2.4 课时1 羧酸 学案 （含答案）2023-2024学年高二化学鲁科版（2019）选择性必修3

2.4第1课时　羧酸
【学习目标】
1.了解常见羧酸的结构、性质及其主要用途。
2.能用系统命名法命名简单羧酸。
3.掌握羧酸的主要化学性质。
4.了解酯的结构特点及化学性质。
5.了解酯的水解的应用(以油脂在碱性条件下的水解为例)。
【自主预习】
一、羧酸
1.定义
分子由烃基(或氢原子)与　　　　相连构成的有机化合物称为羧酸。其官能团的名称为　　　　,结构简式为　　　　或　　　　。
2.羧酸的分类
3.命名
如CH3CH(CH3)CH(CH2CH3)CH2CH2COOH名称为　　　　。
4.羧酸的物理性质
(1)水溶性
分子中碳原子数在　　　　以下的羧酸能与水互溶,随着分子中碳链的增长,羧酸在水中的溶解度迅速　　　　。
(2)沸点
比相应的醇的沸点高,原因是相对于相对分子质量相近的醇,羧酸形成　　　　的概率大。
5.羧酸的化学性质
(1)酸性
RCOOHRCOO-+H+;
RCOOH+NaHCO3　　　　　　　　。
(2)羟基被取代的反应
+R'OH　　　　　　　　;
+NH3　　　　　　　　。
(3)α-H被取代的反应
在催化剂的作用下,与Cl2反应的化学方程式为
RCH2COOH+Cl2　　　　　　　　。
(4)还原反应
羧酸很难通过催化加氢的方法被还原,用强还原剂如氢化铝锂(LiAlH4)才能将羧酸还原为相应的醇。
RCOOHRCH2OH
二、羧酸衍生物
1.酯
(1)定义
分子由酰基(　　　　　　)和烃氧基(　　　　)相连构成的羧酸衍生物称为酯。其官能团名称为　　　　,结构简式为　　　　　　　。
(2)物理性质
酯　　　　溶于水,　　　　溶于乙醇和乙醚等有机溶剂,密度一般比水　　　　,低级酯易　　　　,有　　　　。
(3)化学性质(以为例)
2.油脂
(1)组成和结构
油脂是高级脂肪酸与　　　　反应所生成的酯,由　　　　三种元素组成,其结构可表示为。
(2)性质——水解
油脂在碱性条件下的水解反应称为皂化反应:
+3NaOH3RCOONa+。
3.酰胺
酰胺可看作是羧酸分子中的羟基被　　　　取代而生成的化合物。其结构一般表示为　　　　,其中的叫作酰基,叫作　　　　。
酰胺在酸或碱存在并加热的条件下可以发生水解反应。如果水解时加入碱,会生成羧酸盐,同时有氨气逸出。
RCONH2+H2O+HCl　　　　　　　　;
RCONH2+NaOH　　　　　　　　。
【答案】
一、1.羧基　羧基　　—COOH
3.羧基　羧基　位次号　名称　5-甲基-4-乙基己酸　4.(1)4　减小　(2)氢键
5.(1)RCOONa+CO2↑+H2O
(2)+H2O　+H2O
(3)+HCl
二、1.(1)　—OR　酯基　
(2)难　易　小　挥发　香味　2.(1)甘油
C、H、O　3.氨基　　酰胺基RCOOH+NH4Cl　RCOONa+NH3↑
【效果检测】
1.判断正误(正确的打“√”,错误的打“×”)。
(1)食醋就是乙酸。 (　　)
(2)在水溶液中CH3COOH中的—CH3可以电离出H+。 (　　)
(3)1 mol C2H5OH和1 mol CH3COOH在浓硫酸作用下加热可以完全反应生成1 mol CH3COOC2H5。 (　　)
(4)乙酸和乙酸乙酯都能发生取代反应。 (　　)
(5)C4H8O的同分异构体只有6种。 (　　)
(6)油脂属于酯类,均难溶于水。 (　　)
(7)油脂的相对分子质量较大,故属于高分子化合物。 (　　)
(8)乙酰胺分子中含有碳氧双键,一定条件下乙酰胺能与氢气发生加成反应。 (　　)
　　【答案】(1)×　(2)×　(3)×　(4)√　(5)×　(6)√ (7)×　(8)×
【合作探究】
任务1　羧酸的分类与化学性质
情境导入　我们的日常生活离不开醋,用醋蒸气熏蒸居室能杀灭细菌和病毒,防止感冒和传染病;煮排骨或烧鱼时加点醋,不但能使骨头里的钙、磷、铁等元素溶解到汤里而被人体吸收,而且还能保持食物中的维生素不被破坏。
问题生成
1.用食醋煮排骨,这是利用了醋酸的什么性质 请写出相应的化学方程式。
　　【答案】醋酸的酸性比碳酸强,化学方程式为2CH3COOH+CaCO3(CH3COO)2Ca+H2O+CO2↑。
2.酸的通性有哪些
　　【答案】(1)遇酸碱指示剂变色;(2)与活泼金属反应产生H2;(3)与碱性氧化物反应生成盐和水;(4)与碱发生中和反应;(5)与盐发生复分解反应。
3.甲酸、乙酸的分子结构有什么差别 如何鉴别二者
　　【答案】甲酸分子结构中含有醛基,而乙酸分子结构中不含醛基,可用新制Cu(OH)2悬浊液或银氨溶液作试剂鉴别二者。
4.用文字如何表示酯化反应的通式
　　【答案】羧酸+醇酯+水。
【核心归纳】
1.常见的羧酸
名称 甲酸 苯甲酸 乙二酸
物理 性质 无色、有刺激性气味的液体,有腐蚀性,能与水、乙醇等互溶 无色晶体,易升华,微溶于水,易溶于乙醇 无色晶体,可溶于水和乙醇
化学 性质 表现羧酸和醛的性质 表现羧酸和苯的性质 表现羧酸的性质
重要 用途 作还原剂,合成医药、农药和染料等的原料 合成香料、药物等,其钠盐是常用的食品防腐剂 化学分析中常用的还原剂,重要化工原料
2.醇、酚、羧酸分子中羟基氢原子的活泼性比较
名称 乙醇 苯酚 乙酸
结构简式 CH3CH2OH CH3COOH
羟基氢原子 的活泼性 不能电离 能电离 能电离
酸性 中性 极弱酸性 弱酸性
与Na反应 反应放出H2 反应放出H2 反应放出H2
与NaOH反应 不反应 反应 反应
与Na2CO3反应 不反应 反应 反应
与NaHCO3反应 不反应 不反应 反应
由上表可知,常见分子(离子)中羟基氢原子的活泼性顺序为RCOOH>H2CO3>>HC>H2O>ROH。运用上述实验现象的不同,可判断有机物分子结构中含有的羟基类型。
【典型例题】
【例1】分枝酸可用于科学研究,其结构简式如图所示。下列关于分枝酸的叙述中正确的是(　　)。
A.分子中含有2种官能团
B.可与乙醇、乙酸反应,且反应类型相同
C.1 mol分枝酸最多可与3 mol NaOH发生中和反应
D.可使溴的四氯化碳溶液和酸性高锰酸钾溶液褪色,且原理相同
　　【答案】B
【解析】分枝酸中含有的官能团为羧基、碳碳双键、羟基、醚键,A项错误;分枝酸分子中有羧基和醇羟基,可与乙醇、乙酸发生酯化反应,B项正确;1 mol分枝酸中含有2 mol羧基,最多可与2 mol NaOH发生中和反应,C项错误;分枝酸可与溴发生加成反应使溴的四氯化碳溶液褪色,也可与酸性高锰酸钾溶液发生氧化反应使其褪色,二者原理不同,D项错误。
【例2】若检验甲酸溶液中是否存在甲醛,下列操作中,正确的是(　　)。
A.加入新制的Cu(OH)2悬浊液后加热,若有红色沉淀产生,则证明甲醛一定存在
B.若能发生银镜反应,则证明甲醛一定存在
C.与足量NaOH溶液混合,若其加热蒸出的产物能发生银镜反应,则甲醛一定存在
D.先将溶液充分进行酯化反应,收集生成物进行银镜反应,若有银镜生成,则甲醛一定存在
　　【答案】C
【解析】甲酸()与甲醛()都含有醛基(—CHO),因此二者均能发生银镜反应,均能与新制Cu(OH)2悬浊液反应,产生砖红色沉淀,甲酸与醇反应生成的酯仍含有醛基,因此,A、B、D三项操作均不能证明甲醛的存在。
【灵犀一点】
(1)甲酸中既含有羧基,又含有醛基,因此既有羧酸的性质,又有醛的性质。
(2)饱和一元羧酸CnH2n+1COOH同分异构体书写。先写CnH2n+2的碳骨架异构,再写—COOH的位置异构。
任务2　探究乙酸乙酯的制备实验与性质
情境导入　实验室中可以利用下面装置制取乙酸乙酯,根据所学知识回答相关问题。
问题生成
1.试管内乙酸、乙醇、浓硫酸的加入顺序是怎样的 装置中长导管的作用是什么 为什么导气管末端没有伸入液面以下
　　【答案】先加入乙醇,然后沿试管内壁缓慢加入浓硫酸,冷却后再加入CH3COOH。长导管能起到导气和冷凝蒸气的作用。导气管末端未伸入液面以下的目的是防止倒吸。
2.为什么实验中用饱和Na2CO3溶液接收生成的乙酸乙酯 饱和Na2CO3溶液有哪些作用
　　【答案】①与挥发出来的乙酸发生反应,生成可溶于水的乙酸钠,便于闻到乙酸乙酯的香味;②溶解挥发出来的乙醇;③减小乙酸乙酯在水中的溶解度,使液体分层,便于得到酯。
3.在酯化反应实验中为什么加热温度不能过高 已知乙酸乙酯的沸点为77 ℃,应怎样改进实验装置来提高乙酸乙酯的产率
　　【答案】加热温度不能过高的原因是减少乙酸和乙醇的挥发,提高乙酸和乙醇的转化率。可以将该实验中的加热装置改为水浴加热装置。
【核心归纳】
1.酯化反应与酯的水解反应的比较
酯化反应 酯的水解反应
反应关系 CH3COOH+C2H5OHCH3COOC2H5+H2O CH3COOC2H5+NaOHCH3COONa+C2H5OH,CH3COOC2H5+H2OCH3COOH+C2H5OH
催化剂 浓硫酸 稀硫酸
催化剂的 其他作用 吸水、提高CH3COOH和C2H5OH的转化率 NaOH中和酯水解生成的羧酸,提高酯的水解率
加热方式 酒精灯加热 热水浴加热
反应类型 酯化反应(取代反应) 水解反应(取代反应)
2.酯化反应类型
(1)一元羧酸和一元醇的酯化反应
R—COOH+R'—CH2OH。
(2)一元羧酸与二元醇的酯化反应
2CH3COOH++2H2O。
(3)二元酸与二元醇的酯化反应
①反应生成普通酯
+HOOC—COOCH2—CH2OH+H2O。
②反应生成环酯
++2H2O。
③反应生成聚酯
n+nHOH+(2n-1)H2O。
(4)无机含氧酸的酯化反应
+3HO—NO2+3H2O。
　　　　　　　　　　　　　(硝化甘油)
(5)高级脂肪酸与甘油的酯化反应
3C17H35COOH++3H2O。
【典型例题】
【例3】实验室采用如图所示的装置制备乙酸乙酯。实验结束后,取下盛有饱和碳酸钠溶液的试管,再沿该试管内壁缓缓加入石蕊试液1 mL,发现石蕊试液存在于饱和碳酸钠溶液层与乙酸乙酯溶液层之间(整个过程不振荡试管)。下列有关该实验的描述不正确的是(　　)。
A.制备的乙酸乙酯中混有乙酸和乙醇杂质
B.该实验中浓硫酸的作用是作催化剂和吸水剂
C.饱和碳酸钠溶液的主要作用是降低乙酸乙酯的溶解度及除去乙醇和乙酸
D.石蕊层为三层,由上而下是蓝、紫、红
　　【答案】D
【解析】因乙酸、乙醇的沸点较低,因此制备的乙酸乙酯中混有乙酸和乙醇杂质,A项正确;反应生成水,且为可逆反应,反应中浓硫酸起到催化剂和吸水剂的作用,B项正确;饱和碳酸钠的作用为吸收乙醇、除去乙酸,降低乙酸乙酯的溶解度,C项正确;由上而下,乙酸乙酯中混有乙酸,可使石蕊试液呈红色,中层为紫色,下层为碳酸钠溶液,水解呈碱性,应呈蓝色,D项错误。
【例4】下列关于分子式为C4H8O2的有机物的同分异构体的说法中不正确的是(　　)。
A.属于酯类的有4种
B.属于羧酸类的有2种
C.存在分子中含有六元环的同分异构体
D.既含有羟基又含有醛基的结构有3种
　　【答案】D
【解析】分子式为C4H8O2的有机物属于酯类的共有4种,分别是HCOOCH2CH2CH3、、CH3COOC2H5、CH3CH2COOCH3,A项正确;分子式为C4H8O2的有机物属于羧酸类的共有2种,分别是CH3CH2CH2COOH、,B项正确;分子式为C4H8O2的有机物中含有六元环的是等,C项正确;分子式为C4H8O2的有机物属于羟基醛的有、、HOCH2CH2CH2CHO、、,共5种,D项不正确。
【例5】已知有机物X的结构简式为,下列有关叙述不正确的是(　　)。
A.1 mol X分别与足量的Na、NaOH溶液、NaHCO3溶液反应,消耗这三种物质的物质的量分别为3 mol、4 mol、1 mol
B.X在一定条件下能与FeCl3溶液发生显色反应
C.X在一定条件下能发生消去反应和酯化反应
D.X的化学式为C10H10O6
　　【答案】C
【解析】苯环上的氢原子不能消去,故不能发生消去反应,与Na反应的有和,与NaHCO3反应的只有,与NaOH反应的有酚羟基、羧基和酯基,特别注意酚酯基水解生成酚羟基和羧基,均可与NaOH反应。
【灵犀一点】
酯的同分异构体
(1)官能团类别异构
例如:饱和一元羧酸和饱和一元醇形成的酯与相同碳原子数的饱和一元羧酸互为同分异构体。
(2)同类同分异构体
例如:,其中R1可以是烃基或H原子,R1、R2不同时可以互为同分异构体。
书写同分异构体的方法:
可按序数书写:R1中的碳原子数由0,1,2,3,……逐渐增加,R2中的碳原子数由最大值减小至1,同时要注意R1、R2中的碳链异构。
如分子式为C5H10O2的物质,在酯和羧酸范围内的同分异构体有:
酯类:HCOOCH2CH2CH2CH3、、
、、CH3COOCH2CH2CH3、、
CH3CH2COOCH2CH3、CH3CH2CH2COOCH3、
。
羧酸类:分子式为C5H10O2的羧酸可写为C4H9—COOH,而C4H9—有四种结构,则C4H9COOH也有四种结构。
任务3　油脂　胺与酰胺
【核心归纳】
1.脂肪、油、矿物油三者的比较
物质 油脂 矿物油
脂肪 油
组成 多种高级脂肪酸的甘油酯 多种烃(石油及其分馏产品)
含饱和烃基多 含不饱和烃基多
性质 固态或半固态 液态 液态
具有酯的性质,能水解,有的油脂兼有烯烃的性质 具有烃的性质,不能水解
鉴别 加含酚酞的NaOH溶液,加热,红色变浅,不再分层 加含酚酞的NaOH溶液,加热,无明显变化
用途 营养素可食用,化工原料如制肥皂、甘油 燃料、化工原料
　【特别提醒】①植物油与裂化汽油均含碳碳双键,均能使溴水和酸性KMnO4溶液褪色。②区别油脂(酯)与矿物油(烃)的一般方法是加含酚酞的NaOH溶液,加热,红色变浅,最后不分层的为油脂(酯),否则为矿物油(烃)。
2.氨、胺、酰胺和铵盐比较
物质 氨 胺(甲胺)
组成元素 N、H C、N、H
结构式
化学性质 与酸反应生成铵盐 与酸反应生成盐
用途 化工原料 化工原料
物质 酰胺(乙酰胺) 铵盐(NH4Cl)
组成元素 C、N、O、H N、H、Cl
结构式
化学性质 水解反应:酸性时生成羧酸与铵盐,碱性时生成羧酸盐和NH3 与碱反应生成盐和NH3
用途 化工原料和溶剂 化工原料、化肥
注意:酰胺基的结构简式为,R、R'可以是H或烃基。
【典型例题】
【例6】下列关于油脂()结构的说法中正确的是(　　)。
A.油脂是高级脂肪酸与甘油形成的酯
B.若R1、R2、R3都是饱和烃基,则称为简单甘油酯
C.若R1、R2、R3都是不饱和烃基,则称为混合甘油酯
D.某油脂分子中,所含烃基有三种,但每一个油脂分子中都含这三种烃基,而且排列结构也相同,则该油脂为混合物
　　【答案】A
【解析】油脂是高级脂肪酸与甘油形成的酯。在油脂的结构中,R1、R2、R3可以相同,也可以不同,若R1、R2、R3都相同,则称为单甘油酯,若R1、R2、R3不相同,则为混甘油酯,此时R1、R2、R3既可能是饱和烃基,也可能是不饱和烃基。
【例7】能区别地沟油(加工过的餐饮废弃油)与矿物油(汽油、煤油、柴油等)的方法是(　　)。
A.点燃,能燃烧的是矿物油
B.测定沸点,有固定沸点的是矿物油
C.加入水中,浮在水面上的是地沟油
D.加入足量氢氧化钠溶液共热,不分层的是地沟油
　　【答案】D
【解析】地沟油的主要成分是高级脂肪酸甘油酯,主要是从饭店剩菜残渣中提取的,与矿物油一样,也能燃烧,A项错误;矿物油和地沟油都是混合物,都没有固定的沸点,B项错误;矿物油和地沟油的密度都小于水且都难溶于水,加入水中都会浮在水面上,C项错误;地沟油能与氢氧化钠溶液反应生成溶于水的甘油和高级脂肪酸钠,溶液不分层,而矿物油不能与氢氧化钠溶液反应,溶液分层,D项正确。
【例8】乙酰苯胺是磺胺类药物的原料,其结构如图所示,下列关于乙酰苯胺的说法中正确的是(　　)。
乙酰苯胺
A.分子式为C8H9NO
B.乙酰苯胺是一种芳香烃
C.1 mol乙酰苯胺最多能和2 mol NaOH完全反应
D.分子中所有原子一定在同一平面上
　　【答案】A
【解析】A项,根据该有机物的结构简式可知,分子式为C8H9NO,正确;B项,该有机物含有碳、氢、氧、氮元素,不属于芳香烃,错误;C项,断裂1 mol —CO—NH—,消耗1 mol NaOH,错误;D项,甲烷为正四面体结构,因该分子含有甲基,所以分子中所有原子一定不在同一平面上,错误。
【例9】食品中含有过量的(丙烯酰胺)可能引起令人不安的食品安全问题。关于丙烯酰胺有下列叙述:①能使酸性高锰酸钾溶液褪色;②能发生加聚反应;③能与氢气发生加成反应;④能发生水解反应生成酸。其中正确的是(　　)。
A.只有①②④　　　　　　　B.只有②③④
C.①②③④ D.只有①③④
　　【答案】C
【解析】丙烯酰胺分子中含有碳碳双键,所以具有烯烃的性质,能发生加聚反应、加成反应,能使酸性高锰酸钾溶液褪色,含有酰胺基,能发生水解反应生成酸,故选C项。
【灵犀一点】
酰胺水解的断键
水解时,中的C—N断裂,连接—OH形成羧基,连接—H形成氨基。
【随堂检测】
1.饱和一元羧酸A可由醇B氧化得到,A和B可生成酯C(相对分子质量为144),符合此条件的酯有(　　)。
A.1种　　　B.2种　　　C.3种　　　D.4种
　　【答案】B
【解析】A为饱和一元羧酸,故B为饱和一元醇,且A、B碳原子数相同,碳架结构相似。酯C符合通式CnH2nO2,又因C的相对分子质量为144,所以14n+32=144,n=8,C的分子式为C8H16O2,所以A的分子式为C4H8O2,B的分子式为C4H10O。将A、B分别写成C3H7—COOH、C3H7—CH2OH的形式,C3H7—有2种同分异构体:CH3CH2CH2—、(CH3)2CH—,又因A是由B氧化得到,故酯C有2种结构。
2.1 mol 与足量的NaOH溶液充分反应,消耗的NaOH的物质的量为(　　)。
A.5 mol B.4 mol C.3 mol D.2 mol
　　【答案】A
【解析】根据该有机化合物的结构简式可知,1 mol该有机化合物含有1 mol酚羟基、2 mol酚酯基。1 mol酚羟基消耗1 mol NaOH,1 mol酚酯基水解消耗2 mol NaOH,故1 mol该有机化合物最多消耗5 mol NaOH。
3.食用花生油中含有油酸,油酸是一种不饱和脂肪酸,对人体健康有益,其分子结构简式为,下列说法不正确的是(　　)。
A.油酸的分子式为C18H34O2
B.油酸可与NaOH溶液发生中和反应
C.1 mol油酸可与2 mol氢气发生加成反应
D.1 mol甘油可与3 mol油酸发生酯化反应
　　【答案】C
【解析】油酸中—COOH不能与H2发生加成反应。
4.物质A的结构简式为,现有1 mol A,回答下列问题:
(1)最多能与　　　　mol Br2反应(不考虑Br2的氧化作用)。
(2)最多能与　　　　mol H2反应。
(3)最多能与　　　　mol Na反应生成　　　　mol H2。
(4)最多能与　　　　mol Na2CO3反应,放出气体最多　　　　mol。
(5)最多能与　　　　mol NaHCO3反应生成　　　　mol气体。
(6)最多能与　　　　mol NaOH反应。
(7)与新制Cu(OH)2悬浊液反应,被还原的Cu(OH)2的物质的量最多为　　　　mol,参加反应的Cu(OH)2的物质的量最多为　　　　mol。
　　【答案】(1)2　(2)5　(3)3　1.5　(4)2　0.5 (5)1　1　(6)4　(7)2　2.5
【解析】(1)苯环上—OH的邻位可被1 mol —Br取代,右环中可与1 mol Br2发生加成,所以最多可与2 mol Br2反应。
(2)加H2时,苯环需3 mol H2,苯环上的—CHO需1 mol H2,右环上需1 mol H2,共5 mol H2。
(3)苯环上的酚羟基、右环上的醇羟基、羧基都可以与Na反应置换出H2。
(4)酚羟基、羧基都可与Na2CO3反应,若形成NaHCO3,则1 mol A最多可与2 mol Na2CO3反应;若放出CO2,只有羧基参与反应,所以1 mol A与Na2CO3反应最多生成0.5 mol CO2。
　　(6)与NaOH反应的有:苯环上的—OH、右环上—COOH,还有右环中的环状酯,环状酯与1 mol NaOH反应形成—COONa后,形成的酚羟基也会与1 mol NaOH反应,所以1 mol A最多消耗4 mol NaOH。
(7)只有苯环上—CHO能与新制Cu(OH)2悬浊液发生氧化反应,根据比例:—CHO~2Cu(OH)2,可以判断出1 mol A需Cu(OH)2的物质的量为2 mol;而因—COOH能与Cu(OH)2发生中和反应,所以参加反应的Cu(OH)2的物质的量最多2.5 mol。
5.毒奶粉事件曾一度震惊全国,有毒添加剂主要是奶粉中含有的三聚氰胺。下列关于三聚氰胺分子的说法中正确的是(　　)。
A.三聚氰胺分子中所有碳原子均采取sp3杂化
B.一个三聚氰胺分子中共含有15个σ键
C.三聚氰胺的分子式为C3N3H6
D.三聚氰胺分子中同时含有极性键和非极性键
　　【答案】B
【解析】三聚氰胺分子中的碳原子均为sp2杂化,A项错误;一个三聚氰胺分子中共含有6个N—H、6个N—C、3个NC,共含有15个σ键,B项正确;三聚氰胺的分子式为C3N6H6,C项错误;三聚氰胺分子中不存在由同种元素的原子形成的共价键,故不存在非极性键,D项错误。
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