Алкины и ацетилен

В автосервисе и на стройке сталь режут газовой горелкой, в которой ацетилен сгорает в кислороде. Температура такого пламени превышает 3000 °C. Ацетилен C₂H₂ открывает ряд алкинов — углеводородов с одной тройной связью C≡C.

Ацетилен получают из карбида кальция и воды

1. Учитель кладёт в колбу с газоотводной трубкой несколько кусочков карбида кальция CaC₂, серых и похожих на мелкие камешки.

2. Из капельной воронки по каплям приливает воду, и в колбе начинается бурное выделение газа.

3. Газ пропускают через бромную воду: жёлтая окраска исчезает.

4. Затем газ пропускают через розовый раствор KMnO₄, и он тоже обесцвечивается.

5. Газ на конце трубки поджигают. Пламя яркое и сильно коптит.

В колбе идёт реакция CaC₂ + 2H₂O → C₂H₂ + Ca(OH)₂. Обесцвечивание двух растворов показывает кратную связь. Копоть говорит о большой доле углерода: M(C₂H₂) = 12 · 2 + 2 = 26 г/моль, и на углерод приходится 24 / 26 = 0,923, то есть 92,3 % массы.

Технический ацетилен из карбида неприятно пахнет из-за примесей. Чистый газ почти без запаха. Он бесцветен и немного легче воздуха: D = 26 / 29 ≈ 0,9.

В молекуле ацетилена тройная связь и угол 180°

Оба атома углерода в ацетилене находятся в sp-гибридизации. Их гибридные орбитали лежат на одной прямой, поэтому молекула H–C≡C–H линейна и угол между связями равен 180°. Тройная связь состоит из одной σ-связи и двух π-связей. Она прочнее двойной, но π-связи рвутся легко.

Общая формула алкинов C_nH_2n−2. В названии суффикс -ан меняют на -ин и указывают номер тройной связи: HC≡C–CH₂–CH₃ — бутин-1, CH₃–C≡C–CH₃ — бутин-2. Это изомеры положения тройной связи. У бутадиена-1,3 тот же состав C₄H₆, но вместо тройной связи две двойные, так что он и бутины — межклассовые изомеры.

Изомерия углеродного скелета появляется с пяти атомов. У C₅H₈ кроме пентина-1 и пентина-2 есть разветвлённый 3-метилбутин-1, HC≡C–CH(CH₃)–CH₃. Главную цепь всегда выбирают так, чтобы в неё попала тройная связь.

Алкины присоединяют две молекулы реагента по очереди

Тройная связь раскрывается в два этапа. С водородом на никеле ацетилен сначала даёт этилен, затем этан: HC≡CH + H₂ → CH₂=CH₂ (t, Ni), CH₂=CH₂ + H₂ → CH₃–CH₃ (t, Ni).

С избытком брома получается 1,1,2,2-тетрабромэтан: HC≡CH + 2Br₂ → CHBr₂–CHBr₂. С хлороводородом выходит винилхлорид, мономер поливинилхлорида: HC≡CH + HCl → CH₂=CHCl (t, катализатор). Из поливинилхлорида делают оконные профили и изоляцию проводов.

В 1881 году Михаил Григорьевич Кучеров открыл гидратацию ацетилена в присутствии солей ртути(II). Вода присоединяется по тройной связи, образуется неустойчивый виниловый спирт, и он сразу перестраивается в уксусный альдегид:

HC≡CH + H₂O → CH₃–CHO (Hg²⁺, H⁺).

Гомологи ацетилена в той же реакции дают кетоны. Водород присоединяется к более гидрогенизированному атому углерода, по правилу Марковникова, поэтому из пропина получается ацетон: HC≡C–CH₃ + H₂O → CH₃–CO–CH₃ (Hg²⁺, H⁺).

Над активированным углём при нагревании три молекулы ацетилена замыкаются в кольцо бензола: 3C₂H₂ → C₆H₆ (C акт., t). Горит ацетилен по уравнению 2C₂H₂ + 5O₂ → 4CO₂ + 2H₂O.

Есть у алкинов и свойство, которого нет у алкенов. Атом водорода при тройной связи проявляет слабые кислотные свойства и замещается на серебро: HC≡CH + 2[Ag(NH₃)₂]OH → AgC≡CAg↓ + 4NH₃ + 2H₂O. Так узнают концевую тройную связь.

В промышленности ацетилен получают из метана

Карбид кальция получают в электропечах, сплавляя известь с коксом, и на это уходит много электроэнергии, поэтому в промышленности ацетилен производят и из природного газа. Метан быстро нагревают до 1500 °C: 2CH₄ → C₂H₂ + 3H₂. Нагрев делают коротким, иначе ацетилен распадается на сажу и водород.

Ацетилено-кислородным пламенем сваривают и режут металлы, а на химических заводах из ацетилена получают винилхлорид, уксусный альдегид, уксусную кислоту и хлоропрен для синтетического каучука.

Задача 1. Вычисли объём водорода (н. у.), который образуется вместе с 13 г ацетилена при разложении метана.

1. n(C₂H₂) = 13 / 26 = 0,5 моль.

2. По уравнению водорода втрое больше: n(H₂) = 3 · 0,5 = 1,5 моль.

3. V(H₂) = 1,5 · 22,4 = 33,6 л.

Ответ: 33,6 л.

Задача 2. Вычисли массу уксусного альдегида, который получится по реакции Кучерова из 11,2 л ацетилена (н. у.), если выход продукта 90 %.

1. n(C₂H₂) = 11,2 / 22,4 = 0,5 моль, альдегида по уравнению столько же.

2. M(CH₃CHO) = 12 · 2 + 4 + 16 = 44 г/моль.

3. Теоретическая масса 0,5 · 44 = 22 г.

4. Практическая масса 22 · 0,9 = 19,8 г.

Ответ: 19,8 г.

Ацетилен линейный, а бутин-2 не даёт осадка с серебром

• ❌ В ацетилене угол между связями 109°28′. ✅ Молекула линейная, угол 180°.

• ❌ Тройная связь — это три σ-связи. ✅ Одна σ-связь и две π-связи.

• ❌ Гидратация любого алкина даёт альдегид. ✅ Альдегид получается только из ацетилена, из пропина выходит ацетон.

• ❌ Бутин-2 реагирует с аммиачным раствором оксида серебра. ✅ Осадок дают только алкины с тройной связью на конце цепи.

Задача 3. Относительная плотность газообразного алкина по воздуху равна 1,862. Выведи молекулярную формулу, составь структурные формулы изомерных алкинов этого состава и назови их.

1. M = 1,862 · 29 = 54 г/моль.

2. Для C_nH_2n−2: 12n + 2n − 2 = 54, откуда 14n = 56 и n = 4.

3. Формула C₄H₆. Тройная связь может стоять у первого или у второго атома: HC≡C–CH₂–CH₃ и CH₃–C≡C–CH₃.

Ответ: C₄H₆; бутин-1 и бутин-2.