Почему алканы имеют низкую растворимость в воде и как это связано с их химической структурой

Алканы — это класс органических соединений, характеризующихся наличием только одинарных связей между атомами углерода. Они представляют собой наиболее простые и насыщенные углеводороды, природных и синтетического происхождения. Однако алканы обладают весьма интересным свойством — плохой растворимостью в воде.

Понимание причин этого свойства алканов достаточно важно, так как вода — самый распространенный растворитель в химических реакциях и биологических системах. Основная причина плохой растворимости алканов в воде заключается в различии типов межмолекулярных взаимодействий, которые у нас с вами могут быть знакомы.

Сильное водородное связывание — один из основных факторов, обуславливающих растворимость веществ в воде. Водородные связи возникают между положительно заряженным водородным атомом одной молекулы и отрицательно заряженным атомом, таким как кислород или азот, другой молекулы. Вода — это идеальное средство для образования таких связей, благодаря своей полярности и способности образовывать сеть водородных связей.

Причины низкой растворимости алканов в воде

Основная причина низкой растворимости алканов в воде связана с различием в полярности молекул. Водная молекула является полярной, состоящей из атомов кислорода и водорода, которые образуют полярную связь. Алканы, в свою очередь, не имеют полярных связей и не обладают дипольными моментами.

Из-за отсутствия полярности, молекулы алканов не могут образовывать с водой достаточно сильные взаимодействия через межмолекулярные водородные связи или диполь-дипольные взаимодействия. В результате этого алканы плохо смешиваются с водой и остаются в виде отдельных капелек или слоев.

Кроме того, вода обладает высокой диэлектрической проницаемостью, что способствует расщеплению и растворению ионов или полярных молекул. Алканы, не образуя ионов или полярных связей, не могут сформировать достаточное количество водородных связей с молекулами воды для растворения.

Таким образом, гидрофобные свойства алканов связаны с их низкой полярностью и способностью образовывать слабые взаимодействия с водой. Это делает их плохорастворимыми в воде и способными к образованию отдельных фаз при смешении с водой.

Гидрофобность молекул

Причина низкой растворимости алканов в воде заключается в их гидрофобной природе. Молекулы алканов имеют не полярные связи и отсутствие заряда, что делает их неполярными соединениями. В то время как вода — является полярным растворителем, где молекулы воды обладают частичными зарядами.

Из-за отсутствия полярности у алканов, межмолекулярные взаимодействия между ними и водой будут слабыми и неспецифическими. Вода не способна эффективно взаимодействовать с неполярными молекулами и не может эффективно растворять алканы.

Гидрофобность алканов также связана с различием электроотрицательности углерода и водорода в их молекулах. Углерод является менее электроотрицательным элементом по сравнению с водородом, что приводит к небольшой разности в зарядах и созданию некоторой полярности в молекуле алкана. Однако, эта полярность слишком слаба для образования устойчивой связи с полярной молекулой воды.

В результате, молекулы алканов скапливаются и образуют физическое явление, известное как гидрофобные взаимодействия. Гидрофобные взаимодействия происходят, когда гидрофобные частицы стараются минимизировать свой контакт с водой и образуют сгустки или слои.

Таким образом, из-за гидрофобной природы алканов они не растворяются в воде и образуют отделенные фазы. Это объясняет почему алканы являются плохо растворимыми в воде и слабо смешиваются с ней.

Отсутствие полярных групп

Полярные растворители способны легко растворять полярные соединения, а такие свойства как депрессия кипения или поверхностное натяжение связаны именно с наличием полярности вещества. Вода образует водородные связи, которые обеспечивают ее способность растворять полярные соединения, такие как сахар, кислоты, щелочи и многие другие.

Однако межмолекулярные силы притяжения также являются чрезвычайно важными. Межмолекулярные силы притяжения определяют растворимость и распределение компонентов между фазами. Вода с алканами образует слабые дисперсионные силы, что затрудняет их смешение в одну фазу.

Малость полярности молекулы

Плохая растворимость алканов в воде объясняется их малой полярностью молекулы. Алканы состоят из углеродных и водородных атомов, связанных между собой ковалентными связями.

В молекуле алкана все атомы имеют почти одинаковую электроотрицательность, что означает, что электроны равномерно распределены вокруг ядра каждого атома. Такая асимметричная электронная оболочка не обладает дипольным моментом.

Вода, с другой стороны, является полярным соединением, так как электроны более притягиваются к атому кислорода, что создает избыток отрицательного заряда на его стороне и избыток положительного заряда на стороне водорода.

Взаимодействие между полярными молекулами воды и неполярными молекулами алканов слабое из-за отсутствия положительных и отрицательных зарядов. Благодаря низкой полярности алканов, они не способны образовывать должного рода связи с молекулами воды, что приводит к низкой растворимости алканов в воде.

Низкая энергия взаимодействия

Молекулы воды имеют дипольный характер, так как в молекуле воды имеются атомы кислорода и водорода, соединенные ковалентной связью. Это приводит к разделению зарядов внутри молекулы и к возникновению положительного и отрицательного зарядов на соответствующих концах молекулы. Положительные заряды на водородных атомах образуются из-за притяжения электронов кислорода.

Поскольку алканы являются неполярными, то слабо взаимодействуют с полярно-ориентированными молекулами воды. Дипольные молекулы воды предпочитают образовывать водородные связи между собой, чем с неполярными молекулами алканов. Энергия, необходимая для прерывания этих сильных водородных связей и образования новых слабых связей с алканами, слишком велика.

Таким образом, низкая энергия взаимодействия между алканами и водой является причиной их плохой растворимости в этом растворителе.

Взаимодействие через ван-дер-ваальсову силу

Ван-дер-ваальсовы силы являются слабыми притяженными силами, которые возникают между неполярными молекулами из-за временных неравномерностей зарядов. Эти силы обуславливают сжимаемость, летучесть и плохую растворимость алканов в воде.

Вода, диполярная молекула, образует вокруг себя сферу гидратации, в которой каждая молекула воды ориентирована таким образом, чтобы положительные частицы были направлены к отрицательным, и наоборот. При контакте воды с алканами, ван-дер-ваальсовы силы действуют недостаточно сильно, чтобы разорвать взаимодействие между молекулами алканов, и алканы остаются не растворимыми в воде.

Больше предпочтение связи себе подобных

Вода — полярное вещество, имеющее дипольные связи между молекулами. Водные молекулы образуют водородные связи, что приводит к высокой полярности воды. Полярные вещества, в отличие от алканов, имеют возможность взаимодействовать с водой благодаря схожести полярности между ними.

Взаимодействие между молекулами веществ может быть привязано к таким факторам, как полярность, взаимосочетаемость и растворимость. Алканы обладают гидрофобными свойствами и не имеют достаточной полярности для образования водородных связей с водой. Это означает, что алканы предпочитают образовывать связи себе подобных — другими алканами или неполярными веществами.

Высокая растворимость в воде обусловлена возможностью водородных связей между водной молекулой и молекулами полярных веществ. Низкая растворимость алканов объясняется отсутствием полярности между алканами и водой, что ограничивает их способность взаимодействовать и образовывать растворы.

«Барьер» гидратации алканов

При взаимодействии молекулы алкана с молекулами воды возникают слабые межмолекулярные силы притяжения (дисперсионные силы Лондона). Однако эти силы недостаточно сильны, чтобы образовывать стабильные гидраты с водой. Гидратация подразумевает существование водородной связи между молекулами вещества и молекулами воды, однако алканы не способны образовывать водородные связи из-за отсутствия атомов азота, кислорода или фтора.

Более того, углеводородные цепи алканов могут способствовать образованию гидратов, но только когда они являются частью более сложных молекул, например, в составе амина или карбоновой кислоты. Такие цепи имеют более высокую растворимость в воде за счет образования водородных соединений.

Таким образом, «барьер» гидратации алканов заключается в их структуре, которая не позволяет образовывать стабильные гидраты с водой из-за отсутствия атомов азота, кислорода или фтора и недостаточно сильных дисперсионных сил притяжения с молекулами воды.