Ангидрид в химии¶
Ангидрид — это химическое соединение, образованное из кислоты путём отщепления от неё молекулы воды (или её эквивалента). Термин происходит от латинского anhydrous — «безводный». Ангидриды делятся на две основные группы: неорганические (оксиды кислотообразующих элементов) и органические (производные карбоновых кислот, прежде всего карбоновые ангидриды).
¶Неорганические ангидриды
Неорганический ангидрид — это оксид, который при взаимодействии с водой образует кислоту. Такие оксиды называют также кислотными или кислотообразующими. Соответствие между ангидридом и кислотой строго определено: каждая кислота имеет «свой» ангидрид.
Примеры:
| Ангидрид | Формула | Образуемая кислота | Формула кислоты |
|---|---|---|---|
| Диоксид серы (сернистый газ) | SO₂ | Сернистая кислота | H₂SO₃ |
| Триоксид серы | SO₃ | Серная кислота | H₂SO₄ |
| Диоксид углерода | CO₂ | Угольная кислота | H₂CO₃ |
| Пятиоксид фосфора | P₂O₅ | Фосфорная кислота | H₃PO₄ |
| Тетраоксид азота | N₂O₅ | Азотная кислота | HNO₃ |
| Триоксид хрома | CrO₃ | Хромовая кислота | H₂CrO₄ |
| Оксид марганца(VII) | Mn₂O₇ | Перманганатная кислота | HMnO₄ |
Обратная реакция — дегидратация кислоты — также характерна: например, концентрированная серная кислота при нагревании выше 300 °C частично разлагается до SO₃ и воды. Многие кислотные ангидриды получаются прокаливанием соответствующих солей: так, извести (CaCO₃) при сильном нагревании выделяется CO₂, а из нитрата свинца Pb(NO₃)₂ — N₂O₅.
Следует различать кислотные и основные оксиды. Основные оксиды (например, Na₂O, CaO) ангидридами кислот не являются: они образуют щёлочи. Амфотерные оксиды (Al₂O₃, ZnO) способны проявлять и кислотные, и основные свойства, но в чистом виде к ангидридам кислот не относятся.
¶Органические ангидриды
Органические ангидриды — производные карбоновых кислот, в которых гидроксильная группа замещена на ацильную. Наиболее распространены карбоновые ангидриды — соединения вида (RCO)₂O, получаемые дегидратацией двух молекул карбоновой кислоты.
Ключевые представители:
- Уксусный ангидрид (CH₃CO)₂O — бесцветная жидкость с резким запахом, важнейший ацилирующий агент в органическом синтезе и промышленности. Применяется при производстве ацетилцеллюлозы, ацетсалициловой кислоты (аспирина), ацетонитрила и ряда лекарственных веществ.
- Формильный ангидрид (HCO)₂O — низкомолекулярный ангидрид муравьиной кислоты, неустойчив, существует лишь в растворах.
- Бензойный ангидрид (C₆H₅CO)₂O — твёрдое кристаллическое вещество, применяется в парфюмерии и синтезе красителей.
- Малеиновый и фталевый ангидриды — циклические ангидриды ненасыщенных дикарбоновых кислот; малеиновый ангидрид является сырьём для синтеза полиэфирных смол, фталевый — для пластификаторов и алкидных смол.
Смешанные ангидриды содержат остатки двух разных кислот, например уксусно-формильный (CH₃CO–O–CHO). Сульфокислотные ангидриды — это, по сути, ангидриды неорганических кислот, в которых водород замещён на органический радикал: например, сульфатная кислота H₂SO₄ может рассматриваться как ангидрид пероксидов, а её органические производные (RSO₃H) образуют ангидриды вида (RSO₂)₂O.
¶Свойства и реакции
Основная реакция органических ангидридов — нуклеофильное ацилирование. При действии воды они гидролизуются до соответствующих кислот:
(CH₃CO)₂O + H₂O → 2 CH₃COOH
При действии спиртов образуются сложные эфиры, при действии аминов — амиды. Именно эта реактивность делает ангидриды удобными ацилирующими агентами: они переносят ацильную группу RCO– на нуклеофил, причём уксусный ангидрид значительно более безопасен и удобен в работе, чем хлорангидриды, которые выделяют едкую соляную кислоту.
Ангидриды реагируют и с неорганическими соединениями: уксусный ангидрид восстанавливается металлическим цинком до ацетальдегида, реагирует с аммиаком, галогеноводородами, некоторыми солями.
¶Получение
Неорганические ангидриды получают:
- непосредственным синтезом из элементов (SO₃ из SO₂ и O₂);
- термическим разложением кислот или их солей;
- окислением соответствующих соединений.
Органические ангидриды получают дегидратацией карбоновых кислот (при нагревании с P₂O₅ или уксусным ангидридом), взаимодействием карбоновых кислот с хлорангидридами, окислением кетонов или алдегидов. Промышленный способ получения уксусного ангидрида — карбонилирование ацетата метилена под действием катализаторов на основе родия.
¶Применение
Неорганические ангидриды находят широкое применение: SO₃ и P₂O₅ используются как осушители, SO₃ — при производстве серной кислоты методом контактного процесса, CO₂ — в пищевой промышленности, при газировании напитков, в огнетушителях.
Органические ангидриды — важнейшие промежуточные продукты органического синтеза. Уксусный ангидрид выпускается в мире объёмом свыше 2 млн тонн в год. Малеиновый ангидрид производится более 1 млн тонн в год и является одним из самых массовых ангидридов в химической промышленности.
¶История
Понятие ангидрида ввёл в химию в 1776 году шведский химик Карл Вильгельм Шееле, получивший уксусный ангидрид из уксусной кислоты. Термин «ангидрид» закрепился в XIX веке после работ Юстуса Либиха и Юхана Якоба Берцелиуса, систематизировавших представления о кислотах и их безводных формах.
Источники:
- Хомченко Г. П. Химия для поступающих в вузы
- Рудзитис Г. Е., Фельдман Ф. Г. Химия. 10–11 классы
- Лидин Р. А. Неорганическая химия: теория, законы, таблицы
- Дроздов А. С., Ткачев В. Г., Ткачева В. Л. Практикум по органической химии
- Кнунянц И. Л. и др. Химическая энциклопедия