-->
|
|
|
Õèìèÿ 10 êëàññ. Ãàáðèåëÿí §12. ÀëêèíûÑòðîåíèå àëêèíîâ
Îðáèòàëè àòîìîâ óãëåðîäà, ìåæäó êîòîðûìè îáðàçîâàíà òðîéíàÿ ñâÿçü (ðèñ. 21), íàõîäÿòñÿ â ñîñòîÿíèè sp-ãèáðèäèçàöèè. Ýòî îçíà÷àåò, ÷òî â ãèáðèäèçàöèè ó÷àñòâóåò îäíà s- è îäíà ð-îðáèòàëü, à äâå ð-îðáèòàëè îñòàþòñÿ íåãèáðèäèçîâàííûìè. Ïåðåêðûâàíèå ãèáðèäíûõ îðáèòàëåé ïðèâîäèò ê îáðàçîâàíèþ σ-ñâÿçè, à çà ñ÷¸ò íåãèáðèäèçîâàííûõ ð-îðáèòàëåé ñîñåäíèõ àòîìîâ
óãëåðîäà îáðàçóþòñÿ äâå π-ñâÿçè. Òàêèì îáðàçîì, òðîéíàÿ ñâÿçü ñîñòîèò èç îäíîé σ- è äâóõ òñ-ñâÿçåé. Âñå ãèáðèäíûå îðáèòàëè àòîìîâ, ìåæäó êîòîðûìè îáðàçîâàíà òðîéíàÿ ñâÿçü, à òàêæå çàìåñòèòåëè ïðè íèõ (â ñëó÷àå ýòèíà — àòîìû âîäîðîäà) ëåæàò íà îäíîé ïðÿìîé, à ïëîñêîñòè π-ñâÿçåé ïåðïåíäèêóëÿðíû äðóã äðóãó (ñì. ðèñ. 6, á). Òðîéíàÿ óãëåðîä-óãëåðîäíàÿ ñâÿçü, äëèíà êîòîðîé 0,12 íì, êîðî÷å äâîéíîé. Ýíåðãèÿ òðîéíîé ñâÿçè áîëüøå, ò. å. îíà ÿâëÿåòñÿ áîëåå ïðî÷íîé. Ãîìîëîãè÷åñêèé ðÿä ýòèíàÍåðàçâåòâë¸ííûå àëêèíû ñîñòàâëÿþò ãîìîëîãè÷åñêèé ðÿä ýòèíà (àöåòèëåíà): Ñ2Í2 — ýòèí, Ñ3Í4 — ïðîïèí, Ñ4Í6 — áóòèí, Ñ5Í8 — ïåíòèí, Ñ6Í10 — ãåêñèí è ò. ä. Èçîìåðèÿ è íîìåíêëàòóðà àëêèíîâÄëÿ àëêèíîâ, êàê è äëÿ àëêåíîâ, õàðàêòåðíà ñòðóêòóðíàÿ èçîìåðèÿ: óãëåðîäíîãî ñêåëåòà è ïîëîæåíèÿ êðàòíîé ñâÿçè. Ïðîñòåéøèé àëêèí, äëÿ êîòîðîãî õàðàêòåðíû ñòðóêòóðíûå èçîìåðû ïîëîæåíèÿ êðàòíîé ñâÿçè, — ýòî áóòèí.
Èçîìåðèÿ óãëåðîäíîãî ñêåëåòà ó àëêèíîâ âîçìîæíà, íà÷èíàÿ ñ ïåíòèíà.
Òàê êàê òðîéíàÿ ñâÿçü ïðåäïîëàãàåò ëèíåéíîå ñòðîåíèå óãëåðîäíîé öåïè, ãåîìåòðè÷åñêàÿ (öèñ-, òðàíñ ) èçîìåðèÿ â ñëó÷àå àëêèíîâ íåâîçìîæíà. Íàëè÷èå òðîéíîé ñâÿçè â ìîëåêóëàõ óãëåâîäîðîäîâ ýòîãî êëàññà îòðàæàåòñÿ ñóôôèêñîì -èí, à å¸ ïîëîæåíèå â öåïè — íîìåðîì àòîìà óãëåðîäà. Íàïðèìåð:
Àëêèíàì èçîìåðíû ñîåäèíåíèÿ íåêîòîðûõ äðóãèõ êëàññîâ. Òàê, õèìè÷åñêóþ ôîðìóëó Ñ6Í10 èìåþò ãåêñèí (àëêèí), ãåêñàäèåí (àëêàäèåí) è öèêëîãåêñåí (öèêëîàëêåí).
Ïîëó÷åíèå àëêèíîâÌåòàíîâûé ñïîñîá. Îñíîâíûì ïðîìûøëåííûì ñïîñîáîì ïîëó÷åíèÿ àöåòèëåíà ÿâëÿåòñÿ ïèðîëèç ìåòàíà è åãî áëèæàéøèõ ãîìîëîãîâ.  êà÷åñòâå ñûðüÿ èñïîëüçóåòñÿ ïðèðîäíûé ãàç.  1868 ã. ôðàíöóçñêèé õèìèê Ì. Áåðòëî ïîëó÷èë àöåòèëåí, ïðîïóñêàÿ ÷åðåç ìåòàí ýëåêòðè÷åñêèé ðàçðÿä:
Ïðè òåìïåðàòóðå 1500 °Ñ àöåòèëåí ÿâëÿåòñÿ ïðîìåæóòî÷íûì ïðîäóêòîì ðàçëîæåíèÿ ìåòàíà äî óãëåðîäà è âîäîðîäà, ïîýòîìó îñíîâíîé òåõíîëîãè÷åñêèé ïðè¸ì ïðîöåññà çàêëþ÷àåòñÿ â áûñòðîì âûâîäå àöåòèëåíà èç ñôåðû ðåàêöèè è åãî îõëàæäåíèè. Îäíèì èç âàðèàíòîâ ìåòàíîâîãî ìåòîäà ñèíòåçà àöåòèëåíà ÿâëÿåòñÿ îêèñëèòåëüíûé ïèðîëèç ïðèðîäíîãî ãàçà (ðèñ. 22). Îñîáåííîñòü ýòîãî ìåòîäà ñîñòîèò â òîì,
÷òî â ðåàêòîð ââîäèòñÿ ðàñ÷¸òíîå êîëè÷åñòâî êèñëîðîäà:
Ïîìèìî àöåòèëåíà â êà÷åñòâå ïðîäóêòîâ ðåàêöèè îáðàçóåòñÿ îêñèä óãëåðîäà (II) è âîäîðîä, êîòîðûå ìîãóò áûòü èñïîëüçîâàíû äëÿ ñèíòåçà ñïèðòîâ èëè ñèíòåòè÷åñêîãî áåíçèíà. Êàðáèäíûé ñïîñîá. Äàâíî èçâåñòíûì è äîñòàòî÷íî óäîáíûì ñïîñîáîì ïîëó÷åíèÿ ýòèíà ÿâëÿåòñÿ ãèäðîëèç (îáìåííîå âçàèìîäåéñòâèå âåùåñòâ ñ âîäîé) íåêîòîðûõ êàðáèäîâ, íàïðèìåð êàðáèäà êàëüöèÿ: ÑàÑ2 + 2Í2O → Ñà(ÎÍ)2 + C2H2 ↑ . Êàðáèä êàëüöèÿ ïîëó÷àþò âçàèìîäåéñòâèåì îêñèäà êàëüöèÿ, îáðàçîâàâøåãîñÿ ïðè îáæèãå (òåðìè÷åñêîì ðàçëîæåíèè) êàðáîíàòà êàëüöèÿ, ñ óãëåì:
Äåãèäðîãàëîãåíèðîâàíèå. Ïðè âîçäåéñòâèè íà äèáðîìïðîèçâîäíîå, â êîòîðîì àòîìû ãàëîãåíîâ íàõîäÿòñÿ ïðè ñîñåäíèõ àòîìàõ óãëåðîäà (èëè ïðè îäíîì è òîì æå àòîìå), ñïèðòîâîãî ðàñòâîðà ù¸ëî÷è ïðîèñõîäèò îòùåïëåíèå äâóõ ìîëåêóë ãàëîãåíîâîäîðîäà (äåãèäðîãàëîãåíèðîâàíèå) è îáðàçîâàíèå òðîéíîé ñâÿçè:
Ôèçè÷åñêèå ñâîéñòâà àëêèíîâÐåàêöèè ïðèñîåäèíåíèÿÀëêèíû îòíîñÿòñÿ ê íåïðåäåëüíûì ñîåäèíåíèÿì è âñòóïàþò â ðåàêöèè ïðèñîåäèíåíèÿ.  îñíîâíîì ýòî ðåàêöèè ýëåêòðîôèëüíîãî ïðèñîåäèíåíèÿ. Ãàëîãåíèðîâàíèå (ïðèñîåäèíåíèå ìîëåêóëû ãàëîãåíà). Àëêèí ñïîñîáåí ïðèñîåäèíèòü äâå ìîëåêóëû ãàëîãåíà (õëîðà, áðîìà):
Ãèäðîãàëîãåíèðîâàíèå (ïðèñîåäèíåíèå ãàëîãåíîâîäîðîäà). Ðåàêöèÿ ïðèñîåäèíåíèÿ ãàëîãåíîâîäîðîäà, ïðîòåêàþùàÿ ïî ýëåêòðîôèëüíîìó ìåõàíèçìó, òàêæå èä¸ò â äâå ñòàäèè, ïðè÷¸ì íà îáåèõ ñòàäèÿõ âûïîëíÿåòñÿ ïðàâèëî Ìàðêîâíèêîâà:
Ðàññìîòðèì, ïî÷åìó áðîìîâîäîðîä ïðèñîåäèíÿåòñÿ ê àëêèíàì â ñîîòâåòñòâèè ñ ïðàâèëîì Ìàðêîâíèêîâà. Ïðåäïî÷òèòåëüíîå ïðèñîåäèíåíèå êàòèîíà âîäîðîäà (ýëåêòðîôèëüíîé ÷àñòèöû) ê áîëåå ãèäðèðîâàííîìó àòîìó óãëåðîäà îïðåäåëÿåòñÿ áîëüøåé óñòîé÷èâîñòüþ êàòèîíà ×òîáû îïðåäåëèòü íàïðàâëåíèå ïðèñîåäèíåíèÿ âòîðîé ìîëåêóëû áðîìîâîäîðîäà, ñðàâíèì óñòîé÷èâîñòü ñëåäóþùèõ êàðáîêàòèîíîâ:
×àñòèöà (à) îêàçûâàåòñÿ áîëåå óñòîé÷èâîé, òàê êàê îíà ñòàáèëèçèðóåòñÿ äâóìÿ ïîëîæèòåëüíûìè èíäóêòèâíûìè ýôôåêòàìè ìåòèëüíûõ ãðóïï. Êðîìå òîãî, àòîì áðîìà îáëàäàåò ïîëîæèòåëüíûì ìåçîìåðíûì ýôôåêòîì (îðáèòàëü ñ íåïîäåë¸ííîé ýëåêòðîííîé ïàðîé áðîìà ïåðåêðûâàåòñÿ ñ íåçàïîëíåííîé îðáèòàëüþ àòîìà óãëåðîäà), êîòîðûé ìîæåò ïðîÿâèòüñÿ òîëüêî â òîì ñëó÷àå, åñëè àòîì áðîìà ïðèñîåäèí¸í íåïîñðåäñòâåííî ê àòîìó óãëåðîäà, îáëàäàþùåìó íåçàïîëíåííîé îðáèòàëüþ, ò. å. íåñóùåìó ïîëîæèòåëüíûé çàðÿä:
Ãèäðàòàöèÿ (ïðèñîåäèíåíèå âîäû). Áîëüøîå çíà÷åíèå äëÿ ïðîìûøëåííîãî ñèíòåçà êåòîíîâ è àëüäåãèäîâ èìååò ðåàêöèÿ ïðèñîåäèíåíèÿ âîäû (ãèäðàòàöèÿ), êîòîðóþ íàçûâàþò ðåàêöèåé Êó÷åðîâà:
Âîäà ïðèñîåäèíÿåòñÿ ê àöåòèëåíó â ïðèñóòñòâèè ñîëåé ðòóòè (II) â êèñëîé ñðåäå ñ îáðàçîâàíèåì íåïðåäåëüíîãî ñïèðòà — åíîëà:
Ïîëó÷èâøèéñÿ åíîë íåìåäëåííî ïðåâðàùàåòñÿ â àëüäåãèä:
ßâëåíèå âçàèìîïðåâðàùåíèÿ åíîëîâ è àëüäåãèäîâ (åíîëîâ è êåòîíîâ) íàçûâàåòñÿ êåòî-åíîëüíîé òàóòîìåðèåé è áóäåò áîëåå ïîäðîáíî ðàññìîòðåíî â § 19 «Àëüäåãèäû è êåòîíû». Àëüäåãèä îáðàçóåòñÿ òîëüêî ïðè ãèäðàòàöèè ýòèíà.  ñëó÷àå àëêèíîâ ñ áîëåå äëèííîé öåïüþ â ñîîòâåòñòâèè ñ ïðàâèëîì Ìàðêîâíèêîâà áóäåò ïðîèñõîäèòü îáðàçîâàíèå åíîëà ñ ãèäðîêñèãðóïïîé ïðè ìåíåå ãèäðèðîâàííîì àòîìå óãëåðîäà (âîäîðîä ïðèñîåäèíÿåòñÿ ê êðàéíåìó àòîìó óãëåðîäíîé öåïè). Òàêèå åíîëû ïðåâðàùàþòñÿ â êåòîíû:
Ãèäðèðîâàíèå àëêèíîâ. Àëêèíû ïðèñîåäèíÿþò âîäîðîä â ïðèñóòñòâèè ìåòàëëè÷åñêèõ êàòàëèçàòîðîâ (Pt, Pd, Ni):
Òàê êàê òðîéíàÿ ñâÿçü ñîäåðæèò äâå ðåàêöèîííîñïîñîáíûå π-ñâÿçè, àëêèíû ïðèñîåäèíÿþò âîäîðîä â äâå ñòóïåíè. Òðèìåðèçàöèÿ àëêèíîâÏðè ïðîïóñêàíèè ýòèíà íàä àêòèâèðîâàííûì óãëåì îáðàçóåòñÿ ñìåñü ïðîäóêòîâ, îäíèì èç êîòîðûõ ÿâëÿåòñÿ áåíçîë:
Âïåðâûå ïîäîáíóþ ðåàêöèþ â 1866 ã. îñóùåñòâèë Ì. Áåðòëî. Ïðè íàãðåâàíèè àöåòèëåíà äî 600 °Ñ åìó óäàëîñü ïîëó÷èòü íåáîëüøîå êîëè÷åñòâî áåíçîëà. Ñïóñòÿ 60 ëåò ðóññêèé õèìèê Í. Ä. Çåëèíñêèé (1861—1953) îáíàðóæèë, ÷òî êàòàëèçàòîðîì äàííîé ðåàêöèè ÿâëÿåòñÿ óãëåðîä (àêòèâèðîâàííûé óãîëü). Äàæå ïðè áîëåå íèçêîé òåìïåðàòóðå â ïðèñóòñòâèè àêòèâèðîâàííîãî óãëÿ ñêîðîñòü ðåàêöèè çíà÷èòåëüíî âîçðàñòàëà, à âûõîä áåíçîëà óâåëè÷èâàëñÿ äî 90%. Ñ òåõ ïîð ýòà ðåàêöèÿ íîñèò èìÿ Çåëèíñêîãî. Äèìåðèçàöèÿ àëêèíîâÏîìèìî òðèìåðèçàöèè àöåòèëåíà, âîçìîæíà åãî äèìåðèçàöèÿ. Ïîä äåéñòâèåì ñîëåé ìåäè (I) îáðàçóåòñÿ âèíèëàöåòèëåí.
Ýòî âåùåñòâî èñïîëüçóåòñÿ äëÿ ïîëó÷åíèÿ õëîðîïðåíà:
ïîëèìåðèçàöèåé êîòîðîãî ïîëó÷àþò õëîðîïðåíîâûé êàó÷óê:
Îêèñëåíèå àëêèíîâÝòèí (àöåòèëåí) ãîðèò â êèñëîðîäå ñ âûäåëåíèåì áîëüøîãî êîëè÷åñòâà òåïëîòû:
Íà ýòîé ðåàêöèè îñíîâàíî äåéñòâèå êèñëîðîä-àöåòèëåíîâîé ãîðåëêè, ïëàìÿ êîòîðîé èìååò î÷åíü âûñîêóþ òåìïåðàòóðó (áîëåå 3000 °Ñ), ÷òî ïîçâîëÿåò èñïîëüçîâàòü å¸ äëÿ ðåçêè è ñâàðêè ìåòàëëîâ (ðèñ. 23). Íà âîçäóõå àöåòèëåí ãîðèò êîïòÿùèì ïëàìåíåì, òàê êàê ñîäåðæàíèå óãëåðîäà â åãî ìîëåêóëå âûøå, ÷åì â ìîëåêóëàõ ýòàíà è ýòåíà. Àëêèíû, êàê è àëêåíû, îáåñöâå÷èâàþò ïîäêèñëåííûé ðàñòâîð ïåðìàíãàíàòà êàëèÿ. Ïðè ýòîì ïðîèñõîäèò ðàçðóøåíèå êðàòíîé ñâÿçè. Âçàèìîäåéñòâèå àëêèíîâ ñ îñíîâàíèÿìèÏðè âçàèìîäåéñòâèè ñ ñèëüíûìè îñíîâàíèÿìè (íàïðèìåð, àìèäîì íàòðèÿ) àëêèíû, ñîäåðæàùèå òðîéíóþ ñâÿçü íà êîíöå ìîëåêóëû (ò. å. àòîì âîäîðîäà, ïðèñîåäèí¸ííûé ê àòîìó óãëåðîäà â sð-ãèáðèäèçàöèè), òåðÿþò êàòèîí âîäîðîäà è îáðàçóþò ñîëè — àöåòèëåíèäû:
Òàêèì îáðàçîì, ìîæíî ñêàçàòü, ÷òî àëêèíû ïðîÿâëÿþò ñâîéñòâà êèñëîòû. Íåïîäåë¸ííàÿ ýëåêòðîííàÿ ïàðà, íàõîäÿùàÿñÿ íà ãèáðèäíîé îðáèòàëè àòîìà óãëåðîäà â ñîñòîÿíèè sp-ãèáðèäèçàöèè, ëó÷øå óäåðæèâàåòñÿ ÿäðîì, ÷åì â ñëó÷àå sð3-ãèáðèäèçàöèè, ÷òî ïðèâîäèò ê áîëåå âûñîêîé êèñëîòíîñòè àëêèíîâ. Ñïîñîáíîñòü íàõîäÿùåãîñÿ ïðè òðîéíîé ñâÿçè àòîìà âîäîðîäà çàìåùàòüñÿ íà ìåòàëë ïðèìåíÿþò äëÿ îòäåëåíèÿ àëêèíîâ ñ òðîéíîé ñâÿçüþ íà êîíöå ìîëåêóëû îò âñåõ îñòàëüíûõ àëêèíîâ:
Ñìåñü àëêèíîâ ïðîïóñêàþò ÷åðåç àììèà÷íûé ðàñòâîð îêñèäà ñåðåáðà. Îáðàçîâàâøàÿñÿ ñîëü âûïàäàåò â îñàäîê. Ÿ îòôèëüòðîâûâàþò è ðàçëàãàþò êèñëîòîé. Ñëåäóåò îòìåòèòü, ÷òî ñîëü ñåðåáðà Ñïîñîáíîñòü àöåòèëåíèäîâ ðåàãèðîâàòü ñ ãàëîãåíïðîèçâîäíûìè èñïîëüçóþò äëÿ ñèíòåçà ñëîæíûõ ñîåäèíåíèé, ñîäåðæàùèõ òðîéíóþ ñâÿçü:
Ïðèìåíåíèå àëêèíîâÀëêèíû ÿâëÿþòñÿ ñûðü¸ì äëÿ ïðîèçâîäñòâà áîëüøîãî êîëè÷åñòâà îðãàíè÷åñêèõ ñîåäèíåíèé è ìàòåðèàëîâ: àëüäåãèäîâ, êåòîíîâ, ðàñòâîðèòåëåé (òåòðàãàëîãåíýòàíîâ), èñõîäíûõ âåùåñòâ äëÿ ïîëó÷åíèÿ ñèíòåòè÷åñêèõ êàó÷óêîâ, ïîëèâèíèëõëîðèäà è äðóãèõ ïîëèìåðîâ (ðèñ. 24). Àöåòèëåí — öåííåéøåå ãîðþ÷åå ñ î÷åíü âûñîêîé òåïëîòîé ãîðåíèÿ.
1. Âîçìîæíà ëè äëÿ àëêèíîâ öèñ-, òðàíñ-èçîìåðèÿ? 2. Íàïèøèòå âñå âîçìîæíûå ôîðìóëû èçîìåðîâ óãëåâîäîðîäà ñîñòàâà Ñ5Í8, îòíîñÿùèõñÿ ê êëàññó àëêèíîâ. 3. Ïðåäëîæèòå ñïîñîáû ïîëó÷åíèÿ àöåòèëåíà èç íåîðãàíè÷åñêèõ âåùåñòâ. Íàïèøèòå óðàâíåíèÿ ñîîòâåòñòâóþùèõ ðåàêöèé. 4. Íàïèøèòå óðàâíåíèÿ ðåàêöèé, ïðè ïîìîùè êîòîðûõ ìîæíî îñóùåñòâèòü ïðåâðàùåíèÿ ïî ñõåìàì:
Íàçîâèòå âåùåñòâà À, Á è Â. 5. Ñ ïîìîùüþ êàêèõ ðåàãåíòîâ è ïðè êàêèõ óñëîâèÿõ ìîæíî ïîëó÷èòü áóòèí-2 èç áóòåíà-2? Çàïèøèòå óðàâíåíèÿ ðåàêöèé. 6. Ïî÷åìó â ðàáîòàõ, ñâÿçàííûõ ñ èñïîëüçîâàíèåì àöåòèëåíà, êàòåãîðè÷åñêè çàïðåùåíî ïðèìåíÿòü îáîðóäîâàíèå, ñîäåðæàùåå ìåäü èëè å¸ ñïëàâû (â ðåàêòîðàõ, èíñòðóìåíòàõ, êîììóíèêàöèÿõ è ò. ä.)? 7. Ïðè ïðîïóñêàíèè 19,3 ã ñìåñè ïðîïàíà, ïðîïåíà è ïðîïèíà ÷åðåç àììèà÷íûé ðàñòâîð îêñèäà ñåðåáðà âûïàëî 7,35 ã îñàäêà. Ïðè ïîëíîì ñãîðàíèè òàêîãî æå êîëè÷åñòâà èñõîäíîé ñìåñè îáðàçîâàëîñü 59,4 ã óãëåêèñëîãî ãàçà (í. ó.). Ñêîëüêî ãðàììîâ âîäû îáðàçîâàëîñü ïðè ýòîì?
8. 3,92 ë (í. ó.) ñìåñè ãàçîîáðàçíûõ àëêåíà è àëêèíà, ñîäåðæàùèõ îäèíàêîâîå ÷èñëî àòîìîâ óãëåðîäà, ìîãóò ïðèñîåäèíèòü 40 ã áðîìà. Îáðàçîâàâøàÿñÿ ïðè ýòîì ñìåñü èìååò ìàññó 47,2 ã. Îïðåäåëèòå ñòðîåíèå àëêåíà è àëêèíà, à òàêæå îáú¸ìíûå äîëè óãëåâîäîðîäîâ â èñõîäíîé ñìåñè. Îòâåò: 57,1% Ñ3Í6, 42,9% Ñ3Í4. 9. Ñîñòàâüòå óðàâíåíèÿ ðåàêöèé ãèäðèðîâàíèÿ, õëîðèðîâàíèÿ, ãèäðîáðîìèðîâàíèÿ, ãèäðàòàöèè ïðîïèíà. Ñðàâíèòå ýòè ðåàêöèè ñ àíàëîãè÷íûìè äëÿ ïðîïåíà.  ÷¸ì ñïåöèôèêà ðåàêöèè ãèäðàòàöèè àëêèíà?
|
|
|