カルボン酸 | 高校化学まるごと解説

要点整理

カルボン酸とカルボキシ基

カルボキシ基 $\ce{-COOH}$ を持つ化合物をカルボン酸といいます。カルボキシ基は、ヒドロキシ基($\ce{-OH}$)とカルボニル基($\ce{C=O}$)が同じ炭素原子に結合した構造をしています。飽和で鎖式、1価(カルボキシ基を1個持つ)のカルボン酸は、次の一般式で表されます。

$\mathrm{C_nH_{2n}O_2}$

もっとも代表的なカルボン酸が酢酸 $\ce{CH3COOH}$($n=2$)で、食酢の主成分として知られています。炭素数1個のギ酸(蟻酸)$\ce{HCOOH}$ は、アルデヒドの単元で学んだように、構造の中に $\ce{H-COOH}$ という形でアルデヒドのカルボニル炭素と同じ水素原子を持つため、例外的に還元性(銀鏡反応・フェーリング液の還元)を示すカルボン酸です。

カルボン酸の酸性:なぜアルコールより強い酸なのか

カルボン酸もアルコールも、どちらも構造の中に $\ce{O-H}$ 結合を持っています。しかし、水溶液中での性質は大きく異なり、カルボン酸ははっきりとした酸性(電離して $\ce{H+}$ を放出しやすい)を示すのに対し、アルコールの $\ce{O-H}$ はほとんど電離せず、水溶液は中性に近い性質を示します。この違いは、電離した後にできる陰イオンの安定性の違いから説明できます。

アルコールが電離すると、アルコキシドイオン $\ce{R-O-}$ になりますが、このイオンの負電荷は1つの酸素原子に集中したままです。負電荷が集中したイオンはエネルギー的に不安定なので、$\ce{H+}$ を手放してこのイオンになる反応(電離)は起こりにくく、逆に $\ce{H+}$ を受け取って元に戻る方向に非常に傾いています。

一方、カルボン酸が電離すると、カルボン酸イオン(カルボキシラートイオン)$\ce{R-COO-}$ になります。カルボキシ基はもともと2つの酸素原子を持っており、電離後の負電荷は、この2つの酸素原子に均等に分散する(共鳴によって安定化される)ことができます。負電荷が1か所に集中せず分散した分だけ、カルボン酸イオンはアルコキシドイオンよりもはるかに安定です。生成するイオンが安定であるほど、そのイオンができる反応(電離)は起こりやすくなるため、カルボン酸はアルコールに比べて格段に電離しやすく、強い酸性を示すのです。

酸性の強さの順序:カルボン酸・炭酸・フェノール

高校化学でよく比較される、酸としての強さの順序は次のとおりです(数値が大きいほど強い酸)。

$\text{カルボン酸} > \text{炭酸} > \text{フェノール類}$

この順序は、弱酸の水溶液に、より強い酸を加えると、より強い酸が弱い酸を「追い出す」形で反応が進むという性質から、実験的に確認・利用されます。

カルボン酸(酢酸など)は、炭酸水素ナトリウム $\ce{NaHCO3}$ の水溶液に加えると、炭酸よりも強い酸なので炭酸を追い出し、二酸化炭素の気体が発生します。

$\ce{CH3COOH + NaHCO3 -> CH3COONa + H2O + CO2}$

フェノール類は、炭酸よりも弱い酸であるため、$\ce{NaHCO3}$ 水溶液を加えても反応せず、二酸化炭素は発生しません(ただし、フェノール類は水酸化ナトリウム $\ce{NaOH}$ のような強塩基とは反応します)。

この「$\ce{NaHCO3}$ 水溶液に加えて $\ce{CO2}$ が発生するかどうか」という実験は、カルボキシ基を持つ化合物(カルボン酸)と、ヒドロキシ基だけを持つ化合物(アルコールやフェノール類)を区別するための、代表的な検出方法です。

例題

例題1(基本)

問題

酢酸水溶液に炭酸水素ナトリウム水溶液を加えると気体が発生した。この反応の化学反応式を書き、発生した気体の名称を答えよ。

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酢酸は炭酸よりも強い酸なので、炭酸水素ナトリウムから炭酸を追い出す形で反応が進み、生じた炭酸が分解して二酸化炭素が発生します。

$\ce{CH3COOH + NaHCO3 -> CH3COONa + H2O + CO2}$

答え:化学反応式 $\ce{CH3COOH + NaHCO3 -> CH3COONa + H2O + CO2}$、発生する気体は二酸化炭素

例題2(標準)

問題

エタノール、酢酸、フェノールの3つの化合物は、いずれも $\ce{O-H}$ 結合を持つ。この3つを酸としての強さの強い順に並べ、酢酸がエタノールより強い酸性を示す理由を、電離後にできるイオンの安定性の観点から説明せよ。

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酸としての強さは、カルボン酸(酢酸)が最も強く、次いでフェノール、エタノールはほとんど電離しないため実質的に中性に近い性質を示します。

$\text{酢酸} > \text{フェノール} > \text{エタノール}$

酢酸が電離すると生じる酢酸イオン $\ce{CH3COO-}$ は、カルボキシ基が持つ2つの酸素原子に負電荷が分散して安定化されます(共鳴安定化)。一方、エタノールが電離すると生じるエトキシドイオン $\ce{C2H5O-}$ は、負電荷が1つの酸素原子に集中したままで不安定です。生成するイオンが安定であるほど電離は進みやすいため、酢酸はエタノールよりもはるかに強い酸性を示します。

答え:酢酸 > フェノール > エタノールの順。酢酸イオンは負電荷が2つの酸素原子に分散して安定化されるが、エトキシドイオンは負電荷が1つの酸素に集中して不安定なため、酢酸の方がはるかに電離しやすく酸性が強い。

例題3(応用)

問題

ギ酸 $\ce{HCOOH}$ にアンモニア性硝酸銀水溶液を加えて温めると、銀が析出した。この反応が起こる理由を、ギ酸の構造に注目して説明せよ。また、この反応でギ酸自身はどのような物質に変化するか。

解答・解説を見る

ギ酸の構造式は $\ce{H-COOH}$ であり、カルボキシ基の炭素原子に直接水素原子が1個結合しています。この構造は、アルデヒド $\ce{R-CHO}$ のカルボニル炭素に水素原子が結合した構造と同じであるため、ギ酸はカルボン酸でありながら例外的にアルデヒドと同じ還元性を持ちます。この還元性のために、ギ酸はアンモニア性硝酸銀水溶液中の銀イオンを還元して銀を析出させる(銀鏡反応を示す)ことができます。

ギ酸自身は酸化されて、炭素上にもう1つ酸素が付加した形になりますが、もともとカルボキシ基を持つため、酸化されると不安定な構造(2つのヒドロキシ基が同じ炭素についた形)を経て、最終的に二酸化炭素と水に分解されます。

答え:ギ酸は $\ce{H-COOH}$ という構造の中にアルデヒドと同じ「カルボニル炭素に直結した水素原子」を持つため、還元性を示し銀鏡反応を起こす。ギ酸自身は酸化されて二酸化炭素と水になる。

練習問題

問題

安息香酸のようなカルボン酸と、フェノール類を区別したい。炭酸水素ナトリウム水溶液を用いた実験で、どのような結果が得られればカルボン酸と判断できるか、簡潔に説明せよ。

答え

炭酸水素ナトリウム水溶液に試料を加えたとき、気体(二酸化炭素)が発生すればカルボン酸(炭酸より強い酸)であり、気体が発生しなければフェノール類(炭酸より弱い酸)であると判断できる。