4.2. Физические свойства

Определения и обозначения

Температура плавления — температура перехода вещества из твёрдого состояния в жидкое при постоянном давлении. Она показывает, при каком нагревании кристаллическая решётка перестаёт удерживать частицы в упорядоченном положении. По ней определяют агрегатное состояние вещества и сравнивают изомеры.

Температура кипения — температура, при которой давление насыщенного пара жидкости становится равным внешнему давлению. В этот момент пар образуется не только с поверхности, но и внутри жидкости в виде пузырьков. Показатель позволяет оценить летучесть и выбрать способ разделения жидких смесей.

Растворимость — способность вещества образовывать однородный раствор с другим веществом. Она зависит от природы обоих веществ, температуры и иногда давления. Сравнение растворимости объясняет, почему арены отделяются от воды и растворяют другие неполярные вещества.

Плотность — физическая величина, показывающая массу вещества в единице объёма: ρ = m/V. Чем меньше плотность жидкости по сравнению с другой жидкостью, тем выше она располагается при смешивании, если вещества не образуют общего раствора. Это свойство помогает предсказать положение слоёв.

Как это устроено

Бензол при обычных условиях является жидкостью, потому что его температура плавления около 5,5 °C, а температура кипения около 80 °C. При 20 °C он находится между этими температурами. При добавлении углеводородного радикала молекулы становятся крупнее, и агрегатное состояние меняется постепенно: ближайшие гомологи обычно остаются жидкостями, а более высокие представители могут быть твёрдыми.

Увеличение молекулярной массы обычно усиливает дисперсионное притяжение между молекулами. Одновременно растёт площадь их соприкосновения, поэтому требуется больше энергии для перехода жидкости в пар. Так повышаются температуры кипения аренов, а их летучесть уменьшается: толуол испаряется труднее бензола, этилбензол — труднее толуола.

Молекула бензола в целом неполярна, и у большинства аренов это свойство сохраняется. Полярная вода плохо взаимодействует с неполярными молекулами, поэтому арены растворяются в ней лишь в небольшом количестве. Зато неполярные органические растворители имеют сходный характер межмолекулярного взаимодействия, поэтому бензол и его гомологи хорошо смешиваются со многими из них.

Плотность бензола и большинства его гомологов меньше плотности воды, поскольку в одинаковом объёме их молекулы дают меньшую массу. При смешивании практически нерастворимых жидкостей более плотная вода опускается вниз, а арены образуют верхний слой. Сама плотность не объясняет растворимость: положение слоя и способность смешиваться — разные свойства.

Температура плавления зависит не только от размера молекулы, но и от того, насколько хорошо молекулы укладываются в кристалле. Симметричная молекула обычно образует более регулярную и плотную упаковку, которую труднее разрушить нагреванием. Поэтому температуры плавления изомеров, например разных ксилолов, могут заметно различаться, хотя их состав и молекулярная масса одинаковы.

Физические свойства бензола и его ближайших гомологов

Таблицу удобно читать по столбцам, если нужно сравнить вещества, и по строкам, если нужно проследить изменение одного свойства. Численные значения относятся к обычному давлению, поэтому при других условиях температуры могут отличаться. Для изомеров следует учитывать не только состав, но и взаимное расположение заместителей.

Разбор задач

1. Состояние бензола и положение слоя

Условие: определить агрегатное состояние бензола при 20 °C и его расположение при смешивании с водой.

1. Сравним 20 °C с температурой плавления бензола, примерно 5,5 °C. Температура выше точки плавления, значит, бензол уже не твёрдый.
2. Сравним 20 °C с температурой кипения, около 80 °C. Температура ниже точки кипения, поэтому бензол остаётся жидкостью.
3. Сравним плотности: бензол легче воды и плохо растворяется в ней. Значит, после отстаивания он образует верхний слой.

Ответ: при 20 °C бензол — жидкость; его слой располагается над водой.

2. Ряд по температуре кипения

Условие: расположить бензол, толуол и этилбензол в порядке увеличения температуры кипения.

1. Запишем строение ряда: бензол содержит шесть атомов углерода, толуол — семь, этилбензол — восемь.
2. При увеличении углеводородной части растут молекулярная масса и площадь соприкосновения молекул.
3. Дисперсионное притяжение усиливается, поэтому для кипения требуется больше энергии. Получаем ряд: бензол < толуол < этилбензол.

Ответ: температура кипения возрастает в порядке бензол, толуол, этилбензол; приблизительные значения — 80,1, 110,6 и 136,2 °C.

3. Разделение смеси бензола и толуола

Условие: предложить способ разделения смеси и определить, какая фракция отгоняется первой.

1. Выясним, различаются ли температуры кипения компонентов: у бензола она около 80 °C, у толуола — около 111 °C.
2. Нагреем смесь и направим пары в ректификационную колонну. В ней пары многократно конденсируются и испаряются, поэтому разделение становится более полным.
3. Первой отгоняется фракция, обогащённая бензолом, потому что он имеет меньшую температуру кипения и более летуч. Позже при повышении температуры перегоняется толуол.

Ответ: используют фракционную перегонку; сначала получают бензольную фракцию, затем толуольную.

Типичные ошибки

Ошибка 1. Температуру кипения принимают за температуру испарения. Испарение идёт с поверхности при любой температуре, а кипение начинается, когда давление насыщенного пара сравнивается с внешним. Проверка: спросите себя, образуются ли пузырьки во всём объёме жидкости.

Ошибка 2. Говорят, что арены полностью нерастворимы в воде. Так считают из-за очень малой растворимости, но строго нулевой она обычно не является. Проверка: используйте формулировку «плохо растворяется», если не дано специальное доказательство полного отсутствия растворения.

Ошибка 3. Ожидают одинакового роста температуры плавления у всех гомологов. На неё влияют симметрия молекулы и упаковка частиц в кристалле, поэтому ряд может быть неровным. Проверка: для изомеров отдельно учитывайте форму и симметрию.

Ошибка 4. Считают, что более плотная жидкость обязательно лучше растворяется в воде. Плотность описывает отношение массы к объёму, а растворимость — взаимодействие молекул разных веществ. Проверка: сравнивайте эти свойства независимо.

Связь с другими темами

Для понимания свойств аренов нужны знания о строении бензола, неполярных молекулах, межмолекулярном взаимодействии и агрегатных состояниях. Эти сведения помогают объяснить химические свойства и способы получения аренов. На практике физические характеристики используют при разделении нефтяных фракций, выборе растворителей и оценке токсичности ароматических углеводородов.

Что запомнить

• Бензол — бесцветная летучая жидкость с характерным запахом.
• Бензол и большинство его гомологов плохо растворяются в воде.
• Арены хорошо растворяются во многих неполярных органических растворителях.
• Плотность бензола и большинства его гомологов меньше плотности воды.
• С увеличением молекулярной массы обычно повышаются температуры кипения аренов.
• Температуры плавления изомеров зависят от симметрии и способа упаковки молекул.
• Физические свойства вещества нужно сравнивать при одинаковых условиях давления и температуры.