АЛЬДЕГИДЫ. КАРБОНОВЫЕ КИСЛОТЫ. СЛОЖНЫЕ ЭФИРЫ

АЛЬДЕГИДЫ. КАРБОНОВЫЕ КИСЛОТЫ. СЛОЖНЫЕ ЭФИРЫ (для гуманитарного профиля) ■ Г — " ■ ■ ■ ■ ■ ■ I 1 ш I 1.1. Альдегиды После изучения данного параграфа вы будете способны: • давать определение понятию альдегиды; • описывать состав и строение альдегидной группы, выводить общую формулу альдегидов, узнавать гомологи, применять номенклатуру; • объяснять методы синтеза метаналя и этаналя; • характеризовать свойства этаналя и метаналя в соответствии с их применением, описывать качественные реакции для их идентификации; • решать упражнения и задачи на основе способов получения и химических свойств альдегидов; • иллюстрировать примерами генетическую связь между алканами, алкенами, алкинами, алканолами и альдегидами. По природе углеводородного радикала альдегиды можно классифицировать на предельные, непредельные, ароматические. В данном параграфе будут рассмотрены предельные альдегиды. ! Органические вещества, молекулы которых содержат функциональн о ную альдегидную группу — , связанную с одним атомом углерода и углеводородным радикалом (К), называются альдегидами (за исключением муравьиного альдегида Н-СН=0, в молекуле которого радикал (К) представлен одним атомом водорода). Ключевые понятия • Альдегиды • Алканали • Альдегидная группа 1.1.1. Общая характеристика. Методы получения Гомологический ряд, номенклатура. Молекулы насыщенных альдегидов можно представить как молекулы алканов, в которых два атома водорода замещены одним атомом кислорода. Таким образом, общую формулу альдегидов можно представить как СпН2пО (п > 1). Гомологический ряд алканов начинается с метана (СН4), а альдегидов (таблица 1.1). с СН2О, или Н —С ^ Таблица 1.1. Первые представители гомологического ряда альдегидов Формула Название Ткип. , 0С молекулярная структурная систематическое историческое С Н 20 О X ^ / 0 1 X метаналь муравьиный альдегид -21 2 40 С Н з - < 0 этаналь уксусный альдегид +20 Альдегиды. Карбоновые кислоты. Сложные эфиры 16 Согласно систематической номенклатуре, названия альдегидов образуются от названия алканов с таким же количеством атомов углерода с добавлением суффикса -аль. Зачастую используют историческую номенклатуру, согласно которой название альдегида образуют из названия кислоты, в которую он превращается, с добавлением термина альдегид (таблица 1.1). Получение. Окисление спиртов. Альдегиды образуются при окислении спиртов оксидом меди (II) или окислением кислородом воздуха в присутствии катализатора. Например, при пропускании смеси паров метанола с воздухом над раскаленной медной проволокой образуется метаналь: Н с |^ж о о 2 Н -С -0 -Н + 0 2 и’ > 2 Н -с С , + 2Н20 I 2 Н 2 Н метанол метаналь При нагревании этилового спирта с раскаленной медной проволокой образуется этаналь. Модели молекулы метаналя Раскалим спираль, изготовленную из медной проволоки, в пламени спиртовки (наблюдается почернение проволоки в связи с образованием налета оксида меди (II), затем опустим ее в пробирку с этанолом. Замечаем, что спираль очищается от черного налета и приобретает красный цвет. Повторим операцию несколько раз. Осторожно понюхаем содержимое пробирки. При этом ощущается запах неспелых яблок, что объясняется присутствием в растворе уксусного альдегида. СН3-СН2-ОН + СиО ----- ► СНз-С^Ю + Си + Н20 этиловый спирт (черный) уксусный (красный) альдегид Гидратация алкинов. Обработка ацетилена (этина) водой в условиях реакции Кучерова позволяет получить этаналь: сн = сн + Н20 этин Нд2+> с н 3- с ^ 0 н этаналь ОЦЕНИВАНИЕ 1 1. Дайте определение понятия альдегид. 2. Напишите общую формулу альдегидов. Приведите примеры альдегидов. 3. Напишите электронные и структурные формулы первых двух представителей гомологического ряда альдегидов. 4. Опишите методы получения альдегидов на примере метаналя и этаналя. 5. Напишите уравнения реакций, с помощью которых можно осуществить следующие превращения, укажите условия их протекания и назовите полученные продукты: СН3-СН3 ---► СН2=СН2— ► СН3—СН2ОН---- ► с н 3-с н = о Укажите тип каждой реакции. 6. Составьте схему получения этаналя из неорганических веществ. Напишите уравнения реакций, укажите условия их протекания. 7. Рассчитайте массу и количество вещества этаналя, который может быть получен из этанола массой 69 г. 17 1.1.2. Свойства и применение альдегидов Физические свойства. Рассмотрим последнюю колонку таблицы 1.1. Из значений температур кипения альдегидов видно, что метаналь является газом, а этаналь - легкокипящей жидкостью. Оба альдегида обладают резким запахом, растворимы в воде и органических растворителях. Водный 40%-ный раствор муравьиного альдегида известен под названием формалин. Химические свойства. Наличие функциональной группы —1 ^ обусловливает химические свойства альдегидов; они способны вступать в реакции присоединения водорода по месту двойной связи С=О (аналогично алкенам), а также способны окисляться. Ключевые понятия • Присоединение • Восстановление • Окисление • Формалин • Фенолформальдегидные смолы • Реактив Толленса Восстановление. Реакция присоединения водорода по месту разрыва двойной связи С=0 называется восстановлением. При восстановлении альдегидов образуются спирты. Например: N1 г Т СН3-С ^ Н + н -н — ^ сн 3—сн 2—он этаналь этанол Напомним, что при окислении спиртов образуются альдегиды. Таким образом, между двумя классами органических веществ - спиртами и альдегидами - существует генетическая связь. Например: Альдегид восстановление Спирт с и - < ° окисление с н 3- с н 2- о н Окисление. Альдегиды легко окисляются различными окислителями, в том числе и кислородом воздуха, превращаясь в карбоновые кислоты, согласно схеме : к _ г * ° ЛОк к_ г ^ ° к с - н к С'О - Н альдегид карбоновая кислота Р - углеводородный радикал Окислителями могут служить аммиачный раствор оксида серебра и гидроксид меди (II), проявляющие слабую окислительную способность. а) Реакция серебряного зеркала. Так как оксид серебра Ад20 практически нерастворим в воде, его используют в виде аммиачного раствора. Этот раствор называется реактивом Толленса. Уксусный альдегид окисляется реактивом Толленса с образованием уксусной кислоты (рис. 1.1): СНз-с О + Ад20 ► СНз-С^Он + 2АдФ уксусный (амм иач н ый уксусная кислота альдегид раствор) Рис. 1.1. Реакция серебряного зеркала Реактив Толленса и Си(ОН)2 используют для идентификации альдегидов. Альдегиды. Карбоновые кислоты. Сложные эфиры I' 18 ГО СО ГО б) Реакция окисления гидроксидом меди (II) протекает согласно схеме: СНз-С^ОО + 2Си(ОН)24. СНз- С ^ Н + 2СиСН + Н20 голубой желтый 2СиОН си20 + Н20 красноватый Обе эти реакции протекают с визуальным эффектом: в первой на стенках пробирки образуется зеркальный налет серебра, во второй - сначала осадок Си(ОН)2 голубого цвета превращается в осадок желтого цвета СиОН, при дальнейшем прокаливании которого образуется осадок красноватого цвета - Си20. Обе реакции характерны только для веществ, содержащих альдегидную группу, что позволяет применять их для идентификации альдегидов (смотрите Лабораторный опыт Г). Применение. Среди альдегидов наибольшее применение имеют метаналь и этаналь. Это объясняется как доступностью сырья в химической промышленности, так и свойствами, описанными выше. Метаналь, наряду с фенолом, используют как исходное сырье для получения фенолформальдегидной смолы. При смешивании вязкой массы фенолформальдегидной смолы с древесными опилками (отходы деревообрабатывающей промышленности) получается материал, применяемый в производстве мебели. Подобным образом получают материал с добавками стекла, текстиля, металлической стружки, из которых производят выключатели, электрические розетки, детали компьютеров, телефонов, различные технические детали, устойчивые к повышенным температурам и агрессивным средам. Эти детали обладают прочностью и электроизоляционными свойствами. При растворении фенолформальдегидных смол в ацетоне получают клеи, лаки и краски. Большие количества метаналя используют для приготовления формалина, который обладает свойством коагулировать белки. Формалин используют для дубления кож и мехов, консервации анатомических препаратов (рис. 1.2), дезинфекции помещений и медицинских инструментов, для обработки семян и т. п. Этаналь используют как сырье для органического синтеза, в частности - для производства уксусной кислоты. ЛАБОРАТОРНЫЙ ОПЫТ_1 Окисление альдегидов Изучите Правила работы с химическими веществами (с. 20) Оборудование: штатив с пробирками, пипетки, держатель для пробирок, спиртовка или газовая горелка. Реактивы: формалин, растворы Си504, № 0Н, 1\1Н40Н, Ад1\Ю3. а) В чистой пробирке смешайте 0,5 мл раствора АдЫ03 и 0,5 мл раствора № 0Н. Затем добавьте раствор ЫН40Н до растворения осадка. Получили реактив Толленса. К нему добавьте 0,5 мл формалина и нагрейте на слабом пламени спиртовки без встряхивания. При появлении зеркального налета на стенках пробирки прекратите нагревание. б) Внесите в пробирку три капли формалина, три капли раствора сульфата меди (Си504) и несколько капель раствора щелочи (№0Н), осторожно встряхивайте пробирку до образования голубого осадка (№0Н необходимо взять в избытке). Нагрейте смесь на слабом огне. Можете Рис. 1.2. Консервация формалином анатомических препаратов наблюдать переход окраски от голубой через желтую к красной. Когда на стенках пробирки появится красноватый зеркальный налет, прекратите нагревание. Перенесите в тетрадь и заполните таблицу. Опишите ход работы, зафиксируйте свои наблюдения, напишите уравнения протекающих реакций. 19 Приборы и реактивы Ход работы Наблюдения Выводы и уравнения реакций ОЦЕНИВАНИЕ 1. Относительные молекулярные массы метанола и метаналя приблизительно одинаковы (32 и 30 соответственно), но эти вещества сильно отличаются по агрегатному состоянию: метанол - жидкость, кипящая при 64оС, а метаналь - газ. Почему? 2. Напишите уравнение реакции восстановления известного вам альдегида. Назовите образовавшийся спирт. 3. Напишите уравнения реакций окисления этаналя: а) оксидом серебра; б) гидроксидом меди (II). Укажите окислитель и восстановитель в каждом случае. 4. Что общего и чем отличаются двойные связи С=С (в алкенах) и С=0 (в альдегидах)? Аргументируйте ответ на примере этена и этаналя. 5. Какие из утверждений верны? а) Все альдегиды являются жидкостями. б) Гидроксид меди (II) применяют для идентификации альдегидов. в) Альдегиды химически более активны, чем алканы. г) При восстановлении альдегидов образуются кислоты. 6. Выберите соединения, реагирующие с водородом: а) этанол; в) этин; д) метаналь; ж) пропен. б) бута-1,3-диен; г) бензол; е) бутан; 7. В трех пронумерованных пробирках находятся: а) формалин; б) этанол; в) глицерин. Подберите один реактив, с помощью которого можно определить содержимое каждой пробирки. Укажите визуальный эффект реакций для каждого случая (там, где это возможно). 8. Назовите области применения альдегидов: а) муравьиного; б) уксусного. 9. Напишите уравнения реакций, с помощью которых можно осуществить превращения: СИ4 —:—► с 2н2 —:—► с н 3- с н = о —^ с н 3- с н 2- о н - —► —^ СН2=СН2 —■—► СН3-СН2-С1 10. Через 1 литр воды пропущен метаналь объемом 11,2 л (н. у.). Рассчитайте массу полученного раствора. 11. Рассчитайте массу этанола, необходимого для получения уксусного альдегида количеством вещества 2,5 моль. ^ З а п о м н и те ! 1 Альдегиды: | • генетически связаны со спиртами; ; • легко окисляются до кислот; | • могут быть идентифицированы с помощью аммиачного раствора оксида серебра и гид­ ! роксидом меди (II); ! • используют в органическом синтезе, в производстве смол, клеев, лаков. Альдегиды. Карбоновые кислоты. Сложные эфиры I' 20 Правила работы с химическими веществами Лабораторные опыты или практические работы выполняйте, надев белый хлопчатобумажный халат (в кармане халата всегда должны находиться чистая ткань из натуральных волокон, коробок спичек). Соберите волосы, чтобы они не причиняли неудобств при выполнении работы и не загорелись. Запрещается работать в лаборатории одному. Не пробуйте химические вещества на вкус и не берите их незащищенными руками! Воспользуйтесь специально предназначенными для этого ложечками (для твердых веществ) или пипетками (для жидкостей). Органические растворители огнеопасны! Эксперимент, в котором необходимо нагревание, требует особой осторожности. Отверстие пробирки не направляйте в лицо себе и своим товарищам. При сборке прибора проверьте чистоту и целостность (отсутствие трещин) посуды, соответствие пробок диаметру отверстий. Для эксперимента берите малые количества веществ (до 0,5 г твердых веществ и до 1-2 мл жидких). Прежде чем набрать вещество из склянки, внимательно изучите на ней этикетку. В жидкость, которую будете нагревать, поместите несколько кусочков фарфора или немного промытого песка для равномерного кипения. Поверяйте запахи веществ осторожными специальными движениями руки. Всегда добавляйте кислоту в воду, а не наоборот! Не выливайте (не высыпайте) остатки реактивов обратно в склянку. Сливайте остатки в специально отведенную для этого посуду. По окончании работы вымойте посуду, приведите в порядок рабочее место. Все работы выполняйте с осторожностью и, если необходимо, наденьте защитные очки! ГО СО го Участники Республиканской олимпиады по химии. Экспериментальный тур (в лаборатории факультета химии и химической технологии Молдавского государственного университета) 1.2. Предельные одноосновны е карбоновы е кислоты 21 После изучения этого параграфа вы будете способны: • давать определение понятию карбоновые кислоты; • описывать состав и строение карбоксильной группы, выводить общую формулу предельных одноосновных карбоновых кислот, узнавать первые гомологи, объяснять их название; • объяснять методы получения уксусной кислоты; • характеризовать физические и химические свойства муравьиной и уксусной кислот; • решать упражнения и задачи по данной теме; • выводить и иллюстрировать примерами генетическую связь между углеводородами, спиртами, альдегидами и карбоновыми кислотами; • экспериментально изучать свойства уксусной кислоты. 1.2.1. Общая характеристика. Методы получения Еще одним классом органических веществ, генетически связанным с альдегидами, являются карбоновые кислоты. Органические вещества, молекулы которых содержат карбоксильную группу -СООН, связанную с предельным углеводородным радикалом или с атомом водорода, называются предельными одноосновными кислотами, или алкановыми кислотами. ^Ключевые понятия • Карбоновые кислоты • Алкановые кислоты • Карбоксильная группа • Ферментация вина • Окисление органических соединений Гомологический ряд. Предельные одноосновные карбоновые кислоты имеют на один атом кислорода больше, чем альдегиды, из которых они получены. Следовательно, общая формула предельных одноосновных карбоновых кислот представляет собой альдегид (СпН2пО), к которому добавляется один атом кислорода: СпН2п0 2 (п>1). Гомологический ряд алкановых кислот начинается с СН20 2. в таблице 1.2 приведены три низшие карбоновые кислоты и одна высшая - С18Н36 0 2, которые являются представителями гомологического ряда предельных карбоновых кислот. Таблица 1.2. Наиболее важные представители гомологического ряда предельных карбоновых кислот Формула (СпН2пО2) Название молекулярная структурная систематическое историческое о с н 2о 2 н - СООН метановая кислота муравьиная кислота +101 С2Н402 с н 3 - СООН этановая кислота уксусная кислота +119 С3Н6О2 СН3- СН2 - СООН пропановая кислота пропионовая кислота +141 С18Н3602 СН3 - (СН2)16 - СООН октадекановая кислота стеариновая кислота +376 4 , Модели молекулы муравьиной кислоты Альдегиды. Карбоновые кислоты. Сложные эфиры 22 Модели молекулы уксусной кислоты Номенклатура. Согласно систематической номенклатуре, названия предельных одноосновных карбоновых кислот могут быть образованы от названия алкана, содержащего такое же количество атомов углерода, с добавлением суффикса -овая и слова кислота: Систематическую номенклатуру используют для всех классов органических веществ; название может быть составлено по формуле и наоборот. Наряду с этим, для карбоновых кислот часто применяют историческую номенклатуру (таблица 1.2). Методы получения. Карбоновые кислоты (в виде солей или других производных) широко распространены в природе, встречаясь, например, в овощах, фруктах. Однако содержание карбоновых кислот в этих продуктах ничтожно мало, поэтому они не могут быть выделены I н - с о о н метан мет ановая кислота Согласно исторической номенклатуре, кислота, выделенная из секреции муравьев, названа муравьиной кислотой (от латинского 1огтка, что означает «муравей») (НСООН). Уксусная кислота (СН3СООН) названием обязана факту наличия в уксусе (от латинского асе(ит - «уксус»). Соответственно валериановая кислота (С4 9СООН) была обнаружена в корне растения «валерианы», а стеариновая (С17 35СООН) - в стеарине и т. п. из природных материалов. Самым выгодным процессом синтеза карбоновых кислот является процесс окисления. Все типы углеводородов и классы органических веществ, изученные ранее, могут быть окислены в мягких или более жестких условиях (в зависимости от их строения) с образованием кислот. 1) Окисление альдегидов протекает в мягких условиях (с помощью водного раствора КМп04, Си(ОН)2 или кислородом воздуха в присутствии катализатора). Например: 2СН3- < ° + 0 2 2СН3- < ° н он уксусный альдегид уксусная кислота П ? | | Процесс получения уксуса ' , был известен египтянам еще , 1 в 2000 году до н. э. 1 2) Одним из продуктов, способных окисляться с получением уксусной кислоты, является вино. Аэробная ферментация вина протекает под воздейстием бактерий, находящихся в воздухе (Мусойегта асеИ): энзимы с н 3- с н 2- о н + о 2 ------- ► сн 3- с г + Н20 он этиловый спирт уксусная кислота Уксусную кислоту, полученную этим способом, применяют в пищевой промышленности. о ц е н и в а н и е 1. Дайте определение карбоновым кислотам. Установите их взаимосвязь с альдегидами. Приведите примеры. 2. Выделите в приведенных формулах веществ функциональные группы и назовите класс органических веществ, к которому принадлежит каждое вещество: а) СН3-О Н б) сн3-сн-сн2-сч ОН в) СН2-СН-СН2 н ОН он он о н 23 г) д) с н з- с н 2- с ; е) СН3- С Н 2- С ' 'ОН 3. Определите название класса, к которому принадлежат данные вещества. Для каждого гомологического ряда напишите формулу первого представителя: а) пропан; б) пропин; в) хлорэтан; г) этаналь; д) бут-1-ен; е) этиламин; ж) пропан-1-ол; з) пропионовая кислота. 4. Приведите общую формулу карбоновых кислот. Напишите структурные формулы первых трех представителей гомологического ряда и назовите их по систематической и исторической номенклатуре. 5. Изучите все способы получения уксусной кислоты. Какой из них является более выгодным для получения? а) технической уксусной кислоты; б) пищевой уксусной кислоты (техническая уксусная кислота может содержать небольшие количества примесей, вредных для человеческого организма). 6. Выберите окислитель, с помощью которого можно превратить этаналь в уксусную кислоту. Какой из окислителей наиболее пригоден для: а) получения кислоты в лаборатории; б) получения кислоты в промышленности; в) идентификации альдегидов? Напишите уравнения реакций. 7. Рассчитайте массу уксусной кислоты, полученной при окисления этаналя количеством вещества 0,2 моль. 8. Рассчитайте объем (н. у.) этена, из которого можно получить этанол, чтобы при последующем его окислении можно было получить уксусную кислоту массой 2 кг. 1.2.2. Свойства и применение карбоновых кислот Физические свойства. Первые три представителя гомологического ряда карбоновых кислот - жидкости с резким запахом, растворимые в воде и органических растворителях. С увеличением молекулярной массы кислот возрастает их температура кипения и уменьшается их растворимость в воде (таблица 1.2). По физическим свойствам кислоты сильно отличаются от соответствующих альдегидов. Например, формальдегид при обычных условиях - газ, а муравьиная кислота - жидкость с высокой температурой кипения. Это объясняется наличием водородных связей, которые возникают между положительно поляризованными атомами водорода группы -ОН и отрицательно поляризованными атомами кислорода группы ^С=0. Как правило, водородные связи возникают между двумя молекулами, образуя ассоциаты, называемые димерами: СН, " ь . 8+ с ^ ° х о-н Н - 0 \ 5+ о * с-сн, Ключевые понятия • Водородная связь • Диссоциация • Кислотность • Нейтрализация Химические свойства. Карбоновые кислоты во многом схожи с минеральными кислотами, но значительно слабее них. 1. Диссоциация. Растворимые в воде карбоновые кислоты окрашивают лакмус и метилоранж в красный цвет. Они диссоциируют в воде с образованием иона водорода Н+: (Н.О) + НСООН «— »- НСОО" + Н 2. Образование солей. Карбоновые кислоты, как и минеральные, реагируют с металлами, оксидами металлов, основаниями, солями более слабых кислот, образуя соответствующие соли. Соли муравьиной кислоты назы ва ются формиатами (ил и метанатами), соли уксусной кислоты - ацетатами (или этанатами), пропановой - пропионатами (или пропанатами) и т. п. Альдегиды. Карбоновые кислоты. Сложные эфиры 24 Например: 2 СН3СООН + Мд --► (СН3СОО)2 Мд + Н2Т ацетат магния Эта же соль образуется и при взаимодействии уксусной кислоты с оксидом магния: 2СН3СООН + МдО ----► (СНзСОО)2Мд + Н20 Рис. 1.3. Муравьиная кислота содержится в выделениях муравьев (а) и присутствует в крапиве (б) Взаимодействие кислот со щелочами называется реакцией нейтрализации. Молекулярное уравнение: НСООН + №014 ---- ► НСОСМ а + Н20 муравьиная кислота формиат натрия Ионные уравнения: НСОСГ + Н+ + № + + ОН' — *- НСОО'+ № + + Н20 или: Н+ + ОН" — ► Н20 Карбоновые кислоты вытесняют из минеральных солей только слабые или неустойчивые кислоты: 2 НСООН + Ма20О 3 ---- ► 2 НСОО№ + НгО + СОг пз са пз с; ^ | Знаете ли Глобальное потребление уксусной кислоты в год составляет 3,5 миллиона тонн, а муравьиной кислоты - 200 миллионов. Нахождение в природе и применение. Муравьиная кислота содержится в выделениях муравьев, в крапиве (рис. 1.3), в еловой хвое. Ее присутствие легко обнаруживается по жжению кожи при укусах муравьев или при касании к крапиве. Муравьиную кислоту широко применяют для дубления кожи, в производстве красок, синтезе пестицидов и сложных эфиров, применяемых в парфюмерии и кулинарии. В медицине муравьиную кислоту используют как препарат для лечения ревматизма (1,25% раствор). В ветеринарии ее используют как средство в борьбе с заболеваниями пчел. Часто ее применяют для консервирования соков и хранения силоса (корм для скота). Уксусная кислота содержится в растениях в виде сложных эфиров. 70-80%-ный водный раствор называется уксусной эссенцией. Более разбавленный, 3-5% раствор, называемый уксусом, используется в кулинарии как пищевая приправа. Обладая бактерицидными свойствами, уксусная кислота применяется при консервировании грибов, овощей, способствует сохранности силоса. Техническую уксусную кислоту используют для производства ацетатного волокна (искусственный шелк), красителей, лекарственных препаратов, пестицидов и др. ЛАБОРАТОРНЫЙ ОПЫТ 2 Изучение свойств уксусной кислоты Повторите Правила работы с химическими веществами (с. 20) Оборудование: штатив с пробирками, металлический штатив с зажимом, пробка с газоотводной трубкой, ватный тампон, пипетки. Реактивы: лакмус, 2 гранулы цинка или порошок магния, 8%-ный рас­ 25 твор №ОН, карбонат кальция (мрамор), 3%-ный раствор уксусной кислоты, известковая вода Са(ОН)2. а) Действие на индикатор. В пробирку внесите 0,5 мл раствора уксусной кислоты и 1-2 капли раствора лакмуса. Что наблюдается? Добавьте в пробирку (по каплям) раствор щелочи (№ОН) до изменения окраски раствора, т. е. до полной нейтрализации кислоты. Какой продукт образовался? Как называется данная реакция? ) Взаимодействие с металлами (цинком или магнием). В пробирку с 0,5 мл раствора уксусной кислоты поместите гранулу цинка (или лопаточку порошка магния). Что наблюдается? в) Взаимодействие с карбонатом кальция. Соберите прибор, изображенный на рисунке 1.4. Поместите в пробирку А несколько кусочков мрамора, в пробирку В поместите немного известковой воды. В пробирку А добавьте 0,5 мл раствора уксусной кислоты и быстро закройте пробирку пробкой с газоотводной трубкой, конец которой опустите в известковую воду. известковая вода 3СООН рис 1.4. Прибор для изучения взаимодействия уксусной кислоты с карбонатом кальция Что наблюдается? Когда газ перестанет выделяться, выньте конец газоотводной трубки из известковой воды. Перенесите в тетрадь и заполните таблицу. Опишите ход эксперимента, зафиксируйте наблюдения, напишите уравнения реакций в молекулярном и ионном виде. Приборы и реактивы Ход работы Наблюдения Выводы.Уравнения реакций о ц е н и в а н и е 1. Даны вещества с одинаковым количеством атомов углерода, но обладающие разными температурами кипения: а) этан (-88 0С); б) этанол (78 0С); в) этаналь (20 0С); г) этановая кислота (119 0С). Для каждого вещества напишите структурную формулу, укажите агрегатное состояние и температуру кипения. Установите связь между строением и физическими свойствами этих веществ. 2. Напишите молекулярные и ионные уравнения взаимодействия муравьиной кислоты с: а) МдО; б) ЫаОН; в) ЫаНСОа. 3. Для каждой пары веществ установите: а) сходства; б) различия на основании изученных свойств: 1) этен и этин; 3) муравьиная и уксусная кислоты; 2) этанол и этаналь; 4) этиловый спирт и уксусная кислота. 4. Напишите структурные формулы следующих соединений: а) этан; б) этин; в) этанол; г) этаналь; д) этен; е) 2-хлорбутан; ж) фенол; з) муравьиная кислота. Для каждого вещества напишите по одной характерной реакции. 5. Составьте схему превращений, с помощью которой можно получить уксусную кислоту из этена. Рассчитайте массу кислоты, которую можно получить из этена количеством вещества 2,5 моль. 6. Рассчитайте массу ацетата кальция, образовавшегося при обработке карбоната кальция избытком уксусной кислоты, если в результате выделился углекислый газ объемом 3,584 л (н. у.). Альдегиды. Карбоновые кислоты. Сложные эфиры I' 26 ГО СО ГО & Работа в группе 7. Дополните общими формулами и конкретными примерами схему генетической связи между алканами, алкенами, спиртами, альдегидами и одноосновными карбоновыми кислотами: Алканы Алкены Карбоновые кислоты < Спирты (алканолы) А Альдегиды 8. С помощью представителей классов органических веществ, изученных ранее, напишите уравнения реакций: а) присоединения; б) разложения; в) замещения; г) обмена. З а п о м н и те ! Карбоновые кислоты: • получают окислением органических веществ (спиртов, альдегидов); • являются относительно слабыми кислотами (по сравнению с минеральными кислотами); • сходны по свойствам с минеральными кислотами: диссоциация, взаимодействие с основными агентами (металлами, оксидами металлов, основаниями, солями). ТЕМАТИЧЕСКОЕ ОЦЕНИВАНИЕ АЛЬДЕГИДЫ И КАРБОНОВЫЕ КИСЛОТЫ Гуманитарный профиль Время выполнения работы - 30 минут. 1. Выберите общую формулу: I - альдегидов; II - предельных одноосновных карбоновых кислот: а) С п 2 П+2 СО О Н в) С п 2 п + -|0 2 б) С п 2 П 2 г) С п 2 П 2. Уксусная кислота образуется при: а) гидратации ацетилена; б) окислении этаналя; в) ферментации вина; г) присоединении воды к этилену. 3. Закончите уравнения возможных реакций: а) Н СО О Н + С и ------► в) С Н з СО О Н + № 2С О з -------- о б) С Н з СО О Н + Н2 -------------► г) С Н 3 С Н 2 ОН + СиО — — - 4. Напишите уравнения реакции нейтрализации муравьиной кислоты гидроксидом калия (КОН) в молекулярном и ионном виде. 5. Укажите сходства между спиртами и карбоновыми кислотами: а) первые представители газообразны; б) характерна водородная связь; в) в водном растворе диссоциируют; г) окисляются на воздухе. 6. Рассчитайте массу уксусной кислоты, необходимой для взаимодействия с оксидом магния (МдО) количеством вещества 0,5 моль. 1.3. Сложные эфиры 27 После изучения этого параграфа вы будете способны: • давать определение понятиям сложный эфир, реакция этерификации и гидролиза; • описывать нахождение в природе, состав, строение и объяснять название сложных эфиров; • характеризовать химические свойства и приводить примеры применения сложных эфиров; • оценивать роль сложных эфиров в качестве ароматизаторов для повышения качества продукции; • выполнять упражнения и решать задачи на основании генетических связей изученных классов. Общая характеристика. Сложные эфиры являются производными карбоновых кислот. Общая формула сложных эфиров такая же, как и у карбоновых кислот - СпН2п0 2. Названия сложных эфиров формируются из названий кислот и спиртов, из которых они образованы. Согласно систематической номенклатуре, при составлении названия берут систематическое название спирта, в котором часть слова -анол заменяют на -ил, затем добавляют название кислоты, в которой часть слова -вая заменяют на -ат. Например, СН3-С 0 -0 -С Н 3 называется метилэтаноат. Зачастую используют историческое название - метилацетат или метиловый эфир уксусной кислоты. ^Ключевые понятия н - с ; о о—сн2—сн3 сн3- < о-сн. этилметаноат (этилформиат) метилэтаноат (метилацетат) Получение. Реакция между карбоновой кислотой и спиртом называется реакцией этерификации. Она протекает при нагревании в присутствии катализаторов (сильных кислот) и является обратимой. Например: • Сложный эфир • Этерификация • Обратимость • Кислотный гидролиз • Основной гидролиз • Ароматизаторы Р [нЧ Р СН3-(Г + НО-СН2-С Н 3 СН3-С ^ + Н20 ОН о-сн-сн3 этанол этановая кислота этилэтаноат Химическое равновесие реакции смещено вправо (в сторону продуктов реакции, т. е. в сторону образования эфира) и сопровождается отщеплением молекулы воды. Свойства. Сложные эфиры - это жидкости или твердые вещества, нерастворимые в воде, но растворимые в органических растворителях. Некоторые эфиры обладают приятным запахом, что позволяет использовать их в качестве ароматизаторов. Самое важное свойство эфиров - это гидролиз. С помощью этой реакции из эфиров можно получать соответствующие спирты и карАльдегиды. Карбоновые кислоты. Сложные эфиры 28 Аромат груш обусловлен присутствием изоамилацетата (СН3СООС5Ни) Своим ароматом вишня обязана присутствию амилформиата (НСООС5Н,,) Запах ананаса обусловлен присутствием этилбутаноата (С3 Н7СООС2 5) боновые кислоты. Процесс гидролиза в присутствии сильных кислот является реакцией, обратной реакции этерификации: сн3- с ' + нон О-СНз метилэтаноат гидролиз - I и этерификация | сн,-с чон этановая кислота СН3-ОН метанол Условия смещения химического равновесия реакции вправо в случае гидролиза аналогичны реакции этерификации (связывание одного из продуктов реакции). Сложные эфиры взаимодействуют и со щелочами (щелочной гидролиз). Например: СНз-С. + МаОН О-СНз метилацетат СНз-С ОЫа СН3-ОН метанол ацетат натрия пз са пз с; Запах жасмина обусловлен присутствием метилсалицилата Ацетат натрия не взаимодействует с метиловым спиртом и, следовательно, процесс не является обратимым. Нахождение в природе и применение. Низшие сложные эфиры образуются в ягодах, фруктах и цветах, обуславливая их специфический аромат. В связи с тем, что различным отраслям промышленности (пищевой, косметической, текстильной и др.) требуются большие количества эфиров, некоторые из них получают из природного сырья путем экстракции. Однако большая их часть получается путем химического синтеза: как ароматизаторы, идентичные натуральным (природным), так и синтетические ароматизаторы, не существующие в природе. Низшие сложные эфиры (получаемые синтетически) входят в состав различных фруктовых эссенций (грушевой, ананасовой, вишнёвой, яблочной и т. д.). Например, изоамилацетат (СН3СООС5Нц) имеет запах груш, этилбутаноат (С3Н7СООС2Н5) - запах ананаса и др. Эсенции применяют как обязательные добавки к косметическим продуктам (таким как кремы, мыло, шампуни) и пищевым продуктам (прохладительным напиткам, пирожным, тортам и пр.). Представим себе, что фрукты, напитки, пирожные не будут иметь запаха. Уменьшится ли их пищевая ценность? Нет. Эфиры как специфические ароматизаторы необходимы для придания продуктам индивидуальных, не сравнимых друг с другом свойств, что позволяет отличить один продукт от другого. ОЦЕНИВАНИЕ 1. Назовите сложные эфиры: а) н-с; б) н-с: 2. Напишите структурные формулы и названия всех изомеров состава С3Н60 2. 3. Дайте определение понятию реакция этерификации. Напишите уравнения реакций получения эфиров, указанных в предыдущем упражнении. 4. Напишите уравнение реакции гидролиза метилацетата: а) взаимодействием с водой в присутствии кислоты; б) взаимодействием с водой в присутствии щелочи. Укажите в каждом случае тип гидролиза. Чем сходны и чем отличаются эти реакции? < °О-СНз в) СО 1 0 X ^ / X|„ < °чо-сн2-сн3 г) СН3- < °чо-с2н. & Работа в группе 5. Напишите уравнения реакций, с помощью которых можно осуществить превращения (здесь С - кислота): СаС, + Н,0 +нао нд2* В [О] +й +н,о нуки, ~ -нго + О г (энзимы) С + О -н,о _№ОН -н,о ’ 6. Изучите дома этикетки на различных флаконах, пакетах от соков, упаковках с косметическими препаратами (мыло, кремы, лосьоны, шампуни). Запишите в тетрадях информацию о содержании ароматизаторов согласно схеме: а) общая (например, аромат, парфюм, пищевой продукт); б) источник получения (натуральный ароматизатор или синтетический); в) специфичность (эфир молочной кислоты (в молочных продуктах), изоамилацетат и др.). Я З а п о м н и те ! • Эфиры являются производными карбоновых кислот с общей формулой СпН2п0 2. • Эфиры образуются при взаимодействии карбоновых кислот со спиртами. • Эфиры подвергаются гидролизу (обратная реакция, реакции