Получение и химические свойства алкинов

Определения и обозначения

Алкины — ациклические углеводороды, в молекуле которых есть одна тройная связь между атомами углерода. Для такого ряда общая формула CₙH₂ₙ₋₂, где n — число атомов углерода и n ≥ 2. Формула помогает проверять состав вещества и отличать алкины от алканов и алкенов.

Тройная связь — связь между двумя атомами углерода, состоящая из одной σ-связи и двух π-связей. σ-связь соединяет атомы, а π-связи образуют дополнительную часть тройной связи. В химических реакциях π-связи легче разрываются, поэтому алкины способны присоединять другие атомы и группы атомов.

Гомологический ряд алкинов — последовательность веществ, соседние представители которой отличаются на группу CH₂. Первые представители — этин C₂H₂, пропин C₃H₄ и бутин C₄H₆. Это правило помогает находить формулы следующих соединений и сравнивать их свойства.

Ацетилен, или этин, — простейший алкин с формулой HC≡CH. Он служит характерным представителем класса: на его примере удобно изучать получение газа и реакции тройной связи. Название «этин» показывает его принадлежность к систематическому ряду, а «ацетилен» — распространённое название этого вещества.

Как это устроено

Алкины можно получить из дигалогеналканов — веществ, в которых два атома галогена связаны с углеродной цепью. При отщеплении двух молекул галогеноводорода удаляются также два атома водорода, и между соседними атомами углерода возникает тройная связь. Галогены должны быть расположены так, чтобы оба отщепления шли с соседних атомов углерода; часто требуется сначала спиртовой раствор щёлочи, а затем более сильное основание, поскольку второй этап труднее первого.

В лаборатории ацетилен получают действием воды на карбид кальция: CaC₂ + 2H₂O → C₂H₂ + Ca(OH)₂. Вода взаимодействует с твёрдым карбидом, и выделяющийся газ можно собирать в сосуд. Способ удобен тем, что исходное вещество хранят отдельно от воды и газ получают непосредственно перед опытом; при этом реакцию проводят осторожно, так как ацетилен горюч.

Промышленный ацетилен получают пиролизом метана — его разложением при очень высокой температуре: 2CH₄ → C₂H₂ + 3H₂. Для перестройки связей в метане нужна большая энергия, поэтому процесс проводят при сильном нагревании. Продукты быстро охлаждают, чтобы остановить дальнейшие превращения: иначе ацетилен может разложиться или превратиться в другие вещества.

Тройная связь определяет реакции присоединения, потому что две π-связи могут последовательно расходоваться при образовании новых связей. При гидрировании сначала получается алкен, а после присоединения ещё одной молекулы H₂ — алкан: HC≡CH + H₂ → H₂C=CH₂, затем + H₂ → H₃C–CH₃. Аналогично присоединяются галогены, например Br₂, и галогеноводороды, например HCl: сначала образуются производные алкенов, затем при продолжении реакции — насыщенные продукты.

Алкины могут гореть и окисляться; при полном сгорании углерод переходит в CO₂, а водород — в H₂O. Концевые алкины, у которых при тройной связи есть атом водорода, проявляют слабые кислотные свойства: этот водород может замещаться металлом. Поэтому с некоторыми солями серебра или меди они дают малорастворимые ацетилениды в виде осадка, а внутренние алкины такой реакции не дают.

Получение и химические свойства алкинов

В таблице собраны способы получения алкинов и характерные реакции их тройной связи. Условия важны: например, для получения ацетилена из метана требуется высокая температура, а карбид кальция реагирует с водой. При записи уравнений проверяйте число атомов каждого элемента и учитывайте, завершено ли присоединение полностью.

Разбор задач

Задача 1

Условие: запишите уравнение получения ацетилена из карбида кальция и найдите количество C₂H₂ из 0,20 моль CaC₂ при избытке воды. Избыток воды означает, что она не ограничивает ход реакции. Нужно установить соотношение между количеством карбида и ацетилена по коэффициентам уравнения.

1. Записываем реакцию: CaC₂ + 2H₂O → C₂H₂ + Ca(OH)₂.
2. Сравниваем коэффициенты перед CaC₂ и C₂H₂: оба равны 1, поэтому их количества вещества относятся как 1:1.
3. Находим количество ацетилена: n(C₂H₂) = 0,20 моль × 1/1 = 0,20 моль.

Ответ: CaC₂ + 2H₂O → C₂H₂ + Ca(OH)₂; образуется 0,20 моль ацетилена.

Задача 2

Условие: запишите получение ацетилена двойным отщеплением HBr из 1,2-дибромэтана. В исходном веществе атомы Br находятся у соседних атомов углерода, поэтому можно образовать между ними тройную связь. Для второго отщепления обычно требуется сильное основание, например амид натрия.

1. Записываем строение исходного вещества: BrCH₂–CH₂Br.
2. При двух отщеплениях удаляются два Br и два H, по одному с каждого атома углерода.
3. Составляем уравнение с амидом натрия: BrCH₂–CH₂Br + 2NaNH₂ → HC≡CH + 2NaBr + 2NH₃.
4. Проверяем баланс: с обеих сторон по два атома C, два Br, два Na, четыре N и восемь H.

Ответ: BrCH₂–CH₂Br + 2NaNH₂ → HC≡CH + 2NaBr + 2NH₃.

Задача 3

Условие: при полном гидрировании 0,10 моль пропина найдите количество и объём водорода при н. у. Полное гидрирование превращает тройную связь в одинарную, поэтому расходуются две молекулы H₂ на одну молекулу алкина. При нормальных условиях молярный объём газа равен 22,4 л/моль.

1. Записываем соотношение: C₃H₄ + 2H₂ → C₃H₈.
2. Находим количество водорода: n(H₂) = 2 × 0,10 = 0,20 моль.
3. Вычисляем объём: V(H₂) = n × Vₘ = 0,20 × 22,4 = 4,48 л.

Ответ: требуется 0,20 моль водорода, или 4,48 л при н. у.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что присоединение сразу превращает тройную связь в одинарную. Так думают, потому что в итоговом продукте действительно может быть одинарная связь; проверить себя можно, записав промежуточный алкен и посчитав, сколько реагента присоединяется на каждой стадии.

Ошибка: использовать для алкинов формулу CₙH₂ₙ₊₂. Это формула алканов, и её легко перепутать из-за общего слова «углеводороды»; подставьте n = 2: для ацетилена получается C₂H₂, что соответствует CₙH₂ₙ₋₂, а не формуле алканов.

Ошибка: смешивать способы получения ацетилена из карбида кальция и метана. В первом случае реагируют CaC₂ и вода, а во втором метан разлагается при высокой температуре; проверка — сравнить исходные вещества и условия в уравнениях, не подменяя одно другим.

Ошибка: приписывать образование ацетиленидов всем алкинам. Осадки характерны для концевых алкинов, потому что у них есть атом водорода при тройной связи; у внутреннего алкина такого водорода нет. Перед записью реакции проверьте строение формулы: находится ли тройная связь на конце цепи.

Связь с другими темами

Для изучения алкинов нужны знания о строении алканов и алкенов: они помогают сравнить насыщенные и ненасыщенные связи, а также понять последовательное присоединение. Важно уметь различать σ- и π-связи и уравнивать химические реакции, чтобы правильно составлять уравнения и расчёты по коэффициентам. Позже эти знания пригодятся при изучении углеводородов и органического синтеза: реакции алкинов позволяют получать вещества с нужным строением, в том числе исходные соединения для производства полимеров.

Что запомнить

• Общая формула ациклических алкинов с одной тройной связью — CₙH₂ₙ₋₂.
• Ацетилен получают из карбида кальция действием воды.
• Тройную связь можно получить двойным отщеплением галогеноводорода от дигалогеналканов.
• Алкины вступают в реакции присоединения по тройной связи.
• Полное гидрирование одного моля алкина требует двух молей водорода.
• Концевые алкины способны образовывать ацетилениды с некоторыми солями металлов.