🍋

Καρβοξυλικά Οξέα – Οξικό Οξύ

Ταξινόμηση, ονοματολογία, παρασκευές, ξίδι

Γιατί το κρασί που μένει ανοιχτό ξινίζει;

Άφησε ένα ποτήρι κρασί ανοιχτό για μερικές μέρες: η γεύση του γίνεται ξινή και μυρίζει ξίδι. Βακτήρια του αέρα, με τη βοήθεια του οξυγόνου, μετατρέπουν την αιθανόλη σε οξικό οξύ — το ίδιο που δίνει στο ξίδι τη γεύση του. Εδώ μαθαίνεις για τα οργανικά οξέα με την ομάδα $-COOH$ , τα καρβοξυλικά οξέα: πώς ονομάζονται, πώς ταξινομούνται και πώς παρασκευάζεται το οξικό οξύ.

Καρβοξυλικά οξέα

Τα σημαντικότερα οργανικά οξέα περιέχουν τη χαρακτηριστική ομάδα καρβοξύλιο $-COOH$ (καρβονύλιο $>C=O$ + υδροξύλιο $-OH$ ) και λέγονται καρβοξυλικά οξέα. Γνωστά παραδείγματα:

οξικό (αιθανικό) οξύ $CH_3COOH$ — στο ξίδι
γαλακτικό (2-υδροξυπροπανικό) οξύ — στο γιαούρτι
βενζοϊκό οξύ $C_6H_5COOH$ — συντηρητικό τροφίμων
τρυγικό (κρασί) και κιτρικό (εσπεριδοειδή, αναψυκτικά) οξύ

Χαρακτηριστική ιδιότητα όλων των οξέων είναι η ξινή γεύση, από την οποία πήραν το όνομά τους.

Ταξινόμηση

Μονο-, δι-, τρικαρβοξυλικά κ.λπ., ανάλογα με τον αριθμό των $-COOH$ : $CH_3COOH$ (μονο-), $HOOC-COOH$ αιθανοδιικό ή οξαλικό (δι-)
Κορεσμένα – ακόρεστα: $CH_3CH_2CH_2COOH$ βουτανικό (κορεσμένο), $CH_2=CHCOOH$ προπενικό ή ακρυλικό (ακόρεστο)
Αλειφατικά – αρωματικά (με βενζολικό δακτύλιο, π.χ. βενζοϊκό)

Υπάρχουν και οξέα με επιπλέον χαρακτηριστική ομάδα: υδροξυοξέα (γαλακτικό $CH_3CH(OH)COOH$ ), αμινοξέα (γλυκίνη $H_2NCH_2COOH$ ), χλωροξέα ( $ClCH_2COOH$ ).

Κορεσμένα μονοκαρβοξυλικά οξέα: τύπος και ονομασία

Προκύπτουν θεωρητικά από τα αλκάνια αν ένα H αντικατασταθεί από $-COOH$ . Γενικός τύπος $C_\nu H_{2\nu+1}COOH$ ( $\nu \ge 0$ ), ή $C_\nu H_{2\nu}O_2$ ( $\nu \ge 1$ ) αν μετρήσουμε όλα τα C.

Κατά IUPAC ο C του καρβοξυλίου ανήκει στην αλυσίδα και είναι πάντα η θέση 1· κατάληξη -ικό οξύ. Πολλά έχουν και εμπειρικά ονόματα (ο πίνακας διδάσκεται, δεν απομνημονεύεται):

$HCOOH$ μεθανικό (μυρμηκικό — υπάρχει σε μυρμήγκια)
$CH_3COOH$ αιθανικό (οξικό)
$CH_3CH_2COOH$ προπανικό (προπιονικό)
$CH_3CH_2CH_2COOH$ βουτανικό (βουτυρικό)
$CH_3(CH_2)_{14}COOH$ δεκαεξανικό (παλμιτικό), $CH_3(CH_2)_{16}COOH$ δεκαοκτανικό (στεατικό)

Κόλπο μνήμης

Τα εμπειρικά ονόματα κρύβουν πού βρέθηκε πρώτα κάθε οξύ: μυρμηκικό (1 C) από τα μυρμήγκια, οξικό (2 C) από το ξίδι (όξος), βουτυρικό (4 C) από το ταγγισμένο βούτυρο. Αν θυμάσαι την πηγή, θυμάσαι και τα άτομα άνθρακα.

$C_\nu H_{2\nu+1}COOH \ (\nu \ge 0) \qquad M_r = 14\nu + 46$

Άσκηση: (α) Να ονομαστούν: $HCOOH$ , $(CH_3)_2CHCOOH$ , $CH_3CH_2CH(CH_3)COOH$ . (β) Να γραφεί ο τύπος του 3-μεθυλοβουτανικού οξέος.

Λύση:

(α) $HCOOH$ : μεθανικό οξύ. $(CH_3)_2CHCOOH$ : κύρια αλυσίδα 3 C μαζί με τον C του $-COOH$ , μεθύλιο στον $C_2$ — μεθυλοπροπανικό οξύ. $CH_3CH_2CH(CH_3)COOH$ : 4 C, μεθύλιο στον $C_2$ — 2-μεθυλοβουτανικό οξύ.

(β) Ξεκινάμε από το $-COOH$ ως $C_1$ : $C_1$ $COOH$ , $C_2$ $CH_2$ , $C_3$ $CH(CH_3)$ , $C_4$ $CH_3$ :

$(CH_3)_2CH-CH_2-COOH$

Γρήγορος έλεγχος

Ποιο είναι το όνομα κατά IUPAC της ένωσης $CH_3CH_2CH_2COOH$ ;

Παρασκευές του οξικού οξέος

Βιομηχανικά (για σύνθεση άλλων προϊόντων): με καταλυτική οξείδωση αλκανίων (π.χ. βουτανίου), με καταλυτική οξείδωση της ακεταλδεΰδης $CH_3CHO + \frac{1}{2}O_2 \rightarrow CH_3COOH$ , ή από μεθανόλη και $CO$ με καταλύτες.

Το ξίδι — οξική ζύμωση: κρασί ή άλλο ποτό μικρής περιεκτικότητας σε αλκοόλη ( $5-8\%$ ) «ξινίζει»: η αιθανόλη οξειδώνεται από το $O_2$ του αέρα με τη βοήθεια ενζύμων μικροοργανισμών:

$CH_3CH_2OH + O_2 \rightarrow CH_3COOH + H_2O$

Στο εργαστήριο (και για άλλα κορεσμένα μονοκαρβοξυλικά οξέα):

οξείδωση πρωτοταγούς αλκοόλης: $CH_3CH_2OH + 2[O] \rightarrow CH_3COOH + H_2O$
υδρόλυση νιτριλίων (σε όξινο ή βασικό περιβάλλον): $CH_3CN + 2H_2O \rightarrow CH_3COOH + NH_3$ , γενικά $RCN + 2H_2O \rightarrow RCOOH + NH_3$

Τα ανώτερα μέλη παίρνονται καθαρά από ζωικά και φυτικά λίπη.

Άσκηση: Πόσα g οξικού οξέος και πόσα λίτρα $O_2$ (STP) αντιστοιχούν στην οξική ζύμωση $46\ g$ αιθανόλης;

Λύση: $n = \frac{46}{46} = 1\ mol$ . Από $CH_3CH_2OH + O_2 \rightarrow CH_3COOH + H_2O$ (C: $2 = 2$ , H: $6 = 4 + 2$ , O: $1 + 2 = 2 + 1$ ✓):

$n_{CH_3COOH} = 1\ mol \Rightarrow m = 60\ g \qquad n_{O_2} = 1\ mol \Rightarrow V = 22{,}4\ L$

Φυσικές ιδιότητες και χρήσεις

Το οξικό, το μεθανικό και το προπανικό οξύ είναι υγρά, ευδιάλυτα στο νερό, με οσμή ξιδιού. Τα μέσα μέλη ( $C_4 - C_8$ ) είναι υγρά με δυσάρεστη οσμή (το βουτυρικό μυρίζει ταγγισμένο βούτυρο) και λίγο διαλυτά· τα ανώτερα στερεά, αδιάλυτα, άοσμα. Όλα διαλύονται σε οργανικούς διαλύτες.
Το άνυδρο καθαρό οξικό οξύ στερεοποιείται κάτω από $17\ °C$ σε κρυστάλλους που μοιάζουν με πάγο (glacial). Τα οξέα έχουν ασυνήθιστα υψηλά σημεία τήξης και βρασμού λόγω ισχυρών δεσμών υδρογόνου.

Χρήσεις: το ξίδι είναι διάλυμα οξικού οξέος περίπου $5\%\ w/v$ — καρύκευμα και συντήρηση τροφίμων (τουρσιά, ελιές). Βιομηχανικά: στη βαφική (στερέωση χρωμάτων), στην τεχνητή μέταξα (οξική κυτταρίνη), σε φάρμακα (ασπιρίνη) και άλλες χημικές ουσίες (ακετόνη, εστέρες).

Ήξερες ότι;

Το καθαρό, άνυδρο οξικό οξύ λέγεται παγόμορφο, γιατί στερεοποιείται ήδη στους περίπου $17\ °C$ . Σε ένα κρύο εργαστήριο το μπουκάλι μπορεί να βρεθεί γεμάτο κρυστάλλους που μοιάζουν με πάγο — ενώ το νερό γύρω του είναι ακόμα υγρό.

Γρήγορος έλεγχος

Τα κατώτερα καρβοξυλικά οξέα (π.χ. το οξικό) διαλύονται εύκολα στο νερό επειδή:

Άσκηση τύπου διαγωνίσματος: Ξίδι περιεκτικότητας $6\%\ w/v$ σε οξικό οξύ παρασκευάζεται με οξική ζύμωση κρασιού $10\%\ v/v$ .

Δεδομένα: $V_{ξιδιού} = 1\ L$ , πυκνότητα αιθανόλης $0{,}8\ g/mL$ , $M_r$ : $CH_3COOH$ 60, $C_2H_5OH$ 46.

Ζητούμενα: (α) τα mol του οξικού οξέος σε $1\ L$ ξίδι, (β) η μάζα της αιθανόλης που οξειδώθηκε, (γ) ο όγκος του κρασιού που χρειάστηκε (θεωρούμε πλήρη μετατροπή).

Λύση:

(α) $6\ g$ ανά $100\ mL$ $\Rightarrow$ $60\ g$ σε $1\ L$ , δηλαδή $n = \frac{60}{60} = 1\ mol$ .

(β) $CH_3CH_2OH + O_2 \rightarrow CH_3COOH + H_2O$ : $1\ mol$ αιθανόλης $= 46\ g$ .

(γ) $V_{αιθ} = \frac{46}{0{,}8} = 57{,}5\ mL$ . Αφού το κρασί έχει $10\ mL$ αιθανόλης ανά $100\ mL$ : $V_{κρασιού} = 57{,}5 \cdot 10 = 575\ mL$ .

Απάντηση: (α) $1\ mol$ , (β) $46\ g$ , (γ) $575\ mL$ κρασί.

Γρήγορος έλεγχος

Το οξαλικό οξύ $HOOC-COOH$ χαρακτηρίζεται:

Γρήγορος έλεγχος

Ποια διεργασία μετατρέπει το κρασί σε ξίδι;

Πρόκληση

το οξύ με το 40% άνθρακα. Ένα κορεσμένο μονοκαρβοξυλικό οξύ περιέχει $40\%\ w/w$ άνθρακα. (α) Βρες τον μοριακό του τύπο. (β) Πόσα g από αυτό περιέχει $1\ L$ ξιδιού $6\%\ w/v$ , και πόσα mol είναι; ( $A_r$ : C = 12, H = 1, O = 16)

Δοκίμασε πρώτα μόνος σου — μετά δες τη λύση

(α) Γενικός τύπος $C_\nu H_{2\nu+1}COOH$ με $M_r = 14\nu + 46$ και $(\nu + 1)$ άτομα C:

$\frac{12(\nu + 1)}{14\nu + 46} = 0{,}4 \Rightarrow 12\nu + 12 = 5{,}6\nu + 18{,}4 \Rightarrow 6{,}4\nu = 6{,}4 \Rightarrow \nu = 1$

Άρα $CH_3COOH$ (οξικό οξύ). Έλεγχος: $\frac{24}{60} = 0{,}4$ ✓

(β) $6\%\ w/v$ : $6\ g$ σε $100\ mL$ → $60\ g$ σε $1\ L$ → $n = \frac{60}{60} = 1\ mol$ .

Απάντηση: (α) $CH_3COOH$ , (β) $60\ g$ , δηλαδή $1\ mol$ — το ξίδι του $6\%$ είναι περίπου $1\ M$ σε οξικό οξύ.

Συνηθισμένα λάθη

Δεν μετράς τον C του καρβοξυλίου. Το $CH_3CH_2COOH$ είναι προπανικό (3 C), όχι αιθανικό.
Αριθμός θέσης στο $-COOH$ . Δεν γράφεται· οι διακλαδώσεις αριθμούνται από τον C του καρβοξυλίου (θέση 1).
Δύο τύποι, δύο $\nu$ . Στο $C_\nu H_{2\nu+1}COOH$ το οξικό έχει $\nu = 1$ , ενώ στο $C_\nu H_{2\nu}O_2$ έχει $\nu = 2$ . Μην τους αναμειγνύεις στην ίδια λύση.
Αλκοολική ≠ οξική ζύμωση. Γλυκόζη $\rightarrow$ αιθανόλη + $CO_2$ (αναερόβια)· αιθανόλη + $O_2$ $\rightarrow$ οξικό οξύ.

Σύνοψη — τι κρατάμε

Καρβοξύλιο $-COOH$ · ταξινόμηση: μονο-/δικαρβοξυλικά, κορεσμένα/ακόρεστα, αλειφατικά/αρωματικά, υδροξυ-/αμινο-/χλωροξέα.
Κορεσμένα μονοκαρβοξυλικά: $C_\nu H_{2\nu+1}COOH$ , $M_r = 14\nu + 46$ · ο C του $-COOH$ είναι η θέση 1, κατάληξη -ικό οξύ.
Παρασκευές: οξική ζύμωση $CH_3CH_2OH + O_2 \rightarrow CH_3COOH + H_2O$ , οξείδωση πρωτοταγών αλκοολών ( $+2[O]$ ), υδρόλυση νιτριλίων $RCN + 2H_2O \rightarrow RCOOH + NH_3$ .
Ξίδι $\approx 5\%\ w/v$ οξικό οξύ· glacial οξικό οξύ στερεοποιείται κάτω από $17\ °C$ .

Καρβοξυλικά οξέα

Τα σημαντικότερα οργανικά οξέα περιέχουν τη χαρακτηριστική ομάδα καρβοξύλιο

-COOH

(καρβονύλιο

>C=O

+ υδροξύλιο

-OH

) και λέγονται καρβοξυλικά οξέα. Γνωστά παραδείγματα:

οξικό (αιθανικό) οξύ

CH_3COOH

— στο ξίδι

γαλακτικό (2-υδροξυπροπανικό) οξύ — στο γιαούρτι

βενζοϊκό οξύ

C_6H_5COOH

— συντηρητικό τροφίμων

τρυγικό (κρασί) και κιτρικό (εσπεριδοειδή, αναψυκτικά) οξύ

Χαρακτηριστική ιδιότητα όλων των οξέων είναι η ξινή γεύση, από την οποία πήραν το όνομά τους.