13.2. Физические свойства

Определения и обозначения

Карбоксильная группа — функциональная группа –COOH, характерная для карбоновых кислот. Она состоит из углерода, связанного с атомом кислорода двойной связью и с гидроксильной группой. Наличие этой группы придаёт молекуле полярность и определяет многие физические свойства кислот.

Межмолекулярная водородная связь — взаимодействие между разными молекулами, в котором участвуют атом водорода, связанный с электроотрицательным атомом, и другой электроотрицательный атом. В карбоновых кислотах такая связь возникает между группами –OH и атомами кислорода соседних молекул. Она влияет на растворимость, агрегатное состояние и температуру кипения.

Ассоциат молекул — объединение нескольких молекул за счёт межмолекулярных взаимодействий. Карбоновые кислоты образуют ассоциаты, чаще всего димеры, то есть объединения двух молекул. Это объясняет, почему в парах и неполярных средах кислоты могут существовать не только в виде отдельных молекул.

Как это устроено

Низшие карбоновые кислоты обычно являются бесцветными жидкостями с характерным резким запахом. Их молекулы содержат небольшую углеводородную часть и полярную карбоксильную группу, поэтому кислоты хорошо взаимодействуют друг с другом и с водой. При увеличении углеводородного радикала неполярная часть становится заметнее, а высшие кислоты могут быть твёрдыми веществами.

В карбоксильной группе связи полярны: атомы кислорода притягивают электронную плотность сильнее водорода и углерода. Водород группы –OH получает частичный положительный заряд, а кислороды — частичный отрицательный заряд или обладают неподелёнными электронными парами. Поэтому соседние молекулы притягиваются, образуя водородные связи, а для их разрыва при кипении требуется дополнительная энергия.

Две молекулы кислоты могут соединиться так, что каждый их фрагмент –OH образует водородную связь с кислородом другой молекулы. Возникает устойчивый циклический димер, удерживаемый двумя связями. Ассоциация особенно заметна в парах и неполярных средах, где молекулам сложнее окружиться водой или другими сильнополярными частицами.

Низшие кислоты хорошо растворяются в воде, потому что карбоксильная группа полярна и образует с молекулами воды водородные связи. Увеличение углеводородной цепи добавляет в молекулу неполярный участок, который почти не взаимодействует с водой. Поэтому вклад карбоксильной группы становится относительно меньше, и растворимость постепенно уменьшается.

По сравнению с соединениями близкой молекулярной массы карбоновые кислоты часто имеют более высокие температуры кипения. Причина не только в массе и силах притяжения между тяжёлыми молекулами, но и в образовании димеров и других ассоциатов. Для превращения кислоты в пар нужно разрушить эти межмолекулярные взаимодействия и разделить частицы.

Физические свойства карбоновых кислот и их изменение с ростом углеводородной цепи

Таблицу удобно читать по строкам: каждая строка показывает изменение одного свойства. Сначала определите длину углеводородной цепи, затем оцените соотношение полярной и неполярной частей молекулы. Для объяснения температуры кипения учитывайте одновременно размер молекулы и водородные связи.

Разбор задач

Сравнить растворимость в воде муравьиной и стеариновой кислот и объяснить различие.

Условие. Нужно сопоставить две карбоновые кислоты: муравьиную HCOOH с самой короткой углеводородной частью и стеариновую C₁₇H₃₅COOH с длинной цепью. Требуется объяснить различие через строение молекул, а не просто назвать растворимость.

1. У обеих кислот есть карбоксильная группа –COOH. Она полярна и может образовывать водородные связи с молекулами воды.
2. В муравьиной кислоте углеводородная часть очень мала, поэтому полярная группа определяет поведение почти всей молекулы. Вода хорошо окружает такие частицы, и кислота хорошо растворяется.
3. В стеариновой кислоте карбоксильная группа соединена с длинной неполярной цепью. Эта цепь плохо взаимодействует с водой и ослабляет общий эффект полярной группы.

Ответ. Муравьиная кислота растворяется в воде значительно лучше стеариновой. Причина в том, что у неё почти отсутствует неполярный участок, тогда как длинная углеводородная цепь стеариновой кислоты препятствует растворению.

Объяснить, почему температура кипения уксусной кислоты выше, чем у вещества близкой молекулярной массы, молекулы которого не образуют водородных связей.

Условие. Сравниваются вещества с близкими молекулярными массами, но уксусная кислота способна образовывать водородные связи. Нужно установить, почему различаются температуры кипения.

1. При кипении частицы жидкости должны удалиться друг от друга и перейти в газовую фазу. Значит, нужно преодолеть силы притяжения между молекулами.
2. Молекулы уксусной кислоты соединяются водородными связями и могут образовывать димеры. Для разделения таких частиц требуется дополнительная энергия.
3. У близкого по массе вещества без водородных связей действуют более слабые межмолекулярные взаимодействия. Поэтому его молекулы легче разделить нагреванием.

Ответ. Температура кипения уксусной кислоты выше из-за межмолекулярных водородных связей и ассоциации молекул. Одной только близости молекулярных масс для объяснения недостаточно.

В парах карбоновой кислоты обнаружены частицы, состоящие из двух молекул. Объяснить их образование и указать, какие взаимодействия удерживают молекулы вместе.

Условие. Частица из двух молекул кислоты является димером. Нужно определить, какие участки молекул взаимодействуют и почему образуется именно устойчивое объединение.

1. У каждой молекулы есть карбоксильная группа с атомом водорода в –OH и атомами кислорода с неподелёнными электронными парами.
2. Водород группы –OH одной молекулы притягивается к кислороду другой молекулы. Одновременно происходит такое же взаимодействие в обратном направлении.
3. Две водородные связи замыкают циклическую структуру и удерживают молекулы рядом. Это не новая ковалентная молекула, а ассоциат, сохраняющий состав исходных частиц.

Ответ. В парах образуются димеры карбоновой кислоты. Их удерживают две межмолекулярные водородные связи между карбоксильными группами разных молекул.

Типичные ошибки

Ошибка 1. Считать, что все карбоновые кислоты одинаково хорошо растворяются в воде. Так думают, потому что у каждой есть одинаковая группа –COOH, но длина углеводородной цепи тоже важна. Проверка: сравните размеры полярной и неполярной частей.

Ошибка 2. Объяснять высокую температуру кипения только молекулярной массой. Масса влияет на свойства, однако водородные связи могут заметно усилить притяжение молекул. Проверка: найдите в строении группы, способные образовывать такие связи.

Ошибка 3. Путать внутримолекулярную и межмолекулярную водородную связь. В димере взаимодействуют карбоксильные группы разных молекул, а не участки одной молекулы. Проверка: мысленно посчитайте, сколько молекул участвует в образовании связи.

Ошибка 4. Переносить свойства низших кислот на высшие. При удлинении цепи изменяются растворимость, летучесть и агрегатное состояние. Проверка: отдельно оцените полярную группу и длину углеводородного радикала.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужно знать строение карбоксильной группы и различие между полярными и неполярными частями молекулы. Это позволяет объяснить, почему одна часть кислоты взаимодействует с водой, а другая — нет.

Знания о водородной связи помогают связать строение вещества с температурой кипения, растворимостью и агрегатным состоянием. Без представления о межмолекулярных взаимодействиях нельзя правильно объяснить образование димеров.

Тема пригодится при изучении химических свойств карбоновых кислот, их применения, а также сложных эфиров и жиров. Строение молекул в этих разделах также связывают с их физическими свойствами.

Что запомнить

• Физические свойства карбоновых кислот зависят от строения их молекул.
• Между молекулами карбоновых кислот могут возникать водородные связи.
• Карбоновые кислоты способны образовывать димеры.
• Межмолекулярная ассоциация способствует повышению температуры кипения.
• Низшие карбоновые кислоты хорошо растворяются в воде.
• С увеличением длины углеводородной цепи растворимость в воде уменьшается.