13.2: Właściwości fizyczne kwasów karboksylowych

Kwasy karboksylowe o niższej masie cząsteczkowej charakteryzują się ostrym i nieprzyjemnym zapachem. Mają także wyższe temperatury wrzenia i topnienia niż analogiczne związki, takie jak aldehydy, ketony i alkohole.

Oprócz interakcji dipol-dipol polarnych wiązań karbonylowych i hydroksylowych, silne międzycząsteczkowe wiązania wodorowe między cząsteczkami kwasu karboksylowego decydują o kilku właściwościach fizycznych.

Silne oddziaływanie powoduje, że cząsteczki kwasu karboksylowego występują w stabilnych dimerach, zwiększając dwukrotnie ich masę cząsteczkową. W związku z tym mają wyższą temperaturę wrzenia. Te dimery kwasów karboksylowych mają znacznie wyższe stałe równowagi (nawet 10^6–10^7 M-^1) niż dimery alkoholi (11 M-^1).

Podobną tendencję obserwuje się w przypadku temperatur topnienia kwasów karboksylowych. Temperatura topnienia wzrasta wraz ze wzrostem długości łańcucha węglowodorowego. Nasycone kwasy karboksylowe zawierające więcej niż osiem atomów węgla są zazwyczaj ciałami stałymi w temperaturze pokojowej. Jednakże nienasycone kwasy karboksylowe mają niższą temperaturę topnienia. Na przykład kwas stearynowy (C_18H_36O_2), nasycony kwas karboksylowy, topi się w temperaturze 70°C, podczas gdy kwas linolowy (C_18H_3O_2), zawierający dwa podwójne wiązania cis, topi się w temperaturze -5°C.

Pod względem rozpuszczalności kwasy karboksylowe o niskiej masie cząsteczkowej są rozpuszczalne w wodzie ze względu na interakcję wiązań wodorowych z cząsteczkami wody. Natomiast kwasy karboksylowe o wyższej masie cząsteczkowej są lepiej rozpuszczalne w alkoholach ze względu na silniejsze oddziaływanie van der Waalsa między cząsteczkami. Warto zauważyć, że kwasy karboksylowe są dobrze rozpuszczalne w niepolarnych rozpuszczalnikach, takich jak CCl_4. Co ciekawe, niektóre kwasy dikarboksylowe są dość rozpuszczalne w wodzie ze względu na ich znaczne oddziaływanie wiązań wodorowych.

Kwasy karboksylowe mają polarne grupy –C=O i –OH, zapewniając oddziaływania dipol-dipol między dwiema cząsteczkami.

Co więcej, grupy polarne są zaangażowane w dwa silne międzycząsteczkowe wiązania wodorowe, tworząc stabilne dimery, skutecznie podwajając masy cząsteczkowe.

Powoduje to wyższą temperaturę wrzenia dla kwasów karboksylowych niż dla analogicznych związków.

Ogólnie rzecz biorąc, kwasy karboksylowe o niższej masie cząsteczkowej są płynne, podczas gdy kwasy karboksylowe o wyższej masie cząsteczkowej są stałe w temperaturze pokojowej.

Nasycone kwasy karboksylowe zawierające długie niepolarne łańcuchy węglowodorowe mają wyższe temperatury topnienia niż kwasy nienasycone ze względu na zwiększone siły Londynu i ścisłe upakowanie.

Kwasy dikarboksylowe, z dwoma dodatkowymi wiązaniami wodorowymi, mają stosunkowo wyższe temperatury topnienia.

Kwasy karboksylowe tworzą również wiązania wodorowe z wodą. Kwasy karboksylowe o niższej masie cząsteczkowej są łatwo rozpuszczalne w wodzie.

Wraz ze wzrostem hydrofobowego łańcucha węglowodorowego zmniejsza się rozpuszczalność w wodzie. Takie długołańcuchowe kwasy karboksylowe mogą łatwo rozpuszczać się w rozpuszczalnikach alkoholowych ze względu na siły Londona oprócz wiązań wodorowych.

Jeśli rozpuszczalnik jest niepolarny, kwasy występują w postaci dimerów, dzięki czemu są całkiem rozpuszczalne.