"Химия (углублённый уровень)", Пузаков С.А., Машнина Н.В., Попков В.А.
Пиридин и пиррол — ароматические гетероциклы: циклические соединения, в кольцах которых есть атом азота. При комнатной температуре оба вещества являются жидкостями, но ведут себя по-разному: пиридин смешивается с водой, а пиррол растворяется в ней ограниченно. Температура кипения пиррола выше, в частности из-за водородных связей между его молекулами. Сравнение свойств помогает увидеть, как строение молекулы влияет на взаимодействие вещества с окружающей средой.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Пиридин — гетероциклическое ароматическое соединение, в кольце которого один атом углерода заменён атомом азота. При комнатной температуре это бесцветная жидкость с характерным неприятным запахом; она кипит примерно при 115 °C и смешивается с водой. Эти сведения помогают распознавать пиридин и отличать его от близких по строению веществ. Хорошая смешиваемость с водой связана с особенностями взаимодействия его молекул с водой.
Пиррол — ароматическое гетероциклическое соединение с группой N–H в кольце. При комнатной температуре это жидкость, кипящая примерно при 130 °C; в воде она растворяется ограниченно, а во многих органических растворителях растворяется. При хранении на воздухе и свету пиррол может темнеть. Его свойства важно связывать не только с наличием азота, но и с тем, как устроено кольцо и взаимодействуют молекулы.
Межмолекулярная водородная связь — притяжение между молекулами, в котором участвует атом водорода, связанный с электроотрицательным атомом, и другой подходящий атом. Такие связи могут возникать между молекулами пиррола благодаря группе N–H, а также между пирролом и водой. Они влияют на то, сколько энергии требуется для разделения молекул при кипении. Это понятие помогает объяснить свойства, которые нельзя понять только по составу вещества.
Пиридин и пиррол при комнатной температуре — жидкости, но их внешний вид при хранении различается. Пиридин — бесцветная жидкость с характерным неприятным запахом, который помогает заметить его, хотя определять вещество только по запаху не следует. Пиррол тоже бесцветен, но под действием воздуха и света постепенно темнеет. Изменение связывают с превращениями вещества при хранении, поэтому образец пиррола берегут от света и контакта с воздухом.
Температура кипения пиридина составляет около 115 °C, а пиррола — около 130 °C. При кипении молекулы должны преодолеть притяжение друг к другу и перейти в газообразное состояние. Между молекулами пиррола возможны водородные связи с участием группы N–H, поэтому на их разделение требуется дополнительная энергия. Разница температур кипения показывает, что учитывать нужно не только массу молекул, но и силу межмолекулярных взаимодействий.
Пиридин хорошо смешивается с водой, тогда как пиррол растворяется в ней ограниченно. Неподелённая электронная пара атома азота пиридина может взаимодействовать с молекулами воды, что способствует смешиванию. Само наличие азота ещё не гарантирует одинаковую растворимость: значение имеет положение атома в кольце и доступность его электронной пары. Поэтому два ароматических соединения с азотом проявляют себя в воде по-разному.
В молекуле пиррола неподелённая электронная пара азота участвует в общей ароматической системе кольца, то есть в системе электронов, придающей циклу особую устойчивость. Однако это не означает, что пиррол лишён межмолекулярных взаимодействий. Водород группы N–H может участвовать в водородной связи с атомом другой молекулы пиррола или с молекулой воды. Эти связи помогают объяснить и температуру кипения, и взаимодействие пиррола с водой.
Плотность пиридина при комнатной температуре около 0,98 г/см³, а пиррола — около 0,97 г/см³; значения близки, и пиридин немного плотнее. Молекулярные массы веществ также различаются, но одной массой нельзя объяснить ни плотность, ни температуры кипения и растворимость. На свойства влияют форма и полярность молекул, а также притяжение между ними и молекулами растворителя. Сравнение этих факторов даёт более полное объяснение, чем простое сопоставление формул.
| Свойство | Пиридин | Пиррол |
|---|---|---|
| Агрегатное состояние и внешний вид при комнатной температуре | Бесцветная жидкость | Бесцветная жидкость |
| Запах и изменение при хранении | Характерный неприятный запах | Может темнеть на воздухе и свету |
| Температура кипения | Около 115 °C | Около 130 °C |
| Плотность | Около 0,98 г/см³ | Около 0,97 г/см³ |
| Растворимость в воде | Хорошо смешивается с водой | Растворяется ограниченно |
| Растворимость в органических растворителях | Растворяется во многих | Растворяется во многих |
| Особенности межмолекулярных взаимодействий | Взаимодействует с водой с участием электронной пары азота | Между молекулами возможны водородные связи |
Таблица позволяет сравнить вещества по нескольким признакам сразу, а не делать вывод по одному свойству. Для различения особенно полезно сопоставить растворимость в воде и температуру кипения. Значения плотности близки, поэтому сами по себе они не дают такого наглядного различия.
Нужно не просто вспомнить, что оба вещества содержат азот, а выяснить, какую роль играет его электронная пара. Растворимость определяется взаимодействиями между молекулами растворяемого вещества и воды. Поэтому сравним строение каждого гетероцикла и сопоставим его с наблюдаемым поведением.
У пиридина неподелённая электронная пара атома азота может взаимодействовать с молекулами воды. Это способствует смешиванию пиридина с водой.
В пирроле электронная пара азота включена в ароматическую систему кольца, а строение молекулы отличается от строения пиридина. Группа N–H может образовывать водородные связи, но это не приводит к полной смешиваемости пиррола с водой.
Сопоставляем результат: пиридин хорошо смешивается с водой, пиррол растворяется ограниченно. В ответе указываем и наблюдаемое различие, и его связь со строением молекул.
Ответ: пиридин хорошо смешивается с водой благодаря взаимодействию электронной пары азота с молекулами воды; пиррол растворяется ограниченно из-за особенностей строения и взаимодействий его молекул.
При упорядочивании важно не перепутать вещество и значение температуры. Сначала запишем известные температуры кипения, затем сравним их и объясним, почему более высокая температура связана с межмолекулярными силами. Так станет понятно, почему массы молекул недостаточно для объяснения результата.
Температура кипения пиридина — около 115 °C, пиррола — около 130 °C. Сравниваем числа: 115 меньше 130.
Записываем вещества в порядке возрастания: сначала пиридин, затем пиррол. Это означает, что для кипения пиррола требуется более высокая температура.
Учитываем возможные водородные связи между молекулами пиррола с участием группы N–H. На преодоление этих взаимодействий требуется дополнительная энергия; поэтому нельзя объяснять порядок кипения только молекулярной массой.
Ответ: пиридин (около 115 °C), затем пиррол (около 130 °C). Более высокая температура кипения пиррола связана, в частности, с водородными связями между его молекулами.
Надёжный план использует независимые признаки: поведение в воде, температуры кипения и изменения при хранении. Один признак может оказаться недостаточным или наблюдаться неточно, поэтому вывод проверяют несколькими способами. Работать с веществами следует безопасно, не пробуя их на вкус и не вдыхая пары специально.
Проверить небольшие образцы на смешиваемость с водой. Образец, который хорошо смешивается с водой, вероятнее всего, пиридин; ограниченно растворяющийся образец — пиррол.
Сопоставить измеренные или известные температуры кипения: около 115 °C у пиридина и около 130 °C у пиррола. Меньшее значение указывает на пиридин, большее — на пиррол.
Учесть дополнительные наблюдения: у пиридина характерный неприятный запах, а пиррол может темнеть при хранении на воздухе и свету. Эти признаки используют осторожно и не делают их единственным основанием для вывода.
Ответ: жидкость, смешивающаяся с водой и кипящая примерно при 115 °C, — пиридин; ограниченно растворимая жидкость с температурой кипения около 130 °C — пиррол. Совпадение нескольких признаков делает определение надёжнее.
Ошибка: считать, что оба вещества одинаково хорошо растворяются в воде, потому что в обоих есть азот. Так рассуждают, перенося одно свойство элемента на разные молекулы и забывая об их строении. У пиридина электронная пара азота взаимодействует с водой, а пиррол ведёт себя иначе и растворяется ограниченно. Проверь себя: назови наблюдаемую растворимость каждого вещества отдельно.
Ошибка: утверждать, что пиррол не образует водородных связей. Это заключение делают, узнав, что электронная пара азота входит в ароматическую систему, но не учитывают группу N–H. Её водород может участвовать в образовании связей с соседними молекулами или водой. Проверь себя: различай участие электронной пары в ароматической системе и возможность взаимодействий через N–H.
Ошибка: объяснять температуру кипения только молекулярной массой. Масса влияет на свойства, но при кипении нужно преодолеть и притяжение между молекулами. Для пиррола важны, в частности, водородные связи, поэтому учти межмолекулярные взаимодействия. Проверь себя: при объяснении сравни не только формулы, но и строение молекул.
Ошибка: путать температуры кипения и плотности пиридина и пиррола. Это происходит, когда числа записывают без названия вещества или запоминают их изолированно. Пиридин кипит примерно при 115 °C и имеет плотность около 0,98 г/см³; для пиррола значения составляют около 130 °C и 0,97 г/см³. Проверь себя: каждый раз записывай число вместе с названием соединения и единицей измерения.
Для понимания свойств пиридина и пиррола нужны знания о строении ароматических гетероциклов, неподелённой электронной паре азота и полярности молекул. Эти понятия пригодятся при изучении химических свойств веществ, их основности и взаимодействия с водой. Водородные связи и растворимость встречаются и при изучении других органических соединений. Понимание таких взаимодействий помогает объяснять свойства веществ и выбирать подходящие способы их разделения.
Почему пиридин хорошо смешивается с водой, а пиррол — нет?
У атома азота пиридина есть неподелённая электронная пара, которая может взаимодействовать с молекулами воды. В пирроле электронная пара участвует в ароматической системе кольца, а строение молекулы иначе влияет на её взаимодействие с водой. Поэтому пиридин смешивается с водой, а пиррол растворяется ограниченно.
Почему температура кипения пиррола выше, чем у пиридина?
Между молекулами пиррола могут образовываться водородные связи с участием группы N–H. Чтобы разорвать такие взаимодействия при кипении, требуется дополнительная энергия. Поэтому пиррол кипит примерно при 130 °C, а пиридин — около 115 °C.
Образует ли пиррол водородные связи?
Да, группа N–H пиррола может участвовать в образовании водородных связей. Они возникают как между молекулами пиррола, так и при его взаимодействии с водой. Участие электронной пары азота в ароматической системе не исключает таких взаимодействий.
Какой из этих гетероциклов имеет характерный неприятный запах?
Характерный неприятный запах имеет пиридин. Пиррол при хранении на воздухе и свету может темнеть, поэтому для различения веществ учитывают не только запах, но и другие свойства.
Какие физические свойства можно использовать, чтобы различить пиридин и пиррол?
Можно сравнить растворимость в воде, температуры кипения и изменение при хранении: пиридин смешивается с водой и кипит примерно при 115 °C, а пиррол растворяется ограниченно, темнеет и кипит около 130 °C. Учитывают также характерный запах пиридина. Надёжнее опираться на несколько признаков, а не на один.
18.3. Физические свойства пиридина и пиррола
