Урок 12. Непредельные углеводороды. Aлкины.
план-конспект урока по химии (10 класс) на тему

Урок 12. Непредельные углеводороды. Aлкины

Алкины. Простейший алкин – этин, или ацетилен

Продолжаем знакомство с непредельными углеводородами.

Алкены — это непредельные углеводороды c одной двойной связью в открытой углеродной цепи. Общая формула алкенов CnH2n.

Алкадиены — это непредельные углеводороды c двумя двойными связями в открытой углеродной цепи. Общая формула алкадиенов CnH2n-2.

На этом уроке вам предстоит узнать об алкинах.

Алкины — это непредельные углеводороды с одной тройной связью в открытой углеродной цепи.

Общая формула алкинов CnH2n-2.

Простейший алкин — этин, или ацетилен.

• В 1836 г. ацетилен впервые получил английский химик Э. Дэви карбидным способом.
• В 1860 г. название этому веществу дал французский химик Марселен Бертло.
• В 1868 г. М. Бертло получил ацетилен пиролизом метана.

Геометрию молекулы ацетилена можно объяснить на основе sp-гибридизации атома углерода.

Рассмотрим модель образования связей в молекуле ацетилена:

• Две sp-гибридные орбитали каждого атома углерода участвуют в образовании-связей, направленных под углом 180° (т. е. вдоль одной линии). Смотрите левую схему.
• Негибридизованные р-орбитали образуют две π-связи во взаимно перпендикулярных плоскостях. Смотрите правую схему.

Таким образом, тройная связь образуется тремя парами электронов и состоит из одной -связи и двух -связей.

Тройная связь прочнее двойной.

Диаграмма энергий связей

Другие алкины: гомология и структурная изомерия

Общая формула углеводородов CnH2n-2 отражает состав и алкинов, и алкадиенов.

Для алкинов невозможна геометрическая изомерия: тройная связь предполагает линейное строение углеродной цепи.

Дополнительная информация

К вопросу о межклассовой изомерии

Алкинам могут быть изомерны не только алкадиены, но и циклоалкены. Например, химическую формулу C6H10 имеют и алкины (например, гексин), и алкадиены (например, гексадиен), и циклоалкены (например, циклогексен):

Свойства алкинов

Физические свойства алкинов

• при увеличении молекулярной массы углеводородов температуры кипения и плавления закономерно повышаются;
• алкины имеют слабый специфический запах;
• алкины незначительно растворимы в воде, но хорошо растворимы в органических растворителях.

Химические свойства ацетилена

Горение

При достаточном количестве кислорода этин горит бледно-голубым пламенем, температура достигает 3000°С. Впервые это свойство ацетилена в 1895 г. обнаружил французский химик Анри Ле Шателье. Уже с 1906 г. ацетилен используют для автогенной сварки и резки металлов.

Автогенная резка металла

Напишите уравнение реакции горения ацетилена в кислороде.

Ответ

Уравнение реакции горения ацетилена в кислороде:

2С2Н2 + 3О2 → 4СО2 + 2Н2О

Присоединение

Для алкинов присоединение протекает последовательно, при этом атом углерода меняет свое гибридное состояние, а молекула — свое пространственное строение.

а) Гидрирование (в присутствии Pt, Pd, Ni)

Изменение геометрии молекул в процессе гидрирования:

б) Галогенирование

Алкины, как и другие непредельные соединения, обесцвечивают бромную воду.

в) Гидрогалогенирование

Полимеризацией хлорвинила получают полихлорвинил, или поливинилхлорид (ПВХ), — основу многих пластмасс и волокон.

Дом из ПВХ

Напишите уравнение реакции полимеризации хлорвинила.

Ответ

Это интересно!

К концу XIX в. широкое распространение получили очень яркие ацетиленовые лампы. Их использовали в качестве светильников на маяках, указывающих путь кораблям.

Ацетиленовый маяк

Это интересно!

Поливинилхлорид используют и в военном деле:

- в сочетании с тонкой нейлоновой тканью он служит хорошим покрытием для взлетно-посадочных вертолетных площадок;

- на подводных лодках из него изготавливают трубопроводы

г) Гидратация – реакция Кучерова

Из уксусного альдегида получают уксусную кислоту

Дополнительная информация

Гидратация алкинов

Один из первых исследователей свойств ацетилена М. Бертло в 1860 г. впервые провел реакцию ацетилена с водой и был уверен, что получил виниловый спирт:

В 1877 г. аналогичную реакцию в присутствии серной кислоты в качестве катализатора осуществил русский химик-органик Александр Павлович Эльтеков. Изучая продукт реакции, ученый пришел к выводу, что получил уксусный альдегид:

Между учеными разгорелся спор, закончившийся в пользу русского химика. В том же 1877 г. им было сформулировано правило Эльтекова: спирты, содержащие гидроксильную группу у атома углерода с двойной связью, необратимо изомеризуются в альдегиды или кетоны.

Так как при гидратации тройной связи выполняется правило Марковникова, то из всех остальных алкинов, кроме ацетилена, получаются соединения, называемые кетонами:

Гидратация алкинов протекала в жестких условиях, с малым выходом продукта и имела чисто теоретическое значение. Ситуация изменилась в 1881 г., когда выдающийся русский химик Михаил Григорьевич Кучеров впервые применил новый катализатор данной реакции — соли двухвалентной ртути. Это был первый случай использования в качестве катализатора катиона металла!

д) Полимеризация (точнее, димеризация и тримеризация)

Дополнительная информация

Реакция Зелинского

Впервые подобную реакцию в 1866 г. осуществил М. Бертло. При нагревании ацетилена до 600 °С ему удалось получить небольшое количество бензола.

Спустя 60 лет русский химик Николай Дмитриевич Зелинский обнаружил, что катализатором данной реакции является активированный уголь. Это открытие увековечено в названии процесса — реакция Зелинского.

Полиацетилен

Из ацетилена можно получить и настоящий полимер. Это удается сделать с помощью катализаторов Циглера-Натта. В 1955 г. Д. Натта с сотрудниками синтезировал полиацетилен, представляющий собой смесь цис- и транс-изомеров.

Полиацетилен открыл эру токопроводящих полимеров. Выдающийся вклад ученых Карла Циглера и Джолио Натты в развитие химии был отмечен присуждением им Нобелевской премии 1963 г. по химии.

Замещение атомов водорода

Внимание!

Образование сероватого осадка ацетиленида серебра при взаимодействии алкинов и аммиачного раствора оксида серебра — качественная реакцияна алкины с концевой тройной связью.

Кислотные свойства ацетилена

Почему же ни этан, ни этилен не проявляют таких свойств? Все дело в типе гибридизации атома углерода. sp-Гибридный атом углерода более электроотрицателен, чем атом углерода в sp2- и sp3-гибридных состояниях. Это связано с большим вкладом в гибридное облако энергетически более выгодной для электрона s-орбитали. Связь С ← Н становится полярнее, а атом водорода подвижнее. Он может замещаться на металл. Ацетилен при этом проявлет слабые кислотные свойства.

А уравнение реакции образования ацетиленида серебра точнее следует записать так:

При взаимодействии ацетилена с аммиачным раствором оксида меди (I) образуется ацетиленид меди (I).

Это интересно!

М.Г. Кучеров обладал тонким музыкальным слухом и приятным баритоном. Любил романсы. По словам его современников, Михаил Григорьевич, прослушав в первый раз оперу, мог «повторить всю ее чуть ли не с начала до конца».

Получение ацетилена

В лаборатории ацетилен можно получить гидролизом карбида кальцияCaC2:

Дополнительная информация

Получение карбида кальция

Карбид кальция получают в промышленности взаимодействием углерода (кокса) с оксидом кальция, который образуется при прокаливании известняка:

Благодаря доступности сырья, карбидный метод получения ацетилена также используется и в промышленности.

Получение ацетилена карбидным способом и опыты с ним

1. Пропускаем ацетилен через раствор KMnO4, бромную воду и аммиачный раствор Ag2O. Что наблюдаете?

2. Поджигаем газ. Как горит ацетилен?

3. Обнаруживаем в продуктах реакции Ca(OH)2.

Эксперимент

При пропускании ацетилена через раствор KMnO4, бромную воду и аммиачный раствор Ag2O можно наблюдать:

• обесцвечивание растворов в первых двух пробирках (качественные реакции на все непредельные соединения);
• образование сероватого осадка в третьей пробирке (реакция характерна и для других алкинов с тройной связью в начале углеродной цепи).

Горение ацетилена на воздухе сопровождается образованием сильной копоти, т. к. доля углерода в нем выше, чем в этане и этене.

Фенолфталеин окрашивается в щелочи в малиновый цвет.

В промышленности ацетилен получают в основном пиролизом метана(разложение при очень высоких температурах):

Можно предложить еще один способ — дегидрирование этана:

Дополнительная информация

Получение алкинов

При воздействии на дибромпроизводное, в котором атомы галогенов находятся у соседних атомов углерода (или у одного и того же атома) спиртового раствора щелочи происходитдегидрогалогенирование и образование тройной связи:

Это интересно!

Если кислород заменить другим окислителем, например оксидом азота (I) N2O, температуру горения ацетилена можно повысить до 3500 °С.

Применение ацетилена

Развитие органической химии

Большой вклад в исследование ацетиленовых углеводородов внесли А.Е. Фаворский и его многочисленные ученики. Благодаря им химия ацетилена разрослась в обширную ветвь органической химии и органической промышленности. Труды школы Фаворского являются, в известной мере, связующим звеном между классическими исследованиями А.М. Бутлерова и современными теоретическими представлениями органической химии.