Алкіни: етин (ацетилен)

Алкіни — це ациклічні ненасичені вуглеводні, молекули яких містять один потрійний зв'язок між атомами Карбону. Загальна формула гомологічного ряду алкінів — CₙH₂ₙ₋₂, де n ≥ 2. Найпростіший представник — етин C₂H₂, який має тривіальну назву ацетилен. Його структурна формула: H–C≡C–H.

Молекула етину має лінійну будову: усі чотири атоми (H–C≡C–H) розташовані на одній прямій, валентний кут становить 180°. Потрійний зв'язок складається з одного σ-зв'язку і двох π-зв'язків. Він коротший за подвійний зв'язок (довжина 0,120 нм проти 0,134 нм у етену) і міцніший. Етин — безбарвний газ, трохи легший за повітря (молярна маса 26 г/моль), малорозчинний у воді.

Номенклатура алкінів

За систематичною номенклатурою IUPAC назви алкінів утворюють від назв алканів заміною суфікса -ан на -ин. Потрійний зв'язок позначають номером атома Карбону, від якого він починається. Номер обирають так, щоб він був найменшим можливим. Розгляньмо приклади:

Ізомерія алкінів

Для алкінів характерна структурна ізомерія двох типів:

• ізомерія положення потрійного зв'язку — наприклад, бут-1-ин і бут-2-ин;

• ізомерія вуглецевого ланцюга — наприклад, пент-1-ин і 3-метилбут-1-ин.

Для C₄H₆ існує 2 ізомерні алкіни (бут-1-ин і бут-2-ин). Для C₅H₈ — 3 ізомери: пент-1-ин, пент-2-ин і 3-метилбут-1-ин. Важливо пам'ятати: біля атома Карбону, що бере участь у потрійному зв'язку, не може бути відгалужень, оскільки цей атом уже витратив усі чотири валентності (один σ- і два π-зв'язки з сусіднім Карбоном плюс зв'язок з іншим атомом).

Потрійний зв'язок етину містить дві π-складові, тому реакції приєднання до нього відбуваються у дві стадії. Спочатку розривається один π-зв'язок, утворюючи алкен, а потім — другий, утворюючи насичену сполуку. Це ключова відмінність від алкенів, які приєднують лише 1 моль реагенту.

Гідрування (приєднання водню)

Перша стадія: CH≡CH + H₂ → CH₂=CH₂ (етен). Для того щоб зупинити реакцію на стадії етену, використовують селективний каталізатор (наприклад, паладій, отруєний свинцем — каталізатор Ліндлара).

Друга стадія: CH₂=CH₂ + H₂ → CH₃–CH₃ (етан).

Повне гідрування (каталізатори Ni або Pt): C₂H₂ + 2H₂ → C₂H₆. Зверни увагу: 1 моль етину приєднує вдвічі більше водню, ніж 1 моль етену.

Бромування

В інертному розчиннику (наприклад, CCl₄) бромування етину також відбувається постадійно:

• CH≡CH + Br₂ → CHBr=CHBr (1,2-дибромоетен) — розчин брому знебарвлюється;

• CHBr=CHBr + Br₂ → CHBr₂–CHBr₂ (1,1,2,2-тетрабромоетан).

Етин, як і етен, знебарвлює бромну воду. Ця якісна реакція не розрізняє алкени й алкіни — обидва типи вуглеводнів дають позитивний результат.

Гідрогалогенування (приєднання HCl)

Етин — симетрична молекула, тому перше приєднання гідроген хлориду однозначно дає хлороетен (правило Марковникова стане важливим лише для приєднання другої молекули HCl, коли утворюється 1,1-дихлороетан):

CH≡CH + HCl → CH₂=CHCl — хлороетен (вінілхлорид).

Хлороетен — мономер, з якого полімеризацією одержують поліхлоровініл (ПВХ), один із найпоширеніших полімерів.

Гідратація (реакція Кучерова)

Гідратація етину відбувається в присутності каталізатора — солей Меркурію(II) — у кислому середовищі:

CH≡CH + H₂O → CH₃–CHO (етаналь).

Чому утворюється етаналь, а не етанол? Спочатку справді утворюється вініловий спирт CH₂=CHOH, але він нестійкий (група OH при sp²-гібридизованому атомі Карбону) і негайно перегруповується в етаналь (CH₃–CHO). Це не загальне правило для всіх спиртів із групою OH біля кратного зв'язку — воно стосується саме вінілових спиртів.

Часткове окиснення етину

За м'якого окиснення етину (наприклад, водним розчином KMnO₄) утворюється оксалатна (щавлева) кислота:

C₂H₂ + 4[O] → HOOC–COOH.

У лужному середовищі продукт існує у формі оксалату. Водний KMnO₄ знебарвлюється, у нейтральному або слабколужному середовищі випадає бурий осад MnO₂. За жорсткого окиснення можливий розрив зв'язку C–C, тому склад продуктів залежить від умов реакції.

Тримеризація етину

Тримеризація — це реакція, у якій три молекули етину з'єднуються в одну молекулу бензену. Реакція відбувається за нагрівання над активованим вугіллям:

3CH≡CH → C₆H₆ (бензен).

Урівнювання за атомами Карбону: зліва 3 · 2 = 6 атомів C, справа в C₆H₆ також 6 атомів C. Це один із промислових способів одержання бензену. Зверни увагу: у рівнянні беруть участь три молекули етину, а не дві.

Горіння етину

Повне згоряння етину описується рівнянням:

2C₂H₂ + 5O₂ → 4CO₂ + 2H₂O.

На повітрі етин горить кіптявим полум'ям. Причина — високий вміст Карбону в молекулі: масова частка Карбону в етині становить 92,3 %. Через нестачу кисню на повітрі частина Карбону не згоряє повністю й виділяється у вигляді сажі.

У чистому кисні етин згоряє повністю, розвиваючи температуру понад 3000 °C. Саме цю властивість використовують у киснево-ацетиленових пальниках.

Застосування етину

• Газове різання й зварювання металів — киснево-ацетиленове полум'я дає найвищу температуру серед газових пальників.

• Сировина для одержання етаналю (гідратацією за Кучеровим).

• Сировина для одержання хлороетену (вінілхлориду) — мономеру для поліхлоровінілу (ПВХ).

• Сировина для одержання бензену (тримеризацією).

Порівняння з етеном

Етин і етен мають спільні риси: обидва знебарвлюють бромну воду й розчин KMnO₄, горять, вступають у реакції приєднання. Однак є ключова відмінність: 1 моль етину приєднує до 2 моль H₂ або Br₂, тоді як 1 моль етену — лише 1 моль. Це зумовлено наявністю двох π-зв'язків у потрійному зв'язку етину проти одного π-зв'язку в подвійному зв'язку етену.

Гідроліз кальцій ацетиленіду (кальцій карбіду)

Найпоширеніший лабораторний і промисловий спосіб добування етину — взаємодія кальцій ацетиленіду (кальцій карбіду) з водою:

CaC₂ + 2H₂O → C₂H₂↑ + Ca(OH)₂.

Кальцій ацетиленід CaC₂ — неорганічна речовина, у якій Карбон перебуває у вигляді аніону C₂²⁻. Реакція з водою відбувається бурхливо, етин виділяється у вигляді газу.

Термічний розклад метану

Промисловий спосіб одержання етину з природного газу (метану) — піроліз за високої температури:

2CH₄ → C₂H₂ + 3H₂ (близько 1500 °C, швидке охолодження).

Реакція потребує дуже високої температури (близько 1500 °C) і негайного охолодження продуктів, щоб запобігти подальшому розкладу етину на прості речовини.

Дегідрування етану й етену

Етин можна добути дегідруванням (відщепленням водню) від насиченіших вуглеводнів:

• C₂H₆ → C₂H₂ + 2H₂ (каталізатор, нагрівання);

• C₂H₄ → C₂H₂ + H₂ (каталізатор, нагрівання).

Обидві реакції потребують каталізатора (наприклад, хром(III) оксиду або платини) і високої температури.

Розрахунок за рівнянням гідролізу

За рівнянням CaC₂ + 2H₂O → C₂H₂ + Ca(OH)₂ кількість речовини етину дорівнює кількості речовини кальцій ацетиленіду: n(C₂H₂) = n(CaC₂).

Молярна маса CaC₂: M(CaC₂) = 40 + 2 · 12 = 64 г/моль.

Приклад: з 32 г CaC₂ отримуємо n(CaC₂) = 32 г / 64 г/моль = 0,5 моль, отже n(C₂H₂) = 0,5 моль. Об'єм етину за нормальних умов: V(C₂H₂) = 0,5 моль · 22,4 л/моль = 11,2 л.

Приклад 1. Гідратація етину

Завдання: Під час гідратації етину в присутності солей Меркурію(II) утворюється

А етанол Б етаналь В етанова кислота Г етен

Розв'язання: Гідратація етину (реакція Кучерова) відбувається за схемою CH≡CH + H₂O → CH₃–CHO. Проміжний вініловий спирт CH₂=CHOH нестійкий і перегруповується в етаналь.

Відповідь: Б (етаналь).

Чому інші варіанти неправильні: А — етанол утворюється під час гідратації етену, а не етину; В — етанова кислота потребує окиснення, а не просто гідратації; Г — етен був би продуктом гідрування, а не гідратації.

Приклад 2. Логічні пари: реагенти — продукт

Завдання: Установіть відповідність між вихідними речовинами (і умовами) та продуктом реакції.

Вихідні речовини й умови: 1 CaC₂ + H₂O 2 C₂H₂ (активоване вугілля, t) 3 C₂H₂ + HCl (1 : 1)

Продукти: А бензен Б етаналь В хлороетан Г етин Д хлороетен

Розв'язання: 1 — CaC₂ + 2H₂O → C₂H₂↑ + Ca(OH)₂, отже продукт — етин (Г). 2 — 3C₂H₂ → C₆H₆ (тримеризація), отже продукт — бензен (А). 3 — CH≡CH + HCl → CH₂=CHCl, отже продукт — хлороетен (Д).

Відповідь: 1Г, 2А, 3Д.

Приклад 3. Розрахунок об'єму етину

Завдання: Який об'єм етину (н. у.) можна добути з 32 г кальцій ацетиленіду?

А 5,6 л Б 11,2 л В 22,4 л Г 44,8 л

Розв'язання: M(CaC₂) = 40 + 2·12 = 64 г/моль. n(CaC₂) = 32 г / 64 г/моль = 0,5 моль. За рівнянням CaC₂ + 2H₂O → C₂H₂ + Ca(OH)₂, n(C₂H₂) = n(CaC₂) = 0,5 моль. V(C₂H₂) = 0,5 моль · 22,4 л/моль = 11,2 л.

Відповідь: Б (11,2 л).

Чому інші варіанти неправильні: А (5,6 л) — помилка подвійного ділення; В (22,4 л) — узяли 1 моль замість 0,5; Г (44,8 л) — поділили молярну масу на масу (64 : 32 = 2 моль) замість маси на молярну масу.

Приклад 4. Повне бромування етину

Завдання: Яка речовина утворюється, якщо етин повністю прореагує з надлишком Br₂ в інертному розчиннику?

А 1,2-дибромоетен Б 1,1,2,2-тетрабромоетан В 1,2-дибромоетан Г бромоетан

Розв'язання: Етин приєднує бром у дві стадії. Перша: CH≡CH + Br₂ → CHBr=CHBr (1,2-дибромоетен). Друга: CHBr=CHBr + Br₂ → CHBr₂–CHBr₂ (1,1,2,2-тетрабромоетан). Оскільки Br₂ у надлишку, реакція йде до кінця.

Відповідь: Б (1,1,2,2-тетрабромоетан).

Чому інші варіанти неправильні: А (1,2-дибромоетен) — продукт лише першої стадії; В (1,2-дибромоетан) — продукт бромування етену, а не етину; Г (бромоетан) — продукт приєднання HBr до етену, не пов'язаний із бромуванням етину.

• Вважати продуктом гідратації етину етанол. Насправді утворюється етаналь (CH₃–CHO). Проміжний вініловий спирт CH₂=CHOH нестійкий і перегруповується в альдегід.

• Писати C₂H₂ + H₂ → C₂H₆, забуваючи, що до повного насичення потрібно 2 моль H₂. Правильне рівняння: C₂H₂ + 2H₂ → C₂H₆.

• Записувати кальцій ацетиленід як CaC чи Ca₂C, а продуктом гідролізу — CaO чи CH₄. Правильна формула — CaC₂, продукт — C₂H₂ і Ca(OH)₂.

• Приписувати етину загальну формулу CₙH₂ₙ (як в алкенів) чи кути 120° (як в етені). Етин має формулу CₙH₂ₙ₋₂ і лінійну будову з кутом 180°.

• Урівнювати тримеризацію як 2C₂H₂ → C₆H₆. Правильно: 3C₂H₂ → C₆H₆ — три молекули етину дають одну молекулу бензену.

• Вважати, що бромна вода розрізняє етен і етин. Її знебарвлюють обидва вуглеводні, тому ця проба не є селективною для алкінів.

Тема 3.2.3 програми НМТ з хімії охоплює: рівняння реакцій етину (приєднання водню, галогенів, гідроген галогенідів, води; тримеризація; часткове окиснення), повного окиснення алкінів і одержання етину (дегідрування етану й етену, гідроліз кальцій ацетиленіду, термічний розклад метану); застосування — газове різання і зварювання металів.

У демоваріанті НМТ-2026 алкіни — супутня тема завдання 15 (спосіб одержання бензену; вибір однієї відповіді з чотирьох, 1 бал), бо бензен одержують і тримеризацією етину.

Відповідність «реагенти — продукт» — «логічні пари» (завдання 19–20), 1 бал за кожну пару. Розрахунки за рівнянням реакції (тема 4.3) — завдання з короткою відповіддю 22–24, 0 або 2 бали, атомні маси округлюють до цілих.

Стратегія: у завданнях на приєднання до етину з'ясувати, скільки моль реагенту приєднується, — одна стадія чи дві. Якщо в умові сказано «надлишок» або «повне приєднання», реакція йде до кінця (2 моль реагенту на 1 моль етину). Якщо вказано співвідношення 1 : 1 — зупиняється на проміжному продукті.

• Алкіни — ациклічні ненасичені вуглеводні із загальною формулою CₙH₂ₙ₋₂. Найпростіший представник — етин C₂H₂ (ацетилен).

• Молекула етину лінійна: H–C≡C–H, усі чотири атоми на одній прямій, кут 180°.

• Приєднання до етину відбувається у дві стадії: 1 моль етину приєднує до 2 моль H₂ або Br₂.

• Гідратація етину (солі Меркурію(II)) дає етаналь, а не етанол (реакція Кучерова).

• Тримеризація: 3C₂H₂ → C₆H₆ (бензен).

• Горіння: 2C₂H₂ + 5O₂ → 4CO₂ + 2H₂O. У кисні полум'я понад 3000 °C — використовують для різання та зварювання металів.

• Добування: CaC₂ + 2H₂O → C₂H₂ + Ca(OH)₂; 2CH₄ → C₂H₂ + 3H₂; дегідрування етану й етену.