Sešit pro laboratorní práci z chemie téma: Vlastnosti karboxylových kyselin autor: MVDr. Alexandra Gajová vytvořeno při realizaci projektu: Inovace školního vzdělávacího programu biologie a chemie registrační číslo projektu: CZ.1.07/1.1.38/01.0002 projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky
Vlastnosti karboxylových kyselin Teorie Karboxylové kyseliny (organické kyseliny) jsou látky, které ve své molekule obsahují jednu, nebo více karboxylových skupin (-COOH). Odvozují se od nich funkční a substituční deriváty. K substitučním derivátům řadíme další významné organické kyseliny, protože došlo k náhradě jednoho, nebo více atomů vodíku v uhlíkatém řetězci kyseliny, ale karboxylová skupina zůstala zachována. Proto tyto deriváty ve svém názvu nesou označení kyselina- např. hydroxykyseliny, aminokyseliny. Mnohé organické kyseliny jsou běžně přítomné v rostlinách, mají mnohostranný význam, využívají se v potravinářském, farmaceutickém, kosmetickém průmyslu, i jinde. Dají se prokázat ph papírkem, hydrogenuhličitanem sodným, neutralizací za vzniku jejich solí, důkazem vzniku komplexů, protože jejich charakteristickou vlastností je schopnost komplexovat vícenásobně nabité kationty kovů (vznik sraženin). Většina karboxylových kyselin se dnes nevyrábí z rostlin ale synteticky, z kyseliny fumarové, nebo také kultivací plísně Aspergillusniger (kyselina citronová). Průmyslově se získávají také katalytickou oxidací n-parafinů (alkany C 20 až C 30 ), katalytickou oxidací aromatických uhlovodíků, energetickou oxidací primárních alkoholů. Většina karboxylových kyselin jsou pevné, krystalické látky, nižší alifatické jsou rozpustné ve vodě, nižší monokarboxylové se vyznačují ostrým zápachem (kyselina octová, máselná). Většina karboxylových kyselin patří mezi slabé kyseliny, vliv má uhlíkový substituent, také jeho poloha. Nejvýznamnější karboxylové kyseliny jsou mravenčí, octová, máselná, palmitová, benzoová, ftalová. Ze substituovaných kyselin jsou např. fluoroctová, salicylová, z biochemického hlediska veškeré aminokyseliny a kyselina pyrohroznová, kterou řadíme mezi oxokyseliny (ketokyselina). V rostlinách jsou přítomné významné kyseliny citronová, jablečná, vinná, šťavelová. Mléčným kvašením vzniká kyselina mléčná, která má velký význam při konzervaci potravin, ale i v koželužství, ve farmaceutickém průmyslu, v textilním průmyslu apod. Tato kyselina je součástí některých metabolických pochodů. Soli karboxylových kyselin vznikají náhradou odštěpitelného atomu vodíku atomem kovu, u kyselin s více karboxylovými skupinami se mohou tvořit i hydrogensoli. Soli karboxylových kyselin můžeme připravit reakcí kyseliny s hydroxidem nebo uhličitanem příslušného kovu, některé lze připravit reakcí kyseliny s neušlechtilým kovem. Například u kyseliny vinné, která je slabá dvojsytná kyselina, neutralizací hydroxidem draselným jednoho karboxylu získáme hydrohenvinan draselný, který je ve vodě špatně rozpustný (0,2 g na 100 ml vody). Ale když budeme dále přidávat hydroxid draselný, zneutralizujeme i druhý karboxyl na vínan draselný, který je ve vodě dobře rozpustný (tak jako kyselina vinná). Významnou reakcí soli karboxylových kyselin je jejich dekarboxylace reakce, při níž dochází k odstranění karboxylové skupiny. Tuto reakci lze provést zahříváním bezvodé sodné soli s hydroxidem sodným. Vzniká uhlovodík, který obsahuje v molekule o jeden atom uhlíku méně, než měla výchozí sůl a také vzniká uhličitan sodný. Protože jsou organické kyseliny slabé, z jejich solí je můžeme vytěsnit anorganickou kyselinou. Anionty karboxylových kyselin podléhají snadno hydrolýze proto vodné roztoky sodných a draselných solí organických kyselin mají zásaditou reakci. CH 3 COO - + H 2 O CH 3 COOH + OH - Významné soli karboxylových kyselin jsou octan sodný, draselný, hlinitý, benzoan sodný, stearan a palmitan sodný, citronan sodný, vínan sodný a další.
Laboratorní cvičení - ověření některých vlastností karboxylových kyselin Příprava krystalků vinného kamene Vinaři mají často problém s vytvářením vinného kamene na povrchu sudů při skladování kyselejších vín, s vyšším obsahem kyseliny vinné. Jedná se o hydrogenvinnan draselný. Můžeme si ho připravit. V kádince rozpusťte v 50 ml vody 5,0 g kyseliny vinné. Ponořením ph papírku zjistíme kyselost roztoku. V jiné kádince ve 20 ml vody rozpusťte 1,9 g hydroxidu draselného. Oba roztoky smícháme. Za pár minut začne krystalizovat vinný kámen, ale kompletní krystalizace je až za několik hodin. Před koncem cvičení krystalky odfiltrujte, promyjte vodou a vysušte. Reakce kyseliny citronové s jedlou sodou Rozkrojíme citron a na řezu posypeme pevným hydrogenuhličitanem sodným. Na kontaktu dojde k šumění, protože se uvolňuje plynný oxid uhličitý jako produkt rozpadu slabé kyseliny uhličité silnější trikarboxylovou kyselinou citronovou. Do protokolu zapište tuto reakci rovnicemi ve dvou fázích Důkaz vitaminu C V třecí misce rozetři cca 5 g vzorku v 5 ml destilované vody a směs přefiltruj do zkumavky. K filtrátu přidej cca 2 ml chloridu železitého (5% FeCl 3 ) a po chvíli 2 ml hexakyanoželezitanu draselného (5% K 3 Fe CN 6 ). Pozoruj barevné změny. Barevné změny jsou důkazem přítomnosti vitaminu C. Po přidání směsi obou roztoků k vitaminu C se směs zbarví temně zeleně. Časem přechází toto zbarvení na modrozelené až výrazně modré. Barevné změny jsou důkazem přítomnosti vitaminu C redukčního činidla. Chemické rovnice: FeCl FeCl FeCl 3 2 K 3 2 2K 2Cl III II Fe CN K Fe Fe CN 8 6
Ověření redukčních účinků kyseliny askorbové Kyselina L-askorbová, vitamín C má výraznou vlastnost redukční účinky. Reaguje podobně jako redukující cukry s Fehlingovým a Tollensovým činidlem a jodem. Rozpusťte 1 tabletu šumivého (nebo 5 tablet nešumivého) Celaskonu ve sklenici vody a nerozpustné podíly odfiltrujte. Odlijte do zkumavky několik ml tohoto roztoku. Pak přidávejte Lugolův roztok (1% roztok jódu v 5% vodném roztoku jodidu draselného). Pozorujte změnu zbarvení, vysvětlete a zapište do protokolu (místo Lugolova roztoku lze využít i Jodisol). Reakci lze zcitlivit vodním roztokem škrobu, který reaguje s nadbytečným jódem na modré zbarvení, pak přidáme malé množství kyseliny chlorovodíkové. Lze využít ke kvantitativnímu titračnímu stanovení vitamínu C v ovocné šťávě. Úkoly: 1. Vypracuj laboratorní protokoly pro každé cvičení. 2. Prostuduj teorii na téma karboxylové kyseliny a jejich deriváty. 3. Do protokolu zapiš vzorec hydrogenvinanu draselného. Z učebnice nastuduj vzorce kyseliny citronové, vinné, jablečné a porovnej. 4. Promysli si doma (nastuduj z dostupných zdrojů) a pak formou krátkého referátu v následující hodině vysvětli spolužákům zdroje karboxylových kyselin v odpadních vodách a dopad na životní prostředí. 5. Co by se stalo, kdybychom v prvním cvičení k roztoku kyseliny vinné přidali nadbytek hydroxidu? 6. Vysvětli princip dekarboxylace. Prostuduj na internetu princip Krebsova cyklu, vysvětli souvislost s kyselinou citronovou. Co je to citrát? Podívejte se na tento odkaz: http://cs.wikipedia.org/wiki/citr%c3%a1tov%c3%bd_cyklus Zjistěte u vyučujícího koncentraci použitých roztoků. Zapište pracovní protokol pro každou zkoušku zvláště (předloha laboratorního protokolu v příloze). Protokol vypracuje každý student samostatně, a odevzdá ho vyučujícímu před následujícím cvičením společně s krátkým kontrolním testem ze zadaných úkolů.
Pracovní protokol musí obsahovat: jméno studenta a číslo pracovní skupiny: datum provedené práce: název laboratorního cvičení: princip: chemikálie: pomůcky: pracovní postup v krocích: 1. 2. 3. 4...
Metodické pokyny pro vyučujícího Cvičení je jednoduché a rychlé, vhodné k doplnění učiva na téma karboxylové kyseliny. V případě vyhrazení laboratorních cvičení pro 2. ročník je vhodné před prováděným cvičením připomenout základní stavbu organických kyselin a jejich vlastnosti. Můžeme na tabuli nakreslit (nebo promítnout) stavbu některých významných vícesytných kyselin, jakož i neutralizační reakci. Úkoly mohou být v následující hodině hodnoceny po proběhlé diskuzi, ekologickou problematiku je nutné jako vždy zdůraznit.
Zdroje: FLEMR, V., DUŠEK, B. Chemie obecná a anorganická. 1. vyd. Praha: SPN, 2001. ISBN 80-7235- 147-8. MAREČEK, A., HONZA, J. Chemie pro čtyřletá gymnázia 1. díl. 3. vyd. Olomouc: Nakladatelství Olomouc s.r.o., 2002. ISBN 80-7182-055-5. MAREČEK, A., HONZA, J. Chemie pro čtyřletá gymnázia 2. díl. 3. vyd. Olomouc: Nakladatelství Olomouc s.r.o., 2005. ISBN 80-7182-141-1. MAREČEK, A., HONZA, J. Chemie pro čtyřletá gymnázia 3. díl. 1. vyd. Olomouc: Nakladatelství Olomouc s.r.o., 2000. ISBN 80-7182-057-1. MAREČEK, A., HONZA, J. Sbírka příkladů pro studenty středních škol. 1. vyd. Brno: Proton, 2001. ISBN 80-902402-2-4. ČTRNÁCTOVÁ, H., HALNÝCH, J., HUDEČEK, J., ŠÍMOVÁ, J. Chemické pokusy pro školu a zájmovou činnost. 1. vyd. Praha: Prospektrum, 2000. ISBN 80-7175-057-3. VACÍK, J. a kolektiv Přehled středoškolské chemie. 3. vyd. Praha: SPN, 1995. ISBN 80-85937-08-5.