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3.4第1课时　羧酸
【学习目标】
1.了解羧酸的组成和结构特点。
2.了解羧酸的分类、物理性质。
3.掌握乙酸的结构特点和主要性质。
4.了解羧酸和酯之间的相互转化关系,认识它们在合成与推断中的应用。
【自主预习】
1.羧酸的概念
由　　　　与　　　　相连而构成的有机化合物,官能团为 　　　　。
饱和一元羧酸分子的通式为　　　　　　　　　　。
2.羧酸的分类
羧
酸
3.乙酸的结构和物理性质
乙酸是人类最熟悉的羧酸,分子式为C2H4O2,结构简式为。常温下,乙酸是一种具有强烈刺激性气味的液体。乙酸易溶于水和乙醇,当温度低于熔点(16.6 ℃)时,乙酸凝结成类似冰一样的晶体,所以纯净的乙酸又称为冰醋酸。
4.羧酸的化学性质
羧酸的性质取决于羧基,反应时的主要断键位置如下:
(1)酸的通性
乙酸是一种弱酸,其酸性比碳酸　　　　,　　　　使紫色石蕊试液变红,在水溶液里的电离方程式为　 　。
(2)酯化反应
CH3COOH和CH3COH发生酯化反应的化学方程式为　 。
【答案】
1.烃基(或氢原子)　羧基(—COOH)
—COOH　CnH2nO2(n≥1)
2.C17H33COOH
4.(1)强　能　CH3COOHCH3COO-+H+
(2)CH3COOH+C2OHH2O+CH3CO18OC2H5
【效果检测】
1.判断正误(正确的打“√”,错误的打“×”)。
(1)乙酸的分子式为C2H4O2,所以乙酸属于四元酸。 (　　)
(2)乙酸可看作乙烷中的一个氢原子被羧基取代后的产物。 (　　)
(3)软脂酸(C15H31COOH)属于饱和高级脂肪酸。 (　　)
(4)羧基官能团可以简写成—COOH或者HOOC—。 (　　)
【答案】(1)×　(2)×　(3)√　(4)√
2.C2OH与CH3COOH在浓硫酸条件下共热,生成的产物中哪种物质分子中含18O 可以得出酯化反应的原理是什么
【答案】乙酸乙酯中含18O。酯化反应时,醇上的羟基失去—H,酸上的羧基失去—OH。
3.如何通过实验证明乙酸的酸性比碳酸的强 写出反应的化学方程式。
【答案】往Na2CO3溶液中加入醋酸,将产生的气体通入澄清石灰水中,若澄清石灰水变浑浊,证明乙酸的酸性强于碳酸。化学方程式为2CH3COOH+Na2CO32CH3COONa+H2O+CO2↑。
【合作探究】
任务1　羧酸的结构与物理性质
情境导入　杜康的儿子黑塔跟父亲学会了酿酒技术。后来,黑塔从山西迁到镇江。黑塔觉得酿酒后把酒糟扔掉可惜,就把酒糟浸泡在水缸里。到了第二十一日的酉时,一开缸,一股浓郁的香气扑鼻而来。黑塔尝了一口,酸酸的,味道很鲜美。黑塔把“二十一日”加“酉”字来命名这种酸水。据说,直到今天,镇江酱醋厂酿制一批醋的期限还是二十一天。
问题生成
1.食醋的主要成分是什么 其主要成分具有怎样的物理性质
【答案】食醋的主要成分是醋酸,又名乙酸;乙酸是一种有强烈刺激性气味的无色液体,易溶于水和乙醇。
2.什么是羧酸 羧酸分子中的官能团是什么
【答案】由羧基和烃基(或氢原子)相连而构成的有机化合物叫羧酸,其官能团是羧基(—COOH)。
3.如何判断一种羧酸是几元羧酸
【答案】依据羧酸分子中羧基的数目可判断该羧酸是几元羧酸,如草酸(HOOC—COOH)为二元羧酸。
【核心归纳】
1.羧酸的组成与结构
2.常见的羧酸
名称 甲酸 苯甲酸 乙二酸
物理 性质 无色、有刺激性气味的液体,有腐蚀性,能与水、乙醇等互溶 无色晶体,易升华,微溶于水,易溶于乙醇 无色晶体,可溶于水和乙醇
化学 性质 表现羧酸和醛的性质 表现羧酸和苯环的性质 表现羧酸的性质
重要 用途 作还原剂,合成医药、农药和染料等的原料 合成香料、药物等,其钠盐是常用的食品防腐剂 化学分析中常用的还原剂,重要化工原料
3.羧酸的分类
①按分子中烃基的结构分类
羧酸
②按分子中羧基的个数分类
羧酸
③按分子中烃基所含碳原子数的多少分类
羧酸
4.羧酸的物理性质
(1)溶解性:分子中碳原子数较少的羧酸能够与水互溶。随着分子中碳原子数的增加,一元羧酸在水中的溶解度迅速减小,甚至不溶于水(如高级脂肪酸)。
(2)沸点:随着碳原子数的增加,一元羧酸沸点逐渐升高。羧酸与相对分子质量相当的有机化合物比,沸点较高,这是因为羧酸分子间含有氢键。
(3)状态:甲酸、乙酸等低级羧酸是液体,高级脂肪酸是蜡状固体。
【典型例题】
【例1】下列关于乙酸的说法中不正确的是(　　)。
A.乙酸是一种重要的有机酸,是具有强烈刺激性气味的液体
B.乙酸分子中含有四个氢原子,所以乙酸是四元酸
C.无水乙酸又称冰醋酸,它是纯净物
D.乙酸易溶于水和乙醇
【答案】B
【解析】羧酸是根据酸分子中所含的羧基数目来划分是几元酸的,一个乙酸分子中只含一个羧基,故为一元酸。
【例2】某有机物的结构简式为,则它是(　　)。
A.饱和二元羧酸 B.芳香酸
C.脂环酸 D.高级脂肪酸
【答案】B
【解析】该有机物分子中含有两个羧基、一个苯环,故它不是饱和二元羧酸,也不是脂环酸或高级脂肪酸。
【例3】将—CH3、—OH、—COOH、四种原子团两两组合,所得化合物的水溶液呈酸性的共有(　　)。
A.3种 B.4种 C.5种 D.6种
【答案】B
【解析】将四种原子团两两组合,可以得到CH3OH、、CH3COOH、、、HOCOOH这6种物质。
【灵犀一点】　饱和一元脂肪酸的通式为CnH2nO2或CmH2m+1COOH。故判断羧酸的同分异构体数目时,可采用基元法,即把羧酸拆写为烃基和羧基的形式,如判断C5H10O2属于酸的异构体,可拆写为C4H9—COOH,然后根据丁基为4种,判断戊酸也为4种。
任务2　羧酸的化学性质
情境导入　我们的日常生活离不开醋,用醋蒸气熏蒸居室能杀灭细菌和病毒,防止感冒和传染病;煮排骨或烧鱼时加点醋,不但能使骨头里的钙、磷、铁等元素溶解到汤里而被人体吸收,而且还能保持食物中的维生素不被破坏。
问题生成
1.用食醋煮排骨,这是利用了醋酸的什么性质 请写出相应的化学方程式。
【答案】醋酸的酸性比碳酸强,化学方程式为2CH3COOH+CaCO3(CH3COO)2Ca+H2O+CO2↑。
2.酸的通性有哪些
【答案】(1)遇酸碱指示剂变色;(2)与活泼金属反应产生H2;(3)与碱性氧化物反应生成盐和水;(4)与碱发生中和反应;(5)与盐发生复分解反应。
3.甲酸、乙酸的分子结构有什么差别 如何鉴别二者
【答案】甲酸分子结构中含有醛基,而乙酸分子结构中不含醛基,可用新制Cu(OH)2或银氨溶液作试剂鉴别二者。
4.用文字如何表示酯化反应的通式
【答案】羧酸+醇酯+水。
5.酯化反应中浓硫酸起什么作用
【答案】催化剂、吸水剂。
【实验探究】
1.证明甲酸具有酸性
实验内容 实验现象 结论
配制甲酸溶液,取适量甲酸溶液置于试管中,滴加几滴石蕊溶液 溶液变　　　 甲酸具有酸性
配制甲酸溶液,取适量甲酸溶液置于试管中,加入少量锌粒 有无色气体产生,收集并检验,气体为　　　
取适量配制好的甲酸溶液,逐滴加入含有酚酞的氢氧化钠溶液中 溶液红色逐渐　　　
取适量配制好的甲酸溶液,逐滴加入碳酸氢钠溶液中 有无色气体产生,收集并检验,气体为　　　
…… ……
【答案】红　氢气　变浅至消失　CO2
2.比较乙酸、碳酸和苯酚的酸性强弱
实验装置
A装置现 象及解释 有无色气体产生,说明酸性:　　　　;化学方程式:　　　　　　　　　　　　　　
C装置的现 象及解释 溶液变浑浊,说明酸性:　　　　;化学方程式:　　　　　　　　　　　
B装置的 作用 除去A中挥发的乙酸
实验结论 酸性:　　　　　　
【答案】乙酸>碳酸　2CH3COOH+Na2CO32CH3COONa+CO2↑+H2O　碳酸>苯酚　+CO2+H2O+NaHCO3　乙酸>碳酸>苯酚
【核心归纳】
1.羧酸的化学性质
羧酸反应时,羧基()中①②号极性键断裂。
(1)酸性——弱酸,具有酸的性质
乙酸的电离方程式:CH3COOHCH3COO-+H+。
①HCOOH与NaHCO3反应:HCOOH+NaHCO3HCOONa+CO2↑+H2O。
②苯甲酸与NaOH反应:
+NaOH+H2O。
③乙二酸与NaOH反应:+2NaOH+2H2O。
(2)酯化反应(乙酸与乙醇反应)
①乙酸与乙醇的酯化反应方程式:CH3COOH+CH3CH2OHCH3COOC2H5+H2O。
②原理:
用同位素示踪法探究酯化反应中的脱水方式。用含有示踪原子的CH3COH与CH3COOH反应,化学方程式为+H—18O—C2H518OC2H5+H2O,说明酯化反应时,羧基脱—OH,醇羟基脱—H。
注意:酯化反应是可逆反应,浓硫酸在此反应中作催化剂和吸水剂。羧酸的化学性质主要取决于羧基官能团。由于受氧原子电负性较大等因素的影响,当羧酸发生化学反应时,羧基结构中下面两个部位的化学键容易断裂:
2.醇、酚、羧酸分子中羟基氢原子的活泼性比较
名称 乙醇 苯酚 乙酸
结构简式 CH3CH2OH CH3COOH
羟基氢原子 的活泼性 不能电离 能电离 能电离
酸性 中性 极弱酸性 弱酸性
与Na反应 反应放出H2 反应放出H2 反应放出H2
与NaOH反应 不反应 反应 反应
与Na2CO3反应 不反应 反应 反应
与NaHCO3反应 不反应 不反应 反应
由上表可知,常见分子(离子)中羟基氢原子的活泼性顺序为RCOOH>H2CO3>>HC>H2O>ROH。运用上述实验现象的不同,可判断有机物分子结构中含有的羟基类型。
【典型例题】
【例4】下列关于乙酸性质的叙述中,错误的是(　　)。
A.乙酸的酸性比碳酸强,所以它可以与碳酸盐溶液反应,生成CO2气体
B.乙酸能与钠反应放出H2且比乙醇与钠的反应剧烈
C.乙酸与乙醇发生的反应是中和反应
D.乙酸在温度低于16.6 ℃时,就凝结成冰状晶体
【答案】C
【解析】乙酸的官能团为羧基,能电离出H+,具有酸的通性,且酸性比H2CO3强,能与Na2CO3反应产生CO2,能与Na反应产生H2(比乙醇与钠反应剧烈),A、B两项正确;乙酸与乙醇发生的反应是酯化反应,C项错误;乙酸在温度低于16.6 ℃时,会凝结成冰一样的晶体,D项正确。
【例5】将1 mol乙醇(其中的羟基氧用18O标记)在浓硫酸存在并加热的条件下与足量乙酸充分反应。下列叙述不正确的是(　　)。
A.生成的乙酸乙酯中含有18O
B.生成的水分子中含有18O
C.可能生成45 g乙酸乙酯
D.不可能生成90 g乙酸乙酯
【答案】B
【解析】乙醇与乙酸发生酯化反应的过程中,乙酸分子中的羟基和乙醇分子中羟基上的氢原子结合生成水分子,所以乙醇分子中标记的氧原子进入到乙酸乙酯中,水分子中没有标记的氧原子。乙酸和乙醇的酯化反应为可逆反应,所以1 mol乙醇与足量乙酸反应生成的乙酸乙酯的物质的量小于1 mol,即乙酸乙酯的质量小于90 g。
【例6】实验室制取少量乙酸乙酯的装置如图所示。下列关于该实验的叙述中不正确的是(　　)。
A.向a试管中先加入浓硫酸,然后边摇动试管边慢慢加入乙醇,再加入冰醋酸
B.试管b中导气管下端管口不能浸入液面的目的是防止实验过程中产生倒吸现象
C.实验时加热试管a的目的之一是及时将乙酸乙酯蒸出,使平衡向生成乙酸乙酯的方向移动
D.试管b中饱和Na2CO3溶液的作用是吸收随乙酸乙酯蒸出的少量乙酸和乙醇
【答案】A
【解析】浓硫酸的密度大,且与乙醇和乙酸混合时放出大量的热,故必须先加入乙醇,再加入浓硫酸,最后加入乙酸,A项不正确。
【灵犀一点】“形形色色”的酯化反应
(1)生成链状酯
①一元羧酸与一元醇的酯化反应
RCOOH+HOR'RCOOR'+H2O
②一元羧酸与二元醇或二元羧酸与一元醇的酯化反应
2CH3COOH+HOCH2CH2OH
CH3COOCH2CH2OOCCH3+2H2O
HOOC—COOH+2CH3CH2OH
CH3CH2OOC—COOCH2CH3+2H2O
(2)生成环状酯
①二元羧酸与二元醇的酯化反应
++2H2O
②羟基酸自身酯化反应
++2H2O
③羟基酸分子内脱水生成酯,如:
+H2O
(3)生成聚酯
①二元羧酸与二元醇的缩聚反应
nHOOC—COOH+nHOCH2CH2OH
+(2n-1)H2O
②羟基酸自身缩聚反应
+(n-1)H2O
【随堂检测】
1.下列事实能说明碳酸的酸性比乙酸弱的是(　　)。
A.乙酸能发生酯化反应,而碳酸不能
B.碳酸和乙酸都能与碱反应
C.乙酸易挥发,而碳酸不稳定易分解
D.乙酸和Na2CO3反应可放出CO2
【答案】D
【解析】能说明碳酸的酸性比乙酸弱的事实,是碳酸盐和乙酸反应生成碳酸,碳酸分解放出CO2。
2.用18O标记的CH3COH与乙酸反应制取乙酸乙酯,当反应达到平衡时,下列说法正确的是(　　)。
A.18O只存在于乙酸乙酯中
B.18O存在于水、乙酸、乙醇以及乙酸乙酯中
C.18O只存在于乙酸乙酯、乙醇中
D.若CH3COH与丙酸反应,则生成的酯的相对分子质量为102
【答案】C
【解析】发生酯化反应时,羧酸脱去羟基,醇脱去羟基上的氢原子,所以CH3COH和乙酸反应的化学方程式为CH3COH+CH3COOHCH3CO18OCH2CH3+H2O,酯化反应是可逆反应,18O只存在于乙醇和乙酸乙酯中,A、B两项错误,C项正确;CH3COH与丙酸反应生成CH3CH2CO18OCH2CH3,该酯的相对分子质量为104,D项错误。
3.有机物M的结构简式是,下列有关M的性质的叙述中错误的是(　　)。
A.M与金属钠完全反应时,二者物质的量之比是1∶3
B.M与氢氧化钠完全反应时,二者物质的量之比是1∶3
C.M能与碳酸钠溶液反应
D.M既能与羧酸反应,又能与醇反应
【答案】B
【解析】A项,M中有醇羟基、酚羟基、羧基,三者均能与钠反应,故1 mol M能与3 mol钠反应,正确;B项,M中的酚羟基、羧基都能与氢氧化钠反应,故1 mol M能与2 mol氢氧化钠反应,错误;C项,M中的酚羟基、羧基都能与碳酸钠溶液反应,正确;D项,M含醇羟基,能与羧酸发生酯化反应,含羧基,能与醇发生酯化反应,正确。
4.已知下列数据:
物质 熔点/℃ 沸点/℃ 密度/(g·cm-3)
乙醇 -117.0 78.0 0.79
乙酸 16.6 117.9 1.05
乙酸乙酯 -83.6 77.5 0.90
某同学在实验室制取乙酸乙酯的主要步骤如下:
①配制2 mL浓硫酸、3 mL乙醇(含18O)和2 mL乙酸的混合溶液。
②按下图连接好装置(装置气密性良好)并加入混合液,用小火均匀加热3~5 min。
③待试管乙收集到一定量产物后停止加热,撤出试管乙并用力振荡,然后静置待分层。
④分离出乙酸乙酯,洗涤、干燥。
(1)配制①中混合溶液的方法为　 ;
反应中浓硫酸的作用是　　　　　　　　;写出制取乙酸乙酯的化学方程式:　　 。
(2)上述实验中饱和碳酸钠溶液的作用是　　　　(填字母)。
A. 中和乙酸和乙醇
B. 中和乙酸并吸收乙醇
C. 减少乙酸乙酯的溶解
D. 加速酯的生成,提高其产率
(3)步骤②中需要小火均匀加热,其主要理由是　 　;
步骤③所观察到的现象是　 　;
欲将乙试管中的物质分离以得到乙酸乙酯,必须使用的仪器有　　　　;分离时,乙酸乙酯应从仪器　　　　(填“下口放”或“上口倒”)出。
(4)该同学反复实验,得出乙醇与乙酸的用量和得到的乙酸乙酯生成量如下表:
实验 乙醇/mL 乙酸/mL 乙酸乙酯/mL
① 2 2 1.33
② 3 2 1.57
③ 4 2 x
④ 5 2 1.76
⑤ 2 3 1.55
表中数据x的范围是　　　　;实验①②⑤探究的是　　　　　　　　　　　　　　　。
【答案】(1)将浓硫酸加入乙醇中,边加边振荡,然后加入乙酸(或先将乙醇与乙酸混合后再加浓硫酸并在加入过程中不断振荡)　催化剂、吸水剂　CH3COOH+CH3COHCH3CO18OCH2CH3+H2O
(2)BC
(3)大火加热会导致大量的原料气化而损失　液体分层,上层为无色有香味液体,下层为浅红色液体,振荡后下层液体颜色变浅　分液漏斗　上口倒
(4)1.57~1.76　增加乙醇或乙酸的用量对酯的产量的影响
【解析】(1)混合时浓硫酸相当于被稀释,故应将浓硫酸加入乙醇中,然后加入乙酸,也可先将乙醇与乙酸混合好后再加入浓硫酸;因酯化反应速率慢且为可逆反应,使用浓硫酸可加快酯化反应的速率并有利于平衡向生成酯的方向移动(吸收了水);酯化反应的机理是酸脱羟基醇脱氢,故生成的酯中含有18O。
(2) 使用饱和碳酸钠溶液的理由是①可除去混入乙酸乙酯中的乙酸;②可吸收乙酸乙酯中的乙醇;③可降低乙酸乙酯的溶解度并有利于液体分层。
(3) 由表中数据知乙醇的沸点(78.0℃)与乙酸乙酯的沸点(77.5℃)很接近,若用大火加热,大量的乙醇会被蒸发出来,导致原料的大量损失;因酯的密度小于水的密度,故上层为油状有香味的无色液体,又因会有一定量的乙酸汽化,进入乙中与Na2CO3反应,故下层液体红色变浅;将分层的液体分离开必须使用分液漏斗,分液时上层液体应从上口倒出。
(4)探究乙醇、乙酸用量的改变对酯产率的影响情况,分析三组实验数据知,增加乙醇、乙酸的用量,酯的生成量均会增加。
5.下列说法正确的是(　　)。
A.(2021·全国甲卷)用饱和碳酸氢钠溶液可以鉴别乙酸和乙醇
B.(2021·浙江卷)乙酸、苯甲酸、乙二酸(草酸)均不能使酸性高锰酸钾溶液褪色
C.(2021·广东卷,6改编)乙酸可由乙醇氧化制备,故可用白醋清洗水壶中的水垢
D.(2018·海南卷)可用饱和的碳酸氢钠溶液鉴定酯化反应后体系中是否有未反应的乙酸
【答案】A
【解析】乙酸可与饱和碳酸氢钠溶液反应,产生气泡,乙醇不能与饱和碳酸氢钠溶液发生反应,但与其互溶,二者现象不同,可用饱和碳酸氢钠溶液鉴别,A项正确;乙二酸具有还原性,能使酸性高锰酸钾溶液褪色,反应的离子方程式为+5H2C2O4+6H+2Mn2++10CO2↑+8H2O,B项错误;用白醋清洗水壶中的水垢与乙酸的酸性有关,与乙酸可由乙醇氧化制备无关,C项错误;硫酸也能和碳酸氢钠反应产生气泡,故不能用碳酸氢钠溶液来鉴定酯化反应后体系中乙酸是否反应完全,D项错误。
6.(2022·湖南卷)聚乳酸是一种新型的生物可降解高分子材料,其合成路线如下:
+mH2O
下列说法错误的是(　　)。
A. m=n-1
B. 聚乳酸分子中含有两种官能团
C. 1 mol乳酸与足量的Na反应生成1 mol H2
D. 两分子乳酸反应能够生成含六元环的分子
【答案】B
【解析】根据氧原子数目守恒可得3n=2n+1+m,即m=n-1,A项正确;聚乳酸是聚酯,分子中含有酯基、羟基和羧基三种官能团,B项错误;羧基和羟基都能与钠反应,1 mol乳酸与足量的Na反应生成1 mol H2,C项正确;两分子乳酸反应,脱去两分子水,能够生成含六元环的环酯分子,D项正确。
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