§ 14. Ацетилен и его гомологи

Определения и обозначения

Алкины — ациклические углеводороды с одной тройной связью. Для такого ряда применима общая формула C_nH_2n−2, где n ≥ 2, если в молекуле нет циклов и других кратных связей. Формула помогает быстро определить состав вещества и отличить алкин от других углеводородов.

Тройная связь — связь между двумя атомами углерода, состоящая из одной σ-связи и двух π-связей. σ-связь образуется при прямом перекрывании орбиталей, а π-связи — при боковом. Такое строение объясняет линейную форму участка C≡C и способность алкинов вступать в реакции присоединения.

Ацетилен, или этин, — простейший алкин состава C₂H₂. Его структурная формула — H–C≡C–H. На его примере удобно изучать строение тройной связи и свойства всего гомологического ряда.

Гомологи — вещества одного класса, которые отличаются друг от друга на группу –CH₂–. Например, ацетилен C₂H₂ и пропин C₃H₄ являются соседними гомологами. Это различие позволяет выстроить вещества ряда по составу и названию.

Как это устроено

У атома углерода валентность равна четырём, поэтому в тройной связи два атома уже расходуют по три валентности на связь друг с другом. Оставшаяся валентность каждого атома направлена на атом водорода или углерода. Поэтому для открытой цепи с n атомами углерода получается состав C_nH_2n−2. По сравнению с алканом C_nH_2n+2 в алкине на четыре атома водорода меньше, а по сравнению с алкеном C_nH_2n — на два.

Тройная связь включает одну прочную σ-связь и две π-связи, расположенные по разные стороны от оси соединения атомов. Чтобы образовать такую связь, каждый атом углерода использует линейное расположение своих связей. Поэтому фрагмент C≡C и связанные с ним атомы лежат на одной прямой, а угол между связями у каждого из этих атомов близок к 180°.

В ацетилене оба атома углерода соединены тройной связью и каждый связан ещё с одним атомом водорода: H–C≡C–H. Молекула имеет симметричное линейное строение, а тройная связь находится в её центре. У пропина один водород заменён группой –CH₃, поэтому формула записывается так: CH₃–C≡CH.

Гомологический ряд начинается с ацетилена, потому что для тройной связи нужны как минимум два атома углерода. Добавление группы –CH₂– даёт следующий представитель — пропин, затем бут-1-ин и другие алкины. При этом изменяются молекулярная формула и название, но сохраняется принадлежность к одному классу и тройная связь.

Две π-связи слабее и доступнее для атаки реагентов, чем σ-связь, поэтому они разрушаются при присоединении. Одна молекула водорода превращает тройную связь в двойную, а одна молекула Br₂ присоединяется с образованием дигалогеналкена. При дальнейшем взаимодействии может присоединиться ещё одна молекула реагента, а при полном сгорании углерод превращается в CO₂, водород — в H₂O.

Состав, строение и характерные реакции представителей ряда алкинов

Сначала по таблице удобно сравнить число атомов углерода и проверить формулу C_nH_2n−2. Затем можно проследить, как одна молекула реагента уменьшает кратность связи на одну ступень. Уравнения в строке присоединения водорода показывают именно первую стадию реакции.

Разбор задач

Задача 1. Полное сгорание ацетилена

Составьте уравнение полного сгорания ацетилена и расставьте коэффициенты. При полном сгорании углеводорода образуются только CO₂ и H₂O. Коэффициенты удобнее подбирать последовательно по углероду, водороду и кислороду.

1. Записываем схему: C₂H₂ + O₂ → CO₂ + H₂O.
2. Два атома углерода дают 2CO₂, а два атома водорода — H₂O.
3. Справа пять атомов кислорода, поэтому ставим 5/2 перед O₂, а затем умножаем все коэффициенты на 2.

Ответ: 2C₂H₂ + 5O₂ → 4CO₂ + 2H₂O. Проверка показывает по четыре атома углерода, четыре атома водорода и десять атомов кислорода с обеих сторон.

Задача 2. Присоединение одной молекулы брома к пропину

Запишите реакцию пропина с одной молекулой Br₂ и назовите органический продукт. Пропин имеет строение CH₃–C≡CH. Одна молекула брома расходуется на одну π-связь, поэтому тройная связь переходит в двойную, а не исчезает полностью.

1. Записываем реагенты: CH₃–C≡CH + Br₂.
2. Размещаем атомы Br у двух углеродов, ранее соединённых тройной связью, и заменяем её на двойную.
3. Получаем CH₃–CBr=CHBr и проверяем число атомов каждого элемента.

Ответ: CH₃–C≡CH + Br₂ → CH₃–CBr=CHBr. Продукт называется 1,2-дибромпроп-1-еном. Присоединение второй молекулы Br₂ потребовало бы отдельной следующей стадии.

Задача 3. Формула алкина по относительной молекулярной массе

Углеводород имеет относительную молекулярную массу 54 и относится к алкинам. Нужно определить его формулу и число атомов углерода. Используем общую формулу C_nH_2n−2 и относительные атомные массы углерода 12 и водорода 1.

1. Выражаем массу: M_r = 12n + (2n − 2) = 14n − 2.
2. Приравниваем выражение к 54: 14n − 2 = 54, поэтому 14n = 56 и n = 4.
3. Подставляем n в формулу ряда: C₄H_2·4−2 = C₄H₆.

Ответ: молекулярная формула углеводорода — C₄H₆, в молекуле четыре атома углерода. Это один из изомеров бутинов, например бут-1-ин.

Типичные ошибки

Подставлять алкины в формулу алкенов C_nH_2n неправильно, потому что тройная связь создаёт две степени ненасыщенности и уменьшает число атомов водорода на четыре по сравнению с алканом. Ошибку допускают, если запоминают только наличие кратной связи. Проверка: для алкина сначала подставьте n в C_nH_2n−2.

Тройная связь не состоит из трёх одинаковых связей: в ней одна σ-связь и две π-связи. Такое представление мешает объяснить последовательное присоединение реагентов. Проверить себя можно, вспомнив, что после присоединения одной молекулы тройная связь становится двойной.

При реакции алкина иногда сразу присоединяют две молекулы реагента. Но одна молекула H₂, Br₂ или другого реагента уменьшает кратность связи только на одну ступень. Сначала проверьте, сколько молекул указано в условии, и изобразите промежуточную двойную связь.

Нельзя путать полное и неполное сгорание. При достатке кислорода образуются CO₂ и H₂O, а сажа или CO появляются при недостатке кислорода. Для проверки подсчитайте атомы кислорода и свяжите продукты с условием реакции.

Связь с другими темами

Для понимания алкинов нужны знания о валентности углерода, строении органических молекул, гомологическом ряде и составлении формул углеводородов. Эти умения позволяют выводить состав вещества, а не заучивать его.

Реакции присоединения алкинов связаны с уже изученными реакциями алкенов. Сравнение показывает, что тройная связь может присоединять реагенты последовательно, сначала переходя в двойную.

Знания об алкинах пригодятся при изучении получения органических веществ, полимеров и промышленного применения углеводородов. Особенно важны свойства ацетилена и его способность давать высокотемпературное пламя.

Что запомнить

• Общая формула ациклических алкинов с одной тройной связью — C_nH_2n−2.
• Простейший алкин — ацетилен, или этин, C₂H₂.
• Соседние представители гомологического ряда отличаются на группу –CH₂–.
• Углеродные атомы при тройной связи расположены линейно.
• Для алкинов характерны реакции присоединения по тройной связи.
• При полном сгорании алкинов образуются CO₂ и H₂O.