Влияние химического состава на температуру кипения

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. Так температура кипения пропаналя (альдегида) составляет 49 ºС, а пропанола (спирта) 97 ºС.

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. 4).

Таблица 4

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.

 

 

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

Таблица 5

Сравнение физических свойств арена, его гидроксильного производного

 

Вещество	Формула	Молекулярная масса, ºС	Температура кипения, ºС
Толуол	С6Н5-СН3	92	111
Фенол	С6Н5-ОН	78	132

 

Таким образом, 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 (температуры кипения и плавления, растворимость в воде) и как следствие показатели пожарной опасности (температуры вспышки, воспламенения и самовоспламенения).

 

Выводы:

1. Повышение  полярности молекул приводит к повышению температуры кипения.

2. С удлинением углеводородной цепи усиливается межмолекулярное взаимодействие, что приводит к повышению температуры кипения.

 

 

2. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА И СТРОЕНИЯ ОРГАНИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ НА ТЕМПЕРАТУРЫ КИПЕНИЯ И ВСПЫШКИ

 

2.1. Влияние функциональных групп

 

Рассмотрим влияние  функциональных групп в составе  органических веществ на примере углеводородов, состоящих из 5 атомов. Для рассмотрения взят ряд углеводородов различных классов при содержании атомов углерода равным пяти, так как алканы в жидком состоянии начинаются с пяти атомов.

Таблица ..

Температуры кипения, вспышки и воспламенения органических жидкостей

Вещество	Температура кипения	Температура вспышки	Температура воспламенения
Пентан	36	-44	-34
Диэтилкетон (пентанон)	102,8	12 (з.т.)	-
Валериановый альдегид	103	12 (о.т.)	-
Амиловый спирт	138	48	57
Валериановая кислота	186	87(з.т.) 96 (о.т.)	98

 

Примечание: з.т. – закрытый тигель, о.т. – открытый тигель.

 

Из справочных данных, представленных в таблице, видно, что в ряду пентан- пентанон - валериановый альдегид - валериановая кислота температура кипения и как следствие, температуры вспышки и воспламенения повышаются, что можно объяснить повышением полярности молекул  и образованием водородных связей.

 

 

Рис. 1. Температура вспышки различных классов органических соединений в зависимости от количества атомов углерода в цепи

 

Как видно из диаграммы  температура вспышки увеличивается  при увеличении атомов углерода в  цепи, а также в следующей последовательности классов органических соединений: предельные углеводороды < кетоны < сложные эфиры < альдегиды < спирты < кислоты.

Повышение температуры  вспышки связано с повышением полярности молекул органических веществ  и образованием межмолекулярных  связей, приводящих к повышению в  целом энергии связи молекул.

 

Повышение температуры  вспышки при переходе от алканов  к карбоновым кислотам описывается следующими полиномиальными уравнениями (2 порядка):

 

Кол-во атомов углерода в цепи	Уравнение	Коэффициент корреляции
5		R2=0,9396
6		R2=0,9609
7		R2=0,9565
8		R2=0,9126
9

 

Х – характеристика полярности молекул.

 

 

 

 

Влияние добавок  уксусной кислоты

на температуру вспышки  бутанола