16.2. Физические свойства

Определения и обозначения

Карбоновая кислота — органическое соединение, содержащее одну или несколько карбоксильных групп. Общая особенность класса — наличие фрагмента –COOH, соединённого с углеводородным остатком или другой частью молекулы. По числу таких групп различают одноосновные и многоосновные кислоты.

Карбоксильная группа — функциональная группа –COOH, определяющая многие свойства карбоновых кислот. Она состоит из карбонильной части C=O и гидроксильной части –OH, объединённых у одного атома углерода. Поэтому по записи группы можно понять, почему молекула полярна и способна взаимодействовать с водой.

Межмолекулярная водородная связь — взаимодействие между молекулами, в котором атом водорода, связанный с электроотрицательным атомом, притягивается к другому электроотрицательному атому. В кислотах участвуют полярная группа O–H и атомы кислорода. Это понятие нужно, чтобы объяснить высокие температуры кипения и особое агрегатное состояние веществ.

Ассоциация молекул — объединение молекул карбоновой кислоты в устойчивые пары или более крупные образования за счёт водородных связей. Пара молекул называется димером. Ассоциация изменяет поведение вещества по сравнению с отдельными молекулами, например повышает энергию, необходимую для кипения.

Как это устроено

Карбоксильная группа содержит два атома кислорода, притягивающих электронную плотность, поэтому связи в ней полярны. Такая полярность делает молекулу способной притягиваться к полярным молекулам воды и к другим молекулам кислоты. У низших кислот влияние карбоксильной группы велико, поэтому они обычно являются жидкостями и хорошо смешиваются с водой.

В молекуле кислоты водород гидроксильной группы имеет частичный положительный заряд, а атомы кислорода — частичный отрицательный заряд. Поэтому водород одной молекулы притягивается к кислороду другой, и возникают водородные связи. Несколько молекул соединяются в ассоциаты, часто в устойчивые циклические димеры, потому что каждая карбоксильная группа может участвовать сразу в двух таких взаимодействиях.

Ассоциированные молекулы удерживаются сильнее, чем частицы вещества, связанные только слабыми межмолекулярными силами. При кипении нужно не просто увеличить скорость движения частиц, но и разрушить значительную часть водородных связей. Поэтому температура кипения карбоновых кислот часто выше, чем у соединений близкой молекулярной массы, не способных к такой ассоциации.

Растворимость определяется соперничеством двух частей молекулы. Карбоксильная группа гидрофильна: она хорошо взаимодействует с водой, а углеводородный радикал гидрофобен и избегает контакта с ней. При удлинении радикала его влияние становится сильнее, поэтому в гомологическом ряду растворимость кислот постепенно уменьшается.

Низшие кислоты — муравьиная, уксусная, пропионовая и масляная — обычно представляют собой жидкости, причём первые хорошо растворяются в воде. Их запах часто резкий и раздражающий, особенно у летучих представителей. Высшие карбоновые кислоты имеют длинные цепи, плохо растворяются в воде, обычно являются твёрдыми и отличаются менее заметным запахом.

Физические свойства представителей карбоновых кислот

Таблицу удобно читать по направлению от муравьиной к высшим кислотам: углеводородная цепь становится длиннее. Сравнивая строки, можно увидеть уменьшение растворимости и переход от жидкого состояния к твёрдому. Запах также связан с летучестью: чем труднее веществу переходить в газовую фазу, тем слабее его запах.

Разбор задач

Задача 1

Расположите уксусную, пропионовую и масляную кислоты в порядке уменьшения растворимости в воде. Все три вещества содержат одинаковую гидрофильную группу –COOH, но длина углеводородного радикала у них различна.

1. У уксусной кислоты радикал самый короткий, поэтому гидрофильная группа сильнее определяет свойства всей молекулы.
2. У пропионовой кислоты цепь длиннее, а у масляной — ещё длиннее.
3. Чем длиннее гидрофобная часть, тем ниже растворимость в воде.

Ответ: уксусная кислота > пропионовая кислота > масляная кислота.

Задача 2

Объясните, почему температура кипения карбоновой кислоты может быть выше, чем у соединения близкой молекулярной массы, не образующего водородных связей. Нужно сравнить не только массы частиц, но и силы притяжения между ними.

1. В карбоновой кислоте есть полярная группа –COOH с фрагментом O–H.
2. Молекулы соединяются водородными связями и образуют ассоциаты, поэтому удерживаются друг возле друга сильнее.
3. При кипении эти связи приходится разрушать, и на это требуется дополнительная энергия.

Ответ: температура кипения кислоты может быть выше из-за водородных связей и ассоциации молекул, а не только из-за молекулярной массы.

Задача 3

Даны две неизвестные карбоновые кислоты: одна хорошо смешивается с водой, другая практически не растворяется. Предложите, какая из них, вероятнее всего, имеет более длинный углеводородный радикал.

1. У обеих молекул карбоксильная группа гидрофильна и способствует контакту с водой.
2. Длинный углеводородный радикал гидрофобен и ослабляет общий эффект карбоксильной группы.
3. Следовательно, плохо растворимая кислота, вероятнее всего, содержит более длинную углеводородную цепь.

Ответ: более длинный радикал имеет практически нерастворимая кислота.

Типичные ошибки

Ошибка 1. Считать, что все карбоновые кислоты хорошо растворимы из-за группы –COOH. Так рассуждают, потому что замечают только гидрофильную часть молекулы. Проверяйте длину углеводородного радикала: при её увеличении растворимость снижается.

Ошибка 2. Объяснять высокую температуру кипения только большой молекулярной массой. У веществ похожей массы температуры кипения могут различаться из-за разных межмолекулярных взаимодействий. Проверьте, есть ли в молекулах группы, способные образовывать водородные связи.

Ошибка 3. Путать растворимость кислоты в воде с растворимостью в органических растворителях. Растворимость определяется сходством полярности растворителя и вещества, а не одним названием класса. Сначала уточните, с каким растворителем сравнивают свойства.

Ошибка 4. Переносить свойства низших кислот на высшие. У длинноцепочечных кислот меняются агрегатное состояние, растворимость и заметность запаха. Проверяйте, насколько велик углеводородный радикал, прежде чем делать вывод о веществе.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны знания о строении молекулы карбоновой кислоты, полярности химических связей и межмолекулярных взаимодействиях. Если видно, какие участки молекулы заряжены неравномерно, легче объяснить её растворимость и способность образовывать ассоциаты.

Водородные связи и закономерности растворимости пригодятся при изучении спиртов, аминокислот и биологических молекул. Эти понятия помогают связывать строение веществ с их свойствами, а не запоминать характеристики изолированно.

Что запомнить

• Физические свойства карбоновых кислот зависят от строения карбоксильной группы и углеводородного радикала.
• Молекулы карбоновых кислот способны образовывать водородные связи.
• Ассоциация молекул способствует повышению температур кипения.
• Низшие карбоновые кислоты хорошо растворяются в воде.
• С увеличением углеводородного радикала растворимость в воде уменьшается.
• Высшие карбоновые кислоты при комнатной температуре обычно являются твёрдыми веществами.