2. Основания взаимодействуют с кислотами с образованием соли и воды (реакция нейтрализации). Например:
КОН + НС1 = КС1 + Н 2 О;
Fe(OH) 2 +2HNO 3 = Fe(NO 3) 2 + 2Н 2 О
3. Щелочи взаимодействуют с кислотными оксидами с образованием соли и воды:
Са(ОН) 2 + СО 2 = СаСО 2 + Н 2 О.
4. Растворы щелочей взаимодействуют с растворами солей, если в результате образуется нерастворимое основание или нерастворимая соль. Например:
2NaOH + CuSO 4 = Cu(OH) 2 ↓ + Na 2 SO 4 ;
Ва(ОН) 2 + Na 2 SO 4 = 2NaOH + BaSO 4 ↓
5. Нерастворимые основания при нагревании разлагаются на основный оксид и воду.
2Fе(ОН) 3 Fе 2 О 3 + ЗН 2 О.
6. Растворы щелочей взаимодействуют с металлами, которые образуют амфотерные оксиды и гидроксиды (Zn, Al и др.).
2AI + 2КОН + 6Н 2 О = 2K + 3H 2 .
Получение оснований
Получение растворимых оснований :
а) взаимодействием щелочных и щелочноземельных металлов с водой:
2Na + 2Н 2 О = 2NaOH + Н 2 ;
б) взаимодействием оксидов щелочных и щелочноземельных металлов с водой:
Na 2 O + Н 2 О = 2NaOH.
2. Получение нерастворимых оснований действием щелочей на растворимые соли металлов:
2NaOH + FeSO 4 = Fe(OH) 2 ↓ + Na 2 SO 4 .
Кислоты ‑ сложные вещества, при диссоциации которых в воде, образуются ионы водорода H + и никаких других катионов.
Химические свойства
Общие свойства кислот в водных растворах обусловлены присутствием ионов Н + (вернее H 3 O +), которые образуются в результате электролитической диссоциации молекул кислот:
1. Кислоты одинаково изменяют цвет индикаторов (табл. 6).
2. Кислоты взаимодействуют с основаниями.
Например:
Н 3 РО 4 + 3NaOH=Na 3 PO 4 +ЗН 2 О;
Н 3 РО 4 + 2NaOH = Na 2 HPO 4 + 2Н 2 О;
Н 3 РО 4 + NaOH = NaH 2 PO 4 + Н 2 О;
3. Кислоты взаимодействуют с основными оксидам:
2НСl + СаО = СаС1 2 + Н 2 О;
H 2 SO 4 +Fe 2 O 3 = Fe 2 (SO 4) 3 + ЗН 2 О.
4. Кислоты взаимодействуют с амфотерными оксидами:
2HNO 3 + ZnO = Zn(NO 3) 2 + Н 2 О.
5. Кислоты взаимодействуют с некоторыми средними солями с образованием новой соли и новой кислоты, реакции возможны в том случае, если в результате образуется нерастворимая соль или более слабая (или более летучая) кислота, чем исходная. Например:
2НС1+Na 2 CO 3 = 2NaCl+H 2 O +CO 2 ;
2NaCl + H 2 SO 4 = 2HCl + Na 2 SO 4 .
6. Кислоты взаимодействуют с металлами. Характер продуктов этих реакций зависит от природы и концентрации кислоты и от активности металла. Например, разбавленная серная кислота, хлороводородная кислота и другие кислоты-неокислители взаимодействуют с металлами, которые находятся в ряду стандартных электродных потенциалов (см. главу 7.) левее водорода. В результате реакции образуются соль и газообразный водород:
H 2 SO 4 (разб)) + Zn = ZnSO 4 + Н 2 ;
2НС1 + Mg = MgCl 2 + H 2 .
Кислоты-окислители (концентрированная серная кислота, азотная кислота HNO 3 любой концентрации) взаимодействуют и с металлами, стоящими в ряду стандартных электродных потенциалов после водорода с образованием соли и продукта восстановления кислоты. Например:
2H 2 SO 4 (конц) + Zn = ZnSO 4 +SO 2 + 2H 2 O;
Получение кислот
1. Бескислородные кислоты получают путем синтеза из простых веществ и последующим растворением продукта в воде.
S + Н 2 = Н 2 S.
2. Оксокислоты получают взаимодействием кислотных оксидов с водой.
SO 3 + Н 2 О = H 2 SО 4 .
3. Большинство кислот можно получить взаимодействием солей с кислотами.
Na 2 SiО 3 + H 2 SO 4 = H 2 SiО 3 + Na 2 SO 4 .
Амфотерные гидроксиды
1. В нейтральной среде (чистая вода) амфотерные гидроксиды практически не растворяются и не диссоциируют на ионы. Они растворяются в кислотах и щелочах. Диссоциацию амфотерных гидроксидов в кислой и щелочной средах можно выразить следующими уравнениями:
Zn+ OH - Zn(OH)H + + ZnO
А1 3+ + ЗОН - Al(OH) 3 H + + AlO+ H 2 O
2. Амфотерные гидроксиды взаимодействуют как с кислотами, так и со щелочами, образуя соль и воду.
Взаимодействие амфотерных гидроксидов с кислотам:
Zn(OH) 2 + 2НCl + ZnCl 2 + 2Н 2 О;
Sn(OH) 2 + H 2 SO 4 = SnSO 4 + 2Н 2 О.
Взаимодействие амфотерных гидроксидов со щелочами:
Zn(OH) 2 + 2NaOH Na 2 ZnO 2 + 2H 2 O;
Zn(OH) 2 + 2NaOH Na 2 ;
Pb(OH) 2 + 2NaOHNa 2 .
Соли – продукты замещения атомов водорода в молекуле кислоты на атомы металла или замещения гидроксид-иона в молекуле основания кислотными остатками.
Общие химические свойства солей
1. Соли в водных растворах диссоциируют на ионы:
а) средние соли диссоциируют на катионы металлов и анионы кислотных остатков:
NaCN =Na + +СN - ;
6) кислые соли диссоциируют на катионы металла и сложные анионы:
KHSО 3 = К + + HSO 3 - ;
в) основные соли диссоциируют на сложные катионы и анионы кислотных остатков:
АlОН(СН 3 СОО) 2 =АlОН 2+ + 2СН 3 СОО - .
2. Соли взаимодействуют с металлами с образованием новой соли и нового металла. Данный металл может вытеснять из растворов солей только те металлы, которые находятся правее его в электрохимическом ряду напряжения:
CuSO 4 + Fe = FeSO 4 + Сu.
Растворимые соли взаимодействуют со щелочами с образованием новой соли и нового основания. Реакция возможна, если образующееся основание или соль выпадают в осадок.
Например:
FeCl 3 +3КОН = Fe(OH) 3 ↓+3КС1;
К 2 СО 3 +Ba(OH) 2 = ВаCO 3 ↓+ 2КОН.
4. Соли взаимодействуют с кислотами с образованием новой более слабой кислоты или новой нерастворимой соли:
Na 2 CO 3 + 2HC1 = 2NaCl + CO 2 + H 2 O.
При взаимодействии соли с кислотой, образующей данную соль, получается кислая соль (это возможно в том случае, если соль образована многоосновной кислотой).
Например:
Na 2 S + H 2 S = 2NaHS;
CaCO 3 + CO 2 + H 2 O = Ca(HCО 3) 2 .
5. Соли могут взаимодействовать между собой с образованием новых солей, если одна из солей выпадает в осадок:
AgNO 3 + KC1 = AgCl↓ + KNO 3 .
6. Многие соли разлагаются при нагревании:
MgCО 3 MgO+ CО 2 ;
2NaNO 3 2NaNO 2 + O 2 .
7. Основные соли взаимодействуют с кислотами с образованием средних солей и воды:
Fe(OH) 2 NO 3 +HNO 3 = FeOH(NO 3) 2 +H 2 O;
FeOH(NO 3) 2 +HNO 3 = Fe(NO 3) 3 + H 2 O.
8. Кислые соли взаимодействуют с щелочами с образованием средних солей и воды:
NaHSO 4 + NaOH = Na 2 SO 3 + H 2 O;
КН 2 РО 4 + КОН = К 2 НРО 4 + Н 2 О.
Получение солей
Все способы получения солей основаны на химических свойствах важнейших классов неорганических соединений. Десять классических способов получения солей представлены в таблице. 7.
Кроме общих способов получения солей, возможны и некоторые частные способы:
1. Взаимодействие металлов, оксиды и гидроксиды которых являются амфотерными, со щелочами.
2. Сплавление солей с некоторыми кислотными оксидами.
K 2 CO 3 + SiO 2 K 2 SiO 3 + CO 2 .
3. Взаимодействие щелочей с галогенами:
2КОН +Сl 2 KCl +KClO + H 2 O.
4. Взаимодействие галогенидов с галогенами:
2КВг + Cl 2 = 2КС1 +Вг 2.
7. Кислоты. Соли. Взаимосвязь между классами неорганических веществ
7.1. Кислоты
Кислоты - это электролиты, при диссоциации которых в качестве положительно заряженных ионов образуются только катионы водорода H + (точнее - ионы гидроксония H 3 O +).
Другое определение: кислоты - это сложные вещества, состоящие из атома водорода и кислотных остатков (табл. 7.1).
Таблица 7.1
Формулы и названия некоторых кислот, кислотных остатков и солей
| Формула кислоты | Название кислоты | Кислотный остаток (анион) | Название солей (средних) |
|---|---|---|---|
| HF | Фтористоводородная (плавиковая) | F − | Фториды |
| HCl | Хлористоводородная (соляная) | Cl − | Хлориды |
| HBr | Бромистоводородная | Br − | Бромиды |
| HI | Иодистоводородная | I − | Иодиды |
| H 2 S | Сероводородная | S 2− | Сульфиды |
| H 2 SO 3 | Сернистая | SO 3 2 − | Сульфиты |
| H 2 SO 4 | Серная | SO 4 2 − | Сульфаты |
| HNO 2 | Азотистая | NO 2 − | Нитриты |
| HNO 3 | Азотная | NO 3 − | Нитраты |
| H 2 SiO 3 | Кремниевая | SiO 3 2 − | Силикаты |
| HPO 3 | Метафосфорная | PO 3 − | Метафосфаты |
| H 3 PO 4 | Ортофосфорная | PO 4 3 − | Ортофосфаты (фосфаты) |
| H 4 P 2 O 7 | Пирофосфорная (двуфосфорная) | P 2 O 7 4 − | Пирофосфаты (дифосфаты) |
| HMnO 4 | Марганцевая | MnO 4 − | Перманганаты |
| H 2 CrO 4 | Хромовая | CrO 4 2 − | Хроматы |
| H 2 Cr 2 O 7 | Дихромовая | Cr 2 O 7 2 − | Дихроматы (бихроматы) |
| H 2 SeO 4 | Селеновая | SeO 4 2 − | Селенаты |
| H 3 BO 3 | Борная | BO 3 3 − | Ортобораты |
| HClO | Хлорноватистая | ClO – | Гипохлориты |
| HClO 2 | Хлористая | ClO 2 − | Хлориты |
| HClO 3 | Хлорноватая | ClO 3 − | Хлораты |
| HClO 4 | Хлорная | ClO 4 − | Перхлораты |
| H 2 CO 3 | Угольная | CO 3 3 − | Карбонаты |
| CH 3 COOH | Уксусная | CH 3 COO − | Ацетаты |
| HCOOH | Муравьиная | HCOO − | Формиаты |
При обычных условиях кислоты могут быть твердыми веществами (H 3 PO 4 , H 3 BO 3 , H 2 SiO 3) и жидкостями (HNO 3 , H 2 SO 4 , CH 3 COOH). Эти кислоты могут существовать как в индивидуальном (100%-ном виде), так и в виде разбавленных и концентрированных растворов. Например, как в индивидуальном виде, так и в растворах известны H 2 SO 4 , HNO 3 , H 3 PO 4 , CH 3 COOH.
Ряд кислот известны только в растворах. Это все галогеноводородные (HCl, HBr, HI), сероводородная H 2 S, циановодородная (синильная HCN), угольная H 2 CO 3 , сернистая H 2 SO 3 кислота, которые представляют собой растворы газов в воде. Например, соляная кислота - это смесь HCl и H 2 O, угольная - смесь CO 2 и H 2 O. Понятно, что употреблять выражение «раствор соляной кислоты» неправильно.
Большинство кислот растворимы в воде, нерастворима кремниевая кислота H 2 SiO 3 . Подавляющее число кислот имеют молекулярное строение. Примеры структурных формул кислот:
В большинстве молекул кислородсодержащих кислот все атомы водорода связаны с кислородом. Но есть и исключения:
Кислоты классифицируют по ряду признаков (табл. 7.2).
Таблица 7.2
Классификация кислот
| Признак классификации | Тип кислоты | Примеры |
|---|---|---|
| Число ионов водорода, образующихся при полной диссоциации молекулы кислоты | Одноосновные | HCl, HNO 3 , CH 3 COOH |
| Двухосновные | H 2 SO 4 , H 2 S, H 2 CO 3 | |
| Трехосновные | H 3 PO 4 , H 3 AsO 4 | |
| Наличие или отсутствие в молекуле атома кислорода | Кислородсодержащие (кислотные гидроксиды, оксокислоты) | HNO 2 , H 2 SiO 3 , H 2 SO 4 |
| Бескислородные | HF, H 2 S, HCN | |
| Степень диссоциации (сила) | Сильные (полностью диссоциируют, сильные электролиты) | HCl, HBr, HI, H 2 SO 4 (разб), HNO 3 , HClO 3 , HClO 4 , HMnO 4 , H 2 Cr 2 O 7 |
| Слабые (диссоциируют частично, слабые электролиты) | HF, HNO 2 , H 2 SO 3 , HCOOH, CH 3 COOH, H 2 SiO 3 , H 2 S, HCN, H 3 PO 4 , H 3 PO 3 , HClO, HClO 2 , H 2 CO 3 , H 3 BO 3 , H 2 SO 4 (конц) | |
| Окислительные свойства | Окислители за счет ионов Н + (условно кислоты-неокислители) | HCl, HBr, HI, HF, H 2 SO 4 (разб), H 3 PO 4 , CH 3 COOH |
| Окислители за счет аниона (кислоты-окислители) | HNO 3 , HMnO 4 , H 2 SO 4 (конц), H 2 Cr 2 O 7 | |
| Восстановители за счет аниона | HCl, HBr, HI, H 2 S (но не HF) | |
| Термическая устойчивость | Существуют только в растворах | H 2 CO 3 , H 2 SO 3 , HClO, HClO 2 |
| Легко разлагаются при нагревании | H 2 SO 3 , HNO 3 , H 2 SiO 3 | |
| Термически устойчивы | H 2 SO 4 (конц), H 3 PO 4 |
Все общие химические свойства кислот обусловлены наличием в их водных растворах избытка катионов водорода H + (H 3 O +).
1. Вследствие избытка ионов H + водные растворы кислот изменяют окраску лакмуса фиолетового и метилоранжа на красную, (фенолфталеин окраску не изменяет, остается бесцветным). В водном растворе слабой угольной кислоты лакмус не красный, а розовый, раствор над осадком очень слабой кремниевой кислоты вообще не изменяет окраску индикаторов.
2. Кислоты взаимодействуют с основными оксидами, основаниями и амфотерными гидроксидами, гидратом аммиака (см. гл. 6).
Пример 7.1. Для осуществления превращения BaO → BaSO 4 можно использовать: а) SO 2 ; б) H 2 SO 4 ; в) Na 2 SO 4 ; г) SO 3 .
Решение. Превращение можно осуществить, используя H 2 SO 4:
BaO + H 2 SO 4 = BaSO 4 ↓ + H 2 O
BaO + SO 3 = BaSO 4
Na 2 SO 4 с BaO не реагирует, а в реакции BaO с SO 2 образуется сульфит бария:
BaO + SO 2 = BaSO 3
Ответ : 3).
3. Кислоты реагируют с аммиаком и его водными растворами с образованием солей аммония:
HCl + NH 3 = NH 4 Cl - хлорид аммония;
H 2 SO 4 + 2NH 3 = (NH 4) 2 SO 4 - сульфат аммония.
4. Кислоты-неокислители с образованием соли и выделением водорода реагируют с металлами, расположенными в ряду активности до водорода:
H 2 SO 4 (разб) + Fe = FeSO 4 + H 2
2HCl + Zn = ZnCl 2 = H 2
Взаимодействие кислот-окислителей (HNO 3 , H 2 SO 4 (конц)) с металлами очень специфично и рассматривается при изучении химии элементов и их соединений.
5. Кислоты взаимодействуют с солями. Реакция имеет ряд особенностей:
а) в большинстве случаев при взаимодействии более сильной кислоты с солью более слабой кислоты образуется соль слабой кислоты и слабая кислота или, как говорят, более сильная кислота вытесняет более слабую. Ряд убывания силы кислот выглядит так:
Примеры протекающих реакций:
2HCl + Na 2 CO 3 = 2NaCl + H 2 O + CO 2
H 2 CO 3 + Na 2 SiO 3 = Na 2 CO 3 + H 2 SiO 3 ↓
2CH 3 COOH + K 2 CO 3 = 2CH 3 COOK + H 2 O + CO 2
3H 2 SO 4 + 2K 3 PO 4 = 3K 2 SO 4 + 2H 3 PO 4
Не взаимодействуют между собой, например, KCl и H 2 SO 4 (разб), NaNO 3 и H 2 SO 4 (разб), K 2 SO 4 и HCl (HNO 3 , HBr, HI), K 3 PO 4 и H 2 CO 3 , CH 3 COOK и H 2 CO 3 ;
б) в некоторых случаях более слабая кислота вытесняет из соли более сильную:
CuSO 4 + H 2 S = CuS↓ + H 2 SO 4
3AgNO 3 (разб) + H 3 PO 4 = Ag 3 PO 4 ↓ + 3HNO 3 .
Такие реакции возможны тогда, когда осадки полученных солей не растворяются в образующихся разбавленных сильных кислотах (H 2 SO 4 и HNO 3);
в) в случае образования осадков, нерастворимых в сильных кислотах, возможно протекание реакции между сильной кислотой и солью, образованной другой сильной кислотой:
BaCl 2 + H 2 SO 4 = BaSO 4 ↓ + 2HCl
Ba(NO 3) 2 + H 2 SO 4 = BaSO 4 ↓ + 2HNO 3
AgNO 3 + HCl = AgCl↓ + HNO 3
Пример 7.2. Укажите ряд, в котором приведены формулы веществ, которые реагируют с H 2 SO 4 (разб).
1) Zn, Al 2 O 3 , KCl (p-p); 3) NaNO 3 (p-p), Na 2 S, NaF;2) Cu(OH) 2 , K 2 CO 3 , Ag; 4) Na 2 SO 3 , Mg, Zn(OH) 2 .
Решение. С H 2 SO 4 (разб) взаимодействуют все вещества ряда 4):
Na 2 SO 3 + H 2 SO 4 = Na 2 SO 4 + H 2 O + SO 2
Mg + H 2 SO 4 = MgSO 4 + H 2
Zn(OH) 2 + H 2 SO 4 = ZnSO 4 + 2H 2 O
В ряду 1) неосуществима реакция с KCl (p-p), в ряду 2) - с Ag, в ряду 3) - с NaNO 3 (p-p).
Ответ : 4).
6. Очень специфически в реакциях с солями ведет себя концентрированная серная кислота. Это нелетучая и термически устойчивая кислота, поэтому из твердых (!) солей вытесняет все сильные кислоты, так как они более летучие, чем H 2 SO 4 (конц):
KCl (тв) + H 2 SO 4 (конц) KHSO 4 + HCl
2KCl (тв) + H 2 SO 4 (конц) K 2 SO 4 + 2HCl
Соли, образованные сильными кислотами (HBr, HI, HCl, HNO 3 , HClO 4), реагируют только с концентрированной серной кислотой и только находясь в твердом состоянии
Пример 7.3. Концентрированная серная кислота, в отличие от разбавленной, реагирует:
3) KNO 3 (тв);
Решение. С KF, Na 2 CO 3 и Na 3 PO 4 реагируют обе кислоты, а с KNO 3 (тв) - только H 2 SO 4 (конц).
Ответ : 3).
Способы получения кислот весьма разнообразны.
Бескислородные кислоты получают:
- растворением в воде соответствующих газов:
HCl (г) + H 2 O (ж) → HCl (p-p)
H 2 S (г) + H 2 O (ж) → H 2 S (р-р)
- из солей вытеснением более сильными или менее летучими кислотами:
FeS + 2HCl = FeCl 2 + H 2 S
KCl (тв) + H 2 SO 4 (конц) = KHSO 4 + HCl
Na 2 SO 3 + H 2 SO 4 Na 2 SO 4 + H 2 SO 3
Кислородсодержащие кислоты получают:
- растворением соответствующих кислотных оксидов в воде, при этом степень окисления кислотообразующего элемента в оксиде и кислоте остается одинаковой (исключение - NO 2):
N 2 O 5 + H 2 O = 2HNO 3
SO 3 + H 2 O = H 2 SO 4
P 2 O 5 + 3H 2 O 2H 3 PO 4
- окислением неметаллов кислотами-окислителями:
S + 6HNO 3 (конц) = H 2 SO 4 + 6NO 2 + 2H 2 O
- вытеснением сильной кислоты из соли другой сильной кислоты (если выпадает нерастворимый в образующихся кислотах осадок):
Ba(NO 3) 2 + H 2 SO 4 (разб) = BaSO 4 ↓ + 2HNO 3
AgNO 3 + HCl = AgCl↓ + HNO 3
- вытеснением летучей кислоты из ее солей менее летучей кислотой.
С этой целью чаще всего используют нелетучую термически устойчивую концентрированную серную кислоту:
NaNO 3 (тв) + H 2 SO 4 (конц) NaHSO 4 + HNO 3
KClO 4 (тв) + H 2 SO 4 (конц) KHSO 4 + HClO 4
- вытеснением более слабой кислоты из ее солей более сильной кислотой:
Ca 3 (PO 4) 2 + 3H 2 SO 4 = 3CaSO 4 ↓ + 2H 3 PO 4
NaNO 2 + HCl = NaCl + HNO 2
K 2 SiO 3 + 2HBr = 2KBr + H 2 SiO 3 ↓
| Название | Формула | Название солей и сложных эфиров |
| Алифатические | ||
| Метановая (муравьиная) | НСООН | формиат |
| Этановая (уксусная) | СН 3 СООН | ацетат |
| Пропановая (пропионовая) | СН 3 СН 2 СООН | пропионат |
| Бутановая (масляная) | СН 3 (СН 2) 2 СООН | бутират |
| 2-метилпропановая (изомасляная) | (СН 3) 2 СНСООН | изобутират |
| Пропеновая (акриловая) | СН 2 =СНСООН | акрилат |
| Бутен-3-овая (винилуксусная) | СН 2 =СНСН 2 СООН | винилацетат |
| Ароматические | ||
| Бензойная | бензоат | |
| Алифатические | ||
| Этандиовая (щавелевая) | НООС─СООН | оксалат |
| Пропандиовая (малоновая) | НООССН 2 СООН | малонат |
| Бутандиовая (янтарная) | НООССН 2 СН 2 СООН | сукцинат |
| Пентандиовая (глутаровая) | НООС(СН 2) 3 СООН | глутарат |
| Цис-Бутендиовая (малеиновая) |  | малеинат |
| Транс-Бутендиовая (фумаровая) |  | фумарат |
Приложение 5.
Медико-биологическое значение карбоновых кислот и их производных
Карбоновые кислоты содержатся в значительном количестве в клетках животных и особенно растений. Они являются продуктами превращения основных питательных веществ: жиров, белков и углеводов. Кроме того, многие имеющиеся или поступающие в клетку органические вещества на конечных этапах катаболизма (диссимиляции) превращаются в ту или иную карбоновую кислоту. В то же время карбоновые кислоты синтезируются в клетке, т.е. являются продуктами анаболизма (ассимиляции), так как они необходимы для жизнедеятельности клетки и организма в целом.
Многие карбоновые кислоты и их производные применяют для синтеза лекарственных соединений.
Изовалериановая кислота используется для получения таких лекарственных средств, как валидол и бромизовал. Этиловый эфир α-бромизовалериановой кислоты (СН 3) 2 СНСН(Br)COOC 2 H 5 входит в состав валокордина, корвалола и валосердина.
Акриловая кислота и её производные склонны к полимеризации. Полиакрилаты широко используются в стоматологической практике для изготовления протезов. Водные эмульсии полиакрилатов (типа латекса) применяются в производстве клеев и мягких медицинских пластырей.
Бензоат натрия (C 6 H 5 COONa) используется в пищевой промышленности в качестве консерванта.
Парацетамол и фенацетин являются замещенными амидами уксусной кислоты, уже много лет используются в медицинской практике.
Янтарная кислота (HOOCCH 2 CH 2 COOH) – промежуточный продукт биологического расщепления белков, углеводов и жиров.
Фумаровая кислота участвует в биохимических процессах. Она является промежуточным соединением в цикле трикарбоновых кислот.
Тема 3. ВЫСШИЕ ЖИРНЫЕ КАРБОНОВЫЕ КИСЛОТЫ. ЛИПИДЫ. ФОСФОЛИПИДЫ.
АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ
Липиды являются широкой группой природных жирорастворимых соединений выполняющих ряд важнейших биологических функций.
В животном организме липиды выполняют энергетическую функцию (резервные топливные молекулы), защитную и терморегуляторную функции, структурную (компоненты клеточной мембраны) и регуляторную (жирорастворимые витамины и гормоны) функции.
Вследствие многообразия химического строения и функций при классификации липидов используется не их химическое строение, а способность вступать в реакцию щелочного гидролиза (омыления) с образованием водорастворимых продуктов (мыла).
В соответствии с этим признаком липиды делятся на омыляемые и неомыляемые.
К омыляемым липидам относятся простые липиды: жиры, масла и воски; сложные липилы: фосфолипиды, гликолипиды, сфинголипиды.
К неомыляемым относятся терпеноиды (липиды растительных клеток), стероиды (липиды животных клеток) и простагландины, проявляющие высокую регуляторную активность.
Понимание строения, физических и химических свойств различных классов липилов обеспечивают понимание биохимических аспектов липидного обмена и его нарушений, процессов переваривания жиров, функций низкомолекулярных биорегуляторов: витаминов и гормонов.
Представления о дифильной структуре сложных липидов, позволяет трактовать их участие в построении клеточной мембраны и обеспечении ее избирательной проницаемости и реологических характеристик.
ЦЕЛИ ОБУЧЕНИЯ
ОБЩАЯ ЦЕЛЬ:
Уметь классифицировать липиды по их способности вступать в реакцию омыления, по их природе, определять их основные структурные компоненты для объяснения особенностей их химического поведения.
КОНКРЕТНЫЕ ЦЕЛИ.
УМЕТЬ:
1. Интерпретировать понятия высшая жирная карбоновая кислота, насыщенные и ненасыщенные, заменимые и незаменимые жирные кислоты.
2. Интерпретировать химические поведение жиров и масел с точки зрения природы сложноэфирной связи.
3. Интерпретировать механизм реакции гидролиза с точки зрения особенностей строения омыляемых липидов.
4. Интерпретировать биологическую роль сложных липидов в построении клеточных мембран и нервной ткани.
5. Трактовать зависимость биологической активности стероидов от их химического строения и природы функциональных групп.
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ВОПРОСЫ
1. Классификация и биологическая роль липидов.
2. Основные структурные компоненты омыляемых липидов: высшие жирные карбоновые кислоты (ВЖК) (Приложение 6), глицерин, гетерофункциональные соединения: этаноламин (коламин), серин, холин, сфингозин.
3. Строение и свойства простых липидов: реакции гидролиза, омыления, гидрирования. Жиры и масла.
4. Сложные липиды: классификация, строение, свойства и биологическая роль фосфолипидов, гликолипидов и сфинголипидов (Приложение 7). Реакции гидролиза.
5. Неомыляемые липиды. Строение и биологическая роли стероидов. Холестерин. Желчные кислоты, стероидные гормоны (Приложение 8).
6. Строение и биологическая роль терпеноидов. Витамин А. b-Каротин.
Основная литература.
1. Губський Ю.І. Біоорганічна хімія: Підручник. – Вінниця: Нова книга, 2004. – С.251-282
РЕШЕНИЕ ОБУЧАЮЩИХ ЗАДАЧ
Задача 1.
Напишите уравнение реакции гидролиза пальмитоилолеоилстеарина, назовите продукты реакции.
Эталон решения:
Пальмитоилолеоилстеароилглицерин является триглицеридом, содержащим остатки пальмитиновой, олеиновой и стеариновой кислот. Данное соединение содержит три сложноэфирные связи, присоединяет три молекулы воды, образуя свои структурные компоненты: глицерин и три ВЖК: пальмитиновую, олеиновую и стеариновую кислоты.
Гидролиз пальмитоилолеоилстеароилглицерина протекает по уравнению:
Задача 2.
Напишите уравнение реакции гидрирования 2-олеоил-дилинолеоилглицерина, назовите продукт реакции.
Эталон решения:
2-Олеоил-дилинолеоилглицерин является триглицеридом, содержащим остатки ненасыщенных олеиновой и линолиевой кислот, и может быть классифицирован как масло. Гидрирование – процесс, в результате которого двойные связи в ненасыщенных высших карбоновых кислотах насыщаются (происходит присоединение водорода), остатки ненасыщенных кислот превращаются в насыщенные, содержащие такое же количество атомов углерода.
Гидролиз 2-олеоил-дилинолеоилглицерина протекает по уравнению:
Остатки олеиновой и линолевых кислот превращаются в остатки стеариновой кислоты, а масло превращается в жир, содержащий остатки насыщенных ВЖК – тристеароилглицерин.
Задача 3.
Напишите структурную формулу сложного липида фосфатидилхолина, содержащего остатки пальмитиновой и линолиевой кислот.
Эталон решения:
Фосфолипиды являются производными фосфатидной кислоты, основными структурными компонентами которой являются глицерин, ВЖК и фосфорная кислота.
В фосфатидной кислоте первая он группа глицеринового фрагмента ацилирована насыщенной жирной кислотой (к данной задаче – пальмитиновой), вторая ОН- группа ацилирована ненасыщенной ВЖК (в данной задаче – олеиновой), третья ОН группа – ацилирована фосфорной кислотой. Структурная формула форфатидной кислоты может быть представлена как:
Остаток фосфорной кислоты в молекуле фосфатидной кислоты ацилирует аминоспирт, образуя основные группы фосфолипидов. В данной задаче в качестве аминоспирта выступает холин, образуя сложный липид – фостатидилхолин:
Задача 4.
Напишите уравнение реакции ацилирования холестерина пальмитиновой кислотой.
Эталон решения:
В организме человека холестерин является важнейшим представителем стероидов и присутствует как в индивидуальном виде, так и в виде эфиров с ВЖК.
С точки зрения химической структуры холестерин является типичным стероидом, особенностью которого является наличие ОН группы в положении 3. Таким образом, холестерин проявляет функции спирта, реагируя с кислотами с образованием сложных эфиров.
Уравнение реакции ацилирования холестерина пальмитиновой кислотой может быть представлено уравнением:
НАБОР ЗАДАНИЙ ДЛЯ КОНТРОЛЯ САМОПОДГОТОВКИ
Задание 1.
Назовите следующее соединение С 17 Н 29 СООН
А. Пальмитиновая кислота
В. Стеариновая кислота
С. Олеиновая кислота
Е. Линоленовая кислота
Задание 2.
Дайте определение. Простые липиды это –
А. Простые эфиры глицерина и высших жирных кислот
В. Простые эфиры гликоля и высших жирных кислот
С. Сложные эфиры глицерина и высших жирных кислот
D. Сложные эфиры гликоля и высших жирных кислот
Е. Сложные эфиры глицерина и фосфорной кислоты
Задание 3.
Каким реагентом обрабатывают жиры в промышленности для получения мыл?
Задание 4.
Какие соединения при щелочном гидролизе трипальмитоилглицерина:
А. Глицерин и пальмитиновую кислоту
В. Глицерин и пальмитат натрия
С. Глицерин и NаОН
D. Пальмитиновую кислоту и NаОН
Е. Глицерин и стеарат натрия
Задание 5.
Какую функцию выполняют фосфолипиды в организме человека?
А. Энергетическую
В. Теплорегуляторную
С. Необходимы для синтеза витамина D 3
D. Структурную
Е. Необходимы для синтеза гормонов
Задание 6.
Укажите структурные компоненты фосфатидилэтаноламина:
А. Глицерин, ВЖК,этаноламин
В. Глицерин, ВЖК, Н 3 РО 4,
С. Сфингозин, ВЖК, Н 3 РО 4
D. Глицерин, ВЖК, этаноламин, Н 3 РО 4
Е. Сфингозин, ВЖК, глюкоза
Задание 7.
Какие незаменимые кислоты принимают активное участие в формировании клеточных мембран, соединительной ткани, липопротеидов?
А. Линолевая, линоленовая
В. Стеариновая, линолевая
С. Пальмитиновая, стеариновая
D. Олеиновая, пальмитиновая
Е. Пальмитиновая, линоленовая
Задание 8.
Какие липиды преимущественно входят в состав клеточных мембран?
А. Церамиды
В. Фосфолипиды
С. Триглицериды
Е. Терпеноиды
Задание 9.
Выбрать вещества, относящиеся к сложным липидам:
A. Кефалин, холестерин, витамин A
B. Тристеарин, холевая кислота, воск
C. Сфингомиелин, лецитин, галактоцереброзид
D. Фосфатидилсерин, лецитин, триолеин
E. Тристеарин, холевая кислота, арахидоновая кислота
Задание 10.
Напишите уравнение реакции гидролиза липида диолеоил-2-стеароилглицерина, назовите продукты реакции.
Задание 11.
Напишите формулу фосфатидилэтоноламина, содержащего остатки стеариновой и линоленовой кислоты. Укажите гидрофобную и гидрофильную части молекулы
Задание 12.
Напишите структурную формулу холестерина, укажите его биологические функции.
Эталоны ответов:
1 – Е, 2 – С, 3 – D, 4 – B, 5 – D, 6 – D, 7 – A, 8 – B, 9 – C.
Кислоты Кислотами называются сложные вещества, состоящие из атомов водорода, способных замещаться на металл, и кислотного остатка. Номенклатура кислот Различают систематические и традиционные названия кислот. Традиционные названия наиболее известных кислот и их солей приведены в таблице 1. Таблица 1. Название кислоты Формула Название солей Азотистая Азотная Метаалюминиевая Ортоборная Бромоводородная Ортокремниевая Метакремниевая Марганцовистая Марганцовая Родановодородная Серная Тиосерная Сернистая Сероводородная Муравьиная Синильная (циановодородная) Угольная Уксусная Ортофосфорная Метафосфорная Фтороводородная (плавиковая) Хромовая Двухромовая Хлороводородная (соляная) Хлорноватистая Хлористая Хлорноватая Хлорная HNO2 HNO3 HAlO2 H3BO3 HBr H4SiO4 H2SiO3 H2MnO4 HMnO4 HCNS H2SO4 H2S2O3 H2SO3 H2S HCOOH HCN H2CO3 CH3COOH H3PO4 HPO3 HF H2CrO4 H2Cr2O7 HCl HClO HClO2 HClO3 HClO4 Нитриты Нитраты Метаалюминаты Ортобораты Бромиды Ортосиликаты Метасиликаты Манганаты Перманганаты Роданиды Сульфаты Тиосульфаты Сульфиты Сульфиды Формиаты Цианиды Карбонаты Ацетаты Ортофосфаты Метафосфаты Фториды Хроматы Дихроматы Хлориды Гипохлориты Хлориты Хлораты Перхлораты Систематические названия кислородсодержащих кислот строятся по следующиму правилу: в названии аниона вначале указывают число атомов кислорода, их название “оксо-“, а затем кислотообразующего элемента с добавлением суффикса -ат независимо от степени его окисления. Например: 1 H2SO4 - тетраоксосульфат (VI) водорода H2SO3 – триоксосульфат (IV) водорода H3PO4 – тетраоксофосфат (V) водорода При образовании названий кислот, содержащих в своем составе два или более атомов кислотообразующего элемента, употребляют приставки, обозначающие количество атомов кислотообразующего элемента: ди-, три-, тетра- и т.д. Например: H2S2O7 – дисерная кислота H2Cr2O7 – дихромовая кислота H2B4O7 – тетраборная кислота Названия бескислородных кислот образуют от названия кислотообразующего элемента, прибавляя окончание -водородная. Например: HCl – хлороводородная кислота H2S – сероводородная кислота Классификация кислот Кислоты классифицируют по ряду признаков. I. по составу По составу кислоты делятся на кислородсодержащие и бескислородные, а по числу содержащихся в них атомов водорода, способных замещаться на металл, - на одноосновные, двуосновные и трехосновные. Кислоты Бескислородные HF, HCl, HBr, HJ, H2S, HCN, HCNS и другие Кислородсодержащие H2SO4, H2SO3, HNO3, H3PO4, H2SiO3 и другие 2 II. по основности Основностью кислот называется число атомов водорода, способных замещаться на металл. Кислоты Одноосновные Двухосновные Трехосновные HF, HBr, HJ, HNO2, HNO3, HAlO2, HCN и другие Н2SO4, H2SO3, H2S, H2CO3 и другие H3PO4 III. по силе Кислоты Сильные НCl, HBr, HJ, H2SO4, HNO3, HMnO4, HClO4, HClO3, H2Cr2O7, H2S2O3 и другие Слабые HF, HNO2, H2SO3, H2CO3, H2SiO3, H2S, H3BO3, HCN и другие; все органические кислоты Структурные формулы кислот При составлении структурных формул бескислородных кислот следует учитывать, что в молекулах этих кислот атомы водорода связаны с атомом неметалла: H – Cl. При составлении структурных формул кислородсодержащих кислот нужно помнить, что водород с центральным атомом связан посредством атомов кислорода. Если, например, требуется составить структурные формулы серной и ортофосфорной кислот, то поступают так: 3 a) пишут один под другим атомы водорода данной кислоты. Затем через атомы кислорода черточками связывают их с центральным атомом: b) к центральному атому (с учетом валентности) присоединяют остальные атомы кислорода: Способы получения кислот показаны на схеме. Физические свойства Многие кислоты, например серная, азотная, соляная - это бесцветные жидкости. Известны также твердые кислоты: ортофосфорная H3PO4, метафосфорная HPO3. Почти все кислоты растворимы в воде. Пример нерастворимой кислоты – кремниевая H2SiO3. 4 Растворы кислот имеют кислый вкус. Так, например, многим плодам придают кислый вкус содержащиеся в них кислоты. Отсюда и название кислот: яблочная, лимонная и т.д. Химические свойства В обобщенном виде химические свойства кислот рассмотрены в таблице 2. В таблице приведены уравнения реакций, относящиеся к реакциям обмена. Следует учесть, что реакции обмена в растворах протекают до конца в следующих трех случаях: 1. если в результате реакции образуется вода, например в реакции нейтрализации; 2. если один из продуктов реакции – летучее вещество, например, серная кислота вытесняет из солей хлороводородную кислоту, потому что она более летуча; 3. если один из продуктов реакции выпадает в осадок, например, в реакции получения нерастворимых оснований. Таблица 2. Вещества, с которыми реагируют кислоты 1.С индикаторами 2. С металлами. Если металл находится в ряду активности металлов левее водорода, то выделяется водород и образуется соль. Исключение HNO3 и конц.H2SO4 3. С основными оксидами. Образуется соль и вода 4. С основаниями – реакция нейтрализации. Образуется соль и вода 5. С солями. В соответствии с рядом кислот (каждая предыдущая кислота может вытеснить из соли последующую: Примеры Лакмус становится красным Метиловый оранжевый становится розовым Фенолфталиновый становится бесцветным Zn + 2HCl → ZnCl2 + H2 t CuO + H2SO4 → CuSO4 + H2O основание + кислота → соль + вода NaOH + HCl → NaCl + H2O Na2CO3 + HCl → NaCl + H2O + CO2 t ZnCl2 (кр) + H2SO4(конц) → ZnSO4 + 2HCl HNO3 H2SO4, HCl, H2SO3, H2CO3,H2S, H2SiO3 * H3PO4 t 6. При нагревании некоторые H2SiO3 → H2O + SiO2 кислоты разлагаются. Как правило, образуются кислотный оксид и вода * Этот ряд условный. Однако в большинстве случаев реакции между кислотами и солями протекают согласно этому ряду. 5 Вопросы и задания 1. Какие вещества называются кислотами? 2. Составьте структурные формулы следующих кислот: а) угольной; б) бромоводородной; в) сернистой; г) хлорной HClO4 3. Какими способами получают кислоты? 4. Какими двумя способами можно получить: а) ортофосфорную кислоту; б) сероводородную кислоту? Напишите уравнения соответствующих реакций. 5. Начертите нижеприведенную таблицу. В соответствующих графах запишите по три уравнения реакций, в которых участвуют и образуются кислоты. Реакции разложения соединения замещения обмена 6. Приведите по три примера уравнения химических реакций, характеризующих химические свойства кислот. Отметьте, к какому типу реакций они относятся. 7. Какие из веществ, формулы которых приведены, реагируют с соляной кислотой: а) CuO; б) Cu; в) Cu(OH)2; г) Ag; д) Al(OH)3? Напишите уравнения реакций, которые осуществимы. 8. Даны схемы: Напишите уравнения реакций, которые осуществимы. 9. Какие кислоты могут быть получены при взаимодействии оксидов P2O5, Cl2O, SO2, N2O3, SO3 с водой? 10. Напишите формулы и названия кислот, соответствующие следующим кислотным оксидам: CO2, P2O5, Mn2O7, CrO3, SiO2, V2O5, Cl2O7. 6
Кислоты – это сложные вещества, молекулы которых состоят из атомов водорода, способных замещаться, и кислотных остатков.
Кислотный остаток имеет отрицательный заряд.
Бескислородные кислоты: HCl, HBr, H 2 S и т.д.
Элемент, который вместе с атомами водорода и кислорода образует молекулу кислородсодержащей кислоты, называют кислотообразующим .
По числу в молекуле атомов водорода кислоты подразделяют на одноосновные и многоосновные .
Одноосновные кислоты содержат один атом водорода: HCl, HNO 3 , HBr и т.д.
Многоосновные кислоты содержат два и более атомов водорода: H 2 SO 4 (двухосновная), H 3 PO 4 (трехосновная).
В бескислородных кислотах к названию элемента, который образует кислоту, прибавляют соединительную гласную «о» и слова «…водородная кислота ». Например: HF – фтороводородная кислота.
Если кислотообразующий элемент проявляет максимальную степень окисления (она соответствует номеру группы), то к названию элемента прибавляют «…ная кислота». Нопример:
HNO 3 – азотная кислота (потому что атом азота имеет максимальную степень окисления +5)
Если степень окисления элемента ниже максимальной, то прибавляют «…истая кислота»:
1+3-2
HNO 2 – азотистая
кислота (т.к. кислотообразующий элемент N имеет минимальную степень окисления).
H 3 PO 4 – орто фосфорная кислота.
HPO 3 – мета фосфорная кислота.
Структурные формулы кислот.
В молекуле кислородсодержащей кислоты атом водорода связан с атомом кислотообразующего элемента через атом кислорода. Поэтому при составлении структурной формулы к атому кислотообразующего элемента в первую очередь нужно присоединить все гидроксид-ионы.
Затем оставшиеся атомы кислорода двумя черточками соединить непосредственно с атомами кислотообразующего элемента (рис.2).