ВИЗНАЧЕННЯ

Ненасичені (ненасичені) вуглеводні- Вуглеводні, що містять кратні (подвійні або потрійні) зв'язки. Серед ненасичених вуглеводнів виділяють алкени (містять один подвійний зв'язок), алкадієни (містять два подвійні зв'язки) і алкіни (містять три подвійні зв'язки).

ВИЗНАЧЕННЯ

Алкіни- Ненасичені вуглеводні, молекули яких містять один потрійний зв'язок, в назві алкінів присутній суфікс -ін. Загальна формула алкінів CnH2n-2.

Таблиця 1. Гомологічний ряд алкінів.

Щоб дати назву алкіну необхідно вибрати найдовший вуглеводневий ланцюг, що містить потрійний зв'язок. Нумерація ланцюга починається з того краю, ближче до якого знаходиться потрійний зв'язок.

Ізомерія

Для алкінів, починаючи з пентину, характерна ізомерія вуглецевого скелета:

CH≡C-CH 2 -CH 2 -CH 3 (пентин-1)

CH≡C-CH(CH 3)-CH 3 (3-метилбутин1)

починаючи з бутину, для всіх алкінів характерна ізомерія положення потрійного зв'язку:

CH≡C-CH 2 -CH 3 (бутин-1)

CH 3 -C≡C-CH 3 (бутин-2)

Для алкінів характерна міжкласова ізомерія з алкадієнами, так речовині зі складом C 4 H 6 відповідає три різних речовини - бутин-1, бутин-2 і бутадієн-1,3.

Будова алкінів

Атоми вуглецю потрійного зв'язку в молекулах алкінів знаходяться в sp-гібридизації: два σ-зв'язку розташовуються на одній лінії під кутом 180С один до одного, два π-зв'язку утворені p-електронами сусідніх атомів вуглецю і розташовуються у взаємно перпендикулярних площинах. Потрійний зв'язок є поєднанням одного σ- та двох π-зв'язків.

Фізичні властивості алкінів

При звичайних умовах C 2 -З 4 - гази, З 5 -З 16 - рідини, починаючи з 18 - тверді речовини. Температури алкінів вищі, ніж у відповідних алкенів.

Отримання

Виділяють промислові та лабораторні способи отримання ацетилену. Так, у промисловості ацетилен отримують шляхом високотемпературного крекінгу метану:

2CH 4 → СH≡CH +3H 2

У лабораторії ацетилен отримують гідролізом карбіду кальцію:

CaC 2 +2H 2 O = Ca(OH) 2 + C 2 H 2

Для отримання алкінів найчастіше використовують:

- Реакції дегідрування алканів та алкенів

CH 3 -CH 3 → СH≡CH +2H 2

CH 2 =CH 2 → СH≡CH +H 2

- Реакції елімінування дигалогенпохідних

(CH 3) 3 -CCl 2 -CH 3 +2KOH →(CH 3) 3 -C≡CH + 2KCl + 2H 2 O

- Реакції ацетиленідів з первинними галогеналканами

СH≡CNa + CH 3 -CH 2 -CH 2 -Br →СH≡C-(CH 2) 3 -CH 3 + NaBr

Хімічні властивості алкінів

Для алкінів характерні реакції приєднання, що протікають за нуклеофільним механізмом, такі як:

- гідрування - приєднання води в присутності 18% сірчаної кислоти, сульфату ртуті (II) і нагріванні до 90С (реакція Кучерова), в результаті чого утворюються альдегіди

СH≡CH + H 2 O → → CH 3 -CH=O

- галогенування - приєднання галогенів, що протікає у дві стадії

СH≡CH +Br 2 →CHBr=CHBr + Br 2 →CHBr 2 -CHBr 2

- гідрогалогенування - приєднання галогеноводородів, також, що протікає в дві стадії і приєднання другої молекули галогеноводороду протікає за правилом Марковникова (приєднання галогеноводородів до потрійного зв'язку протікає важче, ніж до подвійного)

СH≡CH + HСl → CH 2 = CHCl + HCl → CH 3 -CHCl 2

Для алкінів, що має кінцевий потрійний зв'язок, характерна наявність слабких кислотних властивостей. Такі алкіни здатні утворювати солі при взаємодії з активними металами:

2R-C≡C-H +2Na →2R-C≡C-Na + H 2

Ацетилінід срібла легко утворюється і випадає в осад при пропущенні ацетилену через аміачний розчин оксиду срібла:

СH≡CH + Ag 2 O → Ag-С≡C-Ag↓ + H 2 O

Ацетилен здатний тримеризуватися - при пропущенні ацетилену над активованим вугіллям при 600С утворюється бензол:

3C 2 H 2 → C 6 H 6

Для алкінів характерні реакції окислення та відновлення. Так, алкін легко окислюються перманганатом калію. В результаті цієї реакції утворюються карбонові кислоти:

R-С≡C-R' + [O] + H 2 O → R-COOH + R'-COOH

У присутності металевих каталізаторів алкіни приєднують молекули водню:

CH 3 -C≡CH + H 2 → CH 3 -CH=CH 2 + H 2 → CH 3 -CH 2 -CH 3

Якісними реакціями на потрійний зв'язок є реакції знебарвлення розчину бромної води та перманганату калію, а також реакція з аміачним розчином оксиду срібла у разі кінцевого положення потрійного зв'язку.

Приклади розв'язання задач

ПРИКЛАД 1

ПРИКЛАД 2

Алкіни (інакше ацетиленові вуглеводні) - вуглеводні, що містять потрійний зв'язок між атомами вуглецю, із загальною формулою CnH2n-2. Атоми вуглецю при потрійному зв'язку перебувають у стані sp - гібридизації.

Взаємодія ацетилену з бромною водою

Молекула ацетилену містить потрійний зв'язок, бром руйнує її та приєднується до ацетилену. Утворюється тераброметан. Бром витрачається на утворення тетраброметану. Бромна вода (жовта) – знебарвлюється.

Ця реакція протікає з меншою швидкістю, ніж у ряді етиленових вуглеводнів. Реакція також проходить східчасто:

HC ≡ CH + Br 2 → CHBr = CHBr + Br 2 → CHBr 2 - CHBr 2

ацетилен → 1,2-диброметан → 1,1,2,2-тетраброметан

Знебарвлення бромної води доводить ненасиченість ацетилену.

Реакція ацетилену з розчином перманганату калію

У розчині калію перманганату відбувається окислення ацетилену, при цьому відбувається розрив молекули за місцем потрійного зв'язку, розчин швидко знебарвлюється.

3НC ≡ СН + 10KMnO 4 + 2H 2 O → 6CO 2 + 10КОН + 10MnO 2

Ця реакція є якісною реакцією на подвійний та потрійний зв'язок.

Реакція ацетилену з аміачним розчином оксиду срібла

Якщо ацетилен пропустити через аміачний розчин оксиду срібла, атоми водню в молекулі ацетилену легко замісяться металами, оскільки мають велику рухливість. У цьому досвіді атоми водню замінюються атомами срібла. Утворюється ацетиленід срібла - осад жовтого кольору (вибухонебезпечний).

CH ≡ СН + OH → AgC≡CAg↓ + NH 3 + H 2 O

Ця реакція є якісною реакцією на потрійний зв'язок.

Досвід 10. Отримання ацетилену та його хімічні властивості

Реактиви та обладнання:карбід кальцію (шматочки), насичена бромна вода, 1% розчин перманганату калію, 10% розчин карбонату натрію, 1% розчин нітрату срібла, 5% розчин аміаку, аміачний розчин хлориду міді (I); газовідвідні трубки, прямі газовідвідні трубки з відтягнутим кінцем, кришки від тиглів, фільтрувальний папір, пробірки.

10.1. Одержання ацетилену та його горіння (тяга).У пробірку поміщають невеликий шматочок карбіду кальцію Са2 і доливають 1 мл води. Пробірку відразу ж закривають пробкою із газовідвідною трубкою з відтягнутим кінцем. Ацетилен, що виділяється, підпалюють. Він горить полум'ям, що коптить (на піднесеній до полум'я кришці тигля утворюється пляма сажі). При інтенсивній подачі кисню ацетилен горить полум'ям, що світиться, так як відбувається його повне згоряння.

10.2. Взаємодія ацетилену із бромною водою.Пробірку з карбідом кальцію та водою закривають пробкою з вигнутою газовідвідною трубкою та пропускають ацетилен через насичену бромну воду. Спостерігають поступове знебарвлення бромної води.

Поясніть, чому ацетилен знебарвлює бромну воду значно повільніше, ніж етилен і підтвердіть рівнянням реакції.

10.3. Реакція окиснення ацетилену перманганатом калію.У пробірку наливають 1 мл розчину перманганату калію, додають 1 мл 10% розчину карбонату натрію, а потім через отриманий розчин пропускають ацетилен. Фіолетове забарвлення зникає, і з'являється пластівеподібний осад оксиду марганцю (IV) бурого кольору. Напишіть рівняння окислення ацетилену та назвіть продукти реакції.

10.4. Одержання ацетиленідів срібла та міді.Атоми водню в ацетилену, на відміну етиленових вуглеводнів, можуть легко заміщатися на метали з утворенням відповідних солей. Подібні властивості характерні і для моноалкілзаміщених ацетиленового ряду.

Для отримання ацетиленіду срібла в пробірку наливають 2 мл 1%-ного розчину нітрату срібла і додають по краплях 5%-ний розчин аміаку до повного розчинення осаду, що утворюється спочатку оксиду срібла (I). Через отриманий розчин пропускають ацетилен і спостерігають випадання жовтувато-сірого осаду срібла ацетиленіду.

Для отримання ацетиленіду міді (I) у пробірку наливають 2-3 мл аміачного розчину міді хлориду (I) і пропускають через нього ацетилен. Безбарвний розчин спочатку забарвлюється червоний колір, а потім випадає червоно-бурий осад ацетиленіду міді (I).

Цю реакцію можна провести в інший спосіб. Для цього змочують смужку фільтрувального паперу аміачним розчином хлориду міді (I) і підносять до отвору пробірки, з якої виділяється ацетилен. Спостерігають появу червоно-бурого фарбування. Цю дуже чутливу реакцію застосовують виявлення слідів ацетилену, зокрема при санітарної експертизі повітря на підприємствах. Напишіть схеми отримання ацетиленідів та поясніть їх освіту. Які властивості виявляє ацетилен у цій реакції?

Лабораторна робота №5

АРОМАТИЧНІ СПОЛУКИ

БЕНЗОЛ ТА ЙОГО ГОМОЛОГИ

Досвід 11. Отримання бензолу з бензоату натрію

Реактиви та обладнання:бензоат натрію, їдкий натр; лід, вигнуті газовідвідні трубки, ступки, скляні палички, склянки на 100мл, пробірки.

У ступці ретельно розтирають 1 г бензоату натрію та 2 г їдкого натру. Суміш поміщають у суху пробірку, закривають пробкою із вигнутою газовідвідною трубкою та закріплюють пробірку в лапці штатива з нахилом у бік пробки. Кінець газовідвідної трубки опускають у пробірку-приймач, що охолоджується водою з льодом. Пробірку із сумішшю спочатку рівномірно прогрівають на газовому пальнику, а потім сильно нагрівають частину пробірки, заповнену реакційною сумішшю. Бензол, що утворюється, збирається в пробірці-приймачі. Його виявляють по запаху та горючості. Для цього скляну паличку змочують дистилятом, що утворився, і підносять до полум'я пальника. Бензол горить полум'ям, що коптить.

Досвід 12. Відношення ароматичних вуглеводнів до окислювачів

Реактиви та обладнання:бензол, толуол, 5% розчин перманганату калію, 10% розчин сірчаної кислоти; зворотні холодильники до пробірок, водяні лазні.

У дві пробірки наливають по 1 мл бензолу і толуолу і додають по 1 мл 5% розчину перманганату калію і 10% розчину сірчаної кислоти в кожну. Пробірки закривають пробками з повітряними холодильниками та нагрівають на водяній бані. У пробірці з толуолом спостерігають знебарвлення перманганату калію, а пробірці з бензолом жодних змін немає. Поясніть чому? Напишіть рівняння реакцій.

Слід зазначити, що бензол може містити домішки, які змінюють забарвлення калію перманганату, тому для досвіду необхідно брати попередньо очищений бензол.

Досвід 13. Бромування бензолу(Потяг)

Реактиви та обладнання:бензол, розчин брому в тетрахлориді вуглецю (1:5), залізна тирса, синій лакмусовий папір; водяні лазні, зворотні холодильники для пробірок, пробірки.

У дві пробірки доливають по 1 мл бензолу і 1 мл розчину брому в тетрахлориді вуглецю. В одну з пробірок додають трохи залізної тирси (на кінчику шпателя). Пробірки закривають пробками з повітряними холодильниками та нагрівають на теплій водяній бані. Через деякий час у пробірці із залізною тирсою відбувається знебарвлення реакційної суміші. Синій лакмусовий папірець, змочений водою і піднесений до вільних кінців скляних трубок, підтверджує, що реакція йде тільки в пробірці із залізною тирсою (відбувається зміна кольору індикатора від парів бромводню, що виділяється).

Через 5-10 хв після початку реакції реакційну суміш опускають смужку фільтрувального паперу, яку потім підсушують на повітрі. На папері залишається бромбензол, що відрізняється від вихідного бензолу.

Необхідно пам'ятати, що реакція заміщення водню у бензолі відбувається у присутності активованої частки галогену. Активування галогену здійснюється дією каталізаторів (часто кислоти Льюїса). Галогенування в ядро ​​протікає механізмом електрофільного заміщення (SE).

Напишіть рівняння реакції утворення апротонної кислоти Льюїса (FeBr 3) та механізм реакції бромування бензолу. Які ізомери дибромбензолу можуть вийти при подальшому бромуванні бромбензолу?

Досвід 14. Бромування толуолу(Потяг)

Реактиви та обладнання:толуол, розчин брому в тетрахлориді вуглецю, залізна тирса, синій лакмусовий папір; зворотні холодильники для пробірок, водяні лазні, пробірки.

Повторюють досвід 13, але замість бензолу дві пробірки вносять по 1 мл толуолу. Пробірку, що не містить залізної тирси, нагрівають на киплячій водяній бані.

На відміну від попереднього досвіду реакція йде в обох пробірках. Бромування толуолу протікає за двома напрямками в залежності від умов проведення реакції. У відсутності каталізатора (Fe), але при нагріванні галоген заміщає водень у бічній ланцюзі за радикальним механізмом (S R).

У присутності каталізатора (кислоти Льюїса) йде заміщення водню на бром в ароматичному ядрі за іонним механізмом (SE), при цьому атом галогену вступає в кільце в орто- або пара-положення по відношенню до алкільного радикала.

Напишіть механізми галогенування толуолу в бічну ланцюг (S R) і ароматичне кільце (SE). Поясніть роль каталізатора при галогенуванні ароматичних вуглеводнів у кільце. Поясніть орієнтуючий вплив алкільних радикалів у реакціях електрофільного заміщення з погляду статичного та динамічного підходів.

Досвід 15. Нітрування бензолу(Потяг)

Реактиви та обладнання:бензол, концентровані азотна та сірчана кислоти; зворотні холодильники для пробірок, водяні лазні, склянки на 50 мл, лід, пробірки.

У пробірку вносять 1 мл концентрованої азотної кислоти (r = 1,4 г/см 3 ) та 1,5 мл концентрованої сірчаної кислоти. Нітруючу суміш охолоджують крижаною водою, а потім до неї при струшуванні та охолодженні кілька прийомів додають 1 мл бензолу. Пробірку закривають пробкою з повітряним холодильником і нагрівають на водяній бані (50-55 ° С) 5-10 хв, періодично струшуючи. Після закінчення реакції вміст пробірки обережно виливають у склянку з крижаною водою. Надлишок мінеральних кислот розчиняється у воді, а нітробензол виділяється на дні склянки у вигляді маслянистих жовтих крапель, що пахнуть гірким мигдалем.

Напишіть механізм реакції нітрування бензолу. Яку роль грає сірчана кислота?

Досвід 16. Сульфування бензолу та толуолу(Потяг)

Реактиви та обладнання:бензол, толуол, концентрована сірчана кислота; зворотні холодильники для пробірок, водяні лазні, хімічні склянки на 50 мл, пробірки.

У пробірки поміщають по 0,5 мл бензолу і толуолу і додають по 2 мл концентрованої сірчаної кислоти. Пробірки закривають пробками з повітряними холодильниками і нагрівають на киплячій водяній бані 10-15 хв при постійному перемішуванні. Толуол поступово розчиняється у сірчаній кислоті, а в пробірці з бензолом змін не відбувається. Коли толуол повністю розчиниться, пробірки охолоджують, і вміст обережно виливають у склянки з 20 мл води. Бензол спливає на поверхню води, тому що в даних умовах він не реагує із сірчаною кислотою. Толуол сульфується легше, ніж бензол. У процесі реакції утворюються ізомерні толуолсульфокислоти, що добре розчиняються у воді.

Поясніть, як алкільний радикал впливає швидкість реакції сульфування в ароматичному кільці. Напишіть механізм реакції сульфування толуолу.

Як ви вже знаєте, ацетилен – продукт неповного розкладання метану. Цей процес називають піролізом (від грец. бенкет - вогонь, лізис - розкладання). Теоретично ацетилен можна як продукт дегідрування етилену:

На практиці ацетилен, крім піролізного способу, дуже часто одержують з карбіду кальцію:

Особливість будови молекули ацетилену (рис. 21) полягає в тому, що між атомами вуглецю є потрійний зв'язок, тобто він є ще більш ненасиченим з'єднанням, ніж етилен, молекула якого містить подвійний вуглець-вуглецевий зв'язок.

Рис. 21.
Моделі молекули ацетилену: 1 – шарострижнева; 2 - масштабна

Ацетилен є родоначальником гомологічного ряду алкінів або ацетиленових вуглеводнів.

Ацетилен - безбарвний газ без запаху, малорозчинний у воді.

Розглянемо хімічні властивості ацетилену, які є основою його застосування.

Ацетилен на повітрі горить полум'ям, що коптить, через високий вміст вуглецю в його молекулі, тому для спалювання ацетилену використовують кисень:

Температура ацетиленокисневого полум'я досягає 3200 °С. Таким полум'ям можна різати та зварювати метали (рис. 22).

Рис. 22.
Ацетилінокисневе полум'я використовують для різання та зварювання металу

Як і всі ненасичені сполуки, ацетилен активно вступає в реакції приєднання. 1) галогенів (галогенування); 2) водню (гідрування); 3) галогеноводородів (гідрогалогенування); 4) води (гідратація).

Розглянемо, наприклад, реакцію гідрохлорування - приєднання хлороводню:

Чому продукт гідрохлорування ацетилену називають хлоретен, вам зрозуміло. А чому – вінілхлоридом? Тому що одновалентний радикал етилену СН2 = СН-називають вінілом. Вінілхлорид - це вихідна сполука для отримання полімеру - полівінілхлориду, який знаходить широке застосування (рис. 23). В даний час вінілхлорид отримують не гідрохлорування ацетилену, а іншими способами.

Рис. 23.
Застосування полівінілхлориду:
1 – штучна шкіра; 2 – ізолента; 3 – ізоляція проводів; 4 – труби; 5 – лінолеум; 6 - клейонка

Полівінілхлорид одержують за допомогою вже знайомої вам реакції полімеризації. Полімеризація вінілхло-риду полівінілхлорид може бути описана за допомогою наступної схеми:

або рівняння реакції:

Реакція гідратації, що протікає в присутності солей ртуті, що містять катіон Hg 2+ як каталізатор, носить ім'я видатного російського хіміка-органіка М. Г. Кучерова і раніше широко використовувалася для отримання дуже важливого органічного сполуки - оцтового альдегіду:

Реакцію приєднання брому - бромування - використовують як якісну реакцію на кратний (подвійний чи потрійний) зв'язок. При пропущенні ацетилену (або етилену, або більшості інших ненасичених органічних сполук) через бромну воду можна спостерігати її знебарвлення. При цьому відбуваються такі хімічні перетворення:

Ще однією якісною реакцією на ацетилен та ненасичені органічні сполуки є знебарвлення розчину перманганату калію.

Ацетилен – найважливіший продукт хімічної промисловості, що має широке застосування (рис. 24).

Рис. 24.
Застосування ацетилену:
1 - різання та зварювання металів; 2-4 - виробництво органічних сполук (розчинників 2, полівінілхлориду 3, клею 4)

Нові слова та поняття

1. Алкіни.
2. Ацетилен.
3. Хімічні властивості ацетилену: горіння, приєднання галогеноводородів, води (реакція Кучерова), галогенів.
4. Полівінілхлорид.
5. Якісні реакції на кратний зв'язок: знебарвлення бромної води та розчину перманганату калію.

Запитання та завдання