§ 18. Алкины

Атомы углерода могут быть связаны между собой не только одинарными или двойными, но также тройными связями. Простейшим углеводородом, содержащим тройную связь, является этин или ацетилен . Рассмотрим его строение.

Каждый атом углерода в ацетилене образует четыре химические связи. Образование этих связей происходит за счёт четырёх атомных орбиталей:

Вспомним строение этилена:    

Атомы углерода в этой молекуле находятся в состоянии sp²-гибридизации. За счет sp²-гибридных орбиталей каждый атом углерода образует три σ-связи: две связи с атомами водорода и одну — с соседним углеродом:

Вторая связь между атомами углерода образуется за счёт бокового перекрывания негибридных p-орбиталей атомов углерода — это π-связь:

В молекуле ацетилена H C C H имеется тройная связь. Она со  стоит из одной σ- и двух π-связей. Так как π-связи образуются за счёт перекрывания негибридных p-орбиталей, то в гибридизации будут принимать участие одна s- и одна p-орбитали атомов углерода. Такой тип гибридизации называется sp-гибридизация:

sp-Гибридные орбитали располагаются на одной прямой, под углом 180°. Две не участвующие в гибридизации р-орбитали атома углерода сохраняют свою первоначальную форму и располагаются взаимно перпендикулярно:

За счёт перекрывания гибридных орбиталей каждый атом углерода образует две σ-связи — одну связь с атомом водорода и одну — с соседним углеродом:

Орбитали, не участвующие в гибридизации, формируют две π-связи между атомами углерода:

Таким образом, в молекуле ацетилена имеется три σ-связи и две π-связи:

Молекула ацетилена линейная, валентный угол равен 180^о. Связь между атомами углерода тройная:

Тройная связь короче двойной и одинарной: в молекуле ацетилена длина связи между атомами углерода равна 0,120 нм. Напомним, что в молекулах этилена и этана длина связи между атомами углерода составляет 0,134 и 0,154 нм соответственно.

Ацетилен является простейшим представителем алкинов — нециклических углеводородов, молекулы которых содержат одну тройную связь.

Названия алкинов строятся так же, как и названия алкенов, но суффикс -ен   в конце названия заменяется на суффикс -ин (он обозначает одну тройную связь). Цифрой в конце названия указывается положение тройной связи.

Приведём несколько примеров формул и названий алкинов:

Химические свойства алкинов сходны со свойствами алкенов, так как в молекулах веществ обоих классов имеется кратная связь. Характерными для алкинов являются реакции присоединения по тройной связи, сопровождающиеся разрывом π-связей, так как они менее прочные, чем σ-связь. Так же, как и алкены, алкины могут присоединять галогены, водород, галогеноводороды, причём одна молекула алкина может присоединить две молекулы указанных веществ.

1. Галогенирование. Присоединение галогенов

Алкины, подобно алкенам, обесцвечивают бромную воду:

Образующийся 1,2-дибромэтен содержит двойную связь, поэтому при избытке брома вступает в реакцию присоединения. В итоге образуется тетрабромпроизводное алкана:

В отличие от алкенов, состав продуктов реакции алкинов с бромом зависит от количественного соотношения реагентов. При недостатке брома могут образовываться соединения, содержащие двойную связь, тогда как в избытке образуются насыщенные соединения.

Две предыдущие реакции можно объединить в одну:

Таким образом, при пропускании ацетилена через бромную воду, протекает реакция присоединения брома по тройной связи. В результате оранжевый раствор брома обесцвечивается. Подобное явление наблюдалось и для алкенов.

Следовательно, реакция с бромной водой является качественной реакцией на кратную (двойную или тройную) связь.

Так же, как этилен, ацетилен обесцвечивает водный раствор перманганата калия. Следовательно, реакция с раствором перманганата калия также является качественной реакцией на кратную (двойную или тройную) связь.

2. Гидрирование. Присоединение водорода

В результате гидрирования алкинов сначала образуются алкены, а затем алканы. Для протекания реакции необходим катализатор (Pt или Ni).

Приведём уравнения реакций, протекающих при гидрировании пропина:

3. Гидрогалогенирование. Присоединение галогеноводородов

Алкины могут присоединять молекулы сложных веществ. В результате присоединения молекулы хлороводорода к молекуле ацетилена образуется хлорэтен:

Молекула винилхлорида содержит двойную связь, поэтому он, подобно алкенам, вступает в реакцию полимеризации:

Продукт реакции полимеризации винилхлорида — поливинилхлорид, или сокращённо ПВХ, широко используется для изготовления оконных рам, дверей, линолеума, электроизоляции проводов, искусственной кожи и других изделий.

С особенностями присоединения галогеноводородов и воды к гомологам ацетилена вы можете познакомиться, перейдя по ссылке в QR-коде.

4. Горение. Взаимодействие с кислородом

Как и все углеводороды, алкины горят. Уравнение реакции горения ацетилена:

При горении ацетилена в кислороде выделяется большое количество теплоты, температура пламени настолько высока, что им можно сваривать и резать металлы. Поэтому ацетиленовое пламя используется при сварке и ремонте металлических изделий.

1. Карбидный способ

Ацетилен получают в результате действия воды на карбид кальция СаС₂. Чистый карбид кальция представляет собой твёрдое белое вещество без запаха. Технический продукт имеет серый цвет и неприятный запах из-за наличия примесей.

Карбид кальция бурно реагирует с водой, при этом выделяется ацетилен:

Для получения карбида кальция используют известняк (СаСО₃), при прокаливании которого образуется оксид кальция. Затем оксид кальция спекают с углём в электропечи при температуре примерно 2000 °С:

2. Пиролиз метана

Ещё одним способом получения ацетилена является частичное термическое разложение метана. Вы уже знаете, что если алканы нагреть до высокой температуры (подвергнуть пиролизу), то они разлагаются на углерод и водород (§ 10). Оказывается, одним из промежуточных продуктов пиролиза метана является ацетилен. Чтобы предотвратить разложение ацетилена, образующегося при высокой температуре (примерно 1500 °С), продукты реакции быстро охлаждают. Протекающий процесс можно отобразить уравнением: