4. Получение и свойства ацетилена

Определения и обозначения

Ацетилен, или этин, — углеводород состава C₂H₂ со строением H–C≡C–H. Его молекула содержит два атома углерода и два атома водорода, а систематическое название этин показывает состав вещества. Эта формула нужна, чтобы определять соотношение атомов и записывать уравнения реакций.

Алкины — непредельные углеводороды, в молекулах которых есть одна тройная связь между атомами углерода. Для открытых цепей с одной такой связью общая формула имеет вид C_nH_2n−2. Ацетилен соответствует этой формуле при n = 2, поэтому является первым представителем ряда алкинов.

Тройная связь состоит из одной σ-связи и двух π-связей. π-связи слабее и легче разрушаются при взаимодействии с другими веществами, поэтому для алкинов характерны реакции присоединения. При этом тройная связь может превращаться сначала в двойную, а затем в одинарную.

Реакция Кучерова — присоединение воды к ацетилену в присутствии солей ртути, обычно в кислой среде. Сначала образуется неустойчивое промежуточное соединение, которое превращается в ацетальдегид CH₃–CHO. Это название важно запомнить: конечный продукт гидратации ацетилена — не этанол.

Как это устроено

В молекуле H–C≡C–H каждый атом углерода образует линейное окружение: углеродные и водородные связи направлены почти по одной прямой. Две π-связи находятся по разные стороны от оси σ-связи и образуют электронную область, доступную для реагентов. Поэтому ацетилен реагирует активнее насыщенных углеводородов, у которых таких связей нет.

В лаборатории ацетилен получают действием воды на карбид кальция. Уравнение реакции: CaC₂ + 2H₂O → C₂H₂ + Ca(OH)₂. Вода разрушает карбидную часть соединения, а атомы водорода образуют ацетилен; реакция идёт с выделением тепла и пузырьков газа.

Промышленно ацетилен получают пиролизом метана, то есть его разложением при очень высокой температуре, около 1500 °C: 2CH₄ → C₂H₂ + 3H₂. При нагревании связи в метане перестраиваются, и из двух молекул образуется ацетилен. Продукты быстро охлаждают, потому что при высокой температуре ацетилен может разлагаться или вступать в дальнейшие превращения.

Тройная связь позволяет присоединять водород, галогены и галогеноводороды. Например, при последовательном гидрировании сначала получается этен, а затем этан: C₂H₂ + H₂ → C₂H₄ и C₂H₄ + H₂ → C₂H₆. Поэтому к одной молекуле ацетилена могут присоединиться две молекулы реагента; с бромом образуется C₂H₂Br₄.

Гидратация ацетилена по реакции Кучерова приводит к ацетальдегиду: C₂H₂ + H₂O → CH₃CHO, Hg²⁺. При горении ацетилен соединяется с кислородом и выделяет много теплоты, но из-за большого содержания углерода пламя коптит: 2C₂H₂ + 5O₂ → 4CO₂ + 2H₂O. Обесцвечивание бромной воды объясняется присоединением Br₂, а не горением.

Получение и характерные свойства ацетилена

Сначала определяйте, что происходит с тройной связью: она разрушается полностью или только частично. Затем сверяйте коэффициенты и условия реакции, поскольку один и тот же ацетилен может давать разные продукты.

При качественной пробе обращайте внимание на наблюдение: бромная вода теряет окраску, а при горении появляется пламя и выделяется теплота. Эти признаки нельзя смешивать.

Разбор задач

Задача 1

Условие: составить уравнение получения ацетилена из карбида кальция и рассчитать его объём при н. у., если взяли 64 г CaC₂.

1. Записываем уравнение: CaC₂ + 2H₂O → C₂H₂ + Ca(OH)₂. Соотношение веществ CaC₂ и C₂H₂ равно 1:1.
2. М(CaC₂) = 40 + 2·12 = 64 г/моль, поэтому n(CaC₂) = 64/64 = 1 моль.
3. Ацетилена образуется 1 моль. При н. у. V_m = 22,4 л/моль, значит V(C₂H₂) = 1·22,4 = 22,4 л.

Ответ: 22,4 л ацетилена.

Задача 2

Условие: определить объём водорода для полного гидрирования 5,6 л ацетилена при н. у.

1. Полное гидрирование требует двух молекул H₂: C₂H₂ + 2H₂ → C₂H₆.
2. При одинаковых условиях объёмы газов относятся как коэффициенты. На 1 объём ацетилена нужен 2 объёма водорода.
3. V(H₂) = 2·5,6 = 11,2 л.

Ответ: 11,2 л водорода.

Задача 3

Условие: смесь ацетилена и этана объёмом 4,48 л пропустили через избыток бромной воды; масса раствора увеличилась на 2,6 г. Найти объёмную долю ацетилена.

1. Бромная вода поглощает ацетилен, а этан не реагирует, поэтому увеличение массы равно массе C₂H₂: m = 2,6 г.
2. М(C₂H₂) = 26 г/моль, n = 2,6/26 = 0,1 моль. Объём ацетилена равен 0,1·22,4 = 2,24 л.
3. Объёмная доля φ = V(C₂H₂)/V_смеси = 2,24/4,48 = 0,5 = 50%.

Ответ: объёмная доля ацетилена равна 50%.

Типичные ошибки

Ошибка — считать, что для полного гидрирования достаточно одной молекулы H₂. Так происходит из-за аналогии с алкенами, но у ацетилена две π-связи. Проверьте себя по продукту: для этана формула должна стать C₂H₆, значит нужны две молекулы водорода.

Иногда уравнение получения записывают без воды или получают неверный продукт. Причина — смешение карбида кальция с другими карбидами. Проверьте баланс: CaC₂ + 2H₂O → C₂H₂ + Ca(OH)₂.

Обесцвечивание бромной воды путают с горением. При реакции с бромом исчезает окраска раствора из-за присоединения Br₂, а при горении нужны кислород и поджигание, появляется пламя. Сначала определите реагент и наблюдаемый признак.

Ещё одна ошибка — записать этанол как продукт реакции Кучерова. Гидратация ацетилена в присутствии солей ртути приводит к ацетальдегиду CH₃CHO. Чтобы не ошибиться, связывайте название реакции Кучерова именно с этаналем.

Связь с другими темами

Для понимания строения ацетилена нужны знания о ковалентной связи, углеводородах и гомологических рядах. Общую формулу алкинов удобно сравнивать с формулами алканов и алкенов: уменьшение числа атомов водорода связано с кратностью связи.

Получение ацетилена из CaC₂ связывает органическую химию с темой карбидов и реакций веществ с водой. Здесь важно видеть, что вода может не только растворять вещество, но и вступать с ним в химическую реакцию.

Свойства ацетилена используются при изучении органического синтеза, полимеров и углеводородов как химического сырья. Реакции присоединения позволяют получать из него другие органические соединения.

Что запомнить

• Формула ацетилена — C₂H₂; систематическое название — этин.
• Ацетилен относится к алкинам и содержит одну тройную связь.
• Из карбида кальция ацетилен получают действием воды.
• Промышленный способ получения ацетилена — пиролиз метана.
• Тройная связь вступает в реакции присоединения.
• При гидратации ацетилена по реакции Кучерова образуется ацетальдегид.
• Ацетилен горит коптящим пламенем.