7. Алкины

Определения и обозначения

Алкин — ациклический углеводород, в молекуле которого есть одна тройная связь между атомами углерода. «Ациклический» означает, что атомы углерода не образуют кольцо. Это определение помогает отличать алкины от циклических веществ и соединений с несколькими тройными связями.

Тройная связь — связь C≡C, состоящая из одной σ-связи и двух π-связей. Буквы обозначают разные виды перекрывания электронных облаков: σ-связь образует прочную основу соединения атомов, а π-связи создают условия для реакций присоединения. Такое строение объясняет характерные свойства алкинов.

Общая формула гомологического ряда ациклических алкинов с одной тройной связью — CₙH₂ₙ₋₂, где n ≥ 2. Буква n показывает число атомов углерода, поэтому минимальное значение равно двум: тройная связь требует двух атомов углерода. Формула подходит только для таких алкинов, а не для любого углеводорода.

Гомологи алкинов — вещества одного класса, соседние представители которых различаются на группу –CH₂–. Например, этин C₂H₂ и пропин C₃H₄ отличаются на один атом углерода и два атома водорода. Понятие гомологов помогает упорядочить вещества в ряд и предсказывать формулы следующих представителей.

Как это устроено

У атомов углерода при тройной связи особое пространственное строение: каждый из них связан ещё с одним атомом или группой, а связи направлены по одной прямой. Поэтому участок молекулы C–C≡C–C линейный, хотя остальная часть цепи может менять направление. В алканах между соседними атомами углерода одинарная связь, а в алкенах — двойная, поэтому геометрия связанного участка отличается.

Формулу алкинов можно понять, сравнив их с предельными ациклическими углеводородами CₙH₂ₙ₊₂. Введение двойной связи уменьшает число атомов водорода на два, а тройная связь соответствует ещё одной степени ненасыщенности и убирает ещё два атома водорода. В итоге для одной тройной связи получается CₙH₂ₙ₋₂; например, при n = 3 формула пропина — C₃H₄.

Изомерия алкинов возникает, когда при одинаковом составе по-разному соединены атомы. Углеродный скелет может быть неразветвлённым или разветвлённым, а тройная связь — занимать разные допустимые положения: например, существуют пентин-1 и пентин-2. Однако нельзя поставить тройную связь «на ветвь» так, чтобы атом углерода при ней имел ещё три углеродных соседа: у атома тройной связи уже есть суммарно четыре связи, поэтому такое соединение нарушило бы его валентность.

Для названия по ИЮПАК сначала находят самую длинную цепь, содержащую тройную связь. Затем её нумеруют с того конца, который ближе к тройной связи, и указывают номер первого атома углерода этой связи; к названию соответствующего алкана добавляют суффикс «-ин». Например, CH₃–C≡C–CH₂–CH₃ — пентин-2: связь начинается у второго атома цепи.

В тройной связи есть две π-связи, которые могут разрываться при присоединении реагентов, тогда как атомы и группы реагента образуют новые связи с углеродами. Поэтому присоединение часто идёт поэтапно: сначала тройная связь превращается в двойную, а при следующем присоединении — в одинарную. При полном гидрировании к одной тройной связи присоединяются две молекулы H₂; аналогично присоединение галогена может пройти в две стадии.

Сравнение представителей и свойств алкинов

В таблице удобно сопоставлять формулу вещества с числом атомов углерода и проверять её по общему выражению CₙH₂ₙ₋₂. Запись бутин-1 дана как один конкретный представитель бутинов: для формулы C₄H₆ возможен и бутин-2. При полном гидрировании углеродный скелет сохраняется, а тройная связь становится одинарной.

Разбор задач

1. Формула алкина с шестью атомами углерода

Нужно составить формулу и определить число атомов водорода. Используем формулу CₙH₂ₙ₋₂, применимую к ациклическим алкинам с одной тройной связью. Подставляем число атомов углерода, а затем проверяем результат.

1. В условии n = 6, потому что в молекуле шесть атомов углерода.
2. Вычисляем число атомов водорода: 2 · 6 − 2 = 10.
3. Записываем молекулярную формулу: C₆H₁₀.

Ответ: C₆H₁₀; в молекуле 10 атомов водорода. Проверка полезна: если подставить n = 6 в общую формулу, показатель у H совпадает с рассчитанным числом.

2. Название соединения CH₃–C≡C–CH₂–CH₃

Требуется назвать вещество и представить его структуру. В цепи пять атомов углерода, и все они входят в самую длинную цепь с тройной связью. Чтобы выбрать направление нумерации, сравним расстояние от концов до тройной связи.

1. Нумеруем слева направо: тройная связь начинается у второго атома углерода.
2. При нумерации справа налево она также начинается у второго атома, поэтому оба направления дают одинаковый минимальный номер.
3. Основа названия — «пентин», номер связи — 2; получаем «пентин-2».

Структурная формула: CH₃–C≡C–CH₂–CH₃. Ответ: пентин-2. Проверить название можно, пересчитав атомы углерода в главной цепи и убедившись, что тройная связь расположена между вторым и третьим атомами.

3. Полное гидрирование бутина

При гидрировании водород присоединяется по тройной связи. На первом этапе образуется алкен, а на втором — алкан, поэтому для полного превращения нужны две молекулы H₂ на одну молекулу бутина. Для расчёта объёма водорода используют соотношение количеств веществ из уравнения.

1. Записываем уравнение: C₄H₆ + 2H₂ → C₄H₁₀.
2. Продукт C₄H₁₀ — бутан; коэффициенты показывают, что на 1 моль бутина приходится 2 моль H₂.
3. Если дано количество бутина n(C₄H₆), находим n(H₂) = 2n(C₄H₆). При одинаковых условиях объёмы газов относятся так же, как количества вещества: V(H₂) = 2V(C₄H₆).

Ответ: продукт полного гидрирования — бутан, а водорода требуется вдвое больше по количеству вещества или объёму, чем бутина. Например, для 3 л бутина при одинаковых условиях потребуется 6 л H₂. Если в условии дано иное количество бутина, применяют ту же пропорцию.

Типичные ошибки

Ошибка — применять CₙH₂ₙ₋₂ к любому углеводороду. Её допускают, когда запоминают формулу, но забывают, что она относится к ациклическим алкинам с одной тройной связью. Перед использованием проверьте класс вещества, наличие цикла и число кратных связей; затем подставьте n и убедитесь, что значение соответствует условию.

Если цепь нумеруют с конца, удалённого от тройной связи, название получает неверный номер. Такое случается, когда направление выбирают по привычке, не сравнивая оба конца. Проверьте номер тройной связи при двух возможных направлениях: правильный вариант даёт наименьший номер.

Тройную связь иногда считают одной обычной связью и из-за этого ошибаются в числе атомов водорода или уравнении гидрирования. Причина — воспринимать символ C≡C как одну черту, а не как три связи между атомами. Для проверки используйте валентность углерода и формулу ряда, а в реакции полного гидрирования поставьте перед H₂ коэффициент 2.

Ещё одна ошибка — присоединять только одну молекулу реагента и считать превращение завершённым. Первая порция H₂ или галогена переводит тройную связь в двойную, но дальнейшее присоединение может продолжиться. Уточните, требуется ли частичное или полное присоединение, и при полном проследите два этапа до одинарной связи.

Связь с другими темами

Для изучения алкинов нужны представления о строении атома углерода, ковалентных связях, валентности и гомологических рядах. Эти знания помогают понять, почему тройная связь линейна, рассчитать состав молекулы и правильно записать структурную формулу. Правила составления формул углеводородов также позволяют проверять названия и продукты реакций.

Тема продолжает изучение химических свойств углеводородов: сравнение алканов, алкенов и алкинов показывает, как кратная связь влияет на реакции. Эти закономерности пригодятся при рассмотрении получения органических веществ и реакций полимеризации. Умение предсказывать присоединение помогает прослеживать превращения между классами веществ.

Что запомнить

• Алкины — ациклические углеводороды с одной тройной связью C≡C.
• Общая формула алкинов: CₙH₂ₙ₋₂, где n ≥ 2.
• Атомы углерода при тройной связи расположены линейно.
• В названии алкина указывают положение тройной связи и используют суффикс «-ин».
• Главные для алкинов реакции — реакции присоединения по тройной связи.
• При полном гидрировании одной тройной связи присоединяются две молекулы H₂.