Коротко: различия в температуре плавления, растворимости и вязкости между водой, бензолом и этанолом объясняются формой молекул и типом межмолекулярных сил: водородные связи, диполь–дипольные взаимодействия и дисперсионные силы (Лондона), а также симметрией и гибкостью молекул.
Ключевые факты (приблизительно): ${\mathrm{H}}_2\mathrm{O}$: $\mathrm{bp}=100^{\circ }\mathrm{C}$, $\mathrm{mp}=0^{\circ }\mathrm{C}$, $\mu \approx 1.85\mathrm{D}$, $\epsilon \approx 80$. ${\mathrm{C}}_6{\mathrm{H}}_6$: $\mathrm{bp}=80.1^{\circ }\mathrm{C}$, $\mathrm{mp}=5.5^{\circ }\mathrm{C}$, $\mu =0$, $\epsilon \approx 2.3$. ${\mathrm{C}}_2{\mathrm{H}}_5\mathrm{OH}$: $\mathrm{bp}=78.4^{\circ }\mathrm{C}$, $\mathrm{mp}=-114.1^{\circ }\mathrm{C}$, $\mu \approx 1.7\mathrm{D}$, $\epsilon \approx 24$.
1) Вода (${\mathrm{H}}_2\mathrm{O}$)
- Структура: изгибная молекула с двумя полярными O–H связями; кислород имеет два неподелённые электронные пары.
- Межмолекулярные силы: сильные водородные связи — каждую молекулу вода может в среднем образовывать до четырёх водородных связей (тетраэдрическая сеть).
- Последствия:
- Высокая точка кипения и тепло парообразования за счёт энергии разрыва H‑связей ($\Rightarrow$ $\mathrm{bp}$ выше, чем у неполярных молекул той же массы).
- Средняя вязкость и высокая поверхностное натяжение по причине сетки H‑связей.
- Отличная растворимость полярных и ионных веществ (высокая диэлектрическая постоянная) и хорошая сольватирующая способность за счёт H‑связей.
2) Бензол (${\mathrm{C}}_6{\mathrm{H}}_6$)
- Структура: плоское симметричное ароматическое кольцо, неполярен (нулевой диполь).
- Межмолекулярные силы: только дисперсионные силы (Лондона) и π–π взаимодействия; отсутствуют водородные связи.
- Последствия:
- Низкая полярность => плохая растворимость в воде; хорошо растворяет неполярные вещества.
- Относительно невысокая точка кипения по сравнению с сильно водородсвязанными жидкостями, но точка плавления может быть выше, чем у воды/этанола из‑за эффективной упаковки симметричных молекул в кристалле ($\Rightarrow$ $\mathrm{mp}$ бензола положительна).
- Низкая вязкость из‑за слабых межмолекулярных взаимодействий.
3) Этанол (${\mathrm{C}}_2{\mathrm{H}}_5\mathrm{OH}$)
- Структура: короткая неполярная этильная «хвост» и полярная гидроксильная группа.
- Межмолекулярные силы: есть водородные связи (OH может быть донором и акцептором), но сеть менее развита, чем у воды, плюс значительные дисперсионные взаимодействия от углеводородной части.
- Последствия:
- Смешивание с водой (полная смешиваемость) благодаря H‑связям и полярности гидроксильной группы; одновременно растворяет и неполярные вещества благодаря гидрофобной части (амфифильность).
- Точка кипения ниже воды, но сравнима с некоторыми неполярными органическими (разрыв H‑связей требует энергии, но их меньше/слабее, чем у воды).
- Низкая температура плавления из‑за гибкости и ассиметрии молекулы: гибкий хвост мешает упорядоченной упаковке в кристалле ($\Rightarrow$ очень низкий $\mathrm{mp}$).
- Вязкость немного выше воды или сопоставима: H‑связи повышают вязкость относительно неполярных растворителей, но сеть слабее, чем у воды.
Обобщение по свойствам
- Температура кипения ≈ сила межмолекулярных взаимодействий: сильные H‑связи у воды → самое большое $\mathrm{bp}$.
- Температура плавления зависит не только от силы взаимодействий, но и от способности молекул плотно и симметрично упаковываться: симметричный бензол даёт более высокий $\mathrm{mp}$ чем гибкий этанол.
- Растворимость определяется «подобием»: полярное/водородсвязанное растворяется в воде; неполярное (бензол) — нет; этанол смешивается с водой из‑за OH и одновременно растворяет неполярные вещества из‑за этильной части.
- Вязкость растёт при наличии сильных и обширных сетей H‑связей (вода, этанол) и падает для чисто дисперсионных жидкостей (бензол).
Это молекулярно‑структурное объяснение основных различий между ${\mathrm{H}}_2\mathrm{O}$, ${\mathrm{C}}_6{\mathrm{H}}_6$ и ${\mathrm{C}}_2{\mathrm{H}}_5\mathrm{OH}$.