"Химия (углублённый уровень)", Пузаков С.А., Машнина Н.В., Попков В.А.
Карбоновые кислоты — органические вещества с одной или несколькими карбоксильными группами –COOH. Их физические свойства определяются полярностью этой группы, способностью образовывать водородные связи и длиной углеводородного радикала. Поэтому кислоты имеют сравнительно высокие температуры кипения, а их растворимость в воде закономерно уменьшается при удлинении радикала. Эти признаки помогают сравнивать представителей гомологического ряда.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Карбоновые кислоты — органические вещества, содержащие одну или несколько карбоксильных групп. В параграфе рассматриваются их агрегатное состояние, растворимость, температуры кипения и изменение этих свойств в гомологическом ряду. Эти признаки позволяют связывать наблюдаемые свойства вещества со строением его молекул.
Карбоксильная группа — функциональная группа –COOH. Она включает карбонильную часть C=O и гидроксильную часть –OH, соединённые с одним атомом углерода. Такое строение объясняет полярность группы и её способность взаимодействовать с водой и другими молекулами.
Водородная связь — межмолекулярное взаимодействие, возникающее между полярными группами. В кислотах водород из связи O–H притягивается к атому кислорода другой молекулы. Это понятие нужно, чтобы объяснить высокие температуры кипения и объединение молекул кислот.
Ассоциаты молекул — объединения молекул, удерживаемые межмолекулярными взаимодействиями. У карбоновых кислот отдельные молекулы связываются главным образом водородными связями, часто образуя пары. Поэтому вещество ведёт себя не как совокупность полностью независимых молекул.
Карбоксильная группа полярна, потому что атомы кислорода сильнее притягивают общие электронные пары, чем углерод и водород. В результате на разных участках группы возникают частичные заряды, и молекулы притягиваются друг к другу. Полярность одновременно делает карбоксильную группу способной взаимодействовать с полярными молекулами воды.
Две молекулы кислоты могут сближаться так, чтобы водород гидроксильной группы одной молекулы оказался около кислорода другой. Между ними формируется водородная связь, а вторая пара связей возникает при обратном взаимодействии. Так образуется особенно устойчивый димер, то есть ассоциат из двух молекул.
Температуры кипения карбоновых кислот сравнительно высоки не только из-за их молекулярной массы. При нагревании нужно ослабить притяжение между полярными группами и разрушить водородные связи в ассоциатах. На это затрачивается дополнительная энергия, поэтому переход жидкости в пар происходит при более высокой температуре.
Низшие кислоты хорошо растворяются в воде, поскольку их карбоксильные группы образуют водородные связи с молекулами воды. Углеводородный радикал такой молекулы сравнительно мал и почти не мешает этому взаимодействию. При его удлинении неполярная, гидрофобная часть становится заметнее, поэтому растворимость постепенно уменьшается.
Рост молекулярной массы и длины радикала влияет сразу на несколько свойств вещества. Низшие представители ряда обычно являются летучими жидкостями и лучше растворяются в воде, тогда как высшие кислоты менее растворимы и могут быть твёрдыми веществами. Изменения объясняются увеличением размеров неполярной части и усилением взаимодействия длинных углеводородных цепей.
| Признак | Низшие карбоновые кислоты | Высшие карбоновые кислоты |
|---|---|---|
| Агрегатное состояние при обычных условиях | Преимущественно жидкости | Часто твёрдые вещества |
| Растворимость в воде | Высокая, у первых представителей очень высокая | Низкая или практически отсутствует |
| Влияние длины углеводородного радикала | Короткий радикал слабо уменьшает взаимодействие с водой | Длинный радикал усиливает гидрофобность и межцепочечное притяжение |
| Температуры кипения | Сравнительно высокие для небольшой молекулярной массы | В целом повышаются при увеличении размера молекулы |
| Причина характерных физических свойств | Полярная карбоксильная группа и водородные связи | Водородные связи, большая масса и взаимодействие углеводородных цепей |
Таблицу удобно читать по строкам: так можно сравнить один признак у низших и высших кислот. По столбцам видно, как увеличение углеводородного радикала меняет свойства всего ряда.
Условие: сравните растворимость в воде муравьиной, уксусной и масляной кислот и объясните закономерность.
Ответ: растворимость уменьшается в ряду муравьиная — уксусная — масляная кислота. Причина — рост гидрофобного углеводородного радикала при сохранении одной карбоксильной группы.
Условие: объясните, почему температура кипения карбоновой кислоты выше, чем у углеводорода с близкой молекулярной массой.
Ответ: близкая молекулярная масса не означает одинаковые температуры кипения. У карбоновой кислоты водородные связи и ассоциация молекул сильнее увеличивают температуру кипения, чем обычные слабые взаимодействия в углеводороде.
Условие: по справочным данным о растворимости и агрегатном состоянии неизвестной карбоновой кислоты оцените, относится ли она к низшим или высшим кислотам.
Ответ: хорошо растворимую жидкую кислоту относят к низшим, а плохо растворимое твёрдое вещество — к высшим или близким к ним представителям. Чем длиннее радикал, тем вероятнее второй вариант.
Ошибка 1. Считать, что все кислоты одинаково хорошо растворяются в воде. Так происходит из-за переноса свойства карбоксильной группы на всю молекулу; проверьте длину радикала и сравните растворимость гомологов.
Ошибка 2. Объяснять высокую температуру кипения только молекулярной массой. Масса влияет на свойства, но главный дополнительный фактор — водородные связи и ассоциация; сравните строение кислоты и углеводорода.
Ошибка 3. Путать водородную связь между молекулами с ковалентной связью внутри молекулы. Ковалентные связи образуют карбоксильную группу, а водородная связь возникает между частями разных молекул.
Ошибка 4. Переносить свойства низших кислот на высшие. При проверке учитывайте сразу два признака: у высших кислот ниже растворимость и чаще твёрдое агрегатное состояние.
Для понимания темы нужны строение карбоксильной группы, полярность химической связи и представление о межмолекулярных взаимодействиях. Растворимость и водородные связи пригодятся при изучении химических реакций карбоновых кислот с водой и другими веществами. Сравнение свойств гомологов опирается на понятия гомологического ряда и углеводородного радикала.
Почему карбоновые кислоты образуют водородные связи?
В карбоксильной группе есть полярные связи O–H и C=O. Водород группы O–H взаимодействует с атомом кислорода другой молекулы, поэтому между молекулами возникают водородные связи.
Почему температуры кипения карбоновых кислот сравнительно высоки?
Молекулы кислот удерживаются не только обычными межмолекулярными силами, но и водородными связями. Для перехода в газ нужно разрушить эти взаимодействия, поэтому требуется больше энергии.
Все ли карбоновые кислоты растворяются в воде?
Нет, растворимость зависит от строения молекулы. Низшие кислоты хорошо смешиваются или растворяются в воде, а с увеличением углеводородного радикала растворимость заметно снижается.
Как длина углеводородного радикала влияет на растворимость кислоты?
Карбоксильная группа взаимодействует с водой, а углеводородный радикал отталкивает воду и обладает гидрофобными свойствами. Поэтому при удлинении радикала его влияние усиливается, и растворимость уменьшается.
Что называют ассоциатами молекул карбоновой кислоты?
Ассоциаты — это объединения нескольких молекул, удерживаемые межмолекулярными взаимодействиями. У карбоновых кислот молекулы часто соединяются водородными связями, образуя устойчивые пары и более крупные объединения.
14.2. Физические свойства
