گروه‌های عاملی: الکل و کربوکسیلیک اسید

اتان در دمای اتاق گازی بی‌بو است که در منفی ۸۹ درجهٔ سلسیوس می‌جوشد. حالا فقط یکی از شش هیدروژن آن را با گروه OH جایگزین کن تا اتانول به دست آید؛ مایعی که تا ۷۸ درجهٔ سلسیوس می‌جوشد، با آب به هر نسبت مخلوط می‌شود و بوی الکل می‌دهد. یک تغییر کوچک در ساختار، جهشی بزرگ در خواص. به همین دلیل شیمی آلی را نه بر پایهٔ تعداد کربن‌ها، بلکه بر پایهٔ گروه عاملی دسته‌بندی می‌کنیم.

الکل‌ها: گروه هیدروکسیل

الکل ترکیبی است که گروه OH روی یک کربن اشباع نشسته باشد؛ فرمول کلی الکل‌های ساده C_nH_2n+۱OH است. اکسیژن الکترونگاتیوی بالایی دارد، پس پیوند O–H به‌شدت قطبی می‌شود و هیدروژنِ کم‌بارِ آن می‌تواند به زوج الکترون ناپیوندی اکسیژن مولکول همسایه چنگ بزند: پیوند هیدروژنی. انرژی هر پیوند هیدروژنی حدود ۲۰ تا ۲۵ کیلوژول بر مول است و همین شبکهٔ نامرئی توضیح می‌دهد چرا نقطهٔ جوش اتانول با جرم مولی ۴۶٫۰۷ برابر ۷۸ درجه است، در حالی که پروپان با جرم مولی نزدیک ۴۴٫۱ در منفی ۴۲ درجه می‌جوشد. الکل‌ها را برحسب اینکه کربن حامل OH به یک، دو یا سه کربن دیگر وصل باشد، نخست‌زا، دوم‌زا و سوم‌زا می‌نامند.

کربوکسیلیک اسیدها: دو عامل در یک گروه

اگر کربنِ حامل OH را اکسید کنی، ابتدا آلدهید و سپس کربوکسیلیک اسید با گروه COOH به دست می‌آید. در این گروه، یک کربونیل C=O و یک هیدروکسیل کنار هم نشسته‌اند و همین همسایگی همه چیز را عوض می‌کند: اکسیژن کربونیل بار منفی حاصل از جدا شدن پروتون را روی خود پخش می‌کند و آنیون کربوکسیلات پایدار می‌شود. به همین دلیل کربوکسیلیک اسیدها اسیدهای واقعی‌اند، هرچند ضعیف: ثابت یونش اتانوئیک اسید ۱٫۸ × ۱۰⁻⁵ است، یعنی در محلول رقیق تنها حدود یک درصد مولکول‌ها یونیده می‌شوند.

هر دو گروه OH و COOH با آب پیوند هیدروژنی می‌سازند، ولی فقط COOH پروتون آزاد می‌کند. برای تشخیص عملی، کمی سدیم هیدروژن کربنات به نمونه بیفزا: با کربوکسیلیک اسید حباب دی‌اکسید کربن می‌بینی و با الکل هیچ اتفاقی نمی‌افتد.

یک مثال عددی کاملاً حل‌شده

pH محلول ۰٫۱۰ مولار اتانوئیک اسید را حساب کن. از تعادل CH_۳COOH ⇌ CH_۳COO⁻ + H⁺ شروع کن و غلظت یون هیدروژن را x بنام. آن‌گاه Ka برابر است با x^۲ تقسیم بر (۰٫۱۰ − x). چون اسید ضعیف است، x در برابر ۰٫۱۰ ناچیز فرض می‌شود و رابطه به x^۲ = ۱٫۸ × ۱۰⁻⁵ × ۰٫۱۰ ساده می‌شود، یعنی x^۲ برابر ۱٫۸ × ۱۰⁻⁶ و x برابر ۱٫۳۴ × ۱۰⁻³ مولار. پس pH برابر منفی لگاریتم این عدد یعنی ۲٫۸۷ می‌شود. درصد یونش هم ۱٫۳۴ × ۱۰⁻³ تقسیم بر ۰٫۱۰ یعنی ۱٫۳۴ درصد است؛ همین عدد نشان می‌دهد فرض ناچیزبودن x درست بوده است. برای مقایسه، اگر همین غلظت از یک اسید قوی مانند هیدروکلریک اسید داشتیم، pH دقیقاً ۱٫۰۰ می‌شد.

مثال دوم و کاربرد واقعی

در تخمیر، آنزیم‌های مخمر گلوکز را به اتانول و دی‌اکسید کربن تبدیل می‌کنند: C_۶H_۱۲O_۶ → ۲C_۲H_۵OH + ۲CO_۲. از ۹۰ گرم گلوکز با جرم مولی ۱۸۰٫۱۶ چند گرم اتانول به دست می‌آید؟ تعداد مول گلوکز برابر ۹۰ ÷ ۱۸۰٫۱۶ یعنی ۰٫۵۰۰ مول است و طبق ضریب ۲، مقدار اتانول ۱٫۰۰ مول می‌شود؛ با جرم مولی ۴۶٫۰۷ جرم آن ۴۶٫۰ گرم است. هم‌زمان ۱٫۰۰ مول یعنی ۴۴٫۰ گرم دی‌اکسید کربن آزاد می‌شود که همان حباب‌های خمیر نان است. در صنعت، همین اتانول را می‌سوزانند تا سوخت زیستی بسازند، یا با اکسیدکردنش به اتانوئیک اسید می‌رسند که سرکهٔ خوراکی محلول حدود پنج درصد آن است. گروه COOH در بدن تو هم همه‌جا هست: هر بیست آمینواسید سازندهٔ پروتئین‌ها دقیقاً یک گروه کربوکسیل و یک گروه آمین دارند و پیوند پپتیدی از واکنش همین دو گروه ساخته می‌شود.