Карбонильные соединения — альдегиды и кетоны — характеризуются наличием карбонильной группы >C=O, которая оказывает определяющее влияние на их физические свойства. Полярность этой группы обуславливает высокую реакционную способность и специфические взаимодействия с другими молекулами. Важнейшие физические характеристики, которые имеют значение для химии и практического применения, включают агрегатное состояние, температуру кипения, температуру плавления, растворимость и запах.
Низшие альдегиды и кетоны представляют собой летучие жидкости с характерным резким запахом, напоминающим смесь эфиров и спиртов. Формальдегид является газом при комнатной температуре, ацетальдегид — легколетучая жидкость, а ацетон — жидкость с характерным сладковатым запахом. По мере увеличения молекулярной массы соединений изменяется и агрегатное состояние: высшие альдегиды и кетоны становятся твёрдыми веществами с меньшей летучестью и слабым запахом.
Температуры кипения карбонильных соединений выше, чем у соответствующих углеводородов, но ниже, чем у спиртов аналогичной молекулярной массы. Причина этого явления заключается в том, что молекулы карбонильных соединений обладают значительной дипольной полярностью, что приводит к межмолекулярным диполь-дипольным взаимодействиям. Однако отсутствие возможности образования водородных связей между молекулами альдегидов и кетонов (в отличие от спиртов) объясняет сравнительно низкие значения их температур кипения.
Температуры плавления зависят не только от молекулярной массы, но и от симметрии молекулы. Симметричные кетоны обладают более высокими температурами плавления по сравнению с их асимметричными изомерами вследствие лучшей укладки молекул в кристаллической решётке.
Растворимость альдегидов и кетонов в воде определяется их способностью образовывать водородные связи с молекулами воды через атом кислорода карбонильной группы. Низшие представители хорошо растворимы в воде: формальдегид, ацетальдегид, ацетон и бутанон образуют однородные смеси с водой в любых соотношениях. По мере увеличения длины углеводородного радикала растворимость уменьшается, так как гидрофобное взаимодействие углеводородного фрагмента начинает преобладать над гидрофильными свойствами карбонильной группы. Высшие альдегиды и кетоны практически нерастворимы в воде, но хорошо растворяются в органических растворителях — спиртах, эфирах, углеводородах.
Большинство низших альдегидов и кетонов имеют плотность меньше единицы, что характерно для органических соединений. Летучесть их достаточно высока, особенно у альдегидов с низкой молекулярной массой. В отличие от кетонов, альдегиды более летучи, что связано с меньшей молекулярной массой и меньшей симметрией молекул.
Карбонильная группа обладает характерными полосами поглощения в инфракрасной области спектра. Для валентных колебаний связи C=O характерна интенсивная полоса в области 1650–1750 см⁻¹, положение которой зависит от природы заместителей в молекуле и от внутримолекулярных взаимодействий. В ультрафиолетовом спектре наблюдаются переходы n→π* и π→π*, что также подтверждает наличие полярной кратной связи.
Альдегиды и кетоны обладают ярко выраженными запахами, которые зависят от структуры молекулы. Низшие представители имеют резкий, часто раздражающий запах, а высшие алифатические альдегиды отличаются ароматическими, фруктовыми и цветочными оттенками. Это свойство широко используется в парфюмерии и пищевой промышленности.
Таким образом, физические свойства карбонильных соединений определяются балансом полярности карбонильной группы и длины углеводородного радикала, что отражается на агрегатном состоянии, растворимости, летучести и других характеристиках.