Молекулярная химия

Для поступающих в вузы химического профиля

Водородная связь и температуры кипения

Можно заметить, что межмолекулярные силы притяжения в любом ряду веществ, имеющих молекулы аналогичного строения и сравнимой полярности, увеличиваются по мере возрастания молекулярной массы М. Поэтому температуры плавления и кипения повышаются с ростом значения М. Для спиртов ROH и аминов RNH₂ наблюдаются удивительно высокие температуры кипения по сравнению с алканами RН и алкилгалогенидами RHal (везде R – углеводородный заместитель). Такое явление обусловлено диполь-дипольным притяжением между положительно заряженным водородом спиртовой группы OН одной молекулы ROH и отрицательно заряженным кислородом другой:

Подобное межмолекулярное взаимодействие называют водородной связью. Силы притяжения этого типа возникают в тех веществах, где атом водорода присоединен к атомам азота (Н–N) или кислорода (Н–О). Протоны в группе С–Н не образуют водородных связей.

Энергия водородных связей лежит в пределах от 4 до 25 кДж/моль, т. е. составляет лишь несколько процентов от значения энергии обычных химических связей (например, E_св(С–Н) = 413 кДж/моль, E_св(N–Н) = 391 кДж/моль). Другими словами, отдельные водородные связи в 10–50 раз слабее типичных ковалентных связей, однако они играют важную роль.

Межмолекулярные водородные связи оказываются достаточно прочными для создания структурной упорядоченности в системах, где такие связи существуют. Скажем, трехмерные пространственные формы белков и нуклеиновых кислот – жизненно важных органических молекул – обусловлены водородными связями.

В табл. 6 сравниваются температуры кипения простейших алкилгалогенидов RHаl и спиртов ROH.

Таблица 6

Температуры кипения простейших алкилгалогенидов и спиртов

Рассматривая температуры кипения родственных соединений (гомологов) как функцию алкильной группы (длины углеродной цепи), видим, что этот параметр возрастает по мере увеличения числа атомов углерода в радикале R. Более объемистый атом галогена в RHаl дает большую температуру кипения (у алкилфторидов она наименьшая, у алкилйодидов – самая большая). Наблюдаемая закономерность вызвана возрастающей в ряду галогенов поляризуемостью. Напомним, под поляризуемостью мы понимаем легкость перераспределения электронной плотности в атоме, вызываемого близлежащим электрическим полем. Йод – самый поляризуемый из галогенов.

Таблица 7

Температура кипения хлорпроизводных метана

Температуры кипения в ряду хлорированных производных метана повышаются с увеличением числа атомов хлора в молекулах (табл. 7), т. к. при этом возрастают силы притяжения между индуцированными диполями.

Растворимость в воде

Алкилгалогениды и спирты значительно отличаются друг от друга по растворимости в воде. Все алкилгалогениды нерастворимы в воде, а низкомолекулярные спирты (метиловый, этиловый, н-пропиловый и изопропиловый) растворяются в воде неограниченно.

Способность спиртов образовывать межмолекулярные водородные связи не только влияет на их температуры кипения, но и увеличивает их растворимость в воде. Сеть водородных связей, существующая между молекулами в спиртах RОН и воде НОН, замещается сетью, в которой молекулы спирта и воды взаимодействуют друг с другом:

Несмотря на то обстоятельство, что этанол С₂H₅ОН смешивается с водой в любых соотношениях, особенно прочным оказывается образование, представляющее собой смесь спирта с водой – 95,5%-й раствор спирта в воде. Такая смесь называется азеотропной и перегоняется при температуре 78,15 °С (тогда как у абсолютного этанола tкип = 78,3 °С), не разделяясь на спирт и воду.

Высшие спирты больше похожи на углеводороды и хуже растворяются в воде. Например, октанол-1 растворяется лишь в пропорции 1 мл в 2 л воды. В табл. 8 собраны некоторые физические характеристики спиртов.

Таблица 8

Температуры кипения и растворимость некоторых спиртов

Плотность

Плотность алкилфторидов и алкилхлоридов, а также спиртов меньше, чем у воды; алкилбромиды и алкилйодиды тяжелее воды.

Значения плотности некоторых алкилгалогенидов приведены в табл. 9.

Таблица 9

Плотности некоторых алкилгалогенидов

Полигалогенирование увеличивает плотность. Например, 1,5-дихлорпентан Cl(CH₂)₅Cl тяжелее воды.

Физические свойства соединений с карбонильной группой

Карбонильная группа C=O и присоединенные к ней атомы лежат в одной плоскости (см. ранее зада-
чу 1, е). Углы связей при карбониле близки к 120°. Так, у ацетона геометрия молекулы следующая:

 

Длина двойной связи С=О равна 0,122 нм, что значительно короче одинарной С–О-связи спиртов RОН и простых эфиров ROR', составляющей 0,141 нм.

Наличие карбонильной группы обусловливает существенную полярность альдегидов и кетонов. Их молекулярный дипольный момент намного выше, чем у соединений с двойной С=С-связью:

Температуры кипения у альдегидов и кетонов выше, чем у углеводородных аналогов (близких по молекулярной массе). Причина здесь в том, что карбонильные соединения более полярны и диполь-дипольное притяжение между их молекулами сильнее.

В сравнении со спиртами температуры кипения альдегидов и кетонов ниже, поскольку в их молекулах нет поляризованного водорода (H^d+) и они не образуют водородных связей друг с другом (табл. 10, см. с. 2).

Таблица 10

Сравнение температур кипения углеводородов, альдегидов, спиртов, близких по молекулярной массе

Альдегиды и кетоны способны образовывать водородные связи с протонами воды, поэтому они более растворимы в воде, чем углеводороды, но менее растворимы, чем спирты.

Структурной особенностью карбоновых кислот является карбоксильная группа –СООН. Карбонильный углерод и три присоединенных к нему атома лежат в одной плоскости. Для простейшей – муравьиной – кислоты это записывается так:

Карбоновые кислоты относятся к полярным соединениям. Например, для уксусной, пропионовой и бензойной кислот дипольный момент (m) находится в диапазоне от 1,7 до 1,9 Д. Температуры плавления и кипения карбоновых кислот выше, чем таковые углеводородов и спиртов сходного молекулярного строения, что свидетельствует о сильном межмолекулярном взаимодействии (табл. 11).

Таблица 11

Сравнение температур кипения разных классов органических соединений

Большой вклад в эти силы притяжения вносит водородная связь. Причем гидроксильная группа одной молекулы карбоновой кислоты выступает донором протона по отношению к карбонильному кислороду другой. В результате две молекулы кислоты удерживаются вместе двумя водородными связями:

Такая водородная связь настолько прочна, что некоторые кислоты существуют в виде димеров даже в газовой фазе. В жидкой фазе содержится смесь связанных водородной связью димеров и агрегатов, состоящих из большого числа молекул.

Таблица 12

Физические свойства некоторых карбоновых кислот

Растворимость карбоновых кислот подобна растворимости спиртов, у четырех первых представителей ряда она неограниченная (табл. 12).

• Задача. При 110 °С и давлении 454 мм рт. ст. пары уксуcной кислоты массой 0,11 г занимают объем 63,7 мл; при 156 °С и 458 мм рт. ст. 0,081 г кислоты в виде пара занимает объем 66,4 мл. Вычислите молярную массу уксусной кислоты в паровой фазе при каждой температуре. Как объяснить эти результаты?

Решение

Напишем уравнение объединенного газового закона Менделеева–Клапейрона: pV = (m/M)RТ. Из него выведем зависимость для молярной массы: М = (mRT)/pV. Используя значение универсальной газовой постоянной R = 0,082 л•атм/(моль•град) и переведя значения других параметров в соответствующие единицы: давление р в атмосферы, объем V в литры, массу m в граммы и температуру в градусы Кельвина, вычислим кажущуюся молярную массу паров уксусной кислоты при 110 °С:

М = 0,11•0,082(110 + 273)/[(454/760)•63,7•10^–3] = 90,8 г/моль.

При более высокой температуре 156 °С величина молярной массы (паров уксусной кислоты):

М = 0,081•0,082(156 + 273)/[(458/760)•66,4•10^–3] = 71,2 г/моль.

Такие результаты объясняются ассоциацией молекул уксусной кислоты в димеры, которые в значительной мере устойчивы и в паровой фазе.

По расчету получается, что при 110 °С примерно половина всех молекул CH₃COOH димеризована посредством водородных связей:

Когда мольное содержание компонентов газовой смеси (паров мономера и димера) одинаково, можно записать:

n₁(СН₃СOOH) = n₂[(СН₃СOOH)₂] = 1/2.

Молярная масса смеси:

M(смеси) = n₁•М(СН₃СOOH) + n₂•М[(СН₃СOOH)₂] = 1/2•60 + 1/2•120 = 90 г/моль.

Дальнейшее повышение температуры приводит к уменьшению содержания димеров (СН₃СООН)₂ в парах и переходу их в мономолекулярное состояние. При 156 °С кажущаяся величина М(паров) » 71 г/моль, тогда как истинное значение М(СН₃СООН) = 60 г/моль.

В. Амины RNH₂

Мы уже рассмотрели несколько случаев, когда полярная природа вещества влияет на его физические свойства, такие, как температура кипения. Это относится и к аминам, которые более полярны, чем алканы, но менее полярны, чем спирты. Поэтому для веществ близкого строения алкиламины имеют промежуточные температуры кипения: выше, чем у алканов, но ниже, чем у спиртов.

Диполь-дипольные взаимодействия, особенно водородная связь аминов:

обусловливают тот факт, что амины низкой молекулярной массы часто – жидкости, в то время как алканы такой же молекулярной массы – газы с низкими температурами кипения.

Среди изомерных аминов первичные амины имеют наибольшие температуры кипения, а третичные амины – самые низкие:

Первичные и вторичные амины могут образовывать межмолекулярные водородные связи (у них есть связь N–H), а третичные амины водородных связей не образуют.

Г. Фенолы

Соединения еще одного типа, физические свойства которых во многом определяются межмолекулярной водородной связью, называются фенолами. В фенолах гидроксильная группа непосредственно присоединена к ароматическому бензольному кольцу.

Родоначальник ряда – собственно фенол С₆Н₅ОН. Молекула фенола имеет плоское строение с РCOH, равным 109°, близким к тетраэдрическому, и лишь немного отличающимся от РCOH, равного 108,5°, в метаноле:

У фенолов более высокие температуры плавления и кипения, чем у ароматических углеводородов и арилгалогенидов такой же молекулярной массы. Кроме того, фенолы более растворимы в воде.

В табл. 13 сравниваются физические свойства толуола (ароматический углеводород, арен), фенола (гидроксильное производное арена) и фторбензола (арилгалогенид).

 Таблица 13

Сравнение физических свойств арена, его гидроксильного производного и арилгалогенида

В заключение напомним, что понимание таких характеристик молекул органических веществ, как энергия химической связи, длина и полярность связи, водородная связь, дипольный момент, поляризуемость и электроотрицательность атомов, позволяет объяснить физические свойства соединений разных классов, их температуры кипения и плавления, растворимость в воде.

Л и т е р а т у р а

Бердоносов С.С. Химия 8. М.: МИРОС, 1994, 158 с.;
Браун Т., Лемей Г.Ю. Химия в центре наук. М.: Мир, 1983, т. 1, 447 с.; Carey E.А. Organic chemistry.
N. Y.: McGraw-Hill Companies, Inc., 1996, 1151 р.

А.Д.Микитюк