有机物极性及溶解性

课外毒物有机物极性及溶解性的教学讨论有机化合物大多难溶于水，易溶于汽油、苯、酒精等有机溶剂。原因何在？中学课本、大学课本均对此进行了解释。尽管措词不同，但中心内容不外乎是：有机化合物一般是非极性或弱极性的，它们难溶于极性较强的水，易溶于非极性的汽油或弱极性的酒精等有机溶剂。汽油的极性在课本中均未做详细说明，故而在教学中常常做如下解释：所有的烷烃，由于其中的O键的极性极小，以及结构是对称的，所以其分子的偶极矩为零，它是一非极性分子。烷烃易溶于非极性溶剂，如碳氢化合物、四氯化碳等。以烷烃为主要成分的汽油也就不具有极性了。确切而言，上述说法是不够严格的。我们知道，分子的极性（永久烷极）是由其中正、负电荷的“重心”是否重合所引起的。根据其分子在空间是否绝对对称来判定极性，化学键极性的向量和——弱极矩μ则是其极性大小的客观标度.常见烷烃中,CH4、C2H6分子无极性,C3H8是折线型分子,键的极性不能相互完全抵消,其μ≠为0.084D。至于其它不含支链的烷烃,分子中碳原子数为奇数时,一定不完全对称而具有极性;分子中碳原子数为偶数时,仅当碳原子为处于同一平面的锯齿状排布的反交叉式时,分子中键的极性才能相互完全抵消,偶极矩为零,但由于分子中C—C键可以旋转，烷烃分子（除CH4）具有许多构象，而上述极规则的锯齿状反交叉式仅是其无数构象“平衡混合物”中的一种，所以，从整体来说，除CH4、C2H6外，不带支链的烷烃均有极性。带有支链的烷烃，也仅有CH4、C2H6等分子中H原子被—CH3完全取代后的产物尽其用，2—二甲基丙烷、2，2，3，3—四甲基丁烷等少数分子不显极性，余者绝大多数都有一定的极性。由于烷烃中碳原子均以SP3杂化方式成键,键的极性很小,加上其分子中化学键的键角均接近于109°28′,有较好的对称性(但非绝对对称)故分子的极性很弱,其偶极矩一般小于0.1D.烷烃中,乙烯分子无极性,丙烯分子,1—丁烯分子均不以双键对称，μ分别为0.336D、0.34D。2—丁烷，顺—2—丁烯的μ=0.33D，反—2—丁烯的偶极矩为零，即仅以C=C对称的反式烯烃分子偶极矩为零（当分子中C原子数≥6时，由于C-CO键旋转，产生不同的构象，有可能引起μ的变化），含奇数碳原子的烯径不可能以C=C绝对对称，故分子均有极性。二烯烃中，丙二烯（通常不能稳定存在）、1、3一丁二烯分子无极性，1、2一丁二烯分子μ为0.408D，2—甲基一1，3—丁二烯（异戊二烯）分子也为极性分子。炔烃中，乙炔、2—丁炔中C原子均在一条直线上，分子以C—C对称，无极性，但丙炔、1—丁炔分子不对称，其极性较大，μ分课外毒物。芳香烃中，苯无极性，甲苯、乙苯有极性，μ分别为0.36D、0.59D；二甲苯中除对一二甲苯外的另两种同分异构体分子不对称，为极性分子，显而易见，三甲苯中之间一三甲苯分子的μ为零，联苯、萘的分子也无极性。综上所述，烃的分子有无极性仍是取决于各自的对称程度是否将键的极性完全抵消。当某分子并不因其中C—CO键的旋转而引起碳干排布不同的构象时，构型则绝对对称，分子无极性。将其分子中H原子全部用——CH3所替代，分子的偶极矩仍为零。作为以烷烃为主要成分的汽油、石蜡，其中可能含有非极性的分子构象，但从整体来说，同绝大多数烃的分子一样，它们也是具有极性的，只是由于其中C—H键的极性极弱，其偶极矩极小。烃类的偶极矩一般小于1D，在不饱和烃中尚有以Sp2、Sp杂化方式成键的碳原子，键的极性及分子的极性均较相应的饱和烃强，炔烃的极性较烯烃强。至于烃的衍生物，常见的除四卤化碳，六卤乙烷、四卤乙烷、对一二卤苯、对一二硝基苯、间一三卤苯等非极性的烃分子中氢原子或—CH3被其它原子或原子团全部或部分以完全对称的方式所取代的产物等少数物质外，多数都具有极性，分子的偶极矩较相应的烃大，一般大于1D。由此可见，有机物的分子除少数为非极性分子外，大多数是具有极性的。其偶极矩不小还比水大，如一氯甲烷为1.87D、一氯乙烷为2.05D、溴苯为1.70D、乙醛为2.69D、丙酮为2.88D、硝基酸为4.22D、乙醇为16.9D，有机物的极性并不都很弱。当然，与无机物相比较，有机物是弱极性，作为常见的有机物之一的汽油，尽管其主要成分的偶极矩不大，在教学中往往将汽油及烷烃等视为非极性的。但烷烃等有无极性是个是非问题，在教学中尤其在师范除校化学专业的教学中，不宜进行如此处理而不加任何说明。否则，容易引起学生错觉，往往不加考虑地认为烷及烃的分子都绝对对称的、均无极性，而将问题简单化、绝对化、对本身的业务进修及今后的教学工作都会带来一些不必要的麻烦。所以，不管因为什么原因在教学中至少都必须明确说明有机物的弱极性与非极性的前提是与无机物整体相比较，汽油等物质因主要成分的极性很弱，通常视为非极性。CH3CI、硝基苯等极性较强，为何它们不溶于水？有些教科书上将相似相溶规律中的相似仅提及溶质、溶剂的极性是很不够的。尽管溶质溶剂极性的相似是其能否相互溶解的一个重要因素，但并不是唯一的。物质的溶解性还取决于它们分子结构、分子间作用力的类型与大小的相似。例如，水和乙醇可以无限制的相互混溶、煤油与乙醇只是有限度地相互溶解，而水和煤油几乎完全不相溶。对于这些事实，如果只从分子极性的角度来考虑是难以令人满意的，但我们可以从分子结构上得到解释。水和乙醇的分子都是由一个一OH与一个小的原子或原子团结合而成，其结构很相似，分子间都能形成氢键，因此能无限制地相互相混。无疑，随着醇分子中烃基的增大，它与水课外毒物分子结构上的相似程度将降低，醇在水中的溶解度也将随之减小。煤油主要是分子中含有8—16个碳原子的烷烃的混和物，因乙醇分子中含有一个烷烃的烃基，结构上有相似之处，它们能互溶，但乙醇分子中含有一个跟烃基毫不相干的—OH。因此，它们的相互溶解是有一个的限度的。水的分子结构与煤油毫无相似之处，煤油不溶于水、极性较强的CH3CI、溴苯、硝基苯不溶于水也就不奇怪了。至于低分子量的羧、酸、醇、醛、酮等易溶于水，则可以从其分子的极性及其分子与水分子能形成氢键得到解释。由此可见，对于相似相溶这条经验规则的应用，我们应从溶质、溶剂的分子结构、分子间作用力的类型和大小及其偶极矩等多个方面来考虑，忽视哪一点，都可能带来一些不必要的疑惑，这无论在中学还是大学的教学中都应引起足够的重视。附：有机物在水中的溶解性规律一、相似相溶原理1．极性溶剂（如水）易溶解极性物质（离子晶体、分子晶体中的极性物质如强酸等）；2．非极性溶剂（如苯、汽油、四氯化碳、酒精等）能溶解非极性物质（大多数有机物、Br2、I2等）；3．含有相同官能团的物质互溶，如水中含羟基（—OH）能溶解含有羟基的醇、酚、羧酸。二、有机物的溶解性与官能团的溶解性1．官能团的溶解性：（1）易溶于水的官能团（即亲水基团）有—OH、—CHO、—COOH、—NH2。（2）难溶于水的官能团（即憎水基团）有：所有的烃基(—CnH2n+1、—CH=CH2、—C6H5等)、卤原子（—X）、硝基（—NO2）等。2．分子中亲水基团与憎水基团的比例影响物质的溶解性：（1）当官能团的个数相同时，随着烃基（憎水基团）碳原子数目的增大，溶解性逐渐降低；例如，溶解性：CH3OHC2H5OHC3H7OH……，一般地，碳原子个数大于5的醇难溶于水。（2）当烃基中碳原子数相同时，亲水基团的个数越多，物质的溶解性越大；例如，溶解性：CH3CH2CH2OHCH3CH(OH)CH2OHCH2(OH)CH(OH)CH2OH。（3）当亲水基团与憎水基团对溶解性的影响大致相同时，物质微溶于课外毒物水；例如，常见的微溶于水的物质有：苯酚C6H5—OH、苯胺C6H5—NH2、苯甲酸C6H5—COOH、正戊醇CH3CH2CH2CH2CH2—OH（上述物质的结构简式中“—”左边的为憎水基团，右边的为亲水基团）；乙酸乙酯CH3COOCH2CH3（其中—CH3和—CH2CH3为憎水基团，—COO—为亲水基团）。（4）由两种憎水基团组成的物质，一定难溶于水。例如，卤代烃R-X、硝基化合物R-NO2，由于其中的烃基R—、卤原子—X和硝基—NO2均为憎水基团，故均难溶于水。三、液态有机物的密度1.难溶于水，且密度小于水的有机物例如，液态烃（乙烷、乙烯、苯、苯的同系物……），液态酯（除乙酸乙酯和甲酸甲酯是可以溶于水外如硬脂酸甘油酯……），一氯卤代烷烃（1-氯乙烷……），石油产品（汽油、煤油、油脂……）注：汽油产品分为直馏汽油和裂化汽油（含不饱和烃）。2.难溶于水，且密度大于水的有机物例如：四氯化碳、氯仿、溴苯、二硫化碳