Текст учебника. Урок 7. Алкины. Ацетилен: строение и свойства

Алкины. Ацетилен: строение и свойства

Ключевые слова: алкины, ацетилен (этин), тройная связь, sp-гибридизация, гомологический ряд, реакции присоединения, гидратация, реакция Кучерова, горение.

1. Общая характеристика и гомологический ряд алкинов

Алкины – это непредельные углеводороды, в молекулах которых между атомами углерода имеется одна тройная связь.

Общая формула гомологического ряда алкинов — CₙH₂ₙ₋₂.

Как и у ранее изученных вами алканов и алкенов, алкины образуют гомологический ряд. Первый и главный представитель этого ряда – ацетилен, имеющий тривиальное название и систематическое – этин.

Гомологический ряд алкинов (первые представители):

• Этин (ацетилен): C₂H₂

• Пропин: C₃H₄

• Бутин: C₄H₆

• Пентин: C₅H₈

Названия алкинов по систематической номенклатуре (ИЮПАК) образуются от названий соответствующих алканов заменой суффикса "-ан" на "-ин", с указанием номера атома углерода, с которого начинается тройная связь.

2. Строение молекулы ацетилена. sp-гибридизация

Строение молекулы простейшего алкина – ацетилена (C₂H₂) – было теоретически предсказано А.М. Бутлеровым, а затем подтверждено экспериментально.

Рассмотрим электронное строение молекулы ацетилена. В образовании химических связей в молекуле C₂H₂ участвуют четыре электрона (два от каждого атома углерода). Для объяснения линейной геометрии молекулы используется понятие sp-гибридизации.

Механизм sp-гибридизации:

1. При гибридизации у каждого атома углерода смешиваются одна s- и одна p-орбиталь. В результате образуются две гибридные sp-орбитали.

2. Эти две sp-орбитали располагаются в пространстве под углом 180° друг к другу, что обуславливает линейную форму молекулы.

3. Две негибридные p-орбитали каждого атома углерода остаются перпендикулярными друг другу и осям гибридных орбиталей.

Образование связей в ацетилене:

• σ-связи: Перекрывание sp-sp гибридных орбиталей двух атомов углерода образует прочную σ-связь C–C. Перекрывание sp-гибридных орбиталей атомов углерода с s-орбиталями атомов водорода образует две σ-связи C–H.

• π-связи: Две пары негибридных p-орбиталей, расположенных во взаимно перпендикулярных плоскостях, попарно перекрываются, образуя две π-связи. Таким образом, тройная связь между атомами углерода состоит из одной σ-связи и двух π-связей.

Молекула ацетилена имеет линейное строение, все четыре атома лежат на одной прямой.
Длина тройной связи C≡C (0,120 нм) меньше длины двойной связи в алкенах и, тем более, одинарной связи в алканах.

3. Получение ацетилена

В лаборатории и промышленности ацетилен чаще всего получают путем взаимодействия карбида кальция с водой.

Лабораторный способ (карбидный):
CaC₂ + 2H₂O → C₂H₂↑ + Ca(OH)₂
Реакция протекает очень бурно. Карбид кальция технического серого цвета получают спеканием оксида кальция (негашеной извести) с коксом в электрических печах при высокой температуре.

Промышленный способ (метановый):
При очень высоких температурах (1200–1500 °C) метан подвергается пиролизу (крекингу) с образованием ацетилена.
2CH₄ → C₂H₂ + 3H₂

4. Химические свойства алкинов

Химические свойства алкинов, как и алкенов, определяются наличием кратной связи. Однако тройная связь, состоящая из одной σ- и двух π-связей, обладает большим запасом энергии и высокой реакционной способностью. Алкины вступают в реакции присоединения, причем часто эти реакции идут в две стадии.

4.1. Реакции присоединения

а) Галогенирование
Ацетилен и его гомологи decolorize бромную воду. Это качественная реакция на непредельную связь. Присоединение галогенов (хлора, брома) может идти в одну или две стадии.

• Первая стадия: HC≡CH + Br₂ → CHBr=CHBr (1,2-дибромэтен)

• Вторая стадия: CHBr=CHBr + Br₂ → CHBr₂–CHBr₂ (1,1,2,2-тетрабромэтан)

б) Гидрогалогенирование
Присоединение галогеноводородов (HCl, HBr) также протекает по стадиям. Присоединение первой молекулы идет в соответствии с правилом Марковникова.

• HC≡CH + HCl → CH₂=CH–Cl (хлорэтен, или винилхлорид)
  Винилхлорид – ценное сырье для производства поливинилхлорида (ПВХ).

в) Гидратация (Реакция Кучерова)
Это одна из важнейших реакций алкинов, открытая русским химиком М.Г. Кучеровым. Присоединение воды к ацетилену происходит в присутствии солей ртути (II) (в качестве катализатора) и leads к образованию уксусного альдегида.

• HC≡CH + H₂O → [CH₂=CH–OH] → CH₃–CH=O (этаналь, уксусный альдегид)
  Промежуточный продукт – виниловый спирт – является неустойчивым и сразу изомеризуется в карбонильное соединение (альдегид или кетон).

4.2. Реакция горения
Ацетилен горит на воздухе ярким коптящим пламенем из-за высокого содержания углерода в его молекуле. При горении в достаточном количестве кислорода выделяется большое количество тепла.

• Уравнение реакции горения:
  2C₂H₂ + 5O₂ → 4CO₂ + 2H₂O
  Эта реакция лежит в основе применения ацетилена в ацетиленокислородных горелках для резки и сварки металлов.

5. Применение ацетилена

• Сварка и резка металлов: При горении ацетилена в кислороде температура пламени достигает 3000–3500 °C, что позволяет плавить металлы.

• Химический синтез: Ацетилен – ценное сырье в органическом синтезе. Из него получают уксусный альдегид, уксусную кислоту, синтетические каучуки, пластмассы (например, виниловые полимеры), растворители и многие другие продукты.

Вывод: Алкины, и в первую очередь ацетилен, являются важным классом непредельных углеводородов. Их химическое поведение, определяемое тройной связью и sp-гибридизацией атомов углерода, позволяет широко использовать их в промышленности и синтезе новых веществ.