Блок уроков: Алкины (ацетиленовые углеводороды)
план-конспект занятия по химии (10 класс) на тему

Блок уроков  Алкины (ацетиленовые углеводороды)

(№39-40 в тематическом планировании) (http://www.edu54.ru/node/87560)

Цели уроков:

1. Расширить знания учащихся об углеводородах − дать понятие о непредельных углеводородах ряда ацетилена, их классификации. Познакомить учащихся с особенностями строения непредельных ряда ацетилена, способами образования δ- и π-связей.

2. Знать общую формулу алкинов, физические и химические свойства, способы получения и области применения углеводородов ряда ацетилена.

3. Уметь записывать молекулярные, структурные и электронные формулы ацетиленовых углеводородов, обозначать распределение электронной плотности в молекуле. Уметь называть вещества ряда ацетилена по систематической номенклатуре и по названию записывать формулы.

4. Знать вида изомерии для ацетиленовых, уметь составлять формулы различных изомеров, называть их. Уметь доказывать химические свойства алкинов, записывать уравнения реакций, уметь их сравнивать со свойствами предельных углеводородов и углеводородов ряда этилена. Проводится демонстрация тех опытов, которые требуются по программе.

При объяснении материала по ходу лекции демонстрация опытов и лабораторных опытов, которые требуются по программе (есть в тематическом планировании в 10 классе по учебнику Габриелян О. С., Маскаев Ф. Н., Пономарев С. Ю., Теренин В. И. «Химия. 10 класс. Профильный уровень». Учебник для 10 класса).

I. Изучение нового материала.

Алкины – органические соединения, углеводороды алифатического (ациклического) непредельного характера, в молекуле которых между атомами углерода – одна тройная связь, и которые соответствуют общей формуле CnH2n-2.

        Для алкинов характерна sp-гибридизация, угол между связями 180°. Длина тройной связи 0,120нм. Одновременно, наличие двух подвижных, легко поляризуемых π-связей приводит к тому, что алкины химически более активны, чем алкены, и вступают в реакции двойного присоединения.

        В названии алкинов содержится суффикс –ин, обозначающий принадлежность соединения к данному классу.

        Простейший алкен: C2H2 или   H – C ≡ C – H   этин или ацетилен,

В определении названия алкина (как и у алкенов) положение кратной связи имеет при нумерации преимущество перед остальными.

        Для алкинов характерны следующие виды изомерии:

1. Структурная изомерия:

а) изомерия углеродного скелета

    1        2      3           4           5                 1       2      3          4

    CH≡C – CH2 – CH2 – CH3         CH≡C – CH – CH3

                                                                       |

                                                                      CH3

                   пентин-1                                 3-метилбутин-1      

б) изомерия положения кратной связи

    1        2      3           4           5                                          1         2      3      4           5                

    CH≡C – CH2 – CH2 – CH3                              CH3–C ≡ C – CH2 – CH3 

                   пентин-1                                                    пентин-2                

в) изомерия положения заместителей (Hal, - NO2, SO2-OH и др.)  

     1         2      3          4           5                                         1          2       3          4          5                

    CH ≡ C – CH – CH2 – CH3                              CH ≡ C – CH2 – CH – CH3

                     |                                                                                    |                       

                    Cl                                                                                  Cl                              

                   3-хлорпентин-1                                                    4-хлорпентин-1                              

2. Пространственная геометрическая изомерия для алкинов, в отличие от алкенов, не характерна.
3. Межклассовая изомерия (с алкадиенами и циклоалкенами)

    1           2         3           4           5                      1         2         3          4          5                      

    CH ≡ CH – CH2 – CH2 – CH3             CH2=CH – CH = CH – CH3             CH  =  CH  

                   пентин-1                                             1,3-пентадиен                           |           |     

                                                                                                                                 CH2     CH2     

                                                                                                                                    \       /       

                                                                                                                                      CH2 

                                                                                                                               циклопентен    

Физические свойства.

C2H2 – C4H6  – газы,  C5H8 – C15H28  - жидкости, C16H30 – … – твердые вещества. Алкены плохо растворимы в воде, но лучше, чем алканы и алкены. Их температуры плавления и кипения, также как у алканов и алкенов, закономерно повышаются при увеличении молекулярной массы соединения. Алкины имеют специфический запах.

Химические свойства.

1. Реакции присоединения (двойное присоединение – в два ступени).

1. Гидрирование (в присутствии металлических катализаторов – Pt, Pd, Ni):

CH ≡ C – CH3 + 2 H2 → CH3 – CH2 – CH3

CH ≡ C – CH3 + H – H   →  CH2=CH – CH3                              I ступень

     пропин                                 пропилен

CH2=CH – CH3 + H – H   →  CH3 – CH2 – CH3                        II ступень

     пропилен                                 пропан

2. галогенирование

CH ≡ C – CH3 + 2 Br2 → CHBr2 – CBr2 – CH3

                                                    1          2      3                

CH ≡ C – CH3 + Br – Br   →  CH = C – CH3                             I ступень

                                                  |         |                   

                                                 Br      Br                        

     пропин                               1,2-дибромпропен            

                                                 Br     Br        

                                                1 |       2 |      3              

CH = C – CH3 + Br – Br   →  CH – C – CH3                              II ступень

 |         |                                       |        |                   

Br      Br                                    Br      Br                        

1,2-дибромпропен                1,1,2,2-тетрабромпропан            

Реакция алкинов с бромной водой – качественная реакция на алкины (бромная вода обесцвечивается).

3. гидрогалогенирование (по правилу Марковникова: при присоединении веществ с полярной ковалентной связью типа HX (где X – это -Hal, -OH и т.д.) к несимметричным непредельным углеводородам по месту разрыва П-связи атом водорода присоединяется к наиболее гидрированному атому углерода, а X – к наименее гидрированному атому углерода)

CH ≡ C – CH3 + 2 HBr → CH3 – CBr2 – CH3

                                                   1           2       3                

CH ≡ CH – CH3 + H – Br   →  CH2 = C – CH3                               I ступень

                                                              |                   

                                                              Br                        

     пропин                                 2- бромпропен            

                                                              Br  

 1          2         3                            1            2|        3                

CH2=CH – CH3 + H – Br   →  CH3 – CH – CH3                             II ступень

           |                                                   |                   

          Br                                                Br                        

     2-бромпропен                        2,2- дибромпропан            

4. гидратация (по правилу Марковникова): ацетилен образует альдегид, его гомологи – кетоны (реакция Кучерова М. Г.)

                                                                                           H

                                 Hg+                                                    /

HC ≡ CH + H – OH  →      CH2 = CH        →     CH3 – C  

                                                         |                                \\ 

                                                        O – H                         O

                                       виниловый спирт           этаналь

                                          Hg+ 

CH ≡ C – CH3 + H – OH   →    CH2 = C – CH3       →      CH3 – C – CH3 

                                                                |                                        ||

                                                               O – H                                O  

     пропин                                 непредельный спирт            пропанон  

2. Реакции окисления.

1. горение

                                             t°

2 C2H2  +  5 O2 (избыток)  →  4 CO2  +  2 H2O

                                              t°

2 C2H2  +  3 O2 (недостаток)  →  4 CO  +  2 H2O

                                                           t°

2 C2H2  +  O2 (сильный недостаток)  →  4 C  +  2 H2O

Смеси ацетилена с воздухом или кислородом взрывоопасны; ацетилен может также взрываться при ударах.

2. неполное окисление кислородом окислителя (KMnO4 в нейтральной среде, K2Cr2O7 в кислой среде) – конечным продуктом реакции являются карбоновые кислоты.

                                                              O        O

                                  из KMnO4               \\      //

CH ≡ CH  +  4 [O]  ––––––––→  HO – C – C – OH

                                                    этандиовая (щавелевая) кислота

                                                                          O        O

                                                                            \\      //

3 CH ≡ CH  +  8 KMnO4  + 4 H2O  →  3 HO – C – C – OH + 8 KOH + 8 MnO2 

Но так как кислота взаимодействует со щелочью, то более правильно следует писать:

                                                         O           O

                                                           \\         //

3HC-1 ≡ C-1H + 8KMn+7O4  → 3KO– C+3– C+3– OK + 2KOH + 8Mn+4O2 + 2H2O

C2-1   -8ē   →   C2+3                    3       3C2-2   -24ē   →   3C2+3

                                        24

Mn+7   +3ē   →   Mn+4               8        8Mn+7   +24ē   →   8Mn+4

                                                                                        O

                                                          из KMnO4              //

CH3 – C ≡ C – CH3  +  3 [O]  +  H2O  ––→  2 CH3 – C  

                                                                                        \  

                                                                                        OH  

   бутин-2                                                     этановая кислота

                                                                     (уксусная кислота)

                                                                            O                   O

                                                  из KMnO4          //                    //

CH3 – C ≡CH  +  3 [O]  +  H2O  ––→  CH3 – C         +  H – C    

                                                                            \                     \

                                                                            OH                 OH

   пропин                                         этановая кислота     метановая кислота

                                                        (уксусная кислота)    (муравьиная кисллота)

Обесцвечивание щелочного раствора KMnO4 – это качественная реакция на непредельные углеводороды (алкины обесцвечиваются быстрее, чем алкены).

3. Реакции полимеризации.

1. димеризация (алкилирование)

                                              kt     1          2          3      4  

CH ≡ CH + CH ≡ CH   →  CH2 = CH – C ≡ CH

                                                винилацетилен                                  

                                                 (бутен-1-ин-3)

2. циклотримеризация (ароматизация)

3 C2H2  → C6H6

                  Бензол

3. полимеризация

                                                           t0, kt, P

…+  CH2≡CH2  +  CH2≡CH2  +  …––––––→  …-CH2 = CH2 – CH2 = CH2-…

        ацетилен                                                                полиацетилен

                    t0, kt, P

n CH ≡ CH  ––––––→  (– CH = CH –)n

мономер                       структурное звено

где n – это степень полимеризации

                                t0, kt, P

n CH3 – C ≡ CH  ––––––– →  (– C = CH –)n

                                                       |           

                                                      CH3 

пропин                                     полипропин

(метилацетилен)                     (полиметилацетилен)

4. Реакции замещения (замещение атомов «H», связанных с sp-гибридизованными атомами углерода). Атомы водорода, связанные с sp-гибридизованными атомами углерода в молекулах алкинов, обладают значительной подвижностью (что объясняется поляризацией связи ≡C–H), поэтому они могут замещаться атомами металлов – в результате чего образуются ацетилениды. Способность к таким реакциям отличает алкины от других непредельных углеводородов.

1. Взаимодействие с металлическим натрием в жидком аммиаке

2 CH ≡ CH + 2 Na → 2 CH ≡ CNa +H2                          I ступень

                                   моноацетиленид натрия

2 CH ≡ CNa + 2 Na → 2 CNa ≡ CNa + H2                     II ступень

                                    диацетиленид натрия

Но более правильно следует писать:

CH ≡ CH + NaNH2 → 2 CH ≡ CNa +NH3↑

                                    моноацетиленид натрия

2. Взаимодействие с аммиачными растворами солей меди (I) – только монозамещенные ацетилена

CH3 – C ≡ CH + [Cu(NH3)2]Cl → CH3 – C ≡ CCu↓ + HCl + 2 NH3↑

метилацетилен                              метилацетиленид меди (I)

CH3 – C ≡ C – CH3 + [Cu(NH3)2]Cl  →

диметилацетилен

Данная реакция используется для очистки высших монозамещенных алкинов. Устойчивые во влажном состоянии, эти ацетилениды легко взрываются в сухом виде!

3. Взаимодействие с аммиачным раствором оксида серебра (I) – только монозамещенные ацетилена

CH3 – C ≡ CH + [Ag(NH3)2]OH → CH3 – C ≡ CAg↓ + H2O + NH3↑

метилацетилен                              метилацетиленид серебра (I)

CH3 – C ≡ C – CH3 + [Ag(NH3)2]O  →

диметилацетилен

Данная реакция используется для очистки высших монозамещенных алкинов. Устойчивые во влажном состоянии, эти ацетилениды легко взрываются в сухом виде!

5. Реакции изомеризации (изомеризация тройной связи).

                                            спирт. р-р KOH; 170°

CH ≡ C – CH2 – CH3 -------------------------→ CH3 – C ≡ C – CH3

       бутин-1                                                               бутин-2

(этилацетилен)                                                (диметилацетилен)

Получение.

1. Получение ацетилена

1. В промышленности

1. Термическое разложение природного газа или углеводородов нефти:

              1000°C

2 CH4 ---------→ CH ≡ CH + 3 H2 

метан

                         1200°C

CH2 = CH2 ----------→ CH ≡ CH + 2 H2

Этилен

2. В лаборатории

1. Гидролиз карбида кальция (реакция Велера Ф.) или карбидов других активных металлом (K, Mg)

CaC2 + 2 H2O → C2H2↑ + Ca(OH)2 

C                H – OH           C – H                OH  

|||    Ca   +                   →   |||          +  Ca      

C                H – OH           C – H                OH

2. Получение гомологов ацетилена

1. Дегидрогалогенирование дигалогеналканов действием спиртового раствора щелочи или твердой щелочи при нагревании:

                 H    Br

                  |      |                                     t°

CH3 – CH2 –C – C – CH3  +  2 Na – OH → CH3 – CH2 –C ≡ C – CH3 + 2 Na – Br + 2 H – OH

                  |      |

                 Br   H

2,3-дибромпентан                                      пентин-2

                 H    Br

                  |      |                             t°

CH3 – CH2 –C – CH  +  2 Na – OH → CH3 – CH2 –C ≡ CH + 2 Na – Br + 2 H – OH

                  |      |

                 H    Br

1,1-дибромбутан                                      бутин-1

                                                            (этилацетилен)

2. Алкилирование ацетиленидов

CH3 – C ≡ C – Na   +   Br – CH2 – CH3  →  CH3 – C ≡ C – CH2 – CH3 + NaBr

метилацетиленид натрия                          метилэтил ацетилен

                                                                         (пентин-2)

Применение.

Этилацетат                                                                                                1,2-дихлорэтан

(CH3COOC2H5)                                                                                         (CH2Cl – CH2Cl)

                                                            Растворители

                                                                                                                Щавелевая кислота

                                                                                                                  (HOOC – COOH)

Уксусная кислота                                 Ацетилен                                     Сварка и резка

(CH3COOH)                                           CH ≡ CH                                          металлов

                                                                                                                    Винилацетат

                                                                                                                (CH3COOCH = CH2)

Этаналь                                             Винилацетилен                         

(уксусный альдегид)                    (CH2 = CH – C ≡ CH)                           

(CH3CHO)                                                                                                     Клей ПВА

Этанол                                                   Хлоропрен                                     Хлорвинил

(этиловый спирт)                          (2-хлорбутадиен-1,3)                          CHCl = CH2

(C2H5OH)                                     (CH2 = CCl – CH = CH2)

Парфюмерия,                                 Хлоропреновый каучук                  Полихлорвинил

растворитель

II. Закрепление знаний, умений и навыков

Домашние задания:

• §13 (с.102-110);
• записи в тетради;
• упражнения 2 и 4 (с.110) – письменно;
• задачи 7 и 8 (с.110).

Используемая литература

1. «Репетитор по химии (издание 15-ое)», под редакцией Егорова А. С., Феникс – Ростов-на-Дону, 2006

2. Габриелян О. С., Маскаев Ф. Н., Пономарев С. Ю., Теренин В. И. « Химия 10 класс: профильный уровень».  (Учебник для общеобразовательных учреждений), Дрофа – Москва, 2005
3. Рудзитис Г. Е., Фельдман Ф. Г. «Химия 10: органическая химия (Учебник для 10 класса средней школы)», Просвещение – Москва, 1991
4. Перекалин В. В.,  Зонис С. А. «Органическая химия (учебное пособие для студентов педагогических институтов по химическим и биологическим специальностям)», Просвещение – Москва, 1982
5. «Органическая химия. Том 1 (Основной курс)» под редакцией Н. А. Тюкавкиной (учебник для студентов вузов по специальности «Фармация»), Дрофа – Москва, 2004

Используемые ЦОРы

На уроке можно использовать данный материал в виде презентации: http://uchitel.edu54.ru/node/276481 (рабочая версия).