Органические кислоты характеристика их свойств. Органические кислоты, их разновидности

Органические кислоты - соединения алифатического или ароматического ряда, характеризующиеся наличием в молекуле одной или нескольких карбоксильных групп. Они широко распространены в растениях, накапливаются в значительных количествах, разнообразны по своей структуре и биологической роли. Алифатические органические кислоты подразделяются на:

• летучие (муравьиная, уксусная, масляная),
• нелетучие (гликолевая, яблочная, лимонная, щавелевая, молочная, пировиноградная, малоновая, янтарная, щавелевоуксусная, винная, фумаровая, изолимонная, цис-аконитовая, изовалериановая).

Ароматические кислоты - бензойная, салициловая, галловая, коричная, кофейная, кумаровая, хлорогеновая.

Органические кислоты находятся в растениях главным образом в виде солей, эфиров, димеров и т.п., а также в свободном виде, образуя буферные системы в клеточном соке растений.

В различных органах растений органические кислоты распределены неравномерно: в плодах и ягодах преобладают свободные кислоты, в листьях содержатся главным образом связанные кислоты.

Большое значение в жизни растений имеют уроновые кислоты, образующиеся при окислении спиртовой группы у шестого углеродного атома гексоз (см. Сырье, содержащее полисахариды). Эти кислоты принимают участие в синтезе полиуронидов - высокомолекулярных соединений, построенных из остатков уроновых кислот (глюкуроновой, галактуроновой, маннуроновой и др.). К полиуронидам в растительном мире относятся пектиновые вещества, альгиновая кислота, камеди, некоторые слизи.

Количественное содержание органических кислот в растениях подвержено суточным и сезонным, а также видовым и сортовым изменениям, причем различия касаются не только суммарного содержания органических кислот, но и их качественного состава и соотношения отдельных кислот. Значительное влияние на их накопление оказывают широта местности, удобрения, поливы, фаза развития растений, степень зрелости плодов, сроки хранения, температура. В незрелых плодах и стареющих листьях накапливаются главным образом яблочная, лимонная, винная кислоты. В старых листьях листовых овощей (щавель, шпинат, ревень) преобладает щавелевая кислота, в молодых - яблочная и лимонная. Преимущественное накопление отдельных органических кислот может служить систематическим признаком.

Органические кислоты и их соли хорошо растворимы в воде, спирте или эфире. Для выделения органических кислот из растительного сырья с целью качественного исследования и количественного определения наиболее приемлемым способом является их экстракция эфиром при подкислении минеральными кислотами с последующим титриметрическим определением.

Многие органические кислоты являются фармакологически активными веществами (лимонная, никотиновая, аскорбиновая), некоторые используются благодаря их биологической активности (фитогормоны, ауксины, гетероауксины и др.). Лимонная и яблочная кислоты широко используются в пищевой промышленности для изготовления фруктовых напитков и кондитерских изделий, натриевая соль лимонной кислоты, кроме того, - в качестве консерванта при переливании крови. Винная кислота применяется в медицине, а также при производстве фруктовых вод, для изготовления химических разрыхлителей теста, в текстильной промышленности при изготовлении протрав и красок, в радиотехнической промышленности. К объектам, накапливающим органические кислоты и имеющим медицинское значение, относятся плоды клюквы болотной, малины обыкновенной, земляники лесной, вишни.

В западноевропейской научной медицине эти растения применяются мало. Здесь сложился иной набор средств, содержащих органические кислоты и их производные. В частности, используется пульпа плодов тамаринда - Pulpa Tamarindorum (тамаринд индийский - Tamarindus indica L., сем. Бобовые - Fabaceae, подсем. Цезальпиниевые - Caesalpinioideae), обладающая легким противовоспалительным, освежающим, а также слабительным действием. Листья этого растения являются промышленным источником для получения винной кислоты.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Кислоты – электролиты, при диссоциации которых из положительных ионов образуются только ионы H + :

HNO 3 ↔ H + + NO 3 —

CH 3 COOH↔ H + +CH 3 COO —

Классификация кислот

Кислоты прежде всего классифицируют на неорганические и органические (карбоновые). Слабые кислотные свойства проявляют такие органические соединения как спирты и фенолы. Неорганические и карбоновые кислоты, в свою очередь, имеют свои собственные классификации. Так, все неорганические кислоты можно классифицировать:

• по числу атомов водорода, способных к отщеплению в водном растворе (одноосновные –HCl, HNO 2 , двухосновные –H 2 SO 4 , H 2 SiO 3 , трехосновные –H 3 PO 4)
• по составу кислоты (бескислородсодержащие – HI, HF, H 2 S и кислородсодержащие – HNO 3 , H 2 CO 3)

Карбоновые кислоты классифицируют:

• по числу карбоксильных групп (одноосновные – HCOOH, CH 3 COOH и двухосновные –H 2 C 2 O 4)

Физические свойства кислот

При н.у. большинство неорганических кислот существуют в жидком состоянии, некоторые – в твёрдом состоянии (H 3 PO 4 , H 3 BO 3).

Органические кислоты с числом атомов углерода до 3 представляют собой легкоподвижные бесцветные жидкости с характерным резким запахом; кислоты с 4-9 атомами углерода - маслянистые жидкости с неприятным запахом, а кислоты с большим количеством атомов углерода- твёрдые вещества, нерастворимые в воде.

Строение карбоксильной группы

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Карбоксильная группа — -COOH состоит из карбонильной группы — > С=O и гидроксильной группы –OH, которые оказывают взаимное влияние друг на друга. Неподеленная пара электронов атома кислорода в гидроксид-ионе смещена в сторону атома углерода карбонильной группы, что ослабляет связь –ОН и обусловливает наличие кислотных свойств (рис 1).

Рис. 1 Строение карбоксильной группы

Получение кислот

Неорганические и органические кислоты получают разными способами. Так, неорганические кислоты можно получить:

• по реакции кислотных оксидов с водой

  SO 3 + H 2 O = H 2 SO 4

• по реакции соединения неметаллов с водородом

  H 2 + S ↔ H 2 S

• по реакции обмена между солями и другими кислотами

  K 2 SiO 3 + 2HCl → H 2 SiO 3 ↓ + 2KCl

Органические кислоты получают путем:

• окисления альдегидов и первичных спиртов (в качестве окислителей выступают KMnO 4 и K 2 Cr 2 O 7)

  R – CH 2 –OH → R –C(O)H → R-COOH,

  где R – углеводородный радикал.

Химические свойства кислот

К общим химическим свойствам и органических и неорганических кислот относят:

— способность изменять окраску индикаторов, например, лакмус при попадании в раствор кислоты приобретает красную окраску (это обусловлено диссоциацией кислот);

— взаимодействие с активными металлами

2RCOOH + Mg = (RCOO) 2 Mg + H 2

Fe + H 2 SO 4(р — р) = FeSO 4 + H 2

— взаимодействие с основными и амфотерными оксидами

2RCOOH + CaO = (RCOO) 2 Ca + H 2 O

6RCOOH + Al 2 O 3 = 2(RCOO) 3 Al + 3H 2 O

2HCl + FeO = FeCl 2 + H 2 O

6HNO 3 + Al 2 O 3 = 2Al(NO 3) 3 + 3H 2 O

— взаимодействие с основаниями

RCOOH + NaOH = RCOONa + H 2 O

H 2 SO 4 + 2NaOH = Na 2 SO 4 + H 2 O

— взаимодействие с солями слабых кислот

RCOOH + NaHCO 3 = RCOONa + H 2 O + CO 2

CH 3 COONa + HCl = CH 3 COOH + NaCl

Специфические свойства неорганических кислот

К специфическим свойствам неорганических кислот относят окислительно-восстановительные реакции, связанные со свойствами анионов кислот:

H 2 SO 3 + Cl 2 + H 2 O = H 2 SO 4 + 2HCl

Pb + 4HNO 3(конц) = Pb(NO 3) 2 + 2NO 2 + 2H 2 O

Специфические свойства органических кислот

К специфическим свойствам органических кислот относят образование функциональных производных путем замещения гидроксильной группы (1, 2, 3, 4), а также галогенирование (5), восстановление (6) и декарбоксилирование (7).

R –C(O)-OH + PCl 5 = R –C(O)-Cl (хлорангидрид) + POCl 3 + HCl (1)

R –C(O)-OH + H-O-C(O)-R = R – C(O) – O – C(O) – R (ангидрид) (2)

CH 3 COOH + CH 3 -CH 2 -OH = CH 3 -C(O)-O-C 2 H 5 (этилацетат (сложный эфир)) + H 2 O (3)

CH 3 COOH + СH 3 –NH 2 = CH 3 -C(O)-NH-CH 3 (амид) + H 2 O (4)

CH 3 –CH 2 -COOH + Br 2 = CH 3 – CHBr –COOH + HBr (катализатор – P кр) (5)

R-COOH + LiAlH 4 (водный раствор, подкисленный HCl) = R-CH 2 -OH +AlCl 3 + LiCl (6)

CH 2 =CH-CH 2 -COOH = CO 2 + CH 2 =CH-CH 3 (7)

Примеры решения задач

ПРИМЕР 1

Задание	Напишите уравнения реакций по следующей схеме:
Решение	1) ЗС 2 Н 5 ОН + 4Na 2 CrO 4 + 7NaOH + 4H 2 O = 3CH 3 COONa + 4Na 3 2) СН 3 СООС 2 Н 5 + NaOH = CH 3 COONa + С 2 Н 5 ОН 3) 5С 2 Н 5 ОН + 4KMnO 4 + 6H 2 SO 4 = 5СН 3 СООН + 2K 2 SO 4 +4MnSO 4 + 11H 2 O 4) CH 3 COONa + C 2 H 5 I = СН 3 СООС 2 Н 5 + Nal 5) CH 3 COONa + HCl = СН 3 СООН + NaCl 6) СН 3 СООН + С 2 Н 5 ОН СН 3 СООС 2 Н 5 + Н 2 О (Воздействие H 2 SO 4)

ПРИМЕР 2

Задание	Определите массу пирита (FeS2), необходимую для получения такого количества SO3, чтобы при растворении последнего в растворе серной кислоты с массовой долей 91 % массой 500 г получить олеум с массовой долей 12,5 %.
Решение	Запишем уравнения реакций: 1) 4FeS 2 +11O 2 = 2Fe 2 O 3 +8SO 2 2) 2SO 2 +O 2 = 2SO 3 3) SO 3 +H 2 O = H 2 SO 4 Найдем молярные массы веществ, необходимых для дальнейших расчетов: M(H 2 O) = 18 г/моль; M(SO 3) = 80 г/моль; M(H 2 SO 4) = 98 г/моль; M(FeS 2) = 120 г/моль Масса воды в 100 г раствора серной кислоты (ω = 91 %) составит: 100 — 91 = 9,0 г v(H 2 O)=9/18 = 0,5 моль Из уравнения реакции (3) следует, что 1 моль SO 3 → 1 моль H 2 O → 1 моль H 2 SO 4 , т.е. 0,5 моль H 2 O прореагирует с 0,5 моль SO 3 и образуется 0,5 моль H 2 SO 4 Рассчитаем массу SO 3 m(SO 3)= 0,5 80 = 40 г Рассчитаем массу H 2 SO 4 m(H 2 SO 4)= 0,5 98 = 49 г Тогда общая масса H2SO4 составит m (H 2 SO 4) sum =91 + 49 = 140 г Для получения олеума (ω = = 12,5 %) на 140 г H 2 SO 4 потребуется SO 3: m(SO 3) = 12,5 140/87,5 = 20 г Таким образом, всего SO 3 расходуется m(SO 3) sum = (40 + 20) = 60 г v(SO 3) sum =60/80 = 0,75 моль Из уравнений реакций (2, 3) следует, что на образование 0,75 моль SO 3 расходуется v(FeS 2)= 0,75/2 = 0,375 моль m(FeS 2)=0,375 120 = 45 г
Ответ	Масса пирита 45 г.

Поскольку по профессии я медик, то о роли кислот в жизни человека знаю достаточно много. Расскажу о тех кислотах, что встречаются в природе, а также о тех, что являются наиболее важными с медицинской точки зрения.

Где кислоты встречаются в природе

С ними мы сталкиваемся каждый день, например, дождевые капли лишь при первом взгляде кажутся чистыми. В действительности они содержат немало веществ в растворенном виде. Например, присутствует раствор угольной кислоты - углекислый газ, ну или серная кислота , что является последствием выброса выхлопных газов. Наша пища также богата кислотами, например, молочнокислая в кефире или угольная кислота в газировке. Благодаря соляной кислоте в нашем организме возможно пищеварение, в ходе которого происходит расщепление белков для синтеза особо важных элементов - аминокислот .

Органические кислоты

Однако наибольшую важность для жизни на нашей планете представляют органические кислоты , что играют особо важную роль в жизненном цикле. Основой человека являются клетки, состоящие из протеина и белков, поэтому нам необходимо питаться для восполнения запаса этих веществ. Однако для питания важны лишь те белки, что содержат аминокислоты . Но что такое аминокислоты? Существует свыше 165 видов, однако ценность для организма представляют лишь 20, что выступают в качестве основной структурной единицы каждой клетки.

Наше тело способно синтезировать всего 12 , естественно, при условии хорошего питания. Остальные 8 невозможно синтезировать, а только получить извне:

• валин - поддерживает обмен соединений азота. Молочные продукты, а также грибы;
• лизин - главное предназначение - усвоение, распределение кальция в организме. Мясо, а также хлебобулочные изделия;
• фенилаланин - поддерживает деятельность мозга и циркуляцию крови. Присутствует в говядине, сое и твороге;
• триптофан - один из ключевых компонентов сосудистой системы. Овес, бананы и финики;
• треонин - играет роль в иммунной системе, регулирует работу печени. Молочные продукты, куриные яйца;
• метионин - укрепление сердечной мышцы. Присутствует в бобах, яйцах;
• лейцин - способствует восстановление костей и мышц. В достатке содержится в орехах и рыбе;
• изолейцин - определяет уровень сахара в крови. Семена, печень, курица.

При дефиците одной кислоты организм не в состоянии синтезировать необходимый белок, а значит, вынужден отбирать необходимые элементы из других белков. Это приводит к общему дисбалансу , что перерастает в заболевание, а в детском возрасте вызывает умственные и физические недостатки.

Огромное число соединений, известных современному миру, относятся к органическим кислотам. В природе они получаются в основном из сахаров в результате сложных биохимических реакций. Их роль во всех процессах жизнедеятельности неоценимо важна. Например, в биосинтезе гликозидов, аминокислот, алкалоидов и прочих биологически реакционноспособных веществ; в углеводном, жировом и белковом обмене... Жизненно необходимых процессов с участием органических кислот великое множество.

Что в них особенного? Уникальные химические и биологические свойства органические кислоты приобретают благодаря собственному элементному и функциональному составу молекул. Определённая последовательность соединения атомов различной природы и специфика их комбинации придают веществу индивидуальные характеристики и особенности взаимодействия с другими.

Качественный состав органических веществ

Главным кирпичиком, своего рода монометром всего живого является углерод, или, как его ещё называют, карбон. Из него построены все «скелеты» - базовые конструкции, остовы - органических соединений и кислот в том числе. На втором месте по степени распространённости - водород, другое название элемента - гидроген. Он заполняет валентности углерода свободные от соединения с прочими атомами, придаёт молекулам объём и плотность.

Третий - кислород, или оксиген, он соединяется с карбоном в составе групп атомов, придавая простому алифатическому или ароматическому веществу абсолютно новые характеристики, например, окислительную способность. Далее в ряду распространённости - азот, его вклад в свойства органических кислот особенный, существует отдельный класс аминосодержащих соединений. Также в органических соединениях присутствуют сера, фосфор, галогены и некоторые другие элементы в значительно меньших количествах.

В отдельный класс выделены и другие органические вещества. Нуклеиновые кислоты - это фосфоро- и азотосодержащие биологические полимеры, построенные из мономеров - нуклеотидов, образующие сложнейшие структуры ДНК и РНК.

Обоснование химической индивидуальности

Определяющим фактором отличия от других веществ является наличие в соединении такой ассоциации атомов, имеющей строгую последовательность их связывания друг с другом и несущей своего рода генетический код класса, как функциональная группа органических кислот. Она называется карбоксильной, состоит из одного атома углерода, водорода и двух - кислорода, и, по сути, объединяет в себе карбонильную (-С=О) и гидроксильную (-ОН) группы.

Составные части взаимодействуют на электронном уровне, порождая индивидуальные свойства кислот. В частности, им не присущи карбонильные реакции присоединения, а способность отдавать протон в разы выше, чем у спиртов.

Особенности строения

Что же происходит на электронном уровне взаимовлияния в функциональной группе класса органические кислоты? Атом углерода имеет частично положительный заряд за счёт оттягивания плотности связи к кислороду, у которого способность её удерживать значительно выше. Оксиген из гидроксильной части имеет неразделенную пару электронов, которая теперь начинает притягиваться к углероду. Это уменьшает плотность связи кислород-водород, вследствие чего гидроген становится более подвижным. Для соединения становится возможной диссоциация по кислотному типу. Уменьшение положительного заряда углерода обусловливает прекращение протекания присоединительных процессов, о чем уже говорилось выше.

Роль специфических фрагментов

Каждая функциональная группа имеет индивидуальные свойства и наделяет ими вещество, в котором содержится. Наличие нескольких в одном исключает возможность давать те или иные реакции, которыми ранее в отдельности отличались специфические фрагменты. Это важная особенность, которой характеризуется органическая химия. Кислоты могут иметь в своём составе группы, содержащие азот, серу, фосфор, галогены и т. д.

Класс карбоновых кислот

Самая известная группа веществ из всего семейства. Не стоит полагать, что только соединения данного класса - это и есть все органические кислоты. Карбоновые представители являются самой многочисленной группой, но не единственной. Существуют, например, сульфокислоты, они имеют другой функциональный фрагмент. Из них особым статусом отмечены ароматические производные, активно задействованные в химическом производстве фенолов.

Есть ещё один значимый класс, принадлежащий к такому разделу химии, как органические вещества. Нуклеиновые кислоты - это отдельностоящие и требующие индивидуального рассмотрения и описания соединения. О них вкратце уже упоминалось выше.

Карбоновые представители органических веществ содержат в своём составе характерную функциональную группу. Она именуется карбоксильной, специфика её электронного строения описана ранее. Именно функциональная группа обуславливает наличие сильных кислотных свойств, благодаря подвижному, легко отщепляющемуся при диссоциации протону водорода. Слабой из этого ряда является только ацетатная (уксусная).

Классификация карбоновых кислот

По типу строения углеводородного скелета различают алифатические (прямолинейные) и циклические. Например, пропионовая, гептановая, бензойная, триметилбензойная карбоновые органические кислоты. По наличию или отсутствию кратных связей - предельные и непредельные - масляная, уксусная, акриловая, гексеновая и т. д. В зависимости от длины скелета бывают низшие и высшие (жирные) карбоновые кислоты, категория последних начинается с цепи в десять углеродных атомов.

Количественное содержание структурного звена, такого, как функциональная группа органических кислот, тоже является принципом классификации. Существуют одно-, двух-, трёх- и многоосновные. К примеру, муравьиная карбоновая кислота, щавелевая, лимонная и другие. Представители, содержащие помимо основной ещё специфические группы, называются гетерофункциональными.

Современная номенклатура

На сегодняшний день в химической науке используют два способа названий соединений. Рациональная и систематическая номенклатуры имеют по большому счёту одинаковые правила, но отличаются в некоторых деталях составления названий. Исторически сложилось наличие тривиальных «имён» соединений, которые давались веществам, опираясь на присущие им химические свойства, нахождения в природе и прочие моменты. Например, бутановую кислоту называют масляной, пропеновую - акриловой, диуреидоуксусную - аллантоиновой, пентановую - валерьяновой и т. д. Некоторые из них сейчас разрешается использовать в рациональной и систематической номенклатурах.

Поэтапный алгоритм

Путь построения названия веществ, в том числе и таких, как органические кислоты, таков. Вначале необходимо найти самую длинную углеводородную цепь и пронумеровать её. Первый номер должен находиться в непосредственной близости от разветвления конца, чтобы заместители атомов водорода в скелете получили наименьшие локанты - числа, указывающие на номера атомов карбона, с которыми они связаны.

Далее необходимо обнаружить главную функциональную группу, а после идентифицировать остальные, если таковые имеются. Итак, название состоит из: перечисленных в алфавитном порядке и с соответствующими локантами заместителями, основная часть говорит о длине углеродного скелета и его насыщенности атомами водорода, в предпоследнюю очередь определяется принадлежность к классу веществ, указанием специального суффикса и приставки ди- или три- для многоосновных, например, для карбоновых это «-овая» и в конце записывается слово кислота. Этановая, метандиовая, пропеновая, бутиновая кислота, гидроксиуксусная, пентандиовая, 3-гидрокси-4-метоксибензойная, 4-метилпентановая и так далее.

Основные функции и их значение

Неоценимо важны для людей и их деятельности многие кислоты - органические и неорганические. Поступая извне или же вырабатываясь внутри, они инициируют многие процессы, участвуют в биохимических реакциях, обеспечивая исправную работу человеческого тела, а также используются им во многих других сферах.

Соляная (или хлороводородная) кислота является основой желудочного сока и нейтрализатором большинства ненужных и опасных бактерий, попавших в желудочно-кишечный тракт. Незаменимым сырьём в химической промышленности является серная кислота. Органическая часть представителей данного класса ещё более значима - молочная, аскорбиновая, уксусная и многие другие. Кислоты изменяют рН-среду пищеварительной системы в щелочную сторону, что крайне необходимо для поддержания нормальной микрофлоры. Во многих других аспектах они оказывают незаменимое положительное влияние на здоровье человека. Представить же промышленность без применения органических кислот абсолютно невозможно. Всё это работает только благодаря их функциональным группам.

Органические кислоты, как не трудно догадаться, – это органические вещества, проявляющие кислотные свойства. В их состав включают карбоновые кислоты, сульфоновые кислоты, а также некоторые другие. Карбоновые кислоты содержат карбоксильную группу -COOH, а сульфоновые содержат сульфогруппу с общей формулой SO 3 H.

Карбоновые кислоты

Карбоновыми кислотами называют производные углеводородов, в молекулах которых один или несколько углеродных атомов образуют карбоксильную группу. Карбоновые кислоты классифицируются по основности (числу карбоксильных групп) и по виду радикала:

• Одноосновные предельные кислоты . Первый член гомологического ряда – муравьиная кислота HCOOH, далее уксусная (этановая) кислота CH 3 COOH. В природе в составе жиров встречаются высшие жирные кислоты. Из них наиболее важны стеариновая кислота C 17 H3 35 COOH.
• Двухосновные предельные кислоты . Простейшая из этих кислот – щавелевая (другое название – этандиовая) кислота HOOC-COOH, образующаяся в некоторых растениях (щавель, ревень).