Номер 221, страница 124 - гдз по химии 10-11 класс задачник Еремин, Дроздов

3.221. Почему сложные эфиры обычно более летучие соединения, чем соответствующие им карбоновые кислоты?

Решение

Летучесть вещества — это его способность переходить в газообразное (парообразное) состояние. Она обратно пропорциональна силе межмолекулярных взаимодействий: чем слабее молекулы связаны друг с другом в жидком или твердом состоянии, тем меньше энергии требуется для их разделения и перехода в газ. Следовательно, вещества с более слабыми межмолекулярными силами более летучи и имеют более низкую температуру кипения.

Сравним межмолекулярные взаимодействия в карбоновых кислотах и сложных эфирах.

1. Карбоновые кислоты имеют общую формулу $R-COOH$. Их молекулы содержат карбоксильную группу $-COOH$, в состав которой входит гидроксильная группа $-OH$. Атом водорода в гидроксильной группе связан с очень электроотрицательным атомом кислорода, что делает связь $O-H$ сильно полярной. Благодаря этому между молекулами карбоновых кислот образуются прочные межмолекулярные водородные связи. Более того, эти связи настолько сильны, что карбоновые кислоты существуют преимущественно в виде димеров (сдвоенных молекул), где две молекулы кислоты прочно связаны друг с другом двумя водородными связями. Для разрыва этих ассоциатов требуется значительное количество энергии.

2. Сложные эфиры имеют общую формулу $R-COO-R'$. Они являются производными карбоновых кислот, в которых "кислотный" атом водорода гидроксильной группы замещен на углеводородный радикал ($R'$). Таким образом, в молекулах сложных эфиров отсутствует атом водорода, непосредственно связанный с атомом кислорода. Это означает, что молекулы сложных эфиров не могут образовывать водородные связи между собой. Основными силами притяжения между ними являются значительно более слабые диполь-дипольные и дисперсионные (Ван-дер-Ваальсовы) взаимодействия.

В итоге, для того чтобы "оторвать" молекулу карбоновой кислоты от соседних, нужно затратить гораздо больше энергии (чтобы разрушить прочные водородные связи), чем для разделения молекул сложного эфира, связанных лишь слабыми силами. Именно поэтому при близких значениях молярной массы карбоновые кислоты имеют значительно более высокие температуры кипения и, как следствие, меньшую летучесть по сравнению со сложными эфирами.

Например, пропановая кислота ($CH_3CH_2COOH$, молярная масса $74,08$ г/моль) кипит при температуре $141$ °C, в то время как изомерный ей сложный эфир метилацетат ($CH_3COOCH_3$, молярная масса $74,08$ г/моль) кипит при значительно более низкой температуре $57$ °C, что свидетельствует о его гораздо большей летучести.

Ответ: Сложные эфиры обычно более летучие соединения, чем соответствующие им карбоновые кислоты, поскольку в их молекулах отсутствует гидроксильная группа $(-OH)$. Из-за этого молекулы сложных эфиров не способны образовывать между собой прочные межмолекулярные водородные связи, в отличие от молекул карбоновых кислот. Более слабые межмолекулярные взаимодействия в сложных эфирах (диполь-дипольные) легче преодолеваются, что приводит к их более низким температурам кипения и высокой летучести.