Номер 160, страница 113 - гдз по химии 10-11 класс задачник Еремин, Дроздов

3.160. От чего зависит сила карбоновой кислоты? Приведите по 3 примера кислот, которые сильнее и слабее уксусной кислоты.

Сила карбоновой кислоты определяется ее способностью диссоциировать в водном растворе с образованием катиона водорода (протона) и карбоксилат-аниона. Этот процесс описывается равновесием:

$R-COOH \rightleftharpoons R-COO^{-} + H^{+}$

Количественной мерой силы кислоты является константа диссоциации $K_a$ или ее отрицательный десятичный логарифм $pK_a$. Чем больше $K_a$ (и, соответственно, меньше $pK_a$), тем сильнее кислота.

Сила карбоновой кислоты зависит, в первую очередь, от стабильности образующегося карбоксилат-аниона $R-COO^{-}$. Чем стабильнее анион, тем легче кислота отдает протон, и тем она сильнее. Стабильность аниона, в свою очередь, зависит от природы радикала R, связанного с карбоксильной группой. Влияние радикала описывается электронными эффектами:

1. Индуктивный эффект. Это смещение электронной плотности вдоль цепи $\sigma$-связей.
– Отрицательный индуктивный эффект (-I). Электроноакцепторные заместители (например, атомы галогенов F, Cl, Br, I; нитрогруппа $-NO_2$) оттягивают электронную плотность от карбоксилат-группы. Это приводит к делокализации (рассредоточению) отрицательного заряда по аниону, что его стабилизирует. Стабилизация аниона сдвигает равновесие диссоциации вправо, увеличивая силу кислоты.
Пример: Хлоруксусная кислота ($ClCH_2COOH$) значительно сильнее уксусной ($CH_3COOH$), так как электроотрицательный атом хлора стягивает на себя электроны, стабилизируя анион $ClCH_2COO^{-}$.
– Положительный индуктивный эффект (+I). Электронодонорные заместители (например, алкильные группы: $-CH_3$, $-C_2H_5$) "насыщают" карбоксилат-группу электронами. Это концентрирует отрицательный заряд на анионе, дестабилизируя его. В результате равновесие диссоциации смещается влево, и сила кислоты уменьшается.
Пример: Уксусная кислота ($CH_3COOH$) слабее муравьиной ($HCOOH$), так как метильная группа ($CH_3$) проявляет +I эффект, а атом водорода практически не обладает индуктивным эффектом.

2. Мезомерный (резонансный) эффект. Он проявляется в сопряженных системах (например, в ароматических или непредельных кислотах) и может как усиливать, так и ослаблять кислотные свойства, в зависимости от природы заместителя.

Таким образом, сила карбоновой кислоты зависит от электронных эффектов заместителей в углеводородном радикале. Электроноакцепторные группы увеличивают силу кислоты, а электронодонорные — уменьшают.

Примеры кислот, которые сильнее уксусной кислоты ($CH_3COOH, pK_a \approx 4.76$)

Это кислоты, содержащие электроноакцепторные группы или не содержащие электронодонорных групп.
1. Муравьиная кислота ($HCOOH, pK_a \approx 3.77$). Атом водорода не является донором электронов, как метильная группа в уксусной кислоте.
2. Хлоруксусная кислота ($ClCH_2COOH, pK_a \approx 2.86$). Атом хлора обладает сильным -I эффектом.
3. Трифторуксусная кислота ($CF_3COOH, pK_a \approx 0.23$). Три атома фтора (самого электроотрицательного элемента) создают мощнейший -I эффект, делая ее очень сильной кислотой.

Примеры кислот, которые слабее уксусной кислоты

Это кислоты, содержащие более сильные электронодонорные группы, чем метильная.
1. Пропионовая (пропановая) кислота ($CH_3CH_2COOH, pK_a \approx 4.87$). Этильная группа обладает большим +I эффектом, чем метильная.
2. Масляная (бутановая) кислота ($CH_3CH_2CH_2COOH, pK_a \approx 4.82$). Пропильная группа также является более сильным донором.
3. Пивалиновая (триметилуксусная) кислота ($(CH_3)_3CCOOH, pK_a \approx 5.03$). Трет-бутильная группа, состоящая из трех метильных групп у одного атома углерода, создает очень сильный +I эффект.

Ответ: Сила карбоновой кислоты зависит от природы радикала, связанного с карбоксильной группой. Электроноакцепторные заместители в радикале (проявляющие отрицательный индуктивный эффект, –I) увеличивают силу кислоты, так как стабилизируют образующийся карбоксилат-анион. Электронодонорные заместители (проявляющие положительный индуктивный эффект, +I) уменьшают силу кислоты, дестабилизируя анион.
Примеры кислот сильнее уксусной: муравьиная кислота ($HCOOH$), хлоруксусная кислота ($ClCH_2COOH$), трифторуксусная кислота ($CF_3COOH$).
Примеры кислот слабее уксусной: пропионовая кислота ($CH_3CH_2COOH$), масляная кислота ($CH_3CH_2CH_2COOH$), пивалиновая кислота ($(CH_3)_3CCOOH$).