"Химия (углублённый уровень)", Пузаков С.А., Машнина Н.В., Попков В.А.
Карбоновые кислоты содержат полярную карбоксильную группу, поэтому их молекулы взаимодействуют друг с другом и с водой. Межмолекулярные водородные связи объединяют молекулы кислот в ассоциаты и повышают температуры кипения. Низшие кислоты хорошо растворяются в воде, но с удлинением углеводородного радикала растворимость уменьшается. Меняются также агрегатное состояние, летучесть и запах веществ.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Межмолекулярная водородная связь — притяжение между атомом водорода одной молекулы и электроотрицательным атомом, обычно кислорода, другой молекулы. В карбоновых кислотах полярная группа −COOH содержит связь O−H и атом кислорода с неподелёнными электронными парами. Поэтому молекулы кислот могут связываться друг с другом, что объясняет многие их физические свойства.
Ассоциат — объединение нескольких молекул кислоты, удерживаемых водородными связями. Например, две молекулы могут образовать димер, в котором каждая из них одновременно отдаёт и принимает водородную связь. Понятие нужно, чтобы объяснить, почему в жидкости кислоты ведут себя не как полностью независимые молекулы.
Растворимость — способность вещества образовывать с другим веществом однородную смесь определённого состава. Карбоксильная группа хорошо взаимодействует с водой, а углеводородный радикал — значительно хуже. Поэтому при увеличении длины радикала неполярная часть начинает сильнее препятствовать растворению кислоты.
Температура кипения — температура, при которой давление пара жидкости становится равным внешнему давлению. У карбоновых кислот она часто выше, чем у веществ близкой молекулярной массы, не образующих водородных связей. Причина — дополнительная энергия, необходимая для разрушения ассоциатов.
Карбоксильная группа полярна, потому что атом кислорода сильнее притягивает электронную плотность, чем углерод и водород. На одном участке молекулы возникают частичные заряды, поэтому кислород может принимать водородную связь, а водород группы O−H — участвовать в её образовании. Благодаря этому молекулы карбоновой кислоты притягиваются не только слабыми дисперсионными силами, но и направленными водородными связями.
Взаимное притяжение заставляет молекулы кислоты объединяться в ассоциаты. Чтобы перевести такие объединения из жидкости в пар, нужно разорвать межмолекулярные связи и удалить частицы друг от друга. Поэтому температура кипения оказывается повышенной по сравнению с веществами похожей массы, у которых водородные связи между молекулами не возникают.
Низшие карбоновые кислоты хорошо смешиваются с водой, поскольку их карбоксильные группы образуют водородные связи с молекулами воды. У короткой молекулы полярная группа заметно влияет на всё вещество. При удлинении углеводородного радикала увеличивается неполярный участок, которому невыгодно взаимодействовать с водой, поэтому растворимость постепенно уменьшается.
С ростом молекулярной массы усиливаются и межмолекулярные силы, особенно между длинными углеводородными цепями. Поэтому температуры кипения в ряду кислот обычно повышаются, а температура плавления в целом также возрастает, хотя её изменение может быть неровным из-за особенностей строения молекул. Низшие представители обычно являются летучими жидкостями, более высокие — вязкими жидкостями или твёрдыми веществами.
Низшие карбоновые кислоты легко испаряются, поэтому их запах быстро достигает органов обоняния и часто воспринимается как резкий. С увеличением цепи летучесть уменьшается, и запах ощущается слабее или меняется. Запах и способность испаряться относятся к физическим свойствам: при их наблюдении состав молекул не меняется.
| Свойство | Низшие карбоновые кислоты | Кислоты с более длинной углеродной цепью |
|---|---|---|
| Агрегатное состояние при обычных условиях | Обычно летучие жидкости | Вязкие жидкости или твёрдые вещества |
| Растворимость в воде | Высокая, некоторые смешиваются с водой | Обычно уменьшается с ростом цепи |
| Температура кипения и плавления | Ниже, чем у высших представителей ряда | В целом возрастает |
| Летучесть и запах | Высокая летучесть, часто резкий запах | Летучесть уменьшается, запах меняется или слабее ощущается |
Таблицу удобно читать по горизонтали, сравнивая два участка одного свойства. При движении вниз по группе свойств нужно учитывать общий тренд, а не ожидать строгого одинакового шага у каждой кислоты. На практике на свойства влияют не только длина цепи, но и строение молекулы.
Сравните растворимость в воде муравьиной и масляной кислот и объясните различие. Обе кислоты имеют карбоксильную группу, способную взаимодействовать с водой. Но в масляной кислоте углеводородный радикал длиннее.
Ответ: муравьиная кислота растворяется в воде лучше, чем масляная. Различие связано с большей долей полярной карбоксильной группы и отсутствием длинного неполярного радикала.
Сравните температуры кипения этановой кислоты и вещества близкой молекулярной массы, не образующего водородных связей. Пусть молекулярные массы близки, поэтому одной только массой различие объяснить нельзя. Нужно определить, какое межмолекулярное взаимодействие появляется у кислоты.
Ответ: температура кипения этановой кислоты выше. Главная причина — межмолекулярные водородные связи и образование ассоциатов, а не просто её молекулярная масса.
В пробирках находятся водные растворы этановой и гексановой кислот одинаковой концентрации. Предложите физическое свойство, по которому можно ожидать различие поведения при смешивании с водой. Нужно отделить влияние длины цепи от общей способности карбоксильной группы образовывать водородные связи.
Ответ: различие следует ожидать по растворимости и смешиваемости с водой. Этановая кислота смешивается лучше, потому что короткий радикал меньше ослабляет действие полярной карбоксильной группы.
Ошибка 1. Считать, что все карбоновые кислоты одинаково хорошо растворимы в воде. Так думают, потому что у всех есть одинаковая карбоксильная группа, но с ростом радикала увеличивается неполярная часть. Проверяйте не только функциональную группу, но и длину углеродной цепи.
Ошибка 2. Объяснять высокую температуру кипения только большой молекулярной массой. Такое объяснение не учитывает сравнение с веществами близкой массы. Проверьте, могут ли молекулы образовывать водородные связи и ассоциаты.
Ошибка 3. Путать растворимость с плотностью или вязкостью. Растворимость показывает, сколько вещества может раствориться, плотность — массу единицы объёма, а вязкость — сопротивление течению. Чтобы проверить себя, сформулируйте, какое именно наблюдение или измерение описывается.
Ошибка 4. Принимать резкий запах за химическое свойство. Запах связан с летучестью и воздействием молекул на органы обоняния, а не с химическим превращением. Если состав вещества при наблюдении не меняется, признак относится к физическим.
Для понимания темы нужны знания о строении карбоксильной группы и полярности химической связи. Также пригодятся представления о межмолекулярном взаимодействии и водородной связи из общей химии. Связь строения с физическими свойствами поможет объяснять химические свойства карбоновых кислот и сравнивать разные классы органических веществ.
Почему температура кипения карбоновых кислот выше, чем можно ожидать по их молекулярной массе?
Молекулы карбоновых кислот образуют межмолекулярные водородные связи. Поэтому они объединяются в ассоциаты, а для разделения этих частиц при кипении требуется больше энергии.
Что называют ассоциатами молекул кислоты?
Ассоциаты — это объединения нескольких молекул карбоновой кислоты, удерживаемых межмолекулярными водородными связями. Чаще всего такие объединения имеют вид циклических димеров.
Почему уксусная кислота смешивается с водой, а кислоты с длинной цепью растворяются хуже?
Карбоксильная группа образует водородные связи с молекулами воды, поэтому уксусная кислота хорошо смешивается с ней. При увеличении углеводородного радикала возрастает неполярная часть молекулы, и растворимость обычно снижается.
Как меняются физические свойства карбоновых кислот при удлинении углеродной цепи?
Растворимость в воде и летучесть обычно уменьшаются, а температуры кипения и плавления в целом возрастают. Низшие кислоты являются летучими жидкостями, тогда как более высокие могут быть вязкими жидкостями или твёрдыми веществами.
Чем физические свойства карбоновой кислоты отличаются от её химических свойств?
Физические свойства можно наблюдать или измерять без превращения вещества: это растворимость, запах, агрегатное состояние и температура кипения. Химические свойства описывают способность кислоты вступать в реакции и образовывать новые вещества.
11.2. Физические свойства
