Χημεία (Β΄ Λυκείου) - Βιβλίο Μαθητή (Εμπλουτισμένο)
(4)
ΚΑΡΒΟΞΥΛΙΚΑ ΟΞΕΑ

Οι Στόχοι

Στο τέλος αυτής της διδακτικής ενότητας θα πρέπει να μπορείς:

  • Να ταξινομείς τα καρβοξυλικά οξέα σε διάφορες κατηγορίες π.χ. ανάλογα με τον αριθμό των καρβοξυλίων που περιέχουν στο μόριό τους.
  • Να αναφέρεις τις σημαντικότερες παρασκευές και χημικές ιδιότητες των κορεσμένων μονοκαρβοξυλικών οξέων (ειδικότερα του οξικού οξέος), γαλακτικού οξέος και βενζοϊκού οξέος, γράφοντας τις αντίστοιχες χημικές εξισώσεις. Να επιλύεις προβλήματα στοιχειομετρίας που βασίζονται στις προηγούμενες χημικές εξισώσεις.
  • Nα εκθέτεις τις σημαντικότερες χρήσεις των παραπάνω οξέων.
εικόνα
εικόνα

Μοριακό μοντέλο αιθανικού οξέος (CH3COOH), όπως προκύπτει από υπολογιστή και το οποίο δείχνει την επιφάνεια του μορίου. Οι κόκκινες σφαίρες παριστάνουν τα άτομα του οξυγόνου, οι άσπρες του υδρογόνου και οι μαύρες του άνθρακα. Πολλές φορές μάλιστα μπαίνει και χρώμα στην «επιφάνεια», ώστε να διακρίνονται οι δραστικές περιοχές του μορίου π.χ. όσο πιο έντονο είναι το κόκκινο χρώμα, τόσο πιο δραστική είναι περιοχή του μορίου. Αυτό φαίνεται στην περίπτωση του μορίου της μεθανόλης (CH3OH) στο μικρό σχήμα. Μοριακό μοντέλο οξικού οξέος

(4)
ΚΑΡΒΟΞΥΛΙΚΑ ΟΞΕΑ

Εισαγωγή

Σε προηγούμενα κεφάλαια αναφερθήκαμε σε οργανικές ενώσεις που παρουσιάζουν όξινο χαρακτήρα (π.χ. φαινόλες). Όμως αναμφισβήτητα τα σημαντικότερα οργανικά οξέα είναι αυτά που περιέχουν τη ρίζα καρβοξύλιο -COOH. Τα οργανικά αυτά οξέα ονομάζονται καρβοξυλικά οξέα.

Μία από τις χαρακτηριστικές ιδιότητες των οξέων είναι η ξινή (όξινη) γεύση, από την οποία πήραν και το όνομά τους.

Από τα οργανικά οξέα πολύ γνωστά είναι:

το αιθανικό ή οξικό οξύ
που βρίσκεται στο ξίδι
CH3COOH
το 2-υδροξυπροπανικό
οξύ ή γαλακτικό οξύ
που βρίσκεται στο γιαούρτι
εικόνα
το βενζοϊκό οξύ είναι αρωματικό οξύ
και χρησιμοποιείται ως συντηρητικό
τροφίμων (με τον κωδικό Ε120)
εικόνα
το τρυγικό οξύ
βρίσκεται στο κρασί και
στα αναψυκτικά.
εικόνα
το κιτρικό οξύ
βρίσκεται στους χυμούς των
εσπεριδοειδών
και στα αναψυκτικά.
εικόνα

Ταξινόμηση

Τα καρβοξυλικά οξέα μπορούν να διακριθούν

  • Σε μονοκαρβοξυλικά, δικαρβοξυλικά, τρικαρβοξυλικά κ.λπ., ανάλογα με τον αριθμό των καρβοξυλίων που περιέχουν στο μόριό τους,
    π.χ. CH3COOH
    αιθανικό ή οξικό οξύ
    (μονοκαρβοξυλικό)
    εικόνα
    αιθανοδιικό ή οξαλικό οξύ
    (δικαρβοξυλικό) Μοριακό μοντέλο οξαλικού οξέος
  • Σε κορεσμένα ή ακόρεστα ανάλογα με τον τρόπο που συνδέονται τα άτομα του άνθρακα μεταξύ τους.
    π.χ. CH3CH2CH2COOH και
    βουτανικό ή βουτυρικό οξύ 
    (κορεσμένο μονοκαρβοξυλικό)
    CH2=CHCOOH
    προπενικό ή ακρυλικό οξύ
    (ακόρεστο μονοκαρβοξυλικό)
  • Σε αλειφατικά (άκυκλα) και αρωματικά ανάλογα αν έχουν βενζολικό ή όχι δακτύλιο
    π.χ. CH3CH2CH2COOH
    βουτανικό ή βουτυρικό οξύ                       
    C6Η5COOH ή
    βενζοϊκό οξύ
    εικόνα

Τέλος, υπάρχουν διάφορα παράγωγα των καρβοξυλικών οξέων ανάλογα με τη χαρακτηριστική ομάδα (εκτός του καρβοξυλίου) που έχουν. Παράδειγμα τέτοιων οξέων είναι τα:

Κορεσμένα υδροξυκαρβοξυλικά οξέα, που περιέχουν υδροξύλιο:

π.χ. εικόνα 2-υδροξυπροπανικό οξύ ή γαλακτικό οξύ

Αμινοξέα: π.χ. εικόνααμινοαιθανικό οξύ ή γλυκίνη Μοριακό μοντέλο γλυκίνης

Χλωροξέα: π.χ.εικόνα χλωροαιθανικό οξύ

εικόνα
(4.1)
Κορεσμένα μονοκαρβοξυλικά οξέα
- Αιθανικό οξύ

Γενικά

Τα κορεσμένα μονοκαρβοξυλικά οξέα προκύπτουν θεωρητικά από τα αλκάνια, αν αντικαταστήσουμε ένα άτομο υδρογόνου με τη ρίζα καρβοξύλιο -COOH. Έχουν το γενικό τύπο:

CνH2ν+1COOH

Για την ονομασία κατά IUPAC ενός οξέος δεν πρέπει να ξεχνάμε ότι το άτομο άνθρακα του καρβοξυλίου αποτελεί μέρος της ανθρακικής αλυσίδας και χαρακτηρίζει την υπ´ αριθμό 1 θέση αυτής. Επίσης ότι η χαρακτηριστική κατάληξη της ονομασίας για τα οξέα είναι -ικό οξύ.

εικόναπ.χ. 2-μεθυλοπεντανικό οξύ

2-αιθυλοπεντανικό οξύ

Πολλά από τα αλειφατικά καρβοξυλικά οξέα ήταν γνωστά εδώ και πολλά χρόνια γι´ αυτό και έχουν κοινά ονόματα (εμπειρικά), που αναφέρονται πολλές φορές στην προέλευσή τους και όχι στη χημική τους δομή. Η «εμπειρική» αυτή ονομασία είναι σε ορισμένες περιπτώσεις επίσημα αποδεκτή από την IUPAC. Τα σημαντικότερα κορεσμένα μονοκαρβοξυλικά οξέα αναφέρονται στον ακόλουθο πίνακα:

ΠΙΝΑΚΑΣ 4.1: Ονομασίες κορεσμένων μονοκαρβοξυλικών οξέων

Τύπος Όνομα IUPAC Κοινό Όνομα
HCOOH μεθανικό οξύ μυρμηκικό
CH3COOH αιθανικό οξύ οξικό
CH3CH2COOH προπανικό οξύ προπιονικό
CH3CH2CH2COOH βουτανικό οξύ βουτυρικό
εικόνα μεθυλοπροπανικό οξύ ισοβουτυρικό
CH3(CH2)14COOH δεκαεξανικό οξύ παλμιτικό
CH3(CH2)16COOH δεκαοκτανικό οξύ στεατικό

Το σημαντικότερο μέλος της σειράς είναι το αιθανικό ή οξικό οξύ (CH3COOH), το οποίο και θα εξεταστεί αναλυτικότερα

Παρασκευές

Βιομηχανική παρασκευή

• Το «βιομηχανικό» οξικό οξύ, που αποβλέπει στη σύνθεση άλλων προϊόντων, όπως π.χ. του πολυοξικού βινυλεστέρα παρασκευάζεται 
α. με καταλυτική οξείδωση αλκανίων (π.χ. βουτάνιο C4H10)
β. με καταλυτική οξείδωση ακεταλδεΰδης.
CH3CHO + ½O2→ CH3COOH
γ. από μεθανόλη με επίδραση CO παρουσία καταλυτών

• Το ξίδι είναι διάλυμα οξικού οξέος, το οποίο παρασκευάζεται από τη ζύμωση κρασιού ή άλλου αλκοολούχου ποτού μικρής περιεκτικότητας σε οινόπνευμα (περίπου 5%-8%). Κατά τη διεργασία αυτή λαμβάνει χώρα οξείδωση της αιθυλικής αλκοόλης προς οξικό οξύ παρουσία του ενζύμου αλκοολοξειδάση.

CH3CH2OH + O2 εικόνα CH3COOH + H2O

αιθανόλη (στο κρασί) οξικό οξύ (στο ξίδι)

εικόνα

Από τα ζωικά ή φυτικά λίπη μπορούμε με κατάλληλη διεργασία να πάρουμε τα ανώτερα μέλη της σειράς με μεγάλη καθαρότητα.

Στο εργαστήριο

Με οξείδωση της αιθυλικής αλκοόλης με τα κατάλληλα οξειδωτικά μέσα.

CH3CH2OH + 2[O] ---> CH3COOH + H20

Με υδρόλυση του CH3CN (αιθανονιτρίλιο ή μεθυλοκυανίδιο). Η υδρόλυση γίνεται παρουσία οξέος ή βάσης.

CH3CN + 2H20 εικόναCH3COOH + NH3

Οι δύο αυτές παρασκευές οξικού οξέος μπορούν κάλλιστα να εφαρμοστούν για την παρασκευή κι άλλων κορεσμένων μονοκαρβοξυλικών οξέων.

Φυσικές Ιδιότητες

Το οξικό οξύ και τα κατώτερα μέλη της ομόλογης σειράς, όπως το HCOOH (μεθανικό) και CH3CH2COOH (προπανικό) είναι υγρά που διαλύονται εύκολα στο νερό και έχουν χαρακτηριστική οσμή ξιδιού. Τα μέσα μέλη C4-C8 είναι υγρά με βαριά δυσάρεστη οσμή (το βουτυρικό οξύ μυρίζει σαν ταγγισμένο βούτυρο) και λίγο διαλυτά στο νερό. Τα ανώτερα μέλη είναι στερεά, αδιάλυτα στο νερό και άοσμα. Τα καρβοξυλικά οξέα γενικά διαλύονται στον αιθέρα και σε άλλους οργανικούς διαλύτες.

εικόνα

ΣΧΗΜΑ 3.3 Το οξικό οξύ εμφανίζει ασυνίθιστα υψηλό σημείο τήξεως σε σχέση με άλλες ενωσεις με τον ίδιο αριθμό ατόμων άνθρακα.

Χημικές Ιδιότητες

Όξινος χαρακτήρας. Αυτός εκφράζει το σύνολο των ιδιοτήτων που οφείλονται στην ικανότητα των οξέων να δημιουργούν σε υδατικά διαλύματα κατιόντα Η+. Οι ιδιότητες αυτές των οξέων είναι:

1 Έχουν ξινή γεύση και αλλάζουν το χρώμα των δεικτών.

2 Αντιδρούν με βάσεις και βασικά οξείδια.

CH3COOH + NaOH → CH3COONa + H2O

Γενικά RCOOH + NaOH → RCOONa + H2O

2CH3COOH + CaO → (CH3COO)2Ca + H2O

Γενικά 2RCOOH + CaO → (RCOO)2Ca + H2O

3 Διασπούν τα ανθρακικά άλατα και ελευθερώνουν CO2 (ανίχνευση οξέων).

2CH3COOH + Na2CO3 → 2CH3COONa + H2O + CO2

Γενικά 2RCOOH + Na2CO3 → 2RCOONa + H2O + CO2

4 Αντιδρούν με μέταλλα δραστικότερα από το Η.Τα οργανικά οξέα αντιδρούν με μέταλλα δραστικότερα του υδρογόνου

2CH3COOH + Mg → (CH3COO)2Mg + H2

Γενικά 2RCOOH + Mg → (RCOO)2Mg + H2

Εστεροποίηση. Τα κορεσμένα μονοκαρβοξυλικά οξέα, όπως ήδη γνωρίζουμε, αντιδρούν με αλκοόλες σε όξινο περιβάλλον και δίνουν εστέρες π.χ.

εικόνα

Χρήσεις

Το ξίδι, που χρησιμοποιούμε καθημερινά στο τραπέζι μας, είναι διάλυμα οξικού οξέος (περίπου 5% w/v). Το ξίδι χρησιμοποιείται επίσης στη βιομηχανία τροφίμων για τη συντήρηση τροφίμων (τουρσιά, ελιές κ.λπ.)

Το οξικό οξύ χρησιμοποιείται ευρέως στη βιομηχανία ως πρώτη ύλη:

α. στη βαφική για τη στερέωση των χρωμάτων στις ίνες.

β. στην παρασκευή τεχνητής μέταξας (οξική κυτταρίνη).

γ. στη βιομηχανία φαρμάκων (ασπιρίνη) και άλλων χημικών ουσιών (ακετόνη, εστέρες κ.α.)

Στον πίνακα που ακολουθεί συνοψίζονται οι σημαντικότερες βιομηχανικές παρασκευές και χρήσεις του οξικού οξέος.

Το οξικό οξύ στη βιομηχανία
εικόνα