atomami tlenu. Dlatego "osłabienie" ładunku ujemnego na każdym atomie tlenu powoduje, że proton jest słabiej przyciągany. Następuje też wyrównanie długości wiązań wegiel-tlen.

Jednak - im dłuższy jest łańcuch węglowodorowy tym jest mocniejsze wiązanie O−H i dysocjacja zachodzi trudniej.

W grupie -OH alkoholi oderwanie protonu powoduje "wzmocnienie" ładunku ujemnego, stąd większe przyciąganie protonu i słabsza możliwość dysocjacji.

Kwasy karboksylowe mają niższe pH, czyli większe stężenie jonów wodorowych niż alkohole.

(R) Fluorowiec w cząsteczce kwasu

Obecność fluorowca w łańcuchu zwiększa mocy kwasu. Wyciąga on elektrony i powoduje indukcyjne zmniejszenie gęstości elektronowej przy atomie wodoru w grupie -O−H i zwiększenie jej kwasowości.
CH2Cl–COOH jest kwasem mocniejszym niż   CH3–COOH
Wprowadzenie kolejnego fluorowca do łańcucha jeszcze bardziej zwiększa jego moc.
CHCl2–COOH jest kwasem mocniejszym niż   CH2Cl–COOH
CCl3–COOH jest kwasem mocniejszym niż   CHCl2–COOH

Efekt indukcyjny działający przez wiązania σ silnie zależy od odległości fluorowca od grupy −COOH. Im dalej od grupy karboksylowej znajduje się atom halogenu tym słabiej na nią oddziaływuje.
CH2Cl–CH2–COOH jest kwasem słabszym niż CH3−CHCl–COOH


Otrzymywanie

 1. Utlenianie alkoholi I-rzędowych i aldehydów. ([O]: K2Cr2O7 lub KMnO4)
R–CH2–OH + —[O]→ R–COOH
R–CHO  —[O]→ R–COOH

2. Utlenianie aldehydów
R–CHO + Ag2O → R–COOH + 2Ag
R–CHO + 2Cu(OH)2 → R–COOH + Cu2O + 2H2O

Produkcja kwasu octowego na skalę przemysłową
2 CH3–CHO + O2(kat.)→ 2CH3–COOH

3. Fermentacja octowa (kwas octowy, produkcja octu winnego)
CH3–CH2–OH + O2  (bakterie)→  CH3–COOH + H2O

4.    Słaby kwas karboksylowy wypierany jest przez mocny kwas z jego soli
CH3–COONa + HCl → CH3–COOH + NaCl
CH3–COO + H+ → CH3–COOH

(N) 5. Utlenianie toluenu (redoks)
5 C6H5–CH3 + 6 KMnO4 + 9 H2SO4 → 5 C6H5–COOH + 6 MnSO4 + 3 K2SO4 + 14 H2O
Utlenianiu ulegają również inne związki alifatyczno-aromatyczne. Reakcja zachodzi do momentu aż z łańcucha bocznego powstanie grupa −COOH.
np. C6H5–CH2–CH3 →  C6H5–COOH i CO2


 Własności chemiczne

 Spalanie

2HCOOH + O2 → 2CO2 + 2H2O

 Reakcje z metalami
2CH3COOH + Mg → (CHCOO)2Mg + H2

 Reakcje z tlenkami metalu

2CH3COOH + CuO → (CH3COO)2Cu + H2O

 Reakcje z zasadami

CH3COOH + NaOH → CH3COONa + H2O    (CH3COONa - octan sodu, etanian sodu)
Zobacz doświadczenie na YouTube: Zobojętnianie kwasów karboksylowych

Reakcje z solami. Kwasy organiczne to kwasy słabe, ale mocniejsze od kwasu węglowego, gdyż wypierają go z soli.

NaHCO3 + CH3COOH → CH3COONa + CO2 + H2O
CaCO3 + 2CH3COOH → (CH3COO)2Ca + H2O + CO2

Reakcje z alkoholami - powstają estry.

kwasy estryfikacja chemia LO

Hydroliza soli

Wodny roztwór octanu sodu ma charakter zasadowy.
CH3COONa ⇌ CH3COO  + Na+
CH3COO + H2O → CH3COOH + OH 

(N) Reakcja dekarboksylacji − eliminacja grupy –COOH z wydzieleniem CO2.
CH3−COOH  → CH4 + CO2
CH3−CH2−COOH  → CH3−CH3 + CO2
Dekarboksylacja może zachodzić w różny sposób zależny od budowy cząsteczki kwasu, poprzez działanie enzymów, w procesach fermentacyjnych i innych czynników. 

Redukujące właściwości kwasu mrówkowego

Kwasy karboksylowe są odporne na działanie utleniaczy. Do wyjątków należy kwas mrówkowy utleniający się tak łatwo, jak aldehydy - w jego cząsteczce można wyróżnić grupę aldehydową. Kwas mrówkowy redukuje odczynnik Tollensa i Trommera a także jon manganianowy(VII).

HCOOH + Ag2O → CO2 + 2Ag + H2O
HCOOH + 2Cu(OH)2 → CO2 + Cu2O + 3H2O

  5 HCOOH + 6H+ + 2MnO4  —T→ 2Mn2+ + 5 CO2 + 8 H2O
  Objawy reakcji: odbarwienie roztworu, wydzielanie się bezbarwnego gazu
(11 HCOOH + 2KMnO4  —T→ 2(HCOO)2Mn + 2 HCOOK + 5 CO2 + 8 H2O)

Zobacz doświadczenie na YouTube: Redukujące właściwości kwasu mrówkowego.

 


(N) Kwasy dikarboksylowe

HOOC–COOH kwas etanodiowy     (szczawiowy)

HOOC–CH2–COOH kwas propanodiowy     (malonowy)

HOOC–CH2–CH2–COOH kwas butanodiowy    (bursztynowy)


(N) Elektroliza wodnych roztworów soli kwasów karboksylowych

W roztworach soli kwasów kwasów karboksylowych znajduja się kationy metali lekkich (np. Na+, K+) i aniony reszt kwasowych kwasów karboksylowych.

Na katodzie zachodzą procesy takie same, jak w przypadku elektrolizy wodnych roztworów innych soli metali lekkich, czyli redukcja wody.

Na anodzie zachodzi reakcja dekraboksylacji elektrolitycznej, w wyniku której powstaje tlenek węgla(IV) i odpowiedni alkan (utlenianie). Reakcja ta przebiega wg mechanizmu rodnikowego, gdzie powstają dwa rodniki ulegające dimeryzacji.

R−COO → R-R + 2CO2 + 2e

Przykłady

(+)A: 2HCOO → H2 + 2CO2 + 2e

(+)A: 2CH3COO → C2H6 + 2CO2 + 2e

(+)A: C2O42− →  2CO2 + 2e    (szczawian)

Przekaż darowiznę
Załóż konto | Zaloguj się

Copyright 2011-2019Chem24.pl Ta strona internetowa wykorzystuje pliki cookies. Możesz określić metody zapisywania oraz dostępu do cookies w swojej przeglądarce internetowej lub w konfiguracji usługi.