Карбоновые кислоты представляют собой органические соединения, содержащие карбоксильную группу –СООН, которая определяет их физико-химические свойства. Важнейшими особенностями физических характеристик этих соединений являются высокая полярность, способность к образованию водородных связей, относительно высокие температуры кипения и плавления, а также характерные запахи и вкусовые качества.
Карбоксильная группа обладает высокой полярностью, так как атом кислорода карбонильной и гидроксильной части несут значительный отрицательный заряд, в то время как атом водорода гидроксильной группы частично положительно заряжен. Благодаря этому молекулы карбоновых кислот способны образовывать прочные водородные связи.
Особенностью является склонность молекул к димеризации: в газовой фазе и в неполярных растворителях кислоты существуют преимущественно в виде димеров, где две молекулы соединены парой водородных связей. Этот эффект усиливает межмолекулярное взаимодействие и существенно влияет на физические свойства, в частности на температуры кипения и плавления.
Температуры кипения карбоновых кислот значительно выше по сравнению с неполярными углеводородами или даже с их кислородсодержащими производными (например, альдегидами и кетонами) с близкой молекулярной массой. Это объясняется образованием устойчивых димеров и прочной сетки водородных связей.
Температуры плавления низших кислот изменяются нерегулярно из-за различий в кристаллической упаковке молекул. Так, уксусная кислота плавится при 16,6 °C, пропановая – при –20,7 °C, а масляная – при –5 °C. У более высоких предельных кислот температуры плавления возрастают по мере удлинения углеродной цепи и упорядочивания кристаллической решётки.
Нижние представители гомологического ряда (до C₄ включительно) хорошо растворимы в воде, что связано с их способностью образовывать водородные связи с молекулами воды. При увеличении длины углеводородного радикала гидрофобный эффект возрастает, и растворимость уменьшается. Начиная примерно с C₆–C₇, карбоновые кислоты практически нерастворимы в воде, однако сохраняют растворимость в органических полярных растворителях (этанол, ацетон).
За счёт образования межмолекулярных водородных связей карбоновые кислоты демонстрируют аномально высокие вязкость и поверхностное натяжение по сравнению с другими органическими соединениями аналогичной молекулярной массы. В жидком состоянии они образуют ассоциаты различной степени устойчивости, что отражается на их физических параметрах.
Нижние карбоновые кислоты (муравьиная, уксусная) представляют собой жидкости с резким запахом. С увеличением молекулярной массы они становятся вязкими жидкостями или твердыми кристаллическими веществами (например, стеариновая кислота, C₁₇H₃₅COOH). Плотность жидких кислот выше плотности воды, а твёрдые кислоты обладают кристаллической структурой, зависящей от длины и насыщенности углеводородной цепи.
Муравьиная и уксусная кислоты характеризуются резким раздражающим запахом. Пропановая и масляная кислоты имеют неприятный, прогорклый запах. По мере увеличения числа атомов углерода запах становится менее резким и постепенно переходит в восковидный или мыльный. Высшие карбоновые кислоты практически не имеют запаха. Вкус низших кислот резко кислый и едкий, тогда как высокие представители этой группы лишены выраженных вкусовых ощущений.
Физические свойства кислот тесно связаны с их химическим поведением. Благодаря высокой полярности и способности к диссоциации в растворах они легко образуют соли с металлами и основаниями. Эти соли зачастую обладают физическими свойствами, отличными от свойств самих кислот: так, соли высших карбоновых кислот (стеараты, пальмитаты) нерастворимы в воде и обладают мыльной консистенцией.
Основным фактором, определяющим изменение физических свойств в гомологическом ряду, является увеличение длины углеводородного радикала. При этом:
Таким образом, переход от низших жидких летучих кислот к твёрдым высокомолекулярным кислотам иллюстрирует общую закономерность изменения физических свойств органических соединений по мере удлинения углеродной цепи.