13.2: Physikalische Eigenschaften von Carbonsäuren

Carbonsäuren mit niedrigerem Molekulargewicht weisen einen stechenden und unangenehmen Geruch auf. Sie haben auch höhere Siede- und Schmelzpunkte als analoge Verbindungen wie Aldehyde, Ketone und Alkohole.

Zusätzlich zur Dipol-Dipol-Wechselwirkung der polaren Carbonyl- und Hydroxylbindungen bestimmen starke intermolekulare Wasserstoffbrückenbindungen zwischen Carbonsäuremolekülen mehrere physikalische Eigenschaften.

Die starke Wechselwirkung führt dazu, dass die Carbonsäuremoleküle in stabilen Dimeren vorliegen, wodurch sich ihr Molekulargewicht verdoppelt. Folglich haben sie höhere Siedepunkte. Diese Carbonsäuredimere haben viel höhere Gleichgewichtskonstanten (bis zu 10^6–10^7 M−^1) als Alkoholdimere (11 M−^1).

Ein ähnlicher Trend ist bei den Schmelzpunkten von Carbonsäuren zu beobachten. Der Schmelzpunkt steigt mit zunehmender Länge der Kohlenwasserstoffkette. Die gesättigten Carbonsäuren mit mehr als acht Kohlenstoffatomen sind bei Raumtemperatur typischerweise Festsubstanzen. Allerdings haben ungesättigte Carbonsäuren niedrigere Schmelzpunkte. Beispielsweise schmilzt Stearinsäure (C_18H_36O_2), eine gesättigte Carbonsäure, bei 70 °C, während Linolsäure (C_18H_32O_2), die zwei cis-Doppelbindungen trägt, bei −5 °C schmilzt.

Im Hinblick auf die Löslichkeit sind Carbonsäuren mit niedrigem Molekulargewicht aufgrund ihrer Wasserstoffbrückenbindungswechselwirkung mit Wassermolekülen in Wasser löslich. Im Gegensatz dazu sind Carbonsäuren mit höherem Molekulargewicht aufgrund der stärkeren van-der-Waals-Wechselwirkung zwischen den Molekülen besser in Alkoholen löslich. Vor allem aber sind Carbonsäuren in unpolaren Lösungsmitteln wie CCl_4 gut löslich. Interessanterweise sind einige Dicarbonsäuren aufgrund ihrer starken Wasserstoffbrückenbindungen relativ gut wasserlöslich.

Carbonsäuren haben polare –C=O- und –OH-Gruppen, die Dipol-Dipol-Wechselwirkungen zwischen zwei Molekülen gewährleisten.

Darüber hinaus sind die polaren Gruppen an zwei starken intermolekularen Wasserstoffbrückenbindungen beteiligt, um stabile Dimere zu bilden, wodurch sich die Molekulargewichte effektiv verdoppeln.

Daraus ergibt sich ein höherer Siedepunkt für Carbonsäuren als für analoge Verbindungen.

Im Allgemeinen sind niedermolekulare Carbonsäuren flüssig, während höhermolekulare Carbonsäuren bei Raumtemperatur fest sind.

Gesättigte Carbonsäuren, die lange unpolare Kohlenwasserstoffketten tragen, haben aufgrund erhöhter London-Kräfte und enger Packung höhere Schmelzpunkte als ungesättigte Säuren.

Dicarbonsäuren mit zwei zusätzlichen Wasserstoffbrückenbindungen haben relativ höhere Schmelzpunkte.

Carbonsäuren bilden auch Wasserstoffbrückenbindungen mit Wasser. Carbonsäuren mit niedrigmolekularem Gewicht sind leicht wasserlöslich.

Mit zunehmender hydrophober Kohlenwasserstoffkette nimmt die Wasserlöslichkeit ab. Solche langkettigen Carbonsäuren können sich aufgrund der Londoner Kräfte zusätzlich zur Wasserstoffbrückenbindung leicht in alkoholischen Lösungsmitteln auflösen.

Wenn das Lösungsmittel unpolar ist, liegen Säuren in ihrer Dimerform vor, wodurch sie gut löslich sind.