"Химия (углублённый уровень)", Пузаков С.А., Машнина Н.В., Попков В.А.
Карбоновые кислоты — органические вещества с карбоксильной группой –COOH. Она придаёт молекуле полярность и способность образовывать водородные связи, поэтому кислоты кипят при сравнительно высоких температурах. Углеводородный радикал, напротив, неполярен: при увеличении его длины растворимость в воде уменьшается, а агрегатное состояние и другие свойства постепенно меняются. Эти закономерности позволяют сравнивать кислоты в одном гомологическом ряду.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Карбоновая кислота — органическое вещество, молекула которого содержит одну или несколько карбоксильных групп –COOH. Эта группа включает атом углерода, связанный с кислородом двойной связью и с гидроксильной группой. Она определяет полярность молекулы и её способность взаимодействовать с водой и другими молекулами.
Водородная связь — притяжение между атомом водорода, связанным с сильно электроотрицательным атомом, и другим электроотрицательным атомом. У карбоновых кислот такая связь возникает между группой O–H одной молекулы и атомом кислорода другой. Понятие нужно, чтобы объяснить объединение молекул кислот и их высокие температуры кипения.
Растворимость — способность вещества образовывать с растворителем однородную смесь. Низшие карбоновые кислоты хорошо смешиваются с водой, но по мере удлинения углеводородного радикала растворимость уменьшается. Поэтому по растворимости можно оценивать относительную длину неполярной части молекулы.
В молекуле карбоновой кислоты соединены две части с разными свойствами. Карбоксильная группа полярна, потому что электронная плотность неодинаково распределена между атомами кислорода, а углеводородный радикал в основном неполярен. Поэтому короткий радикал почти не мешает взаимодействию с водой, а длинный усиливает гидрофобные, то есть водоотталкивающие, свойства молекулы.
В карбоксильной группе водород связан с кислородом, а соседний атом кислорода обладает неподелёнными электронными парами. Положительно поляризованный водород одной молекулы притягивается к кислороду другой, и формируется водородная связь O–H···O. Две молекулы кислоты могут соединиться сразу несколькими такими взаимодействиями и образовать димер.
В димере молекулы удерживаются сильнее, чем частицы вещества, взаимодействующие только слабыми силами. При кипении нужно не просто увеличить расстояние между молекулами, а разрушить значительную часть водородных связей. Поэтому карбоновые кислоты кипят при более высоких температурах, чем многие вещества близкой молярной массы, не образующие таких связей.
При удлинении углеводородного радикала полярная карбоксильная группа становится относительно меньшей частью молекулы. Вода хорошо окружает полярную группу, но хуже взаимодействует с длинной неполярной цепью, поэтому растворимость постепенно падает. Одновременно увеличиваются площадь соприкосновения молекул и силы притяжения между цепями.
Низшие кислоты обычно являются жидкостями и сравнительно хорошо растворяются в воде. В высших кислотах длинные цепи сильнее притягиваются друг к другу, поэтому повышаются температуры плавления и вещество может стать твёрдым. Так различия между жидкими низшими и твёрдыми высшими кислотами объясняются совместным влиянием длины цепи и межмолекулярных взаимодействий.
| Характеристика | Низшие карбоновые кислоты | Высшие карбоновые кислоты |
|---|---|---|
| Агрегатное состояние | Обычно жидкости | Обычно твёрдые вещества |
| Растворимость в воде | Высокая, у первых представителей возможна полная смешиваемость | Низкая и уменьшается с удлинением цепи |
| Запах | Резкий, характерный | Слабый или почти отсутствует |
| Температура кипения | Сравнительно высокая и растёт в ряду | Высокая; для многих важнее температура разложения |
| Влияние длины углеводородного радикала | Короткая цепь; сильнее проявляются свойства карбоксильной группы | Длинная цепь; усиливаются неполярность и притяжение между цепями |
Таблицу удобно использовать для сравнения кислот одного гомологического ряда. Если цепь становится длиннее, сначала обращайте внимание на падение растворимости, а затем на изменение агрегатного состояния. Температуры кипения в целом растут, поскольку увеличиваются и межмолекулярное притяжение, и вклад водородных связей.
Расположите муравьиную, уксусную и масляную кислоты по убыванию растворимости в воде. Формулы их углеводородных частей последовательно содержат всё больше атомов углерода. Значит, нужно сравнить не кислотность, а соотношение полярной группы и неполярного радикала.
Ответ: муравьиная кислота > уксусная кислота > масляная кислота по растворимости в воде.
Объясните, почему температура кипения карбоновой кислоты выше, чем у вещества близкой молярной массы, молекулы которого не образуют водородных связей. Сравнивать нужно энергию, необходимую для перехода частиц из жидкости в газ. Одной молярной массы для такого объяснения недостаточно.
Ответ: повышенная температура кипения вызвана сильным межмолекулярным взаимодействием, прежде всего водородными связями.
Даны три кислоты с известными физическими свойствами. Определите, какая из них имеет наиболее длинный углеводородный радикал, обосновав ответ по агрегатному состоянию и растворимости. Числовые данные не нужны: достаточно установить направление изменений в гомологическом ряду.
Ответ: наиболее длинный радикал у кислоты, которая хуже всего растворяется в воде и при этом находится в твёрдом состоянии.
Ошибка 1. Считать, что все кислоты одинаково хорошо растворяются в воде. Так происходит, если учитывать только карбоксильную группу; проверьте длину углеводородной цепи: с её ростом растворимость уменьшается.
Ошибка 2. Объяснять высокую температуру кипения только молярной массой. Большая масса действительно может усиливать притяжение, но главным дополнительным фактором служат водородные связи; ищите в структуре группу O–H.
Ошибка 3. Путать растворимость в воде и органических растворителях. Длинная неполярная часть ухудшает взаимодействие с водой, но может улучшать совместимость с неполярными органическими средами.
Ошибка 4. Считать, что все свойства задаёт только карбоксильная группа. Сравнивайте также длину и строение радикала: именно они влияют на растворимость, агрегатное состояние и силы притяжения между цепями.
Для понимания свойств кислот нужно знать строение карбоксильной группы и полярность связей. Представление о водородных связях и межмолекулярных взаимодействиях помогает сравнивать температуры кипения и растворимость органических веществ. Эти закономерности пригодятся при изучении получения, химических свойств и применения карбоновых кислот.
Почему карбоновые кислоты кипят при сравнительно высоких температурах?
Между молекулами карбоновых кислот образуются водородные связи, часто объединяющие их в димеры. Для разрушения таких взаимодействий и перехода вещества в газ требуется больше энергии, поэтому температура кипения повышается.
Почему низшие карбоновые кислоты растворяются в воде лучше высших?
Карбоксильная группа взаимодействует с полярными молекулами воды. При увеличении углеводородной цепи неполярная часть становится заметнее и ослабляет общее сродство молекулы к воде.
Как длина углеводородной цепи влияет на физические свойства кислоты?
С ростом цепи обычно уменьшается растворимость в воде, увеличиваются молярная масса и силы межмолекулярного притяжения. Поэтому вещества постепенно переходят от хорошо растворимых жидкостей к плохо растворимым твёрдым веществам.
Почему молекулы карбоновых кислот образуют водородные связи?
В карбоксильной группе есть полярная связь O–H и атом кислорода с неподелёнными электронными парами. Водород одной молекулы притягивается к кислороду другой, и возникает водородная связь.
Как по растворимости и агрегатному состоянию сравнить карбоновые кислоты?
Более растворимая в воде кислота обычно имеет меньший углеводородный радикал. Если одна кислота жидкая, а другая твёрдая и хуже растворяется, наиболее длинная цепь, как правило, у второй.
20.3. Физические свойства
