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Carboxylic acids and derivatives

A-Level Chemistry · ⁨A-Level 화학⁩ · Topic 18 · ⁨주제 18⁩

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8:02

카복실산 및 유도체

식초 병을 열면 즉시 그 냄새를 알 수 있습니다. 날카로운 향기는 아세트산이며, 식초는 물에 녹인 약산 용액에 불과합니다. 조금 부어보세요…

English narration · English + 中文 subtitles burned in · ⁨영어 내레이션 · 영어 + 중국어 자막 burned-in⁩

18.1

Carboxylic acids · ⁨카복실산⁩

Syllabus
English
  1. recall the reactions by which carboxylic acids can be produced: (a) oxidation of primary alcohols and aldehydes with acidified $\text{K}_2\text{Cr}_2\text{O}_7$ or acidified $\text{KMnO}_4$ and refluxing (b) hydrolysis of nitriles with dilute acid or dilute alkali followed by acidification (c) hydrolysis of esters with dilute acid or dilute alkali and heat followed by acidification
  2. describe: (a) the redox reaction with reactive metals to produce a salt and $\text{H}_2(\text{g})$ (b) the neutralisation reaction with alkalis to produce a salt and $\text{H}_2\text{O}(\text{l})$ (c) the acid–base reaction with carbonates to produce a salt and $\text{H}_2\text{O}(\text{l})$ and $\text{CO}_2(\text{g})$ (d) esterification with alcohols with concentrated $\text{H}_2\text{SO}_4$ as catalyst (e) reduction by $\text{LiAlH}_4$ to form a primary alcohol
한국어
  1. 카복실산이 생성되는 반응을 회상한다: (a) 일차 알코올 및 알데히드의 산화, 산성 화합 $\text{K}_2\text{Cr}_2\text{O}_7$ 또는 산성 화합 $\text{KMnO}_4$ 및 유지 가열 (b) 니트릴의 가수분해, 희석 산 또는 희석 염기 사용 후 산화 (c) 에스터의 가수분해, 희석 산 또는 희석 염기 및 가열 사용 후 산화
  2. 서술한다: (a) 활성 금속과의 산화 환원 반응으로 염 및 $\text{H}_2(\text{g})$ 생성 (b) 염기와의 중화 반응으로 염 및 $\text{H}_2\text{O}(\text{l})$ 생성 (c) 탄산염과의 산-염기 반응으로 염 및 $\text{H}_2\text{O}(\text{l})$ 및 $\text{CO}_2(\text{g})$ 생성 (d) 에스터화, 알코올과 농축 $\text{H}_2\text{SO}_4$(촉매) 사용 (e) 환원, $\text{LiAlH}_4$에 의해 일차 알코올 생성

Source: Cambridge International syllabus · ⁨출처: Cambridge International syllabus⁩

English

A carboxylic acid 羧酸 has the $\text{–COOH}$ (carboxyl) functional group. It is a weak acid.

Making carboxylic acids

  • oxidation 氧化 of a primary alcohol 醇 or an aldehyde 醛 with acidified $\text{K}_2\text{Cr}_2\text{O}_7$ or $\text{KMnO}_4$, with reflux 回流 (so it is fully oxidised).
  • hydrolysis 水解 of a nitrile 腈 with dilute acid or alkali, then acidifying.
  • hydrolysis of an ester 酯 with dilute acid or alkali and heat, then acidifying.

Reactions of carboxylic acids

These reactions all show that carboxylic acids are acids:

  • with a reactive metal (a redox 氧化还原 reaction): gives a salt 盐 and hydrogen.
$$2\text{CH}_3\text{COOH} + \text{Mg} \rightarrow (\text{CH}_3\text{COO})_2\text{Mg} + \text{H}_2$$
  • with an alkali (a neutralisation 中和): gives a salt and water.
$$\text{CH}_3\text{COOH} + \text{NaOH} \rightarrow \text{CH}_3\text{COONa} + \text{H}_2\text{O}$$
  • with a carbonate 碳酸盐: gives a salt, water and carbon dioxide. The fizzing of $\text{CO}_2$ is a test for a carboxylic acid.
$$2\text{CH}_3\text{COOH} + \text{Na}_2\text{CO}_3 \rightarrow 2\text{CH}_3\text{COONa} + \text{H}_2\text{O} + \text{CO}_2$$

Two reactions change the functional group:

  • esterification 酯化 with an alcohol (concentrated $\text{H}_2\text{SO}_4$ catalyst) gives an ester.
  • reduction 还原 by $\text{LiAlH}_4$ gives a primary alcohol.
한국어

카복실산은 $\text{–COOH}$(카복실) 기능기를 가집니다. 약산입니다.

선반에 놓인 식초 병
식초는 카복실산인 아세트산의 희석 용액입니다

카복실산 제조법

  • 산화된 ** primary alcohol ** 또는 ** aldehyde **를 산화된 $\text{K}_2\text{Cr}_2\text{O}_7$ 또는 $\text{KMnO}_4$로 **환류(reflux)**条件下에 산화하여 완전히 산화됩니다.
  • nitrile의 hydrolysis를 희석 산 또는 염기로 한 후, 산화합니다.
  • ester의 hydrolysis를 희석 산 또는 염기와 열로 한 후, 산화합니다.

카복실산의 반응

이 모든 반응들은 카복실산이 산임을 보여줍니다:

  • 활성 금속과 반응 (redox 반응): 염과 수소 gas를 생성합니다.
$$2\text{CH}_3\text{COOH} + \text{Mg} \rightarrow (\text{CH}_3\text{COO})_2\text{Mg} + \text{H}_2$$
  • 염기와 반응 (중화 반응): 염과 물을 생성합니다.
$$\text{CH}_3\text{COOH} + \text{NaOH} \rightarrow \text{CH}_3\text{COONa} + \text{H}_2\text{O}$$
  • 탄산염과 반응: 염, 물 및 이산화탄소를 생성합니다. $\text{CO}_2$의 거품 현상은 카복실산의 검사법입니다.
$$2\text{CH}_3\text{COOH} + \text{Na}_2\text{CO}_3 \rightarrow 2\text{CH}_3\text{COONa} + \text{H}_2\text{O} + \text{CO}_2$$
카복실산이 활성 금속, 염기 및 탄산염과 반응하여 명명된 생성물을 만드는 분岐 diagram
카복실산은 산으로 작용합니다: 금속(+ H$_2$), 염기(+ water), 또는 탄산염(+ water + CO$_2$ — 거품 현상은 검사법)

두 개의 반응은 기능기를 변경합니다:

  • 에스터화는 알코올과 반응하여 농축 $\text{H}_2\text{SO}_4$ 촉매를 사용하여 에스터를 생성합니다.
  • $\text{LiAlH}_4$에 의한 환원은 election alcohol을 생성합니다.
Explore · ⁨탐색하기⁩

Carboxylic acid reaction map · ⁨카복실산 반응 지도⁩

Follow carboxylic acids through neutralisation, esterification and reduction. · ⁨중화, 에스터화 및 환원을 통해 카복실산을 따라가세요.⁩

Vocabulary · ⁨어휘⁩ Train · ⁨연습하기⁩
English 한국어
carboxylic acid/ˌkɑːbəkˈsɪlɪk ˈæsɪd/ 카복실산
oxidation/ˌɒksɪˈdeɪʃn/ 산화
alcohol/ˈælkəhɒl/ 알코올
aldehyde/ˈældɪhaɪd/ 알데히드
reflux/ˈriːflʌks/ 환류
hydrolysis/haɪˈdrɒləsɪs/ 가수분해(hydrolysis)
nitrile/ˈnaɪtraɪl/ 니트릴
ester/ˈestə/ 에스터
redox/rɪˈdɒks/ 산화 환원
salt/sɒlt/ 염
neutralisation/ˌnjuːtrəlaɪˈzeɪʃn/ 중화 반응
carbonate/ˈkɑːbəneɪt/ 탄산염
18.2

Esters · ⁨에스터⁩

Syllabus
English
  1. recall the reaction (reagents and conditions) by which esters can be produced: (a) the condensation reaction between an alcohol and a carboxylic acid with concentrated $\text{H}_2\text{SO}_4$ as catalyst
  2. describe the hydrolysis of esters by dilute acid and by dilute alkali and heat
한국어
  1. 에스터가 생성되는 반응(시약 및 조건)을 회상한다: (a) 알코올 및 카복실산 간의 결합 반응, 농축 $\text{H}_2\text{SO}_4$(촉매)
  2. 가수분해를 희석 산 및 희석 염기와 가열 조건에서 설명하시오.

Source: Cambridge International syllabus · ⁨출처: Cambridge International syllabus⁩

English

An ester has the $\text{–COO–}$ group. It often smells sweet or fruity.

Making esters

An ester forms in a condensation 缩合 reaction between an alcohol and a carboxylic acid, with concentrated $\text{H}_2\text{SO}_4$ as catalyst. A water molecule is lost, and the reaction is reversible:

$$\text{CH}_3\text{COOH} + \text{C}_2\text{H}_5\text{OH} \rightleftharpoons \text{CH}_3\text{COOC}_2\text{H}_5 + \text{H}_2\text{O}$$

Hydrolysis of esters

Hydrolysis splits the ester back apart. The conditions change the products:

  • dilute acid and heat: reversible. Gives back the carboxylic acid and the alcohol.
  • dilute alkali and heat: not reversible. Gives the alcohol and the salt of the carboxylic acid (the carboxylate ion).

Worked example. Name the ester made from ethanol and propanoic acid, and say which part comes from which. In an ester name the alcohol gives the first word (the alkyl part) and the acid gives the second (the -oate part). Ethanol supplies $\text{C}_2\text{H}_5-$ and propanoic acid supplies $\text{CH}_3\text{CH}_2\text{COO}-$, so the ester is ethyl propanoate, $\text{CH}_3\text{CH}_2\text{COOC}_2\text{H}_5$. It is made by refluxing the two with a concentrated $\text{H}_2\text{SO}_4$ catalyst, and the reaction is reversible, so the yield is never complete. The trap is naming it backwards: propyl ethanoate is a completely different ester (made from propan-1-ol and ethanoic acid). Alcohol first, acid second.

한국어

에스터는 $\text{–COO–}$ 그룹을 가집니다.often 달콤하거나 과일 향을 내기도 합니다.

장식적인 컷 글라스 향수병
에스터는 많은 과일과 향수에 달콤한 향을 줍니다

에스터 제조법

에스터는 알코올과 카복실산 사이의 condensation 반응에서 형성되며, **농축 $\text{H}_2\text{SO}_4$**을 촉매로 사용합니다. 물 분자가 빠져나가고, 반응은 가역적입니다:

$$\text{CH}_3\text{COOH} + \text{C}_2\text{H}_5\text{OH} \rightleftharpoons \text{CH}_3\text{COOC}_2\text{H}_5 + \text{H}_2\text{O}$$
에스터화 식식에서 산의 OH와 알코올의 H가 물로 빠지는 원자로서 강조되고 새로운 에스터 산소 결합이 강조된 그림
에스터화는 condensation입니다: 산의 –OH와 알코올의 –H가 물로 빠져나가 C–O–C 에스터 결합을 형성합니다

에스터의 가수분해

가수분해는 에스터를 다시 분리시킵니다. 조건은 생성물을 변경합니다:

  • 희석 산 및 열: 가역적. 카복실산과 알코올을 다시 얻습니다.
  • 희석 염기 및 열: 비가역적. 알코올과 카복실산의 염(carboxylate ion)을 생성합니다.
분岐 diagram: 희석 산으로 가수분해된 에스터는 카복실산과 알코올을, 희석 염기로는 carboxylate盐和 알코올을 생성함
에스터의 가수분해: 희석 산(가역)은 카복실산과 알코올을; 희석 염기(비가역)는 carboxylate盐和 알코올을 생성합니다

해설 예제. 에탄올과 프로판산으로부터 만들어지는 에스터의 이름을 붙이고, 각각의部分组成를 말하십시오. 에스터 이름에서는 알코올이 첫 번째 단어(alkyl 부분)를, 산이 두 번째(-oate 부분)를 제공합니다. 에탄올은 $\text{C}_2\text{H}_5-$를 제공하고 프로판산은 $\text{CH}_3\text{CH}_2\text{COO}-$를 제공하므로, 에스터는 에틸 프로파노에이트, $\text{CH}_3\text{CH}_2\text{COOC}_2\text{H}_5$입니다. 두 가지 물질을 농축 $\text{H}_2\text{SO}_4$ 촉매와 함께 환류로 반응시켜 만들며, 반응은 가역적이므로 수율은 완전하지 않습니다. 함정은 역순으로 이름 붙이기입니다: 프로필 아세테이트는 완전히 다른 에스터(프로판-1-올과 아세트산으로부터 생성됨)입니다. 알코올이 먼저, 산이 나중에옵니다.

Explore · ⁨탐색하기⁩

Ester route lab · ⁨에스터 경로 실험실⁩

Follow ester formation and hydrolysis as reversible paths. · ⁨가역적 경로로서 에스터 형성과 가수분해를 따라가세요.⁩

Vocabulary · ⁨어휘⁩ Train · ⁨연습하기⁩
English 한국어
esterification/ˌestəˌrɪfɪˈkeɪʃn/ 에스터화
reduction/rɪˈdʌkʃn/ 환원
condensation/kɒndenˈseɪʃn/ 축합 반응
18.2

Exam tips · ⁨시험 팁⁩

English
  • Carboxylic acids react with carbonates to give $\text{CO}_2$ (fizzing) — this distinguishes them from phenols.
  • Explain acid strength via the delocalised carboxylate ion; electron-withdrawing groups (e.g. Cl) increase strength.
  • Esterification (with concentrated $\text{H}_2\text{SO}_4$) is reversible; name esters as alkyl alkanoate.
  • Know the products of acid vs alkaline hydrolysis of an ester (they differ).
한국어
  • 카복실산은 탄산염과 반응하여 $\text{CO}_2$(거품)를 생성합니다 - 이것이 페놀과 구별되는 방법입니다.
  • 비국지화 carboxylate ion을 통해 산 강도를 설명하십시오; 전자吸引 group(예: Cl)은 강도를 증가시킵니다.
  • 에스터화(농축 $\text{H}_2\text{SO}_4$와)는 가역적이며, 에스터는 alkyl alkanoate로 이름 붙입니다.
  • 에스터의 산 vs 염기 가수분해의 생성물을 알고 있어야 합니다(다릅니다).

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Past Papers · ⁨과거 시험지⁩

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