Ацетилен

Шаблон:Речовина Ацетиле́н (етин) — органічна сполука, перший представник ряду алкінів. Безбарвний газ, без запаху, легший за повітря.

Фізичні властивості

Ацетилен — при нормальних умовах — безбарвний газ, малорозчинний у воді, легший за повітря. При сильному охолодженні переходить відразу в білу кристалічну речовину, минаючи рідкий стан. При −83,6 °C випаровується (сублімує), не розплавляючись. При стисненні розкладається з вибухом, зберігають в балонах, заповнених активованим вугіллям, що просочене ацетоном, в якому ацетилен розчиняється під тиском у великих кількостях. Вибухонебезпечний.

C₂Н₂ виявлений на Урані і Нептуні.

Будова

Хімічна формула C₂Н₂. Два магнітні ядра є еквівалентними з точки зору симетрії:

ε (H_{1}) = ε (H_{2})

,

де

ε

— хімічний зсув. Спінова система C₂Н₂ —

A_{2} .

Спінова система $^{13} C$ ізотоп-заміщеного похідного $H_{1} -^{13} C \equiv^{13} C - H_{2}$ : $A A^{'} X X^{'} .$ Два протони й два ядра $^{13} C$ є хімічно, але не магнітно еквівалентні. Оскільки константи спін-спінової взаємодії не є рівними:

J (H_{1} - C_{1}) \neq J (H_{1} - C_{2}); J (H_{2} - C_{1}) \neq J (H_{2} - C_{2}) .

Отримання

Раніше ацетилен одержували лише з карбіду кальцію при взаємодії його з водою, переважно в апаратах із саморегулюванням реакції, що діяли за принципом апарату Кіппа:

Великі кількості ацетилену добувають при термічному розкладі (піролізі) метану (природного газу):

2 C H_{4} ⟶ C_{2} H_{2} + 3 H_{2}

Процес проводять при температурі близько 1500 °C. Щоб запобігти розкладу одержаного ацетилену на вуглець і водень, метан швидко продувають через зону високої температури. При цьому разом з ацетиленом утворюється також водень.

Його також можна отримати дегідрогалогенуванням дибромоетану за допомогою гідроксиду калію:

B r - C H_{2} - C H_{2} - B r + 2 K O H \overset{N R_{4} C l}{\to} H C \equiv C H + 2 K B r + 2 H_{2} O

Хімічні властивості

У хімічному відношенні ацетилен активніший, ніж етилен. Висока хімічна активність ацетилену обумовлюється наявністю в його молекулі потрійного зв'язку. Для ацетилену, як і етилену, характерні реакції окиснення, приєднання і полімеризації.

Реакції окиснення

Окиснення з утворенням карбонових кислот

Алкіни окиснюються з розщепленням потрійного зв'язку і утворенням карбонових кислот. У випадку ацетилену це буде мурашина кислота. Окисниками можуть бути перманганат, дихромат калію, оксид хрому(VI), озон.

H C \equiv C H + 3 O + H_{2} O ⟶ 2 H C O O H

Реакція горіння

Ацетилен горить кіптявим полум'ям. Суміш ацетилену з повітрям чи з киснем вибухонебезпечна. Межі вибуховості його сумішей з повітрям складають 2,2–81; з киснем — 2,3–93 об'ємних %.

2 C_{2} H_{2} + 5 O_{2} \to 4 C O_{2} + 2 H_{2} O

Реакції приєднання

Взаємодія з галогенами та галогеноводнями

Ацетилен легко знебарвлює бромну воду, приєднуючи при цьому бром за місцем розриву спочатку одного, а потім і другого зв'язку з утворенням відповідно дибромоетену С₂Н₂Br₂, а потім тетрабромоетану С₂Н₂Br₄:

У присутності гідроксиду натрію може також вступати у реакції заміщення з бромом:

H C \equiv C H + B r_{2} \overset{N a O H, - H B r}{\to} H C \equiv C B r + B r_{2} \overset{N a O H, - H B r}{\to} B r C \equiv C B r

При взаємодії з хлороводнем у присутності каталізатора ацетилен утворює вінілхлорид СН₂=CHCl:

Ця реакція має велике практичне значення, оскільки вінілхлорид широко використовується для одержання полімерних матеріалів.

Приєднання карбонільних сполук

При приєднанні карбонільних сполук утворюються спирти. В цій реакції, на відміну від інших реакцій приєднання, потрійний зв'язок залишається. З формальдегідом утворює пропінол, а далі — 2-бутин-1,4-діол:

H C \equiv C H + H_{2} C O ⟶ H C \equiv C - C H_{2} - O H + H_{2} C O ⟶ H O - C H_{2} - C \equiv C - C H_{2} - O H

При взаємодії з іншими альдегідами утворює вторинні спирти, а з кетонами — третинні:

H C \equiv C H + R - C H O ⟶ H C \equiv C - C H (R) - O H

H C \equiv C H + R_{2} C O ⟶ H C \equiv C - C R_{2} - O H

Приєднання кислот

Ацетилен може приєднувати карбонові кислоти, утворюючи естери вінілового спирту. Каталізатором у цій реакції є солі ртуті(II) та міді(I):

H C \equiv C H + H - O - C O - C H_{3} \overset{H g}{\to} C H_{2} = C H - O - C O - C H_{3}

Вінілацетат, який утворюється при взаємодії ацетилену з оцтовою кислотою, використовується для отримання полівінілацетату (ПВА) — полімеру з широким застосуванням.

Вінілові естери, що утворюються при цій реакції, здатні ще приєднувати карбонові кислоти з утворенням діестерів — ацеталів:

Гідрування

У присутності порошку нікелю як каталізатора ацетилен легко вступає і в реакцію гідрування. При цьому, як і у випадку галогенування, реакція відбувається у дві стадії. Спочатку утворюється етилен, а потім етан:

H - C \equiv C - H + H_{2} \overset{N i}{\to} C H_{2} = C H_{2}

C H_{2} = C H_{2} + H_{2} ⟶ C H_{3} - C H_{3}

Взаємодія зі спиртами

В присутності алкоголятів взаємодіє зі спиртами, утворюючи етери:

H C \equiv C H + R O H \overset{R O N a}{\to} H_{2} C = C H - O - R

Механізм реакції такий: спочатку алкоголят розпадається на $R - O^{-}$ та $N a^{+}$ . Потім $R - O^{-}$ приєднується до молекули ацетилену, утворюючи карбоаніон та іон металу, а від молекули спирту відщеплюється протон, який приєднується до карбоаніона. $R - O^{-}$ , що залишився від спирту, взаємодіє з новою молекулою ацетилену, і реакція повторюється.

При взаємодії ацетилену зі спиртами та монооксидом вуглецю утворюються естери — акрилати:

H C \equiv C H + R O H + C O ⟶ H_{2} C = C H - C O - O - R

Полімеризацією метилакрилату, який утворюється у цій реакції (якщо там метанол) отримають поліметилакрилат.

Гідратація

Ацетилен вступає також у реакцію гідратації з утворенням етаналю:

H C \equiv C H + H_{2} O ⟶ C H_{3} - C H O

Каталізатором у цій реакції є розчин сульфату ртуті у 10 % сульфатній кислоті. Спочатку іон Hg²⁺ перетворюється на Hg⁺, а H₂O — на H₂O⁺. Ці іони приєднуються до потрійного зв'язку з утворенням $H g^{+} - C H = C H - O^{+} H_{2}$ . Потім протон відщеплюється і знову приєднується у вигляді атома водню на місце іона ртуті, залишаючи каталізатор:

H g^{+} - C H = C H - O H + H^{+} ⟶ H - C H = C H - O H + H g^{2 +}

.

Далі, завдяки кето-енольній таутомерії, отриманий вініловий спирт перетворюється на етаналь:

H_{2} C = C H - O H \overset{- ⇀}{↽} H_{3} C - C H = O

.

Інші реакції приєднання

Також приєднує синильну кислоту з утворенням акрилонітрилу:

H C \equiv C H + H C N ⟶ H_{2} C = C H - C N

Взаємодія з металами

Внаслідок високої електронегативності вуглецю в стані sp³-гібридизації атоми водню в ацетилені є рухливими, тобто ацетилен є слабкою кислотою. При пропусканні ацетилену у розчини солей перехідних металів випадає осад ацетиленидів металів, наприклад ацетиленід срібла.

Полімеризація

Шаблон:Main У присутності CuCl в кислому середовищі може димеризуватися з утворенням вінілацетилену. При цьому утворюється побічний продукт — дивінілацетилен:

2 H C \equiv C H \overset{H^{+}, C u C l}{\to} H_{2} C = C H - C \equiv C H

H_{2} C = C H - C \equiv C H + H C \equiv C H ⟶ H_{2} C = C H - C \equiv C - C H = C H_{2}

При нагріванні до 450 °C у присутності активованого вугілля циклотримеризується з утворенням бензену:

При нагріванні до 100 °C циклотетрамеризується з утворенням октатетраєну (реакція проходить аналогічно тримеризації, але в ній беруть участь чотири молекули).

У присутності радикальних ініціаторів або металоорганічних каталізаторів полімеризується у полієн:

n H C \equiv C H ⟶ (- C H = C H -) n

Застосування

Головною галуззю застосування ацетилену є хімічна промисловість. Ацетилен служить вихідною сировиною для синтезу таких важливих хімічних продуктів, як пластмаси, бензол, ацетатна кислота і ін. У техніці значні кількості ацетилену використовуються при автогенному зварюванні і різанні металів.

Примітки

Шаблон:Reflist

Див. також

Реакція Кучерова

Джерела

Шаблон:Commons

Хімія / Ф. А. Деркач. — Львів: Видавництво Львівського держуніверситету, 1968.
Шемчук Л. М. Ацетиленові вуглеводні // Фармацевтична енциклопедія Шаблон:Webarchive
Ластухін Ю. О., Воронов С. А. Органічна хімія. — 3-є. — Львів: Центр Європи, 2006. — 864 с. — ISBN 966-7022-19-6.
Глосарій термінів з хімії // Й.Опейда, О.Швайка. Інститут фізико-органічної хімії та вуглехімії ім. Л. М. Литвиненка НАН України, Донецький національний університет — Донецьк: «Вебер», 2008. — 758 с. ISBN 978-966-335-206-0

Посилання

Ацетилен Шаблон:Webarchive // ВУЕ

Шаблон:Алкіни

Ацетилен

Зміст

Фізичні властивості

Будова

Отримання