"Химия. Базовый уровень", Габриелян О.С.
Алкины — непредельные углеводороды с одной тройной связью в открытой углеродной цепи. Их общая формула — CₙH₂ₙ₋₂, а простейший представитель — ацетилен, или этин, C₂H₂. Тройная связь определяет линейное строение её участка и способность алкинов присоединять водород, галогены и галогеноводороды. Ацетилен получают из карбида кальция или метана, используют в органическом синтезе и для сварки благодаря высокой температуре пламени.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Алкин — ациклический углеводород, в молекуле которого есть одна тройная связь между атомами углерода. Ациклический значит «с открытой цепью», без углеродного кольца. Для алкинов характерны реакции присоединения по тройной связи.
Гомологический ряд алкинов — последовательность соединений, в которой каждый следующий член отличается от предыдущего на группу –CH₂–. Общая формула ряда — CnH2n−2, где n — число атомов углерода. Формула помогает быстро определить состав вещества.
Ацетилен — простейший алкин состава C₂H₂. В систематической номенклатуре он называется этином, поэтому оба названия обозначают одно вещество. В гомологическом ряду ацетилен занимает первое место: у него только два атома углерода.
Тройная связь — связь между двумя атомами углерода, состоящая из одной σ-связи и двух π-связей. Она короче и прочнее одинарной, но π-связи легче вступают в реакции присоединения. Поэтому тройная связь определяет и геометрию, и химические свойства алкинов.
Алканы с открытой цепью имеют формулу CnH2n+2. Двойная связь уменьшает число атомов водорода на два, а тройная по сравнению с одинарной цепью создаёт две степени ненасыщенности и уменьшает его ещё на четыре. Поэтому для алкина с одной тройной связью получается формула CnH2n−2.
При тройной связи каждый из двух атомов углерода образует две σ-связи под углом 180°. Две оставшиеся пары электронных орбиталей формируют π-связи, поэтому соседние атомы располагаются на одной прямой. Линейный участок сохраняется независимо от того, какие группы находятся дальше в цепи.
Изомерия алкинов связана со строением углеродного скелета и положением тройной связи. Например, у пентинов возможны разные цепи и разные места расположения связи C≡C. Изомерия положения начинается с бутинов: у бутина-1 и бутина-2 уже можно поставить тройную связь у края или в середине цепи, тогда как у пропина другого положения нет.
Алкины вступают в реакции присоединения, потому что π-связи тройной связи доступны для атаки реагентов. Водород присоединяется поэтапно: сначала образуется алкен, затем алкан; галогены и галогеноводороды также могут присоединиться сначала в одну, а затем во вторую стадию. Количество продукта зависит от количества реагента и условий реакции.
Ацетилен получают гидролизом карбида кальция: CaC₂ + 2H₂O → C₂H₂ + Ca(OH)₂. В промышленности его также получают разложением метана при очень высокой температуре: 2CH₄ → C₂H₂ + 3H₂. Ацетилен используют для синтеза органических веществ и в сварочных работах, поскольку его пламя с кислородом имеет очень высокую температуру.
| Аспект | Общая характеристика | Пример: ацетилен |
|---|---|---|
| Общая формула | CnH2n−2 | C₂H₂, n = 2 |
| Строение тройной связи | Одна σ-связь и две π-связи; участок линейный | H–C≡C–H |
| Физические свойства | Низшие алкины — газы, плохо растворимые в воде | Бесцветный газ, мало растворим в воде |
| Реакции присоединения | Присоединение H₂, Br₂, HCl и других реагентов поэтапно | C₂H₂ + Br₂ → C₂H₂Br₂ |
| Горение | При полном горении образуются CO₂ и H₂O | 2C₂H₂ + 5O₂ → 4CO₂ + 2H₂O |
| Получение | Гидролиз карбидов или высокотемпературное разложение углеводородов | CaC₂ + 2H₂O → C₂H₂ + Ca(OH)₂ |
Таблицу удобно читать от общего свойства к конкретному примеру. Если требуется решить задачу, сначала выбирайте строку с нужным аспектом, а затем проверяйте формулу или уравнение для ацетилена. Уравнения показывают состав реагентов и соотношение веществ.
Определим молекулярную формулу алкина, содержащего пять атомов углерода. Используем общую формулу CnH2n−2, потому что речь идёт об открытой цепи с одной тройной связью. Подстановка значения n сразу даёт число атомов водорода.
Ответ: формула алкина — C₅H₈. Это может быть, например, пентин-1 или пентин-2, но сама молекулярная формула не показывает положение тройной связи.
Запишем реакцию присоединения одной молекулы Br₂ к этину и назовём продукт. Одна молекула брома присоединяется к тройной связи только по одной стадии, поэтому двойная связь в продукте сохраняется. Коэффициенты перед этином и бромом равны единице.
Уравнение: C₂H₂ + Br₂ → CHBr=CHBr. Продукт называется 1,2-дибромэтеном; при избытке брома возможно дальнейшее присоединение второй молекулы Br₂.
Найдём объём ацетилена при нормальных условиях из 64 г CaC₂ при выходе 80%. Уравнение реакции: CaC₂ + 2H₂O → C₂H₂ + Ca(OH)₂, поэтому 1 моль карбида даёт 1 моль ацетилена. Молярная масса CaC₂ примерно равна 64 г/моль.
Ответ: можно получить 17,92 л ацетилена, или примерно 17,9 л. Процент выхода применяют к теоретически рассчитанному количеству продукта после использования уравнения реакции.
Ошибка: записывать для алкинов формулу CnH2n. Её переносят из темы алкенов и не учитывают, что тройная связь создаёт две степени ненасыщенности. Проверка: сравните формулу с первым членом ряда — для n = 2 должна получиться C₂H₂.
Ошибка: считать тройную связь тремя одинаковыми σ-связями. На самом деле она состоит из одной σ- и двух π-связей, образованных разными способами перекрывания орбиталей. Проверка: в записи C≡C мысленно разделите связь на один основной и два боковых компонента.
Ошибка: путать присоединение одной и двух молекул реагента. Тройная связь реагирует поэтапно, поэтому при одной молекуле брома получается дигалогеналкен, а при избытке брома возможен тетрагалогеналкан. Проверяйте число атомов реагента и сохраняющуюся кратность связи.
Ошибка: называть любой алкин ацетиленом. Ацетилен — только простейший алкин C₂H₂, а остальные вещества имеют собственные названия: пропин, бутины, пентин и другие. Проверка: если в формуле больше двух атомов углерода, это уже не ацетилен.
Для понимания алкинов нужны знания о строении атома углерода, ковалентной связи, гомологическом ряде алканов и составлении уравнений реакций. Особенно полезно помнить, как число связей углерода с водородом меняется при появлении кратной связи.
Алкины помогают сравнивать разные классы углеводородов и понимать реакции присоединения к кратным связям. Позже эти знания пригодятся при изучении органического синтеза, где алкины превращают в алкены, алканы и другие соединения.
Чем алкины отличаются от алкенов?
В молекулах алкинов есть тройная связь между атомами углерода, а в молекулах алкенов — двойная. Поэтому для ациклических соединений с одной такой связью алкины имеют формулу CₙH₂ₙ₋₂, а алкены — CₙH₂ₙ.
Почему общая формула алкинов — CₙH₂ₙ₋₂?
Алкан с n атомами углерода имеет формулу CₙH₂ₙ₊₂. Тройная связь создаёт две степени ненасыщенности по сравнению с одинарными связями, поэтому число атомов водорода уменьшается на четыре: получается CₙH₂ₙ₋₂.
Ацетилен и этин — это одно и то же вещество?
Да, это два названия одного вещества состава C₂H₂. «Ацетилен» — историческое название, а «этин» — систематическое название простейшего алкина.
Почему тройная связь делает алкины реакционноспособными?
Тройная связь содержит две π-связи, которые легче разрываются при взаимодействии с реагентами, чем σ-связь. Поэтому алкины присоединяют вещества поэтапно, сначала превращаясь в алкены, а затем в алканы или другие насыщенные производные.
Как из карбида кальция получают ацетилен?
Карбид кальция взаимодействует с водой: CaC₂ + 2H₂O → C₂H₂ + Ca(OH)₂. Газ ацетилен выделяется в результате гидролиза карбида и затем очищается от примесей.
§ 6. Алкины. Ацетилен
