Bilim.techО проекте

Функциональные группы

Почему этанол кипит при 78 °C, а диметиловый эфир с той же формулой C₂H₆O при −24 °C? Прикручивай к углеродной цепочке разные группы и смотри, как меняются класс, запах, растворимость и температура кипения.

01 Что это такое

Функциональная группа это небольшой «наконечник» на углеродной цепочке. Цепочка почти не меняется, а группа решает, как вещество пахнет, кипит и растворяется.

Возьми этан C₂H₆: это газ без запаха, в воде почти не растворяется. Замени один атом водорода на группу OH и получишь этанол, жидкость, которая смешивается с водой в любых пропорциях и кипит при 78 °C. Замени тот же водород на COOH, и получится уксусная кислота с резким запахом. Цепочка одна, а вещества совсем разные.

Поэтому органические вещества делят на классы по группам: спирты, альдегиды, кетоны, кислоты, эфиры, амины. Вещества одного класса ведут себя похоже, а с каждым новым звеном CH₂ свойства меняются плавно. Самое сильное влияние оказывают группы, которые образуют водородные связи: OH, COOH и NH₂. Они «склеивают» молекулы жидкости между собой.

ОДИН СКЕЛЕТ C₂, РАЗНЫЕ ГРУППЫэтан−89 °Cкипит; при 20 °C газэтанолOH+78 °Cкипит; при 20 °C жидкостьуксусная кислотаOOH+118 °Cкипит; при 20 °C жидкостьПолоска: температура кипения от −100 до +130 °C, пунктир: 20 °C
Подсвечена функциональная группа. У спирта и кислоты молекулы держатся друг за друга водородными связями, поэтому они кипят намного выше этана.
R
Углеводородный остаток. Цепочка из атомов углерода и водорода без одного атома водорода: CH₃− метил, C₂H₅− этил. К нему прикреплена группа.
X
Функциональная группа. Атом или группа атомов, которая задает класс вещества и его главные реакции: −OH, −CHO, −COOH, −NH₂, −Cl.
H···O
Водородная связь. Притяжение атома водорода из группы OH или NH к кислороду или азоту соседней молекулы. В 10–20 раз слабее обычной связи, но держит жидкость вместе.
02 Опыт
Выбери цепочку, прикрути группу, нагрей жидкость. КЛАССЫ ВЕЩЕСТВ
ОРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯ

Молекула и ее жидкость

Рис. 9.2
ГОТОВЫЕ СЛУЧАИ

Температура кипения
Растворимость в воде, 20 °C
Молярная масса, M

ⓘ Числа справочные. Где надежного значения нет, опыт пишет «нет данных». Сосуд показывает молекулы схематично: число молекул в паре зависит от того, насколько температура близка к температуре кипения.

03 Формулы по буквам

Остаток, группа и звено CH₂

Любое вещество из опыта можно разобрать на две части: углеводородный остаток R и группу X. Остаток задает размер молекулы, группа задает характер. Числа под формулами берутся из опыта, подсвечена карточка, которая отвечает на твое последнее действие.

Из чего состоит молекула?

R−X

Молекула это остаток R плюс функциональная группа X. Остаток с n атомами углерода записывают CₙH₂ₙ₊₁. Чтобы получить формулу вещества, приставь к нему группу.

R
углеводородный остаток CₙH₂ₙ₊₁: метил, этил, пропил
X
группа: −OH, −CHO, −COOH, −COO−CH₃, −O−CH₃, −NH₂, −Cl
n
число атомов углерода в цепочке

Насколько тяжелее следующий в ряду?

M = 14,03 · n + M₀

Соседние вещества одного класса отличаются на одно звено CH₂ и на 14,03 г/моль. Такой ряд называют гомологическим. M₀ это постоянная часть, своя у каждого класса.

14,03
масса звена CH₂: 12,011 + 2 · 1,008 г/моль
n
число атомов углерода в цепочке
M₀
добавка класса: у спиртов 18,02 (как у воды H₂O), у алканов 2,02

Сколько градусов добавляет группа?

Δt = tкип(R−X) − tкип(R−H)

Сравни вещество с алканом на той же цепочке. Разница показывает, насколько группа сильнее держит молекулы друг за друга. Больше всего добавляют группы с водородной связью.

Δt
прибавка температуры кипения от группы, °C
R−X
вещество с группой
R−H
алкан с той же цепочкой

Почему этанол кипит при 78 °C, а его изомер, диметиловый эфир, при −24 °C

У этих веществ одна формула C₂H₆O и одна масса, 46 г/моль. Разница только в том, где стоит атом кислорода. В этаноле он держит атом водорода: связь O−H сильно полярная, водород почти «голый» и притягивается к кислороду соседней молекулы. Так между молекулами появляются водородные связи. Чтобы жидкость закипела, их нужно разорвать, а на это нужна энергия, поэтому температура кипения высокая.

В диметиловом эфире кислород зажат между двумя группами CH₃, и водорода на кислороде нет. Водородные связи между молекулами эфира не возникают, молекулы держатся только слабым притяжением диполей. Поэтому эфир при комнатной температуре газ. Та же история с кислотой и ее сложным эфиром: уксусная кислота кипит при 118 °C, а метилацетат при 57 °C. Вода тоже растворяет вещества с группами OH, COOH и NH₂ легче: она образует с ними водородные связи.

этанол: водородная связьOHOHH···Oдиметиловый эфир: водорода на O нетOOтолько диполи
Пунктир это водородная связь. Ее энергия около 20 кДж/моль, обычной связи O−H около 460 кДж/моль.
04 Где и зачем это применяют

Антифриз, тормозная жидкость, растворители

Допущения модели+

Группа всегда стоит на конце прямой цепочки. У кетонов группа C=O стоит у второго атома цепочки, поэтому кетон начинается с n = 3 (ацетон). В альдегидах и кислотах атом углерода группы входит в n. Сложные эфиры взяты метиловые, R−COO−CH₃, а простые эфиры с метилом, R−O−CH₃: в них на один атом углерода больше, чем n. Температуры кипения при 101,3 кПа, растворимость при 20–25 °C в граммах на 100 мл воды. «Смешивается» значит в любых пропорциях. Где автор опыта не нашел надежного справочного значения, стоит «нет данных». Сосуд показывает только испарение и кипение: замерзание не показано, количество молекул в паре дано качественно, а не по давлению пара.

Еще в направлении «Химия»

Все темы направления «Химия» →