"Насыщенные кислоты и одиночные C-C (углерод-углеродные) – связи" - статья из цикла: "Масло-восковая обработка древесины". Насыщенные (предельные) кислоты содержат в своей молекуле только одиночные связи. Если внимательно посмотреть на вышеприведённые шаростержневые модели молекул кислот (уксусной, пальмитиновой и стеариновой), то можно заметить, что все атомы углерода, входящие в углеводородную цепь соединены между собой одним стержнем. То есть, каждый атом углерода образует с одним или двумя соседними атомами углерода одиночные связи. Это есть σ-связи.
Углерод всегда создаёт четыре связи (ковалентные), образованные за счёт пары электронов, принадлежащих обоим атомам (более подробно о ковалентных связях можно прочитать здесь).
Так изображают углерод с четырьмя неспаренными электронами:
Каждый неспаренный электрон «старается» захватить неспаренный электрон другого атома (например, водорода H):
В результате такого «захвата» образуется молекула, в которой соседние атомы образуют связи из двух спаренных электронов:
Два спаренных электрона создают ковалентную одиночную связь (σ-связь) (изображается одной линией):
В молекуле пальмитиновой и стеариновой кислот каждый атом углерода внутри цепи (метиленовая группа –CH2–) использует две связи с двумя соседними атомами углерода и две связи для присоединения двух атомов водорода. Крайний (слева) атом углерода (метильная группа –CH3) также имеет четыре связи: одна - с соседним атомом углерода и три – для присоединения трёх атомов водорода. Один стержень (одиночная связь) – это два спаренных электрона.
При таком строении углеводородной цепи достигается максимально возможное количество атомов водорода, присоединённых к атомам углерода. В этом случае говорят, что она является насыщенной (предельной). Этим же термином характеризуют и саму кислоту. То есть, пальмитиновая и стеариновая кислоты являются насыщенными (или предельными).
Насыщенные кислоты содержат максимально возможное число атомов водорода, что означает наличие в их углеводородной цепи только одиночных связей.
Вокруг одиночных связей C-C (углерод-углерод) возможно вращение (поворотная изомерия), которое переводит молекулу в различные пространственные состояния – конформации. Другими словами, такое внутреннее вращение, приводит к образованию разнообразных пространственных (геометрических) форм молекулы.
Показанные выше на рисунках молекулы пальмитиновой и стеариновой кислот имеют прямолинейную вытянутую зигзагообразную конфигурацию. Все атомы углерода в этой цепи лежат в одной плоскости. Такая конфигурация называется транс-формой (транс-конформером). Свобода вращения относительно одиночных связей становится причиной высокой гибкости, что приводит к образованию множества, так называемых гош-форм. Энергетически наиболее выгодной является транс-конфигурация, но выгода эта невелика, поэтому в условиях жидкой фазы в равновесии сосуществуют несколько легко переходящих друг в друга поворотных форм (осуществляется непрерывный процесс транс-гош-перехода). Транс-гош-переходы занимают триллионные доли секунды.
Любая молекула принимает такую пространственную конфигурацию, при которой достигается наименьшее взаимодействие (отталкивание) между соседними атомами. При переходе в кристаллическое состояние (не путать с полимеризацией!) молекулы насыщенных жирных кислот имеют форму зигзагообразной линии с правильным чередованием изгибов – транс-форму. В кристаллах такие молекулы располагаются параллельными слоями таким образом, что все карбоксильные группы молекул одного слоя ориентированы в одну сторону и соприкасаются с карбоксильными группами молекул другого слоя, образуя бимолекулярные слои. При этом карбоксильные группы соприкасающихся слоев могут взаимодействовать с образованием так называемых водородных связей.
Расположение молекул параллельными слоями обуславливает то, что кристаллы насыщенных кислот имеют форму пластинок.
Бимолекулярные слои между собой соприкасаются метильными группами (вдоль пунктирной линии, показанной на рисунке выше), что придаёт насыщенным жирным кислотам свойства смазочных материалов.
Высокое содержание насыщенных (предельных) кислот в масле влияет на такие его физические свойства, как температура плавления/застывания. Температура плавления характеризует прочность кристаллической решётки. Чем больше в кристалле поверхность контакта углеводородных «хвостов» соседних молекул (чем более плотная упаковка молекул в кристаллах), тем выше температура плавления. Такие масла при комнатной температуре являются твёрдым воскоподобным (или гелеобразным) веществом. Примером могут служить пальмовое масло, масло-какао или кокосовое масло. При увеличении температуры, поступающая в систему кинетическая энергия тепла переводит молекулы из кристаллического состояния в подвижное текучее, усиливается беспорядочное их движение. Тепловые движения не позволяют молекулам соединяться, вязкость снижается и масло становится жидким.