§ 40. Непредельные углеводороды ацетиленового ряда (алкины)

Определения и обозначения

Алкины — ациклические непредельные углеводороды, в молекулах которых есть одна тройная связь между атомами углерода. Ациклические значит не образующие кольца, а непредельные — способные присоединять другие атомы или группы атомов. В отличие от алканов с одинарными связями и алкенов с двойной связью, алкины содержат связь C≡C. По этому признаку их можно распознать и отличить от других рядов углеводородов.

Тройная связь — связь C≡C, состоящая из одной σ-связи и двух π-связей. σ-связь образует прочное соединение атомов, а π-связи располагаются по сторонам от неё. При химических реакциях π-связи могут разрываться, и к атомам углерода присоединяются новые атомы. Поэтому наличие тройной связи объясняет непредельность алкинов.

Общая формула ациклических алкинов с одной тройной связью — CₙH₂ₙ₋₂, где n ≥ 2. Буква n обозначает число атомов углерода, а индекс у водорода показывает, сколько атомов водорода приходится на молекулу. Наименьшее значение n равно двум: тройная связь соединяет два атома углерода, поэтому молекула с одним атомом углерода невозможна. Формула помогает находить состав алкина по числу атомов углерода.

Гомологический ряд алкинов — последовательность веществ, в которой соседние представители отличаются на группу –CH₂–. Первые представители — этин C₂H₂, пропин C₃H₄ и бутин C₄H₆. При переходе от одного вещества к следующему углеродная цепь удлиняется на один атом углерода, а число атомов водорода увеличивается на два. Такое изменение состава помогает составлять формулы следующих представителей ряда.

Как это устроено

Общая формула алкинов связана с тем, сколько водорода может присоединиться к углеродному скелету. У ациклического углеводорода с одинарными связями было бы 2n + 2 атома водорода, но тройная связь означает две степени непредельности относительно такого строения. Каждая степень непредельности соответствует потере двух атомов водорода, поэтому получается 2n + 2 − 4 = 2n − 2. Так возникает формула CₙH₂ₙ₋₂, а не формула алкенов CₙH₂ₙ.

Чтобы назвать алкин, сначала находят самую длинную непрерывную цепь атомов углерода, в которую входит тройная связь. Затем цепь нумеруют с того конца, откуда тройная связь получает меньший номер: это правило позволяет однозначно указать её положение. Название строят от названия алкана с тем же числом атомов углерода, заменяя окончание на суффикс -ин. Например, цепь из четырёх атомов углерода с тройной связью у первого атома называется бут-1-ин.

Состав гомологов изменяется закономерно, но тройная связь сохраняется. Этин C₂H₂ содержит два атома углерода, пропин C₃H₄ — три, а бутин C₄H₆ — четыре; каждую следующую формулу можно получить добавлением группы –CH₂–. При этом меняется длина цепи, а характерная связь остаётся той же. Поэтому представители ряда имеют сходные химические свойства, хотя их физические свойства могут различаться.

Алкины вступают в реакции присоединения, потому что две π-связи тройной связи могут разрываться, освобождая места для новых связей. На первой стадии присоединяется одна молекула реагента и тройная связь становится двойной; образуется алкен. Если условия позволяют продолжить реакцию, присоединяется ещё одна молекула, двойная связь превращается в одинарную и получается алкан. Так, к одной молекуле алкина могут присоединиться одна или две молекулы водорода, а также соответствующее количество галогена или галогеноводорода.

При полном сгорании алкина углерод переходит в углекислый газ, а водород — в воду. В реакции выделяется много теплоты, поэтому горение этина используют для получения горячего пламени. Этин, или ацетилен, применяют при газовой сварке: его пламя позволяет нагревать металл до высокой температуры. Именно выделение большого количества теплоты делает это применение возможным.

Состав, строение и характерные реакции алкинов

Используйте таблицу как краткую схему: сначала по числу атомов углерода определите формулу, затем проверьте, подходит ли она к алкинам. В строках о реакциях проследите, как тройная связь меняется при присоединении и какие вещества образуются. Для составления уравнения всегда уравнивайте число атомов каждого элемента.

Разбор задач

Задача 1. Запишите молекулярные формулы этина и бутина, используя общую формулу алкинов.

1. Записываем общую формулу CₙH₂ₙ₋₂. Для этина n = 2, потому что приставка эт- указывает на два атома углерода.
2. Подставляем значение: H = 2 · 2 − 2 = 2. Формула этина — C₂H₂.
3. Для бутина n = 4, поэтому H = 2 · 4 − 2 = 6. Формула бутина — C₄H₆.
4. Проверяем валентность: у атомов углерода в тройной связи уже по три связи друг с другом, поэтому остаётся по одной связи для водорода или других атомов углерода. Полученные формулы этому не противоречат.

Ответ: этин — C₂H₂, бутин — C₄H₆.

Задача 2. Составьте уравнение реакции этина с одной молекулой водорода и назовите продукт.

1. Записываем формулы реагентов: этин C₂H₂ и водород H₂. По условию берём одну молекулу водорода.
2. Водород присоединяется по тройной связи, и она превращается в двойную. Поэтому продукт относится к алкенам, а при двух атомах углерода это этен C₂H₄.
3. Записываем уравнение C₂H₂ + H₂ → C₂H₄. Проверяем: слева и справа по два атома углерода и по четыре атома водорода.

Ответ: C₂H₂ + H₂ → C₂H₄; продукт — этен, или этилен.

Задача 3. Составьте уравнение полного гидрирования бутина и уравнение его полного сгорания.

1. Формула бутина — C₄H₆. Для полного гидрирования нужно присоединить две молекулы H₂: тройная связь сначала становится двойной, затем одинарной.
2. Записываем C₄H₆ + 2H₂ → C₄H₁₀. Проверяем водород: слева 6 + 4 = 10 атомов, как и справа. Продукт C₄H₁₀ — бутан.
3. При полном сгорании образуются CO₂ и H₂O. Сначала записываем C₄H₆ + O₂ → CO₂ + H₂O и уравниваем углерод и водород: C₄H₆ + O₂ → 4CO₂ + 3H₂O.
4. Справа теперь 11 атомов кислорода, то есть 11/2 молекулы O₂. Чтобы получить целые коэффициенты, умножаем все коэффициенты на два: 2C₄H₆ + 11O₂ → 8CO₂ + 6H₂O.

Ответ: C₄H₆ + 2H₂ → C₄H₁₀; 2C₄H₆ + 11O₂ → 8CO₂ + 6H₂O.

Типичные ошибки

Для алкинов иногда записывают формулу CₙH₂ₙ, смешивая их с алкенами. Так происходит, если учитывать только факт непредельности, но не различать двойную и тройную связи. При тройной связи на два атома водорода меньше, чем у алкена с тем же числом атомов углерода. Проверка: подставьте n = 2 — для первого алкина должна получиться формула C₂H₂.

Некоторые нумеруют цепь с конца, удалённого от тройной связи, или начинают нумерацию без проверки обоих концов. Тогда связь получает больший номер, чем необходимо, и название не соответствует правилу. Нумерация нужна, чтобы точно показать место тройной связи в цепи. Проверьте себя: сравните номера при двух возможных направлениях и выберите меньший.

Ошибочно считать, что тройная связь присоединяет только одну молекулу реагента. После первой стадии остаётся двойная связь, которая тоже может вступить в присоединение; поэтому реакция способна идти дальше. При полном гидрировании алкина к одной молекуле присоединяются две молекулы H₂. В уравнении проверьте, образуется ли алкен или реакция доведена до алкана.

Формулу алкина можно составить неправильно, если не учитывать валентность углерода. Причина ошибки — попытка механически добавить атомы, не проверяя число связей у каждого атома углерода. Углерод образует четыре связи: в тройной связи три приходятся на соседний атом, а оставшаяся — на водород или другой атом углерода. Нарисуйте структурную формулу и пересчитайте связи, если формула вызывает сомнение.

Связь с другими темами

Для понимания алкинов нужны знания о строении атома углерода и его валентности. Также пригодятся понятия ковалентной связи и гомологического ряда: они помогают объяснить структуру молекул и закономерность формул. Эти основы позволяют самостоятельно проверять, правильно ли составлена формула углеводорода.

Тема продолжает изучение алканов и алкенов. Сравнение их формул показывает, как меняется число атомов водорода при появлении двойной или тройной связи. Правила номенклатуры и знания о горении и присоединении помогают называть алкины и записывать их реакции.

Представления об алкинах пригодятся при изучении способов получения углеводородов и органических реакций. На примере ацетилена можно увидеть связь между строением вещества и его применением: тройная связь определяет реакции, а горение даёт тепло для сварки. Эти знания помогают объяснять свойства и использование органических веществ.

Что запомнить

• Алкины содержат тройную связь C≡C.
• Общая формула ациклических алкинов с одной тройной связью — CₙH₂ₙ₋₂, n ≥ 2.
• Первый представитель алкинов — этин, или ацетилен, C₂H₂.
• В названии алкина используют суффикс -ин и указывают положение тройной связи.
• Для алкинов характерны реакции присоединения по тройной связи.
• Тройная связь может присоединить реагенты в одну или две стадии.
• При полном сгорании алкинов образуются углекислый газ и вода.