Kwasy karboksylowe to związki, w cząsteczkach których grupą funkcyjnągrupa funkcyjnagrupą funkcyjną jest grupa karboksylowa, czyli $-\mathrm{COOH}$, składająca się z grupy karbonylowej oraz hydroksylowej. Ogólny wzór kwasu monokarboksylowego to $\mathrm{R}-\mathrm{COOH}$, gdzie „R” jest atomem wodoru lub dowolną grupą alkilową lub arylową.

Kwasy karboksylowe to związki organiczne, które zawierają grupę funkcyjną – grupę karboksylową.

Najprostszym kwasem karboksylowym jest kwas metanowy, ale zaleca się go nazywać kwasem mrówkowym. Model kulkowy cząsteczki tego kwasu i jego wzór Lewisa przedstawiono poniżej.

ReKch2s0Xqek8

Na ilustracji znajduje się model kulkowy kwasu mrówkowego. Wzór kwasu mrówkowego to HCOOH. Do atomu węgla - czarnej kulki - przyłączone są wiązaniami pojedynczymi grupa hydroksylowa - czerwona i biała kulka - i atom wodoru - biała kulka. Wiązaniem podwójnym połączony jest z atomem węgla atom atom tlenu w postaci białej kulki.

R1KqY7zftT9Wu

Na ilustracji znajduje się model kulkowy kwasu mrówkowego. Wzór kwasu mrówkowego to H C O O H. Do atomu węgla przyłączone są wiązaniami pojedynczymi grupa hydroksylowa i atom wodoru oraz wiązaniem podwójnym atom tlenu. Przy atomach tlenu znajdują się znaki sigma minus, przy atomie węgla i atomie wodoru grupy hydroksylowej sigma plus.

Warto też przyjrzeć się długościom wiązań i wartościom kątów pomiędzy wiązaniami w cząsteczce tego kwasu, które zaznaczono na poniższym schemacie.

R1SHrpNSWVdv1

Na ilustracji znajdują się wzór kwasu mrówkowego wraz z podanymi wartościami kątów między wiązaniami i długością wiązań w cząsteczce. Kąty pomiędzy wiązaniami w cząsteczce kwasu metanowego: kąt pomiędzy wiązaniami wodór – węgiel - tlen wynosi 124 stopnie, pomiędzy tlen węgiel tlen wynosi 125 stopni. Kąt miedzy wiązaniami wodór węgiel tlen wynosi 111 stopni. Kąt między wiązaniami węgiel tlen wodór wynosi 106 stopni. Długość wiązań w cząsteczce kwasu metanowego - długość wiązania pomiędzy atomem węgla a atomem tlenu związanym wiązaniem podwójnym wynosi 1,23 angstremy, pomiędzy atomem węgla a atomem wodoru 1,10, między atomem węgla a atomem tlenu 1,32 grupy hydroksylowej. Długość wiązania między atomem tlenu a atomem wodoru wynosi 0,97 angstrema.

Biorąc pod uwagę liczbę grup karboksylowych oraz rodzaj reszty węglowodorowej, kwasy można podzielić w następujący sposób:

Poniżej zamieszczono tabelę, która przedstawia informacje na temat właściwości fizycznych wybranych nasyconych kwasów jednokarboksylowych.

Poniższy schemat przedstawia zmianę właściwości fizycznych kwasów monokarboksylowych wraz ze wzrostem liczby atomów węgla w cząsteczce kwasu.

Wraz ze wzrostem długości łańcucha węglowego o charakterze hydrofobowymhydrofobowośćhydrofobowym (wiązania węgiel–wodór należą do wiązań atomowych niespolaryzowanych), maleje rozpuszczalność kwasu w wodzie. Wraz ze wzrostem liczby atomów węgla w łańcuchu węglowym, cząsteczka kwasu monokarboksylowego staje się więc coraz bardziej hydrofobowa (apolarna). Kwasy o długich łańcuchach węglowodorowych rozpuszczają się praktycznie tylko w rozpuszczalnikach organicznych niepolarnych.

Polarność wiązań w grupie karboksylowej powoduje, że pomiędzy cząsteczkami kwasów karboksylowych tworzą się wiązania wodorowe. AsocjacjaasocjacjaAsocjacja cząsteczek zachodzi nie tylko w fazie ciekłej, ale i gazowej. Kwas octowy w fazie gazowej występuje w postaci cyklicznego dimerudimerdimeru.

Tworzenie wiązań wodorowych pomiędzy cząsteczkami kwasów jest najważniejszą przyczyną stosunkowo wysokich temperatur wrzenia tych związków. Temperatura wrzenia kwasów karboksylowych jest wyraźnie wyższa od temperatury wrzenia alkoholi o podobnych masach molowych, np. temperatury wrzenia kwasu butanowego (M = 88 $\frac{\mathrm{g}}{\mathrm{mol}}$) i pentan‑1-olu (M = 88 $\frac{\mathrm{g}}{\mathrm{mol}}$) wynoszą odpowiednio 164°C i 138°C. Temperatura wrzenia homologów kwasów karboksylowych rośnie w regularny sposób wraz ze zwiększaniem się długości łańcucha węglowego.

Temperatury topnienia nasyconych kwasów monokarboksylowych ${\text{C}}_n{\text{H}}_{2n+1}\text{COOH}$, o parzystej liczbie atomów węgla w cząsteczce, są wyższe od temperatur topnienia sąsiadujących z nimi homologów o nieparzystej liczbie atomów węgla w cząsteczce. Dla przykładu: temperatury topnienia kwasów butanowego, pentanowego i heksanowego wynoszą odpowiednio: –8ºC, –34,5ºC,–3ºC. Kształt cząsteczki kwasu może również mieć istotny wpływ na temperaturę topnienia.

R12iceiMKURwA Ilustracja przedstawia model cząsteczki kwasu oleinowego, w którym w jego środkowej części występuje wiązanie podwójne, a podstawniki przy wiązaniu znajdują się po tej samej stronie. Po prawej stronie łańcucha do szarej kulki przyłączone są dwie pomarańczowe kulki, jedna z nich łączy się z małą, niebieską kulką.

R190wkfOiUnuq Ilustracja przedstawia model. Długi łańcuch, tworzący zygzak, zbudowany jest z szarych kulek połączonych z małymi niebieskimi kulkami. W środku łańcucha między szarymi kulkami jest wiązanie podwójne. Podstawniki przy tym wiązaniu są po przeciwnych stronach. Po prawej stronie łańcucha, na jego końcu, szara kulka łączy się z dwiema pomarańczowymi kulkami, a jedna z nich łączy się z małą niebieską kulką.

kwas oleinowy ${\mathrm{CH}}_3{\left({\mathrm{CH}}_2\right)}_7=\mathrm{CH}{\left({\mathrm{CH}}_2\right)}_7\mathrm{COOH}$ kwas 9Z-oktadecenowy T=16°C

kwas elaidynowy ${\mathrm{CH}}_3{\left({\mathrm{CH}}_2\right)}_7\mathrm{CH}=\mathrm{CH}{\left({\mathrm{CH}}_2\right)}_7\mathrm{COOH}$ kwas 9E‑oktadecenowy T=51°C

Temperatura topienia nienasyconych kwasów karboksylowych wyraźnie zmniejsza się w miarę zwiększania się liczby wiązań podwójnych w cząsteczce.

Kwasy karboksylowe wykazują lepszą rozpuszczalność w wodzie w porównaniu z odpowiednimi alkoholami. Wynika to z możliwości tworzenia przez cząsteczkę kwasu większej liczby wiązań wodorowychwiązanie wodorowewiązań wodorowych z cząsteczkami wody niż z alkoholem. Kwasy karboksylowe (również te nierozpuszczalne w wodzie) rozpuszczają się dobrze w etanolu. Jest to skutkiem tworzenia przez etanol wiązań wodorowych z kwasem oraz oddziaływań van der Waalsa pomiędzy niepolarnymi grupami węglowodorowymi kwasu i etanolu.

Kwasy karboksylowe są słabymi kwasami. Proces ich dysocjacji jonowej można zapisać ogólnym równaniem:

Stała dysocjacji (${\text{K}}_a$) tych kwasów jest rzędu wielkości ${10}^{-4}-{10}^{-5}$. W roztworach wodnych kwasy karboksylowe ulegają dysocjacji elektrolitycznej z odszczepieniem kationu oksoniowego ${\text{H}}_3{\text{O}}^{+}$.

Słownik

Bibliografia

Dudek‑Różycki K., Płotek M., Wichur T., Węglowodory. Repetytorium i zadania, Kraków 2020.

Dudek‑Różycki K., Płotek M., Wichur T., Związki organiczne zawierające azot oraz wielofunkcyjne pochodne węglowodorów. Repetytorium i zadania, Kraków 2021.

Dudek‑Różycki K., Płotek M., Wichur T., Kompendium terminologii oraz nazewnictwa związków organicznych. Poradnik dla nauczycieli i uczniów, Kraków 2020.