資源簡介

3.4第1課時　羧酸
【學習目標】
1.了解羧酸的組成和結構特點。
2.了解羧酸的分類、物理性質。
3.掌握乙酸的結構特點和主要性質。
4.了解羧酸和酯之間的相互轉化關系,認識它們在合成與推斷中的應用。
【自主預習】
1.羧酸的概念
由　　　　與　　　　相連而構成的有機化合物,官能團為 　　　　。
飽和一元羧酸分子的通式為　　　　　　　　　　。
2.羧酸的分類
羧
酸
3.乙酸的結構和物理性質
乙酸是人類最熟悉的羧酸,分子式為C2H4O2,結構簡式為。常溫下,乙酸是一種具有強烈刺激性氣味的液體。乙酸易溶于水和乙醇,當溫度低于熔點(16.6 ℃)時,乙酸凝結成類似冰一樣的晶體,所以純凈的乙酸又稱為冰醋酸。
4.羧酸的化學性質
羧酸的性質取決于羧基,反應時的主要斷鍵位置如下:
(1)酸的通性
乙酸是一種弱酸,其酸性比碳酸　　　　,　　　　使紫色石蕊試液變紅,在水溶液里的電離方程式為　 　。
(2)酯化反應
CH3COOH和CH3COH發生酯化反應的化學方程式為　 。
【答案】
1.烴基(或氫原子)　羧基(—COOH)
—COOH　CnH2nO2(n≥1)
2.C17H33COOH
4.(1)強　能　CH3COOHCH3COO-+H+
(2)CH3COOH+C2OHH2O+CH3CO18OC2H5
【效果檢測】
1.判斷正誤(正確的打“√”,錯誤的打“×”)。
(1)乙酸的分子式為C2H4O2,所以乙酸屬于四元酸。 (　　)
(2)乙酸可看作乙烷中的一個氫原子被羧基取代后的產物。 (　　)
(3)軟脂酸(C15H31COOH)屬于飽和高級脂肪酸。 (　　)
(4)羧基官能團可以簡寫成—COOH或者HOOC—。 (　　)
【答案】(1)×　(2)×　(3)√　(4)√
2.C2OH與CH3COOH在濃硫酸條件下共熱,生成的產物中哪種物質分子中含18O 可以得出酯化反應的原理是什么
【答案】乙酸乙酯中含18O。酯化反應時,醇上的羥基失去—H,酸上的羧基失去—OH。
3.如何通過實驗證明乙酸的酸性比碳酸的強 寫出反應的化學方程式。
【答案】往Na2CO3溶液中加入醋酸,將產生的氣體通入澄清石灰水中,若澄清石灰水變渾濁,證明乙酸的酸性強于碳酸。化學方程式為2CH3COOH+Na2CO32CH3COONa+H2O+CO2↑。
【合作探究】
任務1　羧酸的結構與物理性質
情境導入　杜康的兒子黑塔跟父親學會了釀酒技術。后來,黑塔從山西遷到鎮江。黑塔覺得釀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時,一開缸,一股濃郁的香氣撲鼻而來。黑塔嘗了一口,酸酸的,味道很鮮美。黑塔把“二十一日”加“酉”字來命名這種酸水。據說,直到今天,鎮江醬醋廠釀制一批醋的期限還是二十一天。
問題生成
1.食醋的主要成分是什么 其主要成分具有怎樣的物理性質
【答案】食醋的主要成分是醋酸,又名乙酸;乙酸是一種有強烈刺激性氣味的無色液體,易溶于水和乙醇。
2.什么是羧酸 羧酸分子中的官能團是什么
【答案】由羧基和烴基(或氫原子)相連而構成的有機化合物叫羧酸,其官能團是羧基(—COOH)。
3.如何判斷一種羧酸是幾元羧酸
【答案】依據羧酸分子中羧基的數目可判斷該羧酸是幾元羧酸,如草酸(HOOC—COOH)為二元羧酸。
【核心歸納】
1.羧酸的組成與結構
2.常見的羧酸
名稱 甲酸 苯甲酸 乙二酸
物理 性質 無色、有刺激性氣味的液體,有腐蝕性,能與水、乙醇等互溶 無色晶體,易升華,微溶于水,易溶于乙醇 無色晶體,可溶于水和乙醇
化學 性質 表現羧酸和醛的性質 表現羧酸和苯環的性質 表現羧酸的性質
重要 用途 作還原劑,合成醫藥、農藥和染料等的原料 合成香料、藥物等,其鈉鹽是常用的食品防腐劑 化學分析中常用的還原劑,重要化工原料
3.羧酸的分類
①按分子中烴基的結構分類
羧酸
②按分子中羧基的個數分類
羧酸
③按分子中烴基所含碳原子數的多少分類
羧酸
4.羧酸的物理性質
(1)溶解性:分子中碳原子數較少的羧酸能夠與水互溶。隨著分子中碳原子數的增加,一元羧酸在水中的溶解度迅速減小,甚至不溶于水(如高級脂肪酸)。
(2)沸點:隨著碳原子數的增加,一元羧酸沸點逐漸升高。羧酸與相對分子質量相當的有機化合物比,沸點較高,這是因為羧酸分子間含有氫鍵。
(3)狀態:甲酸、乙酸等低級羧酸是液體,高級脂肪酸是蠟狀固體。
【典型例題】
【例1】下列關于乙酸的說法中不正確的是(　　)。
A.乙酸是一種重要的有機酸,是具有強烈刺激性氣味的液體
B.乙酸分子中含有四個氫原子,所以乙酸是四元酸
C.無水乙酸又稱冰醋酸,它是純凈物
D.乙酸易溶于水和乙醇
【答案】B
【解析】羧酸是根據酸分子中所含的羧基數目來劃分是幾元酸的,一個乙酸分子中只含一個羧基,故為一元酸。
【例2】某有機物的結構簡式為,則它是(　　)。
A.飽和二元羧酸 B.芳香酸
C.脂環酸 D.高級脂肪酸
【答案】B
【解析】該有機物分子中含有兩個羧基、一個苯環,故它不是飽和二元羧酸,也不是脂環酸或高級脂肪酸。
【例3】將—CH3、—OH、—COOH、四種原子團兩兩組合,所得化合物的水溶液呈酸性的共有(　　)。
A.3種 B.4種 C.5種 D.6種
【答案】B
【解析】將四種原子團兩兩組合,可以得到CH3OH、、CH3COOH、、、HOCOOH這6種物質。
【靈犀一點】　飽和一元脂肪酸的通式為CnH2nO2或CmH2m+1COOH。故判斷羧酸的同分異構體數目時,可采用基元法,即把羧酸拆寫為烴基和羧基的形式,如判斷C5H10O2屬于酸的異構體,可拆寫為C4H9—COOH,然后根據丁基為4種,判斷戊酸也為4種。
任務2　羧酸的化學性質
情境導入　我們的日常生活離不開醋,用醋蒸氣熏蒸居室能殺滅細菌和病毒,防止感冒和傳染病;煮排骨或燒魚時加點醋,不但能使骨頭里的鈣、磷、鐵等元素溶解到湯里而被人體吸收,而且還能保持食物中的維生素不被破壞。
問題生成
1.用食醋煮排骨,這是利用了醋酸的什么性質 請寫出相應的化學方程式。
【答案】醋酸的酸性比碳酸強,化學方程式為2CH3COOH+CaCO3(CH3COO)2Ca+H2O+CO2↑。
2.酸的通性有哪些
【答案】(1)遇酸堿指示劑變色;(2)與活潑金屬反應產生H2;(3)與堿性氧化物反應生成鹽和水;(4)與堿發生中和反應;(5)與鹽發生復分解反應。
3.甲酸、乙酸的分子結構有什么差別 如何鑒別二者
【答案】甲酸分子結構中含有醛基,而乙酸分子結構中不含醛基,可用新制Cu(OH)2或銀氨溶液作試劑鑒別二者。
4.用文字如何表示酯化反應的通式
【答案】羧酸+醇酯+水。
5.酯化反應中濃硫酸起什么作用
【答案】催化劑、吸水劑。
【實驗探究】
1.證明甲酸具有酸性
實驗內容 實驗現象 結論
配制甲酸溶液,取適量甲酸溶液置于試管中,滴加幾滴石蕊溶液 溶液變　　　 甲酸具有酸性
配制甲酸溶液,取適量甲酸溶液置于試管中,加入少量鋅粒 有無色氣體產生,收集并檢驗,氣體為　　　
取適量配制好的甲酸溶液,逐滴加入含有酚酞的氫氧化鈉溶液中 溶液紅色逐漸　　　
取適量配制好的甲酸溶液,逐滴加入碳酸氫鈉溶液中 有無色氣體產生,收集并檢驗,氣體為　　　
…… ……
【答案】紅　氫氣　變淺至消失　CO2
2.比較乙酸、碳酸和苯酚的酸性強弱
實驗裝置
A裝置現 象及解釋 有無色氣體產生,說明酸性:　　　　;化學方程式:　　　　　　　　　　　　　　
C裝置的現 象及解釋 溶液變渾濁,說明酸性:　　　　;化學方程式:　　　　　　　　　　　
B裝置的 作用 除去A中揮發的乙酸
實驗結論 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
【核心歸納】
1.羧酸的化學性質
羧酸反應時,羧基()中①②號極性鍵斷裂。
(1)酸性——弱酸,具有酸的性質
乙酸的電離方程式:CH3COOHCH3COO-+H+。
①HCOOH與NaHCO3反應:HCOOH+NaHCO3HCOONa+CO2↑+H2O。
②苯甲酸與NaOH反應:
+NaOH+H2O。
③乙二酸與NaOH反應:+2NaOH+2H2O。
(2)酯化反應(乙酸與乙醇反應)
①乙酸與乙醇的酯化反應方程式:CH3COOH+CH3CH2OHCH3COOC2H5+H2O。
②原理:
用同位素示蹤法探究酯化反應中的脫水方式。用含有示蹤原子的CH3COH與CH3COOH反應,化學方程式為+H—18O—C2H518OC2H5+H2O,說明酯化反應時,羧基脫—OH,醇羥基脫—H。
注意:酯化反應是可逆反應,濃硫酸在此反應中作催化劑和吸水劑。羧酸的化學性質主要取決于羧基官能團。由于受氧原子電負性較大等因素的影響,當羧酸發生化學反應時,羧基結構中下面兩個部位的化學鍵容易斷裂:
2.醇、酚、羧酸分子中羥基氫原子的活潑性比較
名稱 乙醇 苯酚 乙酸
結構簡式 CH3CH2OH CH3COOH
羥基氫原子 的活潑性 不能電離 能電離 能電離
酸性 中性 極弱酸性 弱酸性
與Na反應 反應放出H2 反應放出H2 反應放出H2
與NaOH反應 不反應 反應 反應
與Na2CO3反應 不反應 反應 反應
與NaHCO3反應 不反應 不反應 反應
由上表可知,常見分子(離子)中羥基氫原子的活潑性順序為RCOOH>H2CO3>>HC>H2O>ROH。運用上述實驗現象的不同,可判斷有機物分子結構中含有的羥基類型。
【典型例題】
【例4】下列關于乙酸性質的敘述中,錯誤的是(　　)。
A.乙酸的酸性比碳酸強,所以它可以與碳酸鹽溶液反應,生成CO2氣體
B.乙酸能與鈉反應放出H2且比乙醇與鈉的反應劇烈
C.乙酸與乙醇發生的反應是中和反應
D.乙酸在溫度低于16.6 ℃時,就凝結成冰狀晶體
【答案】C
【解析】乙酸的官能團為羧基,能電離出H+,具有酸的通性,且酸性比H2CO3強,能與Na2CO3反應產生CO2,能與Na反應產生H2(比乙醇與鈉反應劇烈),A、B兩項正確;乙酸與乙醇發生的反應是酯化反應,C項錯誤;乙酸在溫度低于16.6 ℃時,會凝結成冰一樣的晶體,D項正確。
【例5】將1 mol乙醇(其中的羥基氧用18O標記)在濃硫酸存在并加熱的條件下與足量乙酸充分反應。下列敘述不正確的是(　　)。
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】乙醇與乙酸發生酯化反應的過程中,乙酸分子中的羥基和乙醇分子中羥基上的氫原子結合生成水分子,所以乙醇分子中標記的氧原子進入到乙酸乙酯中,水分子中沒有標記的氧原子。乙酸和乙醇的酯化反應為可逆反應,所以1 mol乙醇與足量乙酸反應生成的乙酸乙酯的物質的量小于1 mol,即乙酸乙酯的質量小于90 g。
【例6】實驗室制取少量乙酸乙酯的裝置如圖所示。下列關于該實驗的敘述中不正確的是(　　)。
A.向a試管中先加入濃硫酸,然后邊搖動試管邊慢慢加入乙醇,再加入冰醋酸
B.試管b中導氣管下端管口不能浸入液面的目的是防止實驗過程中產生倒吸現象
C.實驗時加熱試管a的目的之一是及時將乙酸乙酯蒸出,使平衡向生成乙酸乙酯的方向移動
D.試管b中飽和Na2CO3溶液的作用是吸收隨乙酸乙酯蒸出的少量乙酸和乙醇
【答案】A
【解析】濃硫酸的密度大,且與乙醇和乙酸混合時放出大量的熱,故必須先加入乙醇,再加入濃硫酸,最后加入乙酸,A項不正確。
【靈犀一點】“形形色色”的酯化反應
(1)生成鏈狀酯
①一元羧酸與一元醇的酯化反應
RCOOH+HOR'RCOOR'+H2O
②一元羧酸與二元醇或二元羧酸與一元醇的酯化反應
2CH3COOH+HOCH2CH2OH
CH3COOCH2CH2OOCCH3+2H2O
HOOC—COOH+2CH3CH2OH
CH3CH2OOC—COOCH2CH3+2H2O
(2)生成環狀酯
①二元羧酸與二元醇的酯化反應
++2H2O
②羥基酸自身酯化反應
++2H2O
③羥基酸分子內脫水生成酯,如:
+H2O
(3)生成聚酯
①二元羧酸與二元醇的縮聚反應
nHOOC—COOH+nHOCH2CH2OH
+(2n-1)H2O
②羥基酸自身縮聚反應
+(n-1)H2O
【隨堂檢測】
1.下列事實能說明碳酸的酸性比乙酸弱的是(　　)。
A.乙酸能發生酯化反應,而碳酸不能
B.碳酸和乙酸都能與堿反應
C.乙酸易揮發,而碳酸不穩定易分解
D.乙酸和Na2CO3反應可放出CO2
【答案】D
【解析】能說明碳酸的酸性比乙酸弱的事實,是碳酸鹽和乙酸反應生成碳酸,碳酸分解放出CO2。
2.用18O標記的CH3COH與乙酸反應制取乙酸乙酯,當反應達到平衡時,下列說法正確的是(　　)。
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與丙酸反應,則生成的酯的相對分子質量為102
【答案】C
【解析】發生酯化反應時,羧酸脫去羥基,醇脫去羥基上的氫原子,所以CH3COH和乙酸反應的化學方程式為CH3COH+CH3COOHCH3CO18OCH2CH3+H2O,酯化反應是可逆反應,18O只存在于乙醇和乙酸乙酯中,A、B兩項錯誤,C項正確;CH3COH與丙酸反應生成CH3CH2CO18OCH2CH3,該酯的相對分子質量為104,D項錯誤。
3.有機物M的結構簡式是,下列有關M的性質的敘述中錯誤的是(　　)。
A.M與金屬鈉完全反應時,二者物質的量之比是1∶3
B.M與氫氧化鈉完全反應時,二者物質的量之比是1∶3
C.M能與碳酸鈉溶液反應
D.M既能與羧酸反應,又能與醇反應
【答案】B
【解析】A項,M中有醇羥基、酚羥基、羧基,三者均能與鈉反應,故1 mol M能與3 mol鈉反應,正確;B項,M中的酚羥基、羧基都能與氫氧化鈉反應,故1 mol M能與2 mol氫氧化鈉反應,錯誤;C項,M中的酚羥基、羧基都能與碳酸鈉溶液反應,正確;D項,M含醇羥基,能與羧酸發生酯化反應,含羧基,能與醇發生酯化反應,正確。
4.已知下列數據:
物質 熔點/℃ 沸點/℃ 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
某同學在實驗室制取乙酸乙酯的主要步驟如下:
①配制2 mL濃硫酸、3 mL乙醇(含18O)和2 mL乙酸的混合溶液。
②按下圖連接好裝置(裝置氣密性良好)并加入混合液,用小火均勻加熱3~5 min。
③待試管乙收集到一定量產物后停止加熱,撤出試管乙并用力振蕩,然后靜置待分層。
④分離出乙酸乙酯,洗滌、干燥。
(1)配制①中混合溶液的方法為　 ;
反應中濃硫酸的作用是　　　　　　　　;寫出制取乙酸乙酯的化學方程式:　　 。
(2)上述實驗中飽和碳酸鈉溶液的作用是　　　　(填字母)。
A. 中和乙酸和乙醇
B. 中和乙酸并吸收乙醇
C. 減少乙酸乙酯的溶解
D. 加速酯的生成,提高其產率
(3)步驟②中需要小火均勻加熱,其主要理由是　 　;
步驟③所觀察到的現象是　 　;
欲將乙試管中的物質分離以得到乙酸乙酯,必須使用的儀器有　　　　;分離時,乙酸乙酯應從儀器　　　　(填“下口放”或“上口倒”)出。
(4)該同學反復實驗,得出乙醇與乙酸的用量和得到的乙酸乙酯生成量如下表:
實驗 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
表中數據x的范圍是　　　　;實驗①②⑤探究的是　　　　　　　　　　　　　　　。
【答案】(1)將濃硫酸加入乙醇中,邊加邊振蕩,然后加入乙酸(或先將乙醇與乙酸混合后再加濃硫酸并在加入過程中不斷振蕩)　催化劑、吸水劑　CH3COOH+CH3COHCH3CO18OCH2CH3+H2O
(2)BC
(3)大火加熱會導致大量的原料氣化而損失　液體分層,上層為無色有香味液體,下層為淺紅色液體,振蕩后下層液體顏色變淺　分液漏斗　上口倒
(4)1.57~1.76　增加乙醇或乙酸的用量對酯的產量的影響
【解析】(1)混合時濃硫酸相當于被稀釋,故應將濃硫酸加入乙醇中,然后加入乙酸,也可先將乙醇與乙酸混合好后再加入濃硫酸;因酯化反應速率慢且為可逆反應,使用濃硫酸可加快酯化反應的速率并有利于平衡向生成酯的方向移動(吸收了水);酯化反應的機理是酸脫羥基醇脫氫,故生成的酯中含有18O。
(2) 使用飽和碳酸鈉溶液的理由是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體分層。
(3) 由表中數據知乙醇的沸點(78.0℃)與乙酸乙酯的沸點(77.5℃)很接近,若用大火加熱,大量的乙醇會被蒸發出來,導致原料的大量損失;因酯的密度小于水的密度,故上層為油狀有香味的無色液體,又因會有一定量的乙酸汽化,進入乙中與Na2CO3反應,故下層液體紅色變淺;將分層的液體分離開必須使用分液漏斗,分液時上層液體應從上口倒出。
(4)探究乙醇、乙酸用量的改變對酯產率的影響情況,分析三組實驗數據知,增加乙醇、乙酸的用量,酯的生成量均會增加。
5.下列說法正確的是(　　)。
A.(2021·全國甲卷)用飽和碳酸氫鈉溶液可以鑒別乙酸和乙醇
B.(2021·浙江卷)乙酸、苯甲酸、乙二酸(草酸)均不能使酸性高錳酸鉀溶液褪色
C.(2021·廣東卷,6改編)乙酸可由乙醇氧化制備,故可用白醋清洗水壺中的水垢
D.(2018·海南卷)可用飽和的碳酸氫鈉溶液鑒定酯化反應后體系中是否有未反應的乙酸
【答案】A
【解析】乙酸可與飽和碳酸氫鈉溶液反應,產生氣泡,乙醇不能與飽和碳酸氫鈉溶液發生反應,但與其互溶,二者現象不同,可用飽和碳酸氫鈉溶液鑒別,A項正確;乙二酸具有還原性,能使酸性高錳酸鉀溶液褪色,反應的離子方程式為+5H2C2O4+6H+2Mn2++10CO2↑+8H2O,B項錯誤;用白醋清洗水壺中的水垢與乙酸的酸性有關,與乙酸可由乙醇氧化制備無關,C項錯誤;硫酸也能和碳酸氫鈉反應產生氣泡,故不能用碳酸氫鈉溶液來鑒定酯化反應后體系中乙酸是否反應完全,D項錯誤。
6.(2022·湖南卷)聚乳酸是一種新型的生物可降解高分子材料,其合成路線如下:
+mH2O
下列說法錯誤的是(　　)。
A. m=n-1
B. 聚乳酸分子中含有兩種官能團
C. 1 mol乳酸與足量的Na反應生成1 mol H2
D. 兩分子乳酸反應能夠生成含六元環的分子
【答案】B
【解析】根據氧原子數目守恒可得3n=2n+1+m,即m=n-1,A項正確;聚乳酸是聚酯,分子中含有酯基、羥基和羧基三種官能團,B項錯誤;羧基和羥基都能與鈉反應,1 mol乳酸與足量的Na反應生成1 mol H2,C項正確;兩分子乳酸反應,脫去兩分子水,能夠生成含六元環的環酯分子,D項正確。
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