ХИМИЯ – это область чудес, в ней скрыто счастье человечества,
величайшие завоевания разума будут сделаны
именно в этой области.(М. ГОРЬКИЙ)
Таблица
|
В ходе урока вы узнаете о том, что представляют собой алкины – ациклические углеводороды, содержащие в молекуле одну тройную связь. Познакомитесь с физическими свойствами алкинов, особенностями их строения. Вы сможете узнать, что представляют собой алкины и какими химическими свойствами характеризуется этот класс соединений. Вы узнаете о том, как свойства алкинов влияют на их практическое применение.
Алкины – это алифатические (ациклические), непредельные (ненасыщенные) углеводороды, с одной тройной углерод-углеродной связью С≡С в цепи и общей формулой СnH2n-2
Образование названий алкинов по номенклатуре ИЮПАК
Тройную связь обозначают суффиксом -ин.
ацетилен (этин)
бутин-1
Главная цепь должна включать в себя тройные связи, а нумерация проводится так, чтобы они получили наименьшие номера.
3,6-диметилгептадиин-1,4
Рис. 1. Шаростержневая модель ацетилена
II. Строение
Ацетилен – первый член гомологического ряда ацетиленовых углеводородов, или алкинов.
Молекулярная формула ацетилена C2H2
Структурная формула ацетилена H–C≡C–H
Электронная формула H : С : : : С : Н
Анимация: “Образование молекулы ацетилена”
Углеродные атомы ацетилена, связанные тройной связью, находятся в состоянии sp-гибридизации. При образовании молекулы ацетилена у каждого атома С гибридизуются по одной s- и p-орбитали. В результате этого каждый атом С приобретает по две гибридных орбитали, а две p-орбитали остаются негибридными. Две гибридных орбитали взаимно перекрываются, и между атомами С образуется σ-связь. Остальные две гибридных орбитали перекрываются с s-орбиталями атомов H, и между ними и атомами С тоже образуются σ -связи. Четыре негибридных p-орбитали размещены взаимно перпендикулярно и перпендикулярно направлениям σ-связей. В этих плоскостях p-орбитали взаимно перекрываются, и образуются две π -связи, которые относительно непрочные и в химических реакциях легко разрываются.
Таким образом, в молекуле ацетилена имеются три σ -связи (одна связь C–C и две связи C–H) и две π -связи между двумя С атомами. Тройная связь в алкинах – не утроенная простая, а комбинированная, состоящая из трех связей: одной σ - и двух π -связей.
Молекула ацетилена имеет линейное строение. Появление третьей связи вызывает дальнейшее сближение атомов С: расстояние между их центрами составляет 0,120 нм.
sp- Гибридные орбитали двух атомов углерода в состоянии, предшествующем образованию тройной связи и связей C–H
Схематическое изображение строения молекулы ацетилена (ядра атомов углерода и водорода на одной прямой, две p- связи между атомами углерода находятся в двух взаимно перпендикулярных плоскостях).
Запомните!
III. Физические свойства
С2Н2 – Ацетилен – бесцветный газ, легче воздуха, мало растворим в воде, в чистом виде почти без запаха.III.
Свойства гомологов изменяются аналогично алкенам. По физическим свойствам алкины напоминают алкены и алканы. Температуры их плавления и кипения увеличиваются с ростом молекулярной массы. В обычных условиях алкины С2–С3 – газы, С4–С16 – жидкости, высшие алкины – твердые вещества. Наличие тройной связи в цепи приводит к повышению температуры кипения, плотности и растворимости их в воде по сравнению с олефинами и парафинами.
Таблица. Физические свойства некоторых алкинов
Название (Суффикс –ин) |
Формула |
t°пл., |
t°кип., |
Этин (Ацетилен) |
HC≡CH |
-80,8 |
-83,6 |
Пропин (Метилацетилен) |
CH3–C≡CH |
-102,7 |
-23,3 |
Бутин-1 |
C2H5–C≡CH |
-122,5 |
8,5 |
Бутин-2 |
CH3–C≡C–CH3 |
-32,3 |
27,0 |
Пентин-1 |
CH3–CH2–CH2–C≡CH |
-98,0 |
39,7 |
Пентин-2 |
CH3–CH2–C≡C–CH3 |
-101,0 |
56,1 |
IV. Изомерия
1. Структурная изомерия
1. Изомерия положения тройной связи (начиная с С4Н6):
2. Изомерия углеродного скелета (начиная с С5Н8):
3. Межклассовая изомерия с алкадиенами и циклоалкенами (начиная с С4Н6):
2. Пространственная изомерия
Относительно тройной связи в алкинах не проявляется, т.к. заместители могут располагаться только одним способом - вдоль линии связи.
V. Химические свойства алкинов
I. Реакции присоединения
1) Галогенирование – стадийно, до производных алканов:
(как и алкены обесцвечивают бромную воду!)
Опыт: “Взаимодействие ацетилена с бромной водой”
СH≡CH + Br2 → CHBr=CHBr (1,2-дибромэтен)
CHBr=CHBr + Br2 → CHBr2-CHBr2 (1,1,2,2-тетрабромэтан)
Опыт: "Взаимодействие ацетилена с хлором"
2) Гидрогалогенирование
(труднее, чем у алкенов) – стадийно:
* CH3-C≡CH + HBr AlBr3→ CH3-CBr=CH2
2-бромпропен
* - используется пр. Морковникова
3) Гидратация – ( р. М.Г. Кучерова)
CH≡CH + H2O Hg2+,H+→ [CH2=CH-OH] → CH3-CH=O (уксусный альдегид )
непредельный спирт – енол
протекает в присутствии солей ртути (II) – HgSO4, Hg(NO3)2 – с образованием уксусного альдегида:
Эта реакция носит имя русского ученого Михаила Григорьевича Кучерова (1881).
4) Полимеризация
В определенных условиях ацетилен способен полимеризоваться в бензол и винилацетилен.
1. При пропускании ацетилена над активированным углем при 450–500 °С происходит тримеризация ацетилена с образованием бензола (Н.Д.Зелинский, 1927 г.):
2. Под действием водного раствора CuCl и NH4Cl ацетилен димеризуется, образуя винилацетилен:
Винилацетилен обладает большой реакционной способностью; присоединяя хлороводород, он образует хлоропрен, используемый для получения искусственного каучука:
II. Реакции окисления и восстановления
1) Горение – пламя сильно коптящее
Опыт: "Взрыв смеси ацетилена с кислородом"
CnH2n-2 + (3n-1)/2O2 t → nCO2 + (n-1)H2O + Q
2) Окисление
Протекание реакции и её продукты определяются средой!
а) в кислой среде при нагревании образуются карбоновые кислоты, при концевой кратной связи - CO2:
5CH3 – CH2 – C ≡ C – CH3 + 6KMnO4 + 9H2SO4 → 5CH3 – CH2COOH + 5CH3COOH + 6MnSO4 + 3K2SO4 + 4H2O
5CH3 – C ≡ CH + 8KMnO4 + 12H2SO4 → 5CO2 + 5CH3COOH + 8MnSO4 + 4K2SO4+12H2O
б) в нейтральной и слабощелочной средах на холоде образуются соли карбоновых кислот; ацетилен окисляется до оксалатов (солей щавелевой кислоты):
3CH ≡ CH + 8KMnO4 → 3KOOC – COOK + 8MnO2 + 2KOH + 2H2O
Опыт: “Качественная реакция на ацетилен - обесцвечивание раствора перманганата калия”
CH3 – C ≡ C – CH3 + 2KMnO4 → 2CH3 – COOK + 2MnO2
3CH ≡ C – CH3 + 8KMnO4 → 3CH3 – COOK + 2K2CO3 + KHCO3 + 8MnO2 + H2O
Рис. 1. Обесцвечивание КМnO4
3) Восстановление ( kat – Ni,Pd или Pt)
C2H2 + H2 t,kat→ C2H4
C2H2 + 2H2 t,kat→ C2H6
III. Реакции замещения
1) Кислотные свойства
(в отличие от алкенов, образуют соли – ацетилениды)
R-C≡C-H + NaH → R-C≡C-Na + H2↑
Качественные реакции на алкины с тройной связью в конце цепи:
Опыт: “Получение ацетиленида серебра”
R-C≡CH + [Ag(NH3)2]OH → R-C≡C-Ag↓ +2NH3 + H2O
серо-белый осадок
Опыт: “Получение ацетиленида меди"
R-C≡C-H + [Cu(NH3)2]Cl → R-C≡C-Cu↓ + NH4Cl +NH3
красный осадок
Ацетилениды серебра и меди (I)- разлагаются соляной кислотой:
R-C≡C-Cu↓ +HCl → R-C≡C-H + CuCl
Ацетилениды металлов – взрывчатые вещества!
Опыт: "Непрочность ацетиленидов металлов"
VI. Получение
1. Термическое разложение алканов (электрокрекинг)
2CH4 t=1500→ HC≡CH + 3H2 (пиролиз метана)
C2H6 t,kat → C2H2 + 2H2 (t=1200)
2C3H8 t,kat → 3C2H2 + 5H2 (t=1200)
2. Гидролиз карбида кальция
Опыт: “Получение ацетилена и его горение”
В лаборатории и в промышленности ацетилен получают взаимодействием карбида кальция с водой (карбидный способ): CaC2 + 2H2O → Ca(OH)2 + C2H2
Карбид кальция получают в электропечах при нагревании кокса с негашеной известью:
3. Дегидрогалогенирование дигалогеналканов:
4. Из ацетиленидов
HC≡CMe + R-Г → HC≡C-R + MeГ
HC≡CNa + CH3-Cl → HC≡C-CH3 + NaCl
моноацетиленид пропин
натрия
MeC≡CMe + 2R-Г → R-C≡C-R + 2MeГ
AgC≡CAg + 2CH3-I (йодметан)→ CH3-C≡C-CH3 (бутин-2)+ 2AgI↓
ацетиленид серебра
VII. Применение
Ацетилен широко применяют в органическом синтезе. Он является одним из исходных веществ при производстве синтетических каучуков, поливинилхлорида и других полимеров. Из ацетилена получают уксусную кислоту, растворители (1,1,2,2-тетрахлорэтан и 1,1,2-трихлорэтен). При сжигании ацетилена в кислороде температура пламени достигает 3150 °С, поэтому его используют при сварке и резке металлов.
Примеры промышленного использования ацетилена:
Благодаря яркому пламени в XIX веке широко распространились ацетиленовые фонари.
При горении смеси ацетилена с кислородом температура пламени достигает 2800–3000оС – можно плавить многие металлы. На этом свойстве основана ацетиленовая сварка. Рис. 1, 2.
Рис. 1. Ацетиленовая горелка
Рис. 2. Сварка и резка металлов
VIII. Тренажеры
Тренажер №1: “Алкины: строение, номенклатура, получение и физические свойства”
Тренажер №2: “Алкины: строение, номенклатура, получение и физические свойства (расчетные задачи)”
Тренажер №3: “Гомологический ряд ацетилена”
Тренажер №4: “Типы химических реакций, характерные для алкинов”
Тренажер №5: “Уравнения реакций, характеризующие химические свойства ацетилена”
Тренажер №6: “Химические свойства алкинов”
Химические свойства алкинов (расчетные задачи)
ЦОРы:
Анимация: “Образование молекулы ацетилена”
Опыт: “Взаимодействие ацетилена с бромной водой”
Опыт: "Взаимодействие ацетилена с хлором"
Опыт: "Горение ацетилена"
Опыт: "Взрыв смеси ацетилена с кислородом"
Опыт: “Качественная реакция на ацетилен - обесцвечивание раствора перманганата калия”
Опыт: “Получение ацетиленида серебра”
Опыт: “Получение ацетиленида меди"