§ 83. Получение и применение алкинов

Определения и обозначения

Ацетилен — простейший алкин состава C₂H₂, в молекуле которого два атома углерода соединены тройной связью. Он особенно важен из-за высокой теплоты сгорания и способности вступать в разные реакции присоединения. Поэтому ацетилен используют и как горючий газ, и как исходное вещество для синтеза органических соединений.

Карбидный способ — получение ацетилена гидролизом карбида кальция водой. Реагентами являются CaC₂ и H₂O, а продуктами — C₂H₂ и Ca(OH)₂: CaC₂ + 2H₂O → C₂H₂ + Ca(OH)₂. Этот способ удобен там, где можно получать и хранить карбид кальция.

Пиролиз метана — его термическое разложение или превращение при очень высокой температуре без доступа воздуха. В результате из двух молекул CH₄ образуются C₂H₂ и три молекулы H₂. Метод позволяет использовать природный газ как сырьё для получения ацетилена.

Дегидрогалогенирование — отщепление галогеноводорода HX от органической молекулы. От дигалогеналкана последовательно отщепляют две молекулы HBr или HCl, поэтому между атомами углерода формируется тройная связь. Так получают алкины с нужным строением углеродной цепи.

Как это устроено

В карбиде кальция углерод уже входит в состав двухатомного фрагмента, который после присоединения двух атомов водорода превращается в ацетилен. Вода одновременно является источником водорода и реагентом, разрушающим ионную структуру карбида. Поэтому достаточно добавить воду: отдельный источник водорода не требуется. Уравнение процесса: CaC₂ + 2H₂O → C₂H₂↑ + Ca(OH)₂.

Сам карбид кальция получают нагреванием оксида кальция с коксом в электрической печи: CaO + 3C → CaC₂ + CO. Высокая температура нужна, чтобы реакция между прочными веществами шла с заметной скоростью. Кокс не только поставляет углерод, но и восстанавливает кальций в составе оксида. Затем твёрдый CaC₂ используют как удобный источник ацетилена при добавлении воды.

При пиролизе две молекулы метана перестраиваются с образованием связи C≡C, а лишний водород выделяется как H₂: 2CH₄ → C₂H₂ + 3H₂. Кислород исключают, иначе метан будет сгорать до CO₂ и H₂O. Очень высокая температура разрывает связи C—H и запускает превращение, а быстрое охлаждение продуктов не даёт ацетилену разлагаться или вступать в последующие реакции.

В дигалогеналкане два атома галогена и два атома водорода удаляют не одновременно, а последовательно. Сначала образуется галогеналкен, затем от него отщепляется вторая молекула HX и возникает тройная связь. Для первой стадии обычно берут спиртовой раствор KOH, а для второй — более сильное основание, например NaNH₂. В результате из соседних атомов углерода удаляются два водорода и два атома галогена.

Ацетилен сгорает в кислороде с образованием очень горячего пламени, поэтому расплавляет металл в небольшой зоне. Это позволяет выполнять сварку и резку, направляя пламя точно на место работы. Кроме того, тройная связь легко вступает в реакции присоединения, окисления и полимеризации. Благодаря этому ацетилен служит исходным веществом для получения разных органических продуктов.

Способы получения ацетилена и его применение

В первых трёх строках собраны способы получения ацетилена или алкинов, а в последних двух — основные направления применения ацетилена. При решении задачи сначала находят нужную строку, затем используют уравнение и соотношение коэффициентов. Условия помогают понять, почему один и тот же исходный материал не превращается в продукт самопроизвольно.

Разбор задач

Задача 1. Запишите уравнение получения ацетилена из карбида кальция и определите, сколько вещества ацетилена образуется из 0,5 моль CaC₂ при избытке воды. Избыток воды означает, что ограничивающим реагентом является карбид кальция. Нужно использовать коэффициенты уравнения как соотношение количеств веществ.

1. Записываем реакцию: CaC₂ + 2H₂O → C₂H₂ + Ca(OH)₂.
2. Проверяем коэффициенты: 1 моль CaC₂ даёт 1 моль C₂H₂.
3. Находим количество ацетилена: n(C₂H₂) = 0,5 моль · 1/1 = 0,5 моль.

Ответ: образуется 0,5 моль ацетилена.

Задача 2. Составьте уравнение пиролиза метана и рассчитайте объём ацетилена из 4 моль CH₄ при полном превращении. Сначала определяем количество C₂H₂ по коэффициентам, затем переводим его в объём при нормальных условиях. При н. у. молярный объём газа равен 22,4 л/моль.

1. Уравнение: 2CH₄ → C₂H₂ + 3H₂.
2. Из 2 моль CH₄ получается 1 моль C₂H₂, поэтому n(C₂H₂) = 4/2 = 2 моль.
3. Вычисляем объём: V(C₂H₂) = 2 · 22,4 = 44,8 л.

Ответ: можно получить 44,8 л ацетилена при н. у.

Задача 3. Предложите способ получения бутина-1 из 1,2-дибромбутана. В исходной молекуле галогены находятся у соседних атомов углерода, поэтому сначала удаляют HBr, а затем ещё одну молекулу HBr. Последовательность условий важна: вторая стадия требует более сильного основания.

1. Первая стадия: CHBr₂—CH₂—CH₂—CH₃ + KOH(спирт) → CHBr=CH—CH₂—CH₃ + KBr + H₂O.
2. Вторая стадия: CHBr=CH—CH₂—CH₃ + NaNH₂ → HC≡C—CH₂—CH₃ + NaBr + NH₃.
3. Полученный продукт HC≡C—CH₂—CH₃ — бутин-1, потому что тройная связь начинается у первого атома углерода.

Ответ: 1,2-дибромбутан превращают в бутин-1 последовательным дегидрогалогенированием; сначала используют спиртовой KOH, затем сильное основание NaNH₂.

Типичные ошибки

Ошибка 1: записывают при гидролизе CaC₂ образование CO₂. Так происходит из-за смешения реакции карбида с полным сгоранием углерода. Проверьте себя по составу атомов: углерод карбида должен перейти в C₂H₂.

Ошибка 2: заменяют пиролиз метана его горением. При наличии кислорода образуются CO₂ и H₂O, а не ацетилен. В уравнении пиролиза не должно быть O₂, а условием является высокая температура.

Ошибка 3: отщепляют от дигалогеналкана только одну молекулу HX. Тогда появляется алкен или галогеналкен, но не тройная связь. Проверьте, удалены ли два атома галогена и два атома водорода.

Ошибка 4: считают ацетилен подходящим для сварки лишь потому, что он горюч. Горючесть сама по себе недостаточна: решающим свойством является очень высокая температура кислородно-ацетиленового пламени. Сверяйте область применения с условием сгорания в кислороде.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны строение алкинов, тройная связь и правила составления уравнений. Также пригодятся знания о карбидах, гидролизе и расчётах по химическим уравнениям. Получение ацетилена связано с промышленным органическим синтезом и переработкой углеводородов. Работа с горючими газами требует учитывать условия воспламенения и правила безопасности.

Что запомнить

• Карбид кальция реагирует с водой с образованием ацетилена и гидроксида кальция.
• При пиролизе метана образуются ацетилен и водород.
• Для пиролиза метана необходима высокая температура и короткое пребывание продуктов в горячей зоне.
• Алкины получают отщеплением двух молекул галогеноводорода от дигалогеналканов.
• Ацетиленовое пламя используют для сварки и резки металлов.
• Ацетилен служит сырьём для получения различных органических веществ.