Підручник з Хімії. 10 клас. Величко - Нова програма

Алкіни

Нові поняття й терміни:

алкіни, sp-гібридизація, ацетиленіди, полієни.

§ 15. ЕТИН. ГОМОЛОГИ ЕТИНУ

Склад і будова молекул. Найпростіший із алкінів — етин (тривіальна назва — ацетилен) має склад С2Н2. Молекула етину містить на два атоми Гідрогену менше, ніж молекула етену, що формально засвідчує ще більш ненасичений характер цієї сполуки. Атоми Карбону сполучені в молекулі етину потрійним зв’язком:

Розглянемо електронну природу потрійного зв’язку. Згідно з гіпотезою гібридизації атоми Карбону в молекулі етину перебувають у стані sp-гібридизації. Це означає, що s-електронна орбіталь «змішується» з однією із трьох p-електронних орбіталей, утворюючи дві sp-гібридні електронні орбіталі, а дві інші p-електронні орбіталі залишаються негібридизованими (мал. 42).

Мал. 42. Схема утворення sp-гібридних електронних орбіталей атома Карбону

sp-Гібридні електронні орбіталі двох атомів Карбону, перекриваючись, утворюють σ-зв’язок між собою та з атомами Гідрогену (мал. 43). Валентний кут у цьому разі становить 180о.

Мал. 43. Схема утворення σ-зв’язків у молекулі етину

За рахунок перекривання негібридизованих p-електронів утворюються два π-зв’язки (мал. 44). Ділянки перекривання p-електронів лежать поза віссю σ-зв’язку. Електронна густина двох π-зв’язків зливається, набуваючи циліндричної форми, усередині якої зосереджується σ-зв’язок.

Мал. 44. Схема утворення π-зв'язків у молекулі етину

Отже, у молекулі етину між атомами Карбону існує потрійний зв’язок, що є поєднанням одного σ- і двох π-зв’язків (мал. 45).

Мал. 45. Модель молекули етину

Геометрію молекули етину наведено на мал. 46. Довжина потрійного зв’язку (0,120 нм) менша порівняно з подвійним, а його енергія — більша (839 кДж/моль).

Мал. 46. Геометрія молекули етину

Пригадайте, як електронна теорія пояснює зменшення довжини подвійного зв’язку в молекулі етену порівняно з одинарним зв’язком у молекулі етану. Дайте аналогічне пояснення щодо потрійного зв’язку в молекулі етину.

Етин започатковує групу ненасичених вуглеводнів алкінів (ацетиленових вуглеводнів). Загальна формула сполук — СnН2n-2.

Ізомерія, номенклатура. Як ви вже, напевно, помітили, алкіни та алкадієни мають однакову загальну формулу, отже, вони ізомерні між собою. Окрім того, алкінам властива структурна ізомерія карбонового скелета і положення кратного зв’язку. Наприклад, для сполуки складу С5Н8 можливі такі ізомери:

З’ясуйте, чи можливі інші структурні ізомери складу С5Н8.

Оперуючи структурними формулами та моделями, з’ясуйте, чи можлива цис-, транс-ізомерія алкінів.

За правилами систематичної номенклатури назви алкінів утворюють від назв алканів заміною суфікса -ан на -ин (-ін). Спершу треба визначити найдовший карбоновий ланцюг, у якому є потрійний зв’язок, і пронумерувати атоми з кінця, ближчого до потрійного зв’язку; перед назвою зазначити цифрою місця замісників і їхні назви в абетковому порядку; перед суфіксом цифрою вказати атом Карбону, після якого слідує потрійний зв’язок.

Фізичні властивості. Етин — безбарвний газ, без запаху, малорозчинний у воді, трохи легший за повітря. Неприємний запах, що поширюється під час добування етину з кальцій карбіду, належить зовсім не етину, а домішкам сірководню і фосфінів, що утворюються як побічні продукти.

Фізичні властивості алкінів закономірно змінюються зі зростанням числа атомів Карбону в їхніх молекулах (табл. 6).

Таблиця 6

Характеристики алкінів

Складіть графік зміни температур плавлення та кипіння алкінів залежно від складу їхніх молекул. Порівняйте цей графік із аналогічним для алканів і алкенів. Зробіть узагальнення.

У природі етин не трапляється через високу хімічну активність молекул, у чому ви можете переконатися на наведених нижче дослідах.

Хімічні властивості. Як і інші вуглеводні, алкіни горять з утворенням карбон(IV) оксиду та води й виділенням великої кількості теплоти.

Пригадайте, метан горить майже безбарвним полум’ям, а етен — світним. Яскравість полум’я залежить від відносного вмісту Карбону в молекулах цих сполук. Можна припустити, що етин горітиме ще яскравішим полум’ям, оскільки масова частка Карбону в його молекулі становить 92 %. Переконаємося в цьому на досліді.

Добудемо етин, скориставшись приладом, зображеним на мал. 47 (с. 74). Етин утворюється в результаті взаємодії кальцій карбіду з водою за реакцією:

Мал. 47. Добування етину в лабораторії

Підпалимо етин біля газовідвідної трубки — газ горітиме кіптявим полум’ям:

Реакції алкінів

Для повного згоряння етину, наприклад, під час зварювання металів у полум’я додатково подають повітря або кисень. Слід пам’ятати, що суміші етину з повітрям або киснем вибухонебезпечні!

Ненасичений характер хімічних зв’язків зумовлює характерні хімічні реакції алкінів. Подібно до алкенів вони легко окиснюються розчином калій перманганату в кислому, лужному й нейтральному середовищі з утворенням оксигеновмісних сполук. Пропускаючи етин крізь цей розчин, можна спостерігати його знебарвлення.

Алкіни вступають у реакції електрофільного приєднання за місцем кратного зв’язку. За наявності каталізатора вони приєднують водень, відновлюючись при цьому до алканів. Як проміжні продукти утворюються відповідні алкени.

У результаті приєднання до молекули алкіну однієї молекули хлору чи брому утворюються дигалогенопохідні алкенів, а якщо в реакцію вступають дві молекули галогену, — тетрагалогенопохідні алканів.

Ці реакції відбуваються за йонним механізмом подібно до реакцій алкенів.

Спробуйте скласти схему механізму реакції приєднання брому до пропіну.

Алкіни приєднують гідроген галогеніди з утворенням галогенопохідних сполук. Приєднання гідроген галогенідів до несиметричних молекул алкінів (у яких кратний зв’язок розміщений не посередині молекули) відбувається згідно з правилом Марковникова:

Молекули алкінів здатні сполучатися між собою з утворенням сполук різної будови. З двох молекул етину утворюється важлива для практики сполука вінілацетилен

У результаті полімеризації етину утворюються полієни, що їх використовують як напівпровідники:

Можлива також полімеризація з утворенням карбіну (=С=С=)n, який вважають алотропною видозміною вуглецю.

Порівняно з іншими ненасиченими вуглеводнями хімічна поведінка алкінів має особливості, зумовлені електронною будовою молекул. Розглянемо ці особливості.

Гібридні електронні орбіталі трьох типів — sp3, sp2, sp — різняться часткою, що припадає на s-компоненту: вона найбільша за sp-гібридизації, оскільки одна s-орбіталь «змішується» з однією p-орбіталлю. Теоретичними обчисленнями доведено, що збільшення частки s-орбіталі приводить до підвищення електронегативності атома Карбону. Отже, його найвища електронегативність спостерігається у стані sp-гібридизації (табл. 7).

Таблиця 7

Порівняння електронегативностей атома Карбону в різних станах

Гібридизація

Частка s-орбіталі

Відносна електронегативність

sp3

1/4

2,50

sp2

1/3

2,62

sp

1/2

2,75

Зв’язок С—Н у молекулах алкінів з кінцевим потрійним зв’язком виявляється настільки поляризованим, що може розриватися за гетеролітичним механізмом з утворенням протона:

Такі сполуки виявляють слабкі кислотні властивості й здатні вступати в реакції заміщення, зокрема заміщувати атом Гідрогену на атом металічного елемента. Наприклад, етин у реакції з амоніаковим розчином аргентум(І) оксиду утворює аргентум(І) ацетиленід Ag—C≡C—Ag. Цікаво, що кальцій карбід також належить до ацетиленідів.

Утворення аргентум(І) ацетиленіду білого кольору та купрум(І) ацетиленіду Сu—С≡С—Си червоно-бурого кольору є характерною реакцією на етин. Ці ацетиленіди вибухають від удару або нагрівання, під дією хлоридної кислоти вони розкладаються з виділенням алкіну.

Складіть рівняння останньої реакції.

Застосування. Найважливішим серед алкінів є етин (ацетилен). Унаслідок високої питомої теплоти згоряння його використовують для газового різання та зварювання металів. Із цією метою ним наповнюють спеціальні балони. Ацетилено-кисневе полум’я має температуру 2800 оС і легко плавить сталь (мал. 48).

Мал. 48. Для ацетилено-кисневого зварювання металу (а) використовують спеціальне обладнання (б)

Вам відомо, що в ХІХ ст. ацетилен використовували для освітлення.

Пригадайте, чому ця галузь використання не набула поширення.

Нині етин є важливим промисловим продуктом. З нього добувають вихідні речовини для виготовлення пластмас (хлорвініл Н2С=СНСl, вінілацетат Н2С=СН—ОСОСН3) та каучуків (вінілацетилен НС≡С—СН=СН2). Етин є сировиною для добування альдегіду етаналю.

Добування. Етин, що його використовують для зварювальних робіт, добувають часто на місці змішуванням кальцій карбіду й води.

Донедавна саме так добували етин і в промисловості.

Якщо ви спостерігали цю реакцію під час спорудження чи ремонту будівель, опишіть (усно) апарати, в яких вона відбувається. Порівняйте цей спосіб з лабораторним способом добування етину.

Кальцій карбід утворюється внаслідок нагрівання в електропечах суміші негашеного вапна СаО та коксу до температури 2500 оС:

Карбідний спосіб добування етину дуже енергоємний (поясніть, чому), у цьому полягає його основний недолік.

Економічно вигідніше добувати етин з метану нагріванням його до температури 1 500 оС (піролізом). Реакція відбувається за схемою:

У лабораторних умовах алкіни можна добути з дигалогенопохідних алканів у результаті реакції дегідрогалогенування:

Висновки

• Алкіни — ненасичені вуглеводні, у молекулах яких є потрійний карбон—карбоновий зв’язок.

• Загальна формула алкінів — CnH2n-2.

• Потрійний зв’язок є поєднанням одного σ- і двох π-зв’язків.

• Основні параметри молекули етину:

тип гібридизації електронних орбіталей атомів Карбону — sp;

види зв’язків — σ-, π-зв’язки;

довжина зв’язку С≡С — 0,120 нм;

енергія зв’язку С≡С — 839 кДж/моль;

валентний кут — 180о.

• Алкінам властива структурна ізомерія карбонового ланцюга, положення кратного зв’язку та міжгрупова ізомерія алкіни—алкадієни.

• Для алкінів характерні реакції електрофільного приєднання за місцем потрійного зв’язку.

• Етин — найважливіший серед алкінів. Його використовують у промисловості для добування синтетичних каучуків і пластмас, а також для газового зварювання і різання металів.

• Етин добувають піролізом метану або реакцією кальцій карбіду з водою.

Завдання для самоконтролю

1. Поясніть утворення sp-гібридних електронних орбіталей атома Карбону.

2. Поясніть утворення потрійного зв’язку в молекулі етину.

3. Укажіть серед наведених сполук ізомери й гомологи.

4. Установіть послідовність складання структурної формули сполуки, яка називається гекс-3-ин.

А пронумерувати атоми Карбону

Б доповнити структуру атомами Н

В сполучити атоми С3 і С4 потрійним зв’язком

Г скласти карбоновий скелет із шести атомів

5. Чому метан горить безбарвним полум’ям, а етин — кіптявим?

6. Складіть рівняння реакції приєднання двох молекул гідроген галогеніду до молекули етину.

7. На якій хімічній властивості етину ґрунтується його застосування для зварювання металів?

8. Виберіть правильні твердження.

А потрійний зв’язок є сумою трьох одинарних

Б кальцій карбід має запах ацетилену

В зв’язки С—Н у молекулі етину належать до σ-зв’язків

Г алкіни горять кіптявим полум’ям

Д алкіни й алкадієни — ізомери

Е алкінам властива цис-, транс-ізомерія

Є алкіни — насичені вуглеводні

Ж дегідрогалогенування — промисловий спосіб добування алкінів

Додаткові завдання

9. Порівняйте будову молекул етену й етину.

10. Як змінюватиметься геометрія молекули етину в результаті його поступового гідрування?

11. Наведіть структурні формули й назви ізомерів складу С6Н10.

12. Ч им різняться між собою реакції приєднання, у які вступають алкени й алкіни? Наведіть приклади.

13. Реакція калій перманганату відбувається швидше з етеном, ніж з етином. Поясніть це явище.

14. Поясніть причину появи слабких кислотних властивостей в етину.

15. Обґрунтуйте галузі застосування етину його хімічними властивостями.

16. Схарактеризуйте способи добування етину з погляду їх економічності.

17. Складіть рівняння послідовних реакцій добування бромоетану з етину.

18. Установіть послідовність використання речовин для добування 1,1,2,2-тетрабромоетану.

А 1,2-дибромоетен

Б кальцій карбід

В етин

Г кальцій оксид

Д 1,1,2,2-тетрабромоетан

19. Обчисліть масу кальцій карбіду, якщо внаслідок розчинення його у воді виділився етин об’ємом 12,6 л.

20. Відносна густина вуглеводню за повітрям становить 0,9. Визначте формулу вуглеводню.

21. Для повного гідрування ненасиченого вуглеводню масою 2,8 г (відносна молекулярна маса 140) використали водень об’ємом 448 мл (н. у.). До якої групи належить вуглеводень?