13.2: Физические свойства карбоновых кислот

Карбоновые кислоты с более низкой молекулярной массой обладают резким и неприятным запахом. Они также имеют более высокие температуры кипения и плавления, чем аналогичные соединения, такие как альдегиды, кетоны и спирты.

Помимо диполь-дипольного взаимодействия полярных карбонильных и гидроксильных связей, прочные межмолекулярные водородные связи между молекулами карбоновых кислот определяют ряд физических свойств.

Сильное взаимодействие заставляет молекулы карбоновой кислоты существовать в виде стабильных димеров, увеличивая их молекулярную массу в два раза. Следовательно, они имеют более высокие температуры кипения. Эти димеры карбоновых кислот имеют гораздо более высокие константы равновесия (до 10^6–10^7 М–^1), чем димеры спиртов (11 М–^1).

Аналогичная тенденция наблюдается и с температурами плавления карбоновых кислот. Температура плавления увеличивается с увеличением длины углеводородной цепи. Насыщенные карбоновые кислоты с числом атомов углерода более восьми обычно представляют собой твердые вещества при комнатной температуре. Однако, ненасыщенные карбоновые кислоты имеют более низкие температуры плавления. Например, стеариновая кислота (C_18H_36O_2), насыщенная карбоновая кислота, плавится при 70 °C, а линолевая кислота (C_18H_32O_2), несущая две цис-двойные связи, плавится при -5 °C.

Что касается растворимости, низкомолекулярные карбоновые кислоты растворимы в воде благодаря взаимодействию их водородных связей с молекулами воды. Напротив, карбоновые кислоты с более высокой молекулярной массой более растворимы в спиртах из-за более сильного ван-дер-ваальсовского взаимодействия между молекулами. Примечательно, что карбоновые кислоты хорошо растворимы в неполярных растворителях, таких как CCl_4. Также, некоторые дикарбоновые кислоты достаточно растворимы в воде из-за существенного взаимодействия водородных связей.

Карбоновые кислоты имеют полярные –C=O и –OH группы, обеспечивающие диполь-дипольные взаимодействия между двумя молекулами.

Кроме того, полярные группы участвуют в двух прочных межмолекулярных водородных связях с образованием стабильных димеров, эффективно удваивая молекулярную массу.

Это приводит к более высокой температуре кипения для карбоновых кислот по сравнению с аналогичными соединениями.

Как правило, низкомолекулярные карбоновые кислоты являются жидкими, в то время как высокомолекулярные карбоновые кислоты являются твердыми при комнатной температуре.

Насыщенные карбоновые кислоты, несущие длинные неполярные углеводородные цепи, имеют более высокую температуру плавления, чем ненасыщенные кислоты, из-за повышенных сил Лондона и плотной упаковки.

Дикарбоновые кислоты с двумя дополнительными водородными связями имеют относительно более высокую температуру плавления.

Карбоновые кислоты также образуют водородные связи с водой. Низкомолекулярные карбоновые кислоты легко растворяются в воде.

По мере увеличения гидрофобной углеводородной цепи растворимость в воде снижается. Такие длинноцепочечные карбоновые кислоты могут легко растворяться в спиртовых растворителях благодаря силам Лондона в дополнение к водородным связям.

Если растворитель неполярный, кислоты существуют в своей димерной форме, что делает их вполне растворимыми.