О чём этот урок

Мы прошли путь от одинарной связи (алканы) через одну двойную (алкены) к двум двойным связям (алкадиены). Следующий логичный шаг — не количество кратных связей, а их «плотность» в одном месте: что если между двумя атомами углерода образовать не двойную, а тройную связь? Получится ацетилен и его гомологи — класс, завершающий наше знакомство с углеводородами в этом курсе.

Прежде чем начать

Опираемся на материал предыдущих уроков:

• гибридизация sp и её отличие от sp² и sp³ (урок 3);
• реакции присоединения, освоенные на алкенах, — гидрирование, галогенирование, гидрогалогенирование с правилом Марковникова (урок 8);
• общая формула ряда и межклассовая изомерия — на этот раз с алкадиенами (уроки 6 и 9);
• реакция карбида кальция с водой — вы могли встречать её раньше как пример неорганической реакции гидролиза карбида; здесь она получает новое, органическое продолжение.

Разбираемся с нуля

Что такое алкины

Алкины — углеводороды, в молекуле которых есть одна тройная связь $C\equiv C$ между соседними атомами углерода. Общая формула ряда — $C_nH_{2n-2}$.

Важно: эта формула совпадает с формулой алкадиенов из предыдущего урока — снова межклассовая изомерия (урок 6). Состав $C_4H_6$, например, соответствует и бутину, и бутадиену-1,3.

Строение тройной связи: sp-гибридизация

Атомы углерода при тройной связи находятся в состоянии sp-гибридизации (урок 3): из четырёх орбиталей атома гибридизуются только две, они образуют две σ-связи, направленные строго друг напротив друга — под углом 180°. Молекула у тройной связи поэтому линейна.

Оставшиеся две негибридные p-орбитали каждого атома расположены во взаимно перпендикулярных плоскостях и перекрываются с такими же орбиталями соседнего атома, образуя сразу две π-связи. Итого тройная связь — это одна σ-связь и две π-связи. Она короче и прочнее двойной связи в целом, но зато содержит сразу две уязвимые π-связи — и именно они делают алкины реакционноспособными, во многом похожими на алкены, но способными на большее.

Номенклатура

Название образуется от соответствующего корня (урок 5) с суффиксом -ин, а положение тройной связи указывается номером атома по тому же принципу, что и у алкенов: бутин-1 — $CH\equiv C-CH_2-CH_3$, бутин-2 — $CH_3-C\equiv C-CH_3$.

Ацетилен — родоначальник ряда

Простейший алкин — ацетилен, $CH\equiv CH$. Исторически и практически он важнее всех остальных членов ряда: при сгорании в кислороде ацетилен даёт настолько высокую температуру пламени (около 3000°C), что кислородно-ацетиленовую горелку до сих пор применяют для сварки и резки металлов.

Получают ацетилен реакцией, знакомой вам из неорганической химии — гидролизом карбида кальция:

$$CaC_2 + 2H_2O \to C_2H_2 \uparrow + Ca(OH)_2$$

Эта реакция долгое время была основным промышленным способом получения ацетилена, прежде чем появились более дешёвые методы на основе природного газа.

Химические свойства: присоединение, причём дважды

Раз в тройной связи целых две π-связи, реакции присоединения (знакомые по алкенам, урок 8) у алкинов могут пройти последовательно дважды — сначала раскрывается одна π-связь с образованием двойной связи, а затем при избытке реагента раскрывается и вторая, с образованием предельного продукта.

Гидрирование

$$CH\equiv CH + H_2 \xrightarrow{\;\text{кат.}\;} CH_2=CH_2 \xrightarrow{\;+H_2,\ \text{кат.}\;} CH_3-CH_3$$

Галогенирование

$$CH\equiv CH + Br_2 \to CHBr=CHBr \xrightarrow{\;+Br_2\;} CHBr_2-CHBr_2$$

Гидрогалогенирование

Присоединение галогеноводорода тоже идёт по правилу Марковникова (урок 8) и может пройти дважды. Практически важный пример — присоединение хлороводорода к ацетилену даёт винилхлорид, сырьё для одного из самых массовых полимеров:

$$CH\equiv CH + HCl \to CH_2=CHCl$$

Особенность терминальных алкинов: кислый водород

У алкинов, где тройная связь находится на самом конце цепи ($R-C\equiv CH$, такие алкины называют терминальными), атом водорода при тройной связи ведёт себя необычно — он слабо кислый и способен замещаться на металл. Причина — в самой природе sp-гибридной орбитали: она «теснее» удерживает электронную пару связи $C-H$ ближе к ядру углерода, чем sp²- или sp³-орбиталь, из-за чего связь $C-H$ оказывается сильнее поляризована, а атом водорода — легче отделяется в виде протона.

Благодаря этой особенности терминальные алкины реагируют с активными металлами (например, натрием) и — что особенно показательно — с аммиачными растворами солей серебра или меди(I), образуя нерастворимые осадки ацетилениды:

$$CH\equiv CH + 2[Ag(NH_3)_2]OH \to AgC\equiv CAg\downarrow + 4NH_3 + 2H_2O$$

Качественная реакция на терминальный алкин

Образование осадка ацетиленида при действии аммиачного раствора нитрата серебра — удобный качественный тест: он выпадает только у алкинов с концевой тройной связью ($\equiv CH$), а у алкинов с тройной связью внутри цепи (например, у бутина-2) кислого водорода при тройной связи нет, и осадок не образуется. Так можно быстро отличить, например, бутин-1 от бутина-2, не прибегая к более сложному анализу.

Примеры и разбор

Пример 1. Формула и межклассовые изомеры

Задача: Назовите алкин состава $C_5H_8$ и укажите, представителем какого ещё класса могло бы быть вещество с такой же формулой.

Разбор: Проверим по общей формуле $C_nH_{2n-2}$: при $n=5$ получаем $C_5H_8$ — совпадает. Значит, это может быть, например, пентин-1, $CH\equiv C-CH_2-CH_2-CH_3$. Та же формула $C_5H_8$ соответствует и алкадиенам с пятью атомами углерода (например, пентадиену) — снова межклассовая изомерия, о которой шла речь в прошлом уроке.

Вывод: совпадение общих формул алкинов и алкадиенов — не случайность отдельного примера, а системная закономерность всего ряда.

Пример 2. Получение и использование ацетилена

Задача: Рассчитайте, какой объём ацетилена (н.у.) выделится при взаимодействии карбида кальция массой 6,4 г с избытком воды.

Разбор: Молярная масса $CaC_2$ равна 64 г/моль, значит, количество вещества карбида — $6{,}4 / 64 = 0{,}1$ моль. По уравнению $CaC_2 + 2H_2O \to C_2H_2\uparrow + Ca(OH)_2$ мольное соотношение карбида и ацетилена — 1:1, значит, количество ацетилена тоже 0,1 моль. Объём газа при нормальных условиях: $0{,}1 \times 22{,}4 = 2{,}24$ л.

Вывод: реакция гидролиза карбида кальция — удобный и знакомый из неорганической химии способ количественно получить ацетилен в лаборатории.

Пример 3. Отличаем терминальный алкин

Задача: Есть два вещества состава $C_4H_6$: бутин-1 ($CH\equiv C-CH_2-CH_3$) и бутин-2 ($CH_3-C\equiv C-CH_3$). Как различить их аммиачным раствором нитрата серебра?

Разбор: У бутина-1 тройная связь находится на конце цепи, есть кислый концевой атом водорода $\equiv CH$ — с аммиачным раствором серебра образуется осадок ацетиленида. У бутина-2 тройная связь — внутри цепи, кислого концевого водорода нет, осадок не образуется.

Вывод: осадок с аммиачным раствором серебра выпадет только с бутином-1 — это и есть способ различить два изомера.

Проверьте себя

1. Из каких связей состоит тройная связь и в каком типе гибридизации находятся её атомы?
2. Почему тройная связь короче и прочнее двойной, но при этом более реакционноспособна за счёт π-связей?
3. Напишите уравнение получения ацетилена из карбида кальция и укажите, к какому типу реакций из неорганической химии оно относится.
4. Чем реакции присоединения у алкинов отличаются от таких же реакций у алкенов количественно?
5. Что делает водород терминального алкина «кислым» и как это связано с гибридизацией?
6. Как отличить лабораторно бутин-1 от бутина-2?
7. Какой алкин является родоначальником всего гомологического ряда и почему он практически важен?

Коротко о главном

• Алкины — углеводороды с тройной связью $C\equiv C$, общая формула $C_nH_{2n-2}$ (совпадает с алкадиенами — межклассовая изомерия).
• Атомы при тройной связи — sp-гибридизованы, связь линейна и состоит из одной σ- и двух π-связей.
• Название образуется суффиксом -ин с указанием номера атома тройной связи.
• Ацетилен — родоначальник ряда, получают гидролизом карбида кальция, применяют в сварке.
• Реакции присоединения (гидрирование, галогенирование, гидрогалогенирование) у алкинов могут идти дважды — сначала до алкена, затем до алкана/предельного продукта.
• У терминальных алкинов ($\equiv CH$) концевой водород слабо кислый — образует ацетилениды с активными металлами и аммиачными растворами солей серебра/меди.
• Осадок ацетиленида с аммиачным раствором $AgNO_3$ — качественная реакция именно на терминальный алкин.

Куда дальше

Мы завершили знакомство с углеводородами, у которых атомы углерода образуют открытую цепь. Но есть ещё один принципиально иной тип углеводородов — с особым, устойчивым замкнутым кольцом из шести атомов углерода, свойства которого не похожи ни на алканы, ни на алкены. Именно с него начнётся урок 11.

➡ Урок 11: Арены: бензол и ароматичность