Урок в 11 классе. Получение и применение карбоновых кислот

Цели.
Рассмотреть способы получения, практическое значение муравьиной и уксусной кислот, бензойной и аскорбиновой кислот.
Сообщить сведения об истории открытия и применения данных веществ, о роли различных ученых в изучении свойств муравьиной и уксусной кислот и разработке способов их получения в чистом виде, о токсикологических свойствах кислот и способах безопасного для здоровья человека их применения.


Цели.
Образовательная: рассмотреть способы получения, практическое значение муравьиной и уксусной кислот, бензойной и аскорбиновой кислот..
Воспитательная: сообщить сведения об истории открытия и применения данных веществ, о роли различных ученых в изучении свойств муравьиной и уксусной кислот и разработке способов их получения в чистом виде, о токсикологических свойствах кислот и способах безопасного для здоровья человека их применения.
Развивающая: продолжить развитие навыков учащихся по подготовке устных сообщений и решению расчетных задач различных типов и уровней трудности.
Оборудование и реактивы.
На демонстрационном столе — бензойная кислота, штатив , стакан, спиртовка, фарфоровая чашка с водой
Накануне урока класс разделен на  4 группы, им предлагается подготовить к уроку сообщение по определенной теме и выступить с ним на уроке.
Задание группе 1. Муравьиная кислота – история открытия, происхождение названия, нахождение в природе и физические свойства.
Задание группе 2. Уксусная кислота – история открытия, происхождение названия, нахождение в природе и физические свойства.
Задание группе 3 Практическое значение муравьиной кислоты.
Задание группе 4 Практическое значение уксусной кислоты.

ХОД УРОКА

Учитель. На прошлом занятии вы познакомились с новым классом органических соединений. Вспомните название и определение данного класса.
Учащиеся. Это карбоновые кислоты – органические вещества, молекулы которых содержат одну, две или более карбоксильных функциональных групп – СООН.
Учитель. Какие из карбоновых кислот наиболее распространены и что характерно для строения их молекул?
Учащиеся. Наиболее распространены предельные одноосновные карбоновые кислоты (монокарбоновые) – это производные предельных углеводородов, молекулы которых содержат одну карбоксильную функциональную группу.
Учитель. Какова общая формула гомологического ряда предельных монокарбоновых кислот?
Учащиеся. С_хН_2хО₂, где х = 1, 2, 3... Эту формулу можно также представить в другом виде – с выделением функциональной группы –СООН: С_х–1Н_2х–1СООН, где х = 1, 2, 3...
Работа учащегося по карточке1 на доске. Составьте уравнения реакций, при помощи которых можно осуществить следующие превращения: этан – этилен – этиловый спирт – этаналь – уксусная кислота.

С₂Н₆ —> С₂Н₄ —> С₂Н₅ОН —> СН₃СНО —> СН₃СООН

1.               _Ni
   С₂Н₆ —> С₂Н₄ + Н_{2
                            н+, кат.}
2. С₂Н₄ + Н₂О —> С₂Н₅ОН
3. С₂Н₅ОН + СuО —> СН₃СНО + Сu + Н₂О
4. СН₃СНО + 2Сu(ОН)₂ —> СН₃СООН + Сu₂О + 2Н₂О

слайд №3, 4, 5    Назови вещество

СН-С-СООН

С-С-С-С-СООН

слайд №6

 С какими веществами реагирует уксусная кислота

1.      HCl

2.      Cl2

3.      CH3CH2OH

4.      NaOH

5.      CH3CH2Cl

6.      CuO

Учитель. Сегодня мы познакомимся с историей открытия, способами получения,  практическим значением нескольких  представителей карбоновых кислот. Прежде чем начать обсуждение данных вопросов, решим задачи на нахождение молекулярных формул веществ, о которых сегодня пойдет речь. На столах у каждой группы имеются карточки с текстами задач. Приступаем к работе.
Задачи различаются по уровню сложности. Учащимся 1-й и 2-й групп предлагаются задачи на нахождение молекулярных формул веществ по известным массам (объемам) продуктов их сгорания, имеющие средний уровень трудности.
Задача 2 ( из раздаточного материала). Относительная плотность паров некоторого органического вещества по этану равна 2,0. При сгорании 6,0 г этого вещества образовалось 3,6 г воды и 8,8 г оксида углерода(IV). Определить молекулярную формулу и название вещества.

(С₂Н₄О₂ – уксусная кислота.)

Задача 5 ( из раздаточного материала).  Массовые доли химических элементов в некотором органическом веществе составляют: углерод – 26,09%, водород – 4,35% и кислород – 69,56%. Определить молекулярную формулу и название вещества.

(СН₂О₂ – муравьиная кислота.)

Учитель (по окончании решения задач). Итак, вы успешно справились с решением предложенных задач и нашли молекулярные формулы тех веществ, о которых вами подготовлены сообщения. Начнем работу с рассмотрения истории открытия, происхождения названий, нахождения в природе и физических свойств интересующих нас соединений. Слово для выступления имеют ребята из первой группы.
Защита презентации
Ученик (из 1-й группы). Химическая формула СН₂О₂, или НСООН, соответствует простейшей монокарбоновой кислоте – муравьиной. Ее название указывает на источник, из которого эта кислота впервые была выделена. Муравьиная кислота открыта в кислых выделениях рыжих муравьев. Она является одним из компонентов яда, который выделяют жалящие муравьи, а также компонентом жгучей жидкости жалящих гусениц шелкопряда. В 1670 г. английский ботаник и зоолог Джон Рей провел необычный эксперимент. Он поместил в сосуд рыжих лесных муравьев, налил воды, нагрел ее до кипения и пропустил через сосуд струю горячего пара. После конденсации пара получился водный раствор, обладавший сильнокислой реакцией. Это и был раствор муравьиной кислоты. В чистом виде муравьиную кислоту впервые получил в 1749 г. Андреас Сигизмунд Маргграф. Муравьиная кислота служит насекомым своеобразным «химическим оружием» для защиты и нападения. Практически каждый человек хотя бы раз в своей жизни получил ожог от укусов муравьев. Ощущение очень напоминает ожог крапивой – ведь муравьиная кислота содержится и в тончайших волосках этого весьма распространенного растения. Вонзаясь при соприкосновении в кожу, они сразу же обламываются, а их содержимое болезненно обжигает. Муравьиная кислота также присутствует в пчелином яде, сосновой хвое, в небольших количествах найдена в различных фруктах, тканях, органах, выделениях животных и человека.
Современное название муравьиной кислоты по систематической номенклатуре – метановая кислота. Это резко пахнущая бесцветная жидкость, очень хорошо растворимая в воде,
t_пл = 8 °С, t_кип = 101 °С. Муравьиная кислота – самая простая и при этом самая сильная карбоновая кислота, она в десять раз сильнее уксусной. Когда немецкий химик Юстус Либих получил безводную муравьиную кислоту, оказалось, что это очень опасное соединение.
При попадании на кожу кислота не только жжет, но и буквально растворяет ее, оставляя долго не заживающие раны.
Вот как вспоминал Карл Фогт – химик, работавший вместе с Либихом, – один случай. Входит Либих, у него в руках склянка с притертой пробкой. «Ну-ка, обнажите руку», – говорит он Фогту и влажной пробкой прикасается к руке. «Не правда ли, жжет? – невозмутимо спрашивает Либих. – Я только что добыл безводную муравьиную кислоту». После этого «эксперимента» у Фогта остался на всю жизнь белый шрам на руке. И неудивительно – впоследствии ученые открыли способность безводной муравьиной кислоты растворять даже капрон, найлон и другие полимеры, устойчивые к разбавленным растворам неорганических кислот и щелочей.
Учитель. После того как мы познакомились с муравьиной кислотой, попробуем ответить на такие вопросы. Почему нельзя смачивать водой место муравьиного укуса или ожога крапивой? Это приводит только к усилению болевых ощущений. Почему боль утихает, если пораненное место смочить нашатырным спиртом? Что еще можно использовать в данном случае?
Учащиеся. Поскольку муравьиная кислота – электролит, то при ее растворении в воде происходит процесс электролитической диссоциации:

НСООН НСОО^– + Н⁺.

В результате кислотность среды повышается, и процесс разъедания кожи усиливается. Чтобы боль утихла, нужно нейтрализовать кислоту, для чего необходимо использовать растворы, обладающие щелочной реакцией. А к ним как раз и относится нашатырный спирт – водный раствор аммиака, содержащий гидроксид аммония NH₄ОН. При его взаимодействии с муравьиной кислотой происходит реакция нейтрализации:

НСООН + NН₄ОН = НCOONH₄ + H₂O.

Для тех же целей вполне подойдет и водный раствор имеющейся в каждом доме питьевой соды – гидрокарбоната натрия NаНСО₃:

НСООН + NaHСO₃ = НСООNа + Н₂О + СO₂.

Учитель. Молодцы, ответ правильный. А теперь познакомимся с еще одной карбоновой кислотой, известной человеку с древности, – уксусной. Слово для выступления имеют ребята из 2-й группы.
защита презентации

Ученик (из 2-й группы). Химическая формула уксусной кислоты – С₂Н₄О₂, или СН₃СООН. Как вам известно, водный разбавленный раствор этого вещества называется уксусом. Слово «уксус» происходит от греческого слова «oxys», означающего «кислый». В древности уксус был единственной пищевой кислотой, получаемой при скисании виноградного вина, и это объясняет, что его название древними греками отождествлялось с самим представлением о кислом, кислоте.
В России уксус называли «кислой влажностью» или «древесной кислотой». Последнее название связано с получением уксусной кислоты при сухой перегонке древесины лиственных пород, прежде всего березы. В 1793 г. президент Российской академии наук Андрей Андреевич Нартов (сын механика – учителя Петра I) сообщил, что «кислая влажность из дровяных куч в уголь пережигаемых» может быть использована для травления меди и железа.
Получение уксуса при сухой перегонке древесины описано в сочинениях Иоганна Глаубера и Роберта Бойля. Однако природа этого вещества вплоть до ХIХ в. оставалась неизвестной. Алхимики считали, что при брожении вина винный (по современной номенклатуре – этиловый) спирт превращается в уксус, принимая на себя частицы соли – винного камня.
Еще в XVIII в. брожение объясняли соединением кислых и горючих начал вина. Лишь в 1814 г. Йенс Якоб Берцелиус определил состав уксусной кислоты, а в 1845 г. немецкий химик Адольф Вильгельм Герман Кольбе осуществил полный ее синтез из угля.
Уксусная кислота (по систематической номенклатуре – этановая) – бесцветная жидкость с характерным острым запахом, очень хорошо растворимая в воде, t_пл = 17 °С, t_кип = 118 °С;
3–7%-й водный раствор уксусной кислоты называется столовым уксусом, а 70–80%-й раствор – уксусной эссенцией. Безводная уксусная кислота при охлаждении до 16,8 °C превращается в прозрачные кристаллы, похожие на лед. Вот почему ее называют ледяной. Сходство не только внешнее: в кристаллах молекулы уксусной кислоты, подобно молекулам воды, образуют систему водородных связей. Межмолекулярное взаимодействие оказывается настолько прочным, что даже в парах уксусной кислоты содержатся не отдельные молекулы, а их объединения – агломераты.
Впервые в мире кристаллы уксусной кислоты получил в 1793 г. академик Петербургской академии наук Товий Егорович Ловиц. Он назвал их «ледяным уксусом», или «ледяной кислотой», и описал запах и вкус этих кристаллов так: «Запах расплавленного ледяного уксуса резкий, невыносимый для носа. Вкус очень кислый. Одна капля этого уксуса на языке вызывает боль, ощутимую в течение двадцати часов…»
Во времена Ловица химики кроме состава и описания внешнего вида вещества устанавливали его запах и вкус. Неудивительно, что ожоги слизистой оболочки носа и ротовой полости, отравления и другие травмы постоянно сопровождали работу химиков и делали ее очень опасной. В 1800 г. Ловиц нечаянно пролил концентрированную уксусную кислоту на стол. Собирая кислоту фильтровальной бумагой, ученый выжимал ее пальцами над стаканом. Вскоре он заметил, что пальцы потеряли чувствительность, побелели и распухли. Через несколько дней кожа на пальцах стала лопаться и отваливаться большими и толстыми кусками. Полученная травма навела Ловица на мысль использовать концентрированную уксусную кислоту для выведения мозолей. Еще одна опасность уксусной кислоты заключается в том, что вдыхание человеком ее паров может привести к отеку горла..
слайд №7

 лабораторный опыт

Ученик проводит  опыт "Буран в стакане"

В химический стакан емкостью 500 мл насыпают 5 г бензойной кислоты и кладут веточку сосны. Закрывают стакан фарфоровой чашкой с холодной водой и нагревают над спиртовкой. Кислота сначала плавится, потом превращается в пар, и стакан наполняется белым "снегом", который покрывает веточку.

      одновременно сообщает «Из истории открытия бензойной кислоты»

Из Из истории открытия бензойной кислоты

В церкви идет служба. Из кадильницы священнослужителя вьется дымок, распространяющий пряный запах... Это горит ладан. Так горел он много веков назад в жертвенниках в честь богов Востока. Оттуда обряд возжигания пришел в Грецию, проник в античный Рим. Благовонных смол много, но самой большой популярностью пользовалась именно эта - твердая, от почти белой до коричневой окраски, с большими трудностями добываемая смола. Римляне называли ее "бензой", то есть благая, добрая жизнь. Отсюда вместе с христианством бензой перекочевал в церкви Европы. Появился он и на Руси. Но поскольку первыми поставщиками были арабы, бензой прижился у нас под восточным названием - "ладан".

Поиск "философского камня" натолкнул исследователей эпохи Возрождения на мысль изучить состав и свойства ладана. Сухая перегонка его подробно описана в алхимических сочинениях 16 века. В 1608 году из бензоя были выделены белые игольчатые кристаллы, поразившие первых  исследователей редкой способностью возгоняться. Но они удивились бы еще больше, узнав, что не крепкие монастырские стены, за которыми приходилось отсиживаться людям во время страшных эпидемий, охраняли от смерти, а именно это вещество, которое назвали бензойной кислотой, помогало бороться с болезнетворными микробами. Бензойная кислота, возгоняясь из кадильниц, поражала многие инфекции, занесенные в храм божий. О том, что бензойная кислота прекрасный антисептик, химики с медиками "докопались" уже в наше время. Тогда же окуривание ладаном, один из древнейших методов массовой обработки людей, на который случайно набрели наши предки, было возведено в ранг божественных ритуалов.

современной химической энциклопедии:

Бензойная смола (росный ладан) - смола бурого цвета, получается при подсочке деревьев семейства стирановых. Основные компоненты - коричная и бензойная кислоты и их эфиры. Имеет бальзамно-смолистый запах, антисептик.

Сообщение
 Химия очень тесно связана с медициной. Связь возникла давно. Еще в XVI веке широкое развитие получило медицинское направление, основоположником, которого стал немецкий врач Парацельс.
Аспирин, или ацетилсалициловая кислота – один из препаратов, который широко применяют как жаропонижающее, болеутоляющее и противоревматическое средство. Аспирин – это кислота, и его избыток может способствовать раздражению слизистой оболочки желудка и появлению язвы. Но забота о здоровье людей помогла найти выход из этого положения. Выяснилось, что вещества, содержащиеся в ягодах вишни, действуют лучше аспирина.
Как утверждают ботаники, родиной лимона является Индия, где он растет в диком состоянии в горных местностях, у подножья Гималаев, откуда потом попал в страны Юго-Восточной Азии и значительно позднее – в Европу. В России по-настоящему с лимоном познакомились лишь во второй половине XVII в., когда его деревца впервые завезли из Голландии в Москву и посадили в кремлёвских “оранжерейных палатах”. В начале XVII в. в помещичьих усадьбах быстро распространилась “мода” на выращивание лимона с целью получения плодов.
Прежде всего, конечно, аскорбиновой кислотой, или витамином С, лечебное значение которого известно многим. Этот витамин является средством против цинги. Еще во времена великих морских путешествий европейцы широко использовали для этой цели лимон. Известно, что прославленный мореплаватель Дж. Кук брал с собой на корабли запас этих плодов, а в 1795 году в Англии был издан указ, по которому экипажам кораблей предписывалось ежедневно выдавать порции лимонного сока.
Сегодня известно, что витамин С повышает сопротивляемость организма к инфекционным заболеваниям, особенно так называемого простудного характера. Вот почему лимоны могут рекомендовать (наряду с другими фруктами и овощами) как средство для неспецифической профилактики гриппа и гриппоподобных заболеваний. Тем более что насыщенность этим витамином повышает сопротивляемость к воздействию холода. Помимо этого, данный витамин обладает способностью ускорять заживление ран, ожогов и переломов костей, содействует более быстрому выздоровлению при ревматизме, туберкулезе, аллергических поражениях. По некоторым данным, больные различными инфекциями испытывают облегчение при лечении аскорбиновой кислотой.
Любопытно, что витамина С гораздо больше содержится в кожуре лимона нежели в его мякоти. Поэтому нужно съедать весь плод без остатка. Для того, чтобы удовлетворить суточную потребность взрослого человека в этом витамине, нужно ежедневно употреблять около 100 грамм лимона, т.е. два мелких или один крупный плод лимона. Однако не все любят кислое.
А лимон действительно кислый.
Учитель Перейдем к изучению способов получения муравьиной и уксусной кислот.

слайд №8, 9

  Муравьиную кислоту получают действием разбавленной серной кислоты на соли – формиаты, например:

Искусственно формиат натрия впервые был получен еще в XIX в. действием угарного газа на влажную щелочь при повышенных температуре и давлении:

Известен также способ получения муравьиной кислоты каталитическим окислением метана:

Учитель. Древнейший способ получения уксусной кислоты заключается в окислении этилового спирта кислородом воздуха при участии бактерий: слайд №10

В настоящее время уксусную кислоту получают окислением ацетальдегида кислородом в присутствии катализатора ацетата марганца(II):

Большое значение имеет также способ, основанный на окислении н-бутана кислородом в присутствии катализатора ацетата кобальта(II):

Учитель. Нам остается рассмотреть вопрос о практическом значении муравьиной и уксусной кислот. Слово имеют учащиеся 3-й и 4-й групп.
защита презентации
 Ученик (из 3-й группы). Муравьиная кислота обладает ярко выраженными бактерицидными свойствами. Поэтому ее водные растворы используют как пищевой консервант, а парами дезинфицируют тару для продовольственных товаров (в том числе винные бочки). В пчеловодстве муравьиная кислота используется как эффективное средство от варроатоза – болезни пчел, вызываемой клещами-паразитами. За рубежом она применяется еще как консервант при заготовке силоса. Народная медицина издавна использовала муравьиную кислоту для лечения ревматических болей и радикулитов, при этом источником лекарства служили живые муравьи. Слабый водно-спиртовой раствор муравьиной кислоты (муравьиный спирт) применяют в медицине для растираний.
Неожиданное применение муравьиная кислота нашла при изготовлении так называемых тяжелых жидкостей – водных растворов, обладающих большой плотностью, в которых не тонут даже камни. Такие жидкости нужны геологам для разделения минералов по плотности. Насыщенный раствор формиата таллия НСООТl в зависимости от температуры может иметь плотность от 3,40 г/см³ (при 20 °С) до 4,76 г/см³ (при 90 °С).
защита презентации
 Ученик (из 4-й группы). Уксусная кислота в виде эссенции и столового уксуса широко применяется в пищевой отрасли промышленности как вкусовая добавка и как консервант. Незаменима она и в органическом синтезе при производстве сложных эфиров, прежде всего этилацетата, лекарств, например аспирина, искусственных волокон – ацетатного шелка, красителей – индиго, негорючей кинопленки, органического стекла, химических средств защиты растений – 2,4-дихлорфеноксиацетата натрия, применяемого в качестве гербицида для борьбы с сорняками, стимуляторов роста растений.
Большое значение имеют и соли уксусной кислоты – ацетаты. Ацетат натрия СН₃СООNа применяется в медицине в качестве консерванта крови, предназначенной для переливания, ацетат калия СН₃СООК – как мочегонное средство, ацетат свинца (СН₃СОО)₂Рb – для определения сахара в моче, разбавленный раствор гидроксиацетата свинца Рb(ОН)СН₃COO – в качестве примочки (свинцовая вода). Ацетаты железа(III) (СH₃СОО)₃Fе, алюминия (СН₃СОО)₃Аl и хрома(III) (СН₃СОО)₃Сr используются в текстильной отрасли промышленности для так называемого протравного крашения. Ацетат меди(II) (СH₃СОО)₂Cu входит в состав препарата для борьбы с вредителями растений, так называемой парижской зелени.
Учитель. Итак, вы изучили, способы получения и практическое значение важнейших представителей некоторых карбоновых кислот, познакомились с историей их открытия и использования человечеством.
Обобщим вышесказанное, решив тест: слайд №11
слайд №12 Дома вам необходимо повторить вопросы о нахождении в природе, физических и химических свойствах, практическом значении муравьиной и уксусной кислот, а также решить задачу в соответствии с индивидуальным заданием. Карточки с текстами задач находятся на ваших столах.

Комбинированные задачи по теме

 Карбоновые кислоты

Задача 1. Рассчитать массу продукта, полученного при нагревании 120 г уксусной кислоты, 230 г этанола и нескольких капель концентрированной серной кислоты, если массовая доля выхода продукта составила 70% по сравнению с теоретически возможным.

(123,2 г этилацетата.)

Задача 2. Рассчитать массу металлического осадка, образовавшегося при нагревании 9,2 г муравьиной кислоты и 15,9 г гидроксида диамминсеребра(I), если массовая доля выхода продукта составила 96% по сравнению с теоретически возможным.

(10,37 г серебра.)

Задача 3. Для полной нейтрализации 100 г водного раствора неизвестной предельной монокарбоновой кислоты с массовой долей 12% потребовалось 50 г водного раствора гидроксида калия с массовой долей 22,4%. Определить, какая кислота была нейтрализована.

(СН₃СООН – уксусная кислота.)

Задача  4. При полной нейтрализации 50 г раствора неизвестной предельной монокарбоновой кислоты с массовой долей 23% избытком водного раствора гидрокарбоната калия выделилось 5,6 л некоторого газа (объем измерен при нормальных условиях). Определить, какая кислота была нейтрализована.

(НСООН – муравьиная кислота.)

Задача 5. При карбонилировании 64 кг метанола было получено 114 кг уксусной кислоты. Рассчитать массовую долю выхода уксусной кислоты (в %) по сравнению с теоретически возможным.

(95%.)

Задача 6. Рассчитать массу муравьиной кислоты, которую можно получить из 136 кг формиата натрия, если массовая доля выхода муравьиной кислоты составляет 80% по сравнению с теоретически возможным.

(73,6 кг.)