Непредельные углеводороды. Ацетилен

Непредельные углеводороды, алкины

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Непредельные (ненасыщенные) углеводороды – углеводороды, содержащие кратные (двойные или тройные) связи. Среди непредельных углеводородов выделяют алкены (содержат одну двойную связь), алкадиены (содержат две двойные связи) и алкины (содержат три двойные связи).

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Алкины – непредельные углеводороды, молекулы которых содержат одну тройную связь, в названии алкинов присутствует суффикс –ин. Общая формула алкинов C _nH₂_n_-2.

Таблица 1. Гомологический ряд алкинов.

Название химического соединения	Структурная формула
Этин (ацетилен)	C₂H₂ (СH≡CH)
Пропин (метилацетилен)	C₃H₄ (СH≡C-CH₃)
Бутин	C₄H₆
Пентин	C₅H₈
Гексин	C₆H₁₀
Гептин	C₇H₁₂
Октин	C₈H₁₄
Нонин	C₉H₁₆
Декин	C₁₀H₁₈

Чтобы дать название алкину необходимо выбрать самую длинную углеводородную цепь, содержащую тройную связь. Нумерация цепи начинается с того края, ближе к которому находится тройная связь.

Изомерия

Для алкинов, начиная с пентина, характерна изомерия углеродного скелета:

CH≡C-CH₂-CH₂-CH₃ (пентин-1)

CH≡C-CH(CH₃)-CH₃ (3-метилбутин1)

начиная с бутина, для всех алкинов характерна изомерия положения тройной связи:

CH≡C-CH₂-CH₃ (бутин-1)

CH₃-C≡C-CH₃ (бутин-2)

Для алкинов характерна межклассовая изомерия с алкадиенами, так веществу с составом C₄H₆, соответствует три разных вещества – бутин-1, бутин-2 и бутадиен-1,3.

Строение алкинов

Атомы углерода тройной связи в молекулах алкинов находятся в sp-гибридизации: две σ-связи располагаются на одной линии под углом 180 $^{\circ}$ С друг к другу, две π-связи образованы p-электронами соседних атомов углерода и располагаются во взаимно перпендикулярных плоскостях. Тройная связь является сочетанием одной σ- и двух π-связей.

Физические свойства алкинов

При обычных условиях C₂-С₄ – газы, С₅-С₁₆ – жидкости, начиная с С₁₈ – твердые вещества. Температуры алкинов выше, чем у соответствующих алкенов.

Получение

Выделяют промышленные и лабораторные способы получения ацетилена. Так, в промышленности ацетилен получают путем высокотемпературного крекинга метана:

2CH₄→ СH≡CH +3H₂

В лаборатории ацетилен получают гидролизом карбида кальция:

CaC₂ +2H₂O = Ca(OH)₂ + C₂H₂

Для получения алкинов чаще всего используют:

— реакции дегидрирования алканов и алкенов

CH₃-CH₃ → СH≡CH +2H₂

CH₂=CH₂ → СH≡CH +H₂

— реакции элиминирования дигалогенпроизводных

(CH₃)₃-CCl₂-CH₃ +2KOH →(CH₃)₃-C≡CH + 2KCl + 2H₂O

— реакции ацетиленидов с первичными галогеналканами

СH≡CNa + CH₃-CH₂-CH₂-Br →СH≡C-(CH₂)₃-CH₃ + NaBr

Химические свойства алкинов

Для алкинов характерны реакции присоединения, протекающие по нуклеофильному механизму, такие как:

— гидрирование – присоединение воды в присутствии 18%-й серной кислоты, сульфата ртути (II) и нагревании до 90 $^{\circ}$ С (реакция Кучерова), в результате чего образуются альдегиды

СH≡CH +H₂O → [CH₂=CH-OH] → CH₃-CH=O

— галогенирование – присоединение галогенов, протекающее в две стадии

СH≡CH +Br₂ →CHBr=CHBr + Br₂ →CHBr₂-CHBr₂

— гидрогалогенирование – присоединение галогеноводородов, также, протекающее в две стадии и присоединение второй молекулы галогеноводорода протекает по правилу Марковникова (присоединение галогеноводородов к тройной связи протекает труднее, чем к двойной)

СH≡CH +HСl → CH₂=CHCl + HCl → CH₃-CHCl₂

Для алкинов, имеющий концевую тройную связь, характерно наличие слабых кислотных свойств. Такие алкины способны образовывать соли при взаимодействии с активными металлами:

2R-C≡C-H +2Na →2R-C≡C-Na + H₂

Ацетилинид серебра легко образуется и выпадает в осадок при пропускании ацетилена через аммиачный раствор оксида серебра:

СH≡CH + Ag₂O → Ag- С≡C-Ag↓ + H₂O

Ацетилен способен тримеризоваться – при пропускании ацетилена над активированным углем при 600 $^{\circ}$ С образуется бензол:

3C₂H₂ → C₆H₆

Для алкинов характерны реакции окисления и восстановления. Так, алкины легко окисляются перманганатом калия. В результате этой реакции образуются карбоновые кислоты:

R- С≡C-R’ +[O] +H₂O → R-COOH + R’-COOH

В присутствии металлических катализаторов алкины присоединяют молекулы водорода:

CH₃-C≡CH + H₂ → CH₃-CH=CH₂ + H₂ → CH₃-CH₂-CH₃

Качественными реакциями на тройную связь являются реакции обесцвечивания раствора бромной воды и перманганата калия, а также реакция с аммиачным раствором оксида серебра в случае концевого положения тройной связи.

Примеры решения задач

ПРИМЕР 1

Задание

1 г алкина при н.у. занимает объем 0,56 л. Выведите молекулярную формулу алкина.

Решение

Количество вещества алкина можно найти, используя следующие формулы:

v=m/M

v=V/V_m

Следовательно, можно записать, что

m/M = V/V_m

Тогда, молекулярная масса алкина будет равна:

M = m×V_m/V

Запишем формулу алкана в общем виде

C_nH₂_n_-2

И выразим молекулярную массу алкина:

M=12n+2n-2=14n-2

Приравняем выражения, записанные для нахождения молекулярной массы алкина:

14n-2= m×V_m/V

14n-2 = 1×22,4/0,56

14n-2=40

14n=42

n=3

Запишем формулу алкина

C₃H₈

Ответ

Формула алкина C₃H₈ – это пропин

ПРИМЕР 2

Задание

При пропускании смеси пропана и ацетилена через склянку с бромной водой масса склянки увеличилась на 1,3 г. При полном сгорании такого же количества исходной смеси углеводородов выделилось 14 л (н.у.) оксида углерода (IV). Определите массовую долю пропана в исходной смеси.

Решение

Ацетилен поглощается бромной водой:

НC ≡ СH + 2Вr₂→ НСВr₂ -СНВr₂

1,3 г — это масса ацетилена, следовательно, количество вещества ацетилена:

v(C₂H₂) = 1,3/26 = 0,05 моль

При сгорании этого количества ацетилена по уравнению

2С₂Н₂ + 5О₂ = 4СО₂ + 2Н₂О

Выделилось:

2-0,05 = 0,1 моль СО₂

Общее количество СО₂ равно:

14/22,4 = 0,625 моль

При сгорании пропана по уравнению

С₃Н₈ + 5О₂ = ЗСO₂ + 4Н₂О

Выделилось

0,625 — 0,1 = 0,525 моль СО₂

при этом в реакцию вступило

0,525/3 = 0,175 моль С₃Н₈

Масса пропана:

0,175 — 44 = 7,7 г.

Общая масса смеси углеводородов равна:

1,3+7,7 = 9,0 г

Массовая доля пропана составляет:

w(С₃Н₈) = 7,7/9,0 = 0,856, или 85,6%.