Учебники Рудзитис / 10

§14 Ацетилен и его гомологи

•Зная, что в молекуле ацетилена есть тройная связь, предположите, какие химические свойства будут для него характерны.

•Какие качественные реакции на кратные связи вам известны?

АЛКИНЫ (ацетиленовые углеводороды) — это углеводороды с общей формулой CnH2n – 2, содержащие в молекулах тройную связь между атомами углерода.

Простейший представитель алкинов — ацетилен (по международной номенклатуре этин). Его молекулярная формула С2Н2. Молекула ацетилена имеет следующее строение:

Н—С С—Н

Кроме ацетилена, известно много других соединений углерода с водородом, в молекулах которых имеется тройная связь.

Общая формула алкинов такая же, как и общая формула диеновых углеводородов. Это значит, что изомерия возможна не только в рамках одного класса, но и между соединениями различных классов. Такую изомерию называют межклассовой. Например, бута- диен-1,3 СН2=СН—СН=СН2 и углеводород ряда ацетилена СН3—С С—СН3 являются представителями разных классов органических соединений, но они изомеры, так как их молекулярные формулы одинаковы — С4Н6.

Строение молекул. Рассмотрим электронное и пространственное строение молекулы ацетилена.

При образовании молекулы ацетилена у каждого атома углерода гибридизуются одна s- и одна р-электронные орбитали (sp-гибридизация).

В результате этого каждый атом углерода приобретает по две гибридные электронные орбитали, а две р-электронные орбитали остаются негибридными. Две гибридные электронные орбитали (от каждого атома по одной) взаимно перекрываются, и между атомами углерода образуется s-связь. Остальные две гибридные электронные орбитали

60

В этом процессе одним из промежуточных продуктов является ацетилен, но он тут же разлагается на углерод и водород:

t

2СН4 С2H2 + 3Н2

t

С2H2 2С + Н2

Если образующийся ацетилен быстро удалить из зоны реакции и охладить, можно предотвратить его разложение. В промышленности это осуществляют при помощи различных устройств. Разработаны также ме-

тоды выделения ацетилена из продуктов пиролиза нефти (см. § 18). Физические свойства. Ацетилен — газ, легче воздуха, малораство-

рим в воде, в чистом виде почти без запаха. Изменения физических свойств углеводородов ряда ацетилена (так же как у алканов и алкенов) подчиняются общим закономерностям: при увеличении относительной

молекулярной массы повышаются температуры кипения веществ. Химические свойства. Для ацетилена и его гомологов характерны

реакции присоединения, окисления и полимеризации (аналогично углеводородам ряда этилена).

Р е а к ц и и п р и с о е д и н е н и я. 1) Углеводороды ряда ацетилена реагируют с галогенами. Например, ацетилен обесцвечивает бромную воду. Присоединение брома происходит в две стадии:

HC CH + Br2 CHBr=CHBr

1,2-дибромэтен

CHBr=CHBr + Br2 CHBr2—CHBr2

1,1,2,2-тетрабромэтан

2) При небольшом нагревании (25 С) в присутствии катализаторов (никеля, платины или палладия) ацетилен присоединяет водород. Гидрирование ацетилена (подобно бромированию) тоже происходит в две стадии:

3) Ацетилен реагирует также со сложными веществами. Например, в присутствии сульфата ртути(II) ацетилен присоединяет воду (гидратируется) и образуется ацетальдегид (уксусный альдегид):

62

Если к ацетилену присоединяется хлороводород, то образуется газообразное вещество винилхлорид (хлорвинил). Эта реакция идёт в присутствии катализатора AlCl3:

Винилхлорид способен полимеризоваться:

Из поливинилхлорида получают химически и механически прочную пластмассу со свойствами диэлектрика, изготавливают обои, линолеум, искусственную кожу, клеёнку, грампластинки, а также оконные и дверные профили.

Р е а к ц и и о к и с л е н и я. 1) Ацетилен обесцвечивает раствор перманганата калия. Следовательно, ацетилен (как и этилен) легко окисляется.

При этом могут образовываться разные продукты, однако ацетилен может и полностью окислиться до СО2 и Н2О:

3CH CH + 10KMnO4 + 2H2O 6CO2 + 10MnO2 + 10KOH

2) На воздухе ацетилен горит коптящим пламенем. Если при горении ацетилена в пламя дополнительно вдувать воздух, то ацетилен сгорает полностью, без копоти (рис. 21):

63

Рис. 22. Применение ацетилена

полимеров. Из ацетилена получают растворители (1,1,2,2-тетрахлорэтан и 1,2,2-трихлорэтан). При сжигании ацетилена в кислороде температура пламени достигает 3150 С, поэтому его используют при сварке и резке металлов (см. рис. 21).

Алкины. Ацетилен (этин). Межклассовая изомерия. sp-Гибридизация электронных орбиталей. Реакции присоединения, окисления и полимеризации алкинов

1. Основываясь на современных представлениях об электронных орбиталях и их перекрывании, поясните, как образуются химические связи в молекуле ацетилена, и сравните их с химическими связями в молекуле этилена. Какие качественные реакции доказывают, что ацетилен — непредельное соединение?

2.Какой углеводород является ближайшим гомологом этина?

3.Как получают ацетилен в лаборатории и промышленности? Напишите уравнения соответствующих реакций.

4.Где применяют ацетилен? Напишите уравнения соответствующих реакций.

5.Составьте уравнения реакций, при помощи которых можно осуществить следующие превращения:

64

6.Массовая доля углерода в углеводороде равна 0,8889. Его плотность по воздуху равна 1,862. Найдите молекулярную формулу этого углеводорода.

7.Какой объём ацетилена и какой объём водорода (н. у.) можно получить из 1042 м3 природного газа, объёмная доля метана в котором равна 0,96?

1. Формулы только алкинов находятся в ряду

2. Пропен и пропин можно обнаружить одним реактивом. Это

В «Задачнике с «помощником» для 10—11 классов решите задачи 6.15 и 6.55.

Я умею объяснять sp-гибридизацию и пространственное строение молекулы ацетилена, называть гомологи ацетилена по международной номенклатуре, составлять уравнения реакций, характеризующих химические свойства ацетилена.

65

Рис. 23. Схема образования s-связей в молекуле бензола

с s-электронной орбиталью атома водорода, т. е. каждый атом углерода здесь образует три s-связи (рис. 23). Негибридная электронная р-орбиталь каждого атома углерода перекрывается с такими же электронными орбиталями двух соседних атомов углерода, образуя единое p-электронное облако (рис. 24).

Электронная плотность в p-электронном облаке распределена равномерно. Перекрывание происходит над плоскостью и под плоскостью s-связей. Все связи между атомами углерода одинаковые, т. е. в молекуле бензола нет простых и двойных связей. Расстояние между центрами соседних атомов

Рис. 24. Схема образования p-связей в молекуле бензола

67

Для гомологов бензола характерна изомерия заместителей и их положения:

Положение заместителей указывают номерами атомов углерода в бензольном кольце. Кольцо нумеруют так, чтобы номера радикалов были наименьшими. Заместителями в молекулах аренов также могут быть радикалы непредельных соединений (пример такого арена — винилбензол,

или стирол, см. § 42).

Получение. В настоящее время основной источник получения бензола в промышленности — переработка нефти. Незначительные количества бензола получают из каменноугольной смолы и газов, образующихся при коксовании (пиролизе) углей (см. § 17 и 18).

Русский учёный Н. Д. Зелинский доказал, что бензол можно получить из циклогексана, выделяемого из некоторых сортов нефти:

При этих же условиях в бензол превращается гексан:

Если пропускать ацетилен при 450—500 С над активированным углем, то он также превращается в бензол:

69