Молекула ацетилена имеет форму

Содержание

Химическим строением называют последовательность соединения атомов в молекуле и их расположение в пространстве. Химическое строение изображают с помощью структурных формул. Черточка изображает ковалентную химическую связь. Если связь кратная: двойная, тройная, — то ставят две (не путать со знаком «равно») или три черточки. Углы между связями изображают по возможности.

Чтобы правильно составлять структурные формулы органических веществ, нужно помнить, что атомы углерода образуют по 4 связи

Метан (его также называют болотный, рудничный газ) состоит из одного атома углерода, связанного ковалентными связями с четырьмя атомами водорода. Молекулярная формула CH4. Структурная формула:
H
l
H – C – H
l
H

Угол между связями в молекуле метана составляет около 109° — электронные пары, образующие ковалентные связи атома углерода (в центре) с атомами водорода, располагаются в пространстве на максимальном удалении друг от друга.

В 10–11 классах изучается, что молекула метана имеет форму треугольной пирамиды — тетраэдра, подобно знаменитым египетским пирамидам.

Этилен C2H4 содержит два атома углерода, соединенных двойной связью:

Угол между связями составляет 120° (электронные пары отталкиваются и располагаются на максимальном расстоянии друг от друга). Атомы располагаются в одной плоскости.

Если не изображать отдельно каждый атом водорода, то получаем сокращенную структурную формулу:

Ацетилен C2H2 содержит тройную связь:
H – C ≡ C – H

Угол между связями 180°, молекула имеет линейную форму.

При горении углеводородов образуются оксиды углерода (IV) и водорода, т. е. углекислый газ и вода, при этом выделяется много тепла:

2C2H2 + 5O2 → 4CO2 + 2H2O (в уравнении с ацетиленом перед формулой ацетилена ставим коэффициент 2, чтобы число атомов кислорода в правой части было чётным)

Большое практическое значение имеет реакция полимеризации этилена — соединение большого числа молекул с образованием макромолекул полимера — полиэтилена. Связи между молекулами образуются за счет разрыва одной из связей двойной связи. В общем виде это можно записать так:

где n — число соединившихся молекул, называемое степенью полимеризации. Реакция происходит при повышенном давлении и температуре, в присутствии катализатора.

Из полиэтилена изготавливают пленку для парников, покрышки для банок и пр.

Образование бензола из ацетилена тоже относят к реакциям полимеризации:

Особенности строения ацетилена влияют на его свойства, получение и применение. Условное обозначение состава вещества — С2Н2 — это его простейшая и брутто-формула. Ацетилен образован двумя атомами углерода, между которыми возникает тройная связь. Ее наличие отражают разные виды формул и моделей молекулы этина, позволяющих разобраться в проблеме влияния строения на свойства вещества.

Алкины. Общая формула. Ацетилен

Углеводороды алкины, или ацетиленовые, являются ациклическими, непредельными. Цепочка атомов углерода — не замкнутая, в ней присутствуют простые и кратные связи. Состав алкинов отражает сводная формула CnH2n – 2. В молекулах веществ этого класса присутствует одна или несколько тройных связей. Ацетиленовые соединения относятся к ненасыщенным. Это означает, что только одна валентность углерода реализуется за счет водорода. Оставшиеся три связи используются при взаимодействии с другими атомами углерода.

Первый – и наиболее известный представитель алкинов – ацетилен, или этин. Тривиальное название вещества произошло от латинского слова «acetum» — «уксус» и греческого — «hyle» — «дерево». Родоначальник гомологического ряда был открыт в 1836 году в химических опытах, позже вещество синтезировали из угля и водорода Э. Дэви и М. Бертло (1862 год). При обычной температуре и нормальном атмосферном давлении ацетилен находится в газообразном состоянии. Это бесцветный газ, без запаха, малорастворимый воде. Этин легче растворяется в этаноле и ацетоне.

Молекулярная формула ацетилена

Этин — простейший член своего гомологического ряда, его состав и строение отражают формулы:

  1. С2Н2 — молекулярная запись состава этина, которая дает представление о том, что вещество образовано двумя углеродными атомами и таким же числом атомов водорода. По этой формуле можно рассчитать молекулярную и молярную массы соединения. Mr (С2Н2) = 26 а. е. м., М (С2Н2) = 26,04 г/моль.
  2. Н:С. С:Н — электронно-точечная формула ацетилена. Подобные изображения, получившие название «структуры Льюиса», отражают электронное строение молекулы. При написании необходимо соблюдать правила: атом водорода стремится при образовании химической связи обладать конфигурацией валентной оболочки гелия, другие элементы — октетом внешних электронов. Каждое двоеточие означает общую для двух атомов или неподеленную пару электронов внешнего энергетического уровня.
  3. H—C≡C—H — структурная формула ацетилена, отражающая порядок и кратность связей между атомами. Одна черточка заменяет собой одну пару электронов.
Читайте также:  Получение буры из борной кислоты

Модели молекулы ацетилена

Формулы, показывающие распределение электронов, послужили фундаментом для создания атомно-орбитальных моделей, пространственных формул молекул (стереохимических). Еще в конце XVIII века получили распространение шаростержневые модели – например, шарики разного цвета и размера, обозначающие углерод и водород, которые образуют ацетилен. Структурная формула молекулы представлена в виде стержней, символизирующих химические связи и их количество у каждого атома.

Шаростержневая модель ацетилена воспроизводит валентные углы, равные 180°, но межъядерные расстояния в молекуле отражаются приблизительно. Пустоты между шариками не создают представления о заполнении пространства атомов электронной плотностью. Недостаток устранен в моделях Дрейдинга, обозначающих ядра атомов не шариками, а точками присоединения стержней друг к другу. Современные объемные модели дают более яркое представление об атомных и молекулярных орбиталях.

Гибридные атомные орбитали ацетилена

Углерод в возбужденном состоянии содержит три р-орбитали и одну s с неспаренными электронами. При образовании метана (СН4) они принимают участие в создании равноценных связей с атомами водорода. Известный американский исследователь Л. Полинг разработал учение о гибридном состоянии атомных орбиталей (АО). Объяснение поведения углерода в химических реакциях заключается в выравнивании АО по форме и энергии, образовании новых облаков. Гибридные орбитали дают более прочные связи, становится устойчивее формула.

Атомы углерода в молекуле ацетилена, в отличие от метана, подвергаются sp-гибридизации. По форме и энергии смешиваются s- и р электроны. Появляются две sp-орбитали, лежащие под углом 180°, направленные по разные стороны от ядра.

Тройная связь

В ацетилене гибридные электронные облака углерода участвуют в создании σ-связей с такими же соседними атомами и с водородом в парах С—Н. Остаются две перпендикулярные друг другу негибридные p-орбитали. В молекуле этина они участвуют в образовании двух π-связей. Вместе с σ возникает тройная связь, которую отражает структурная формула. Ацетилен отличается от этана и этилена расстоянием между атомами. Тройная связь короче двойной, но обладает большим запасом энергии, является более прочной. Максимальная плотность σ- и π-связей расположена в перпендикулярных областях, что приводит к образованию цилиндрического электронного облака.

Особенности химической связи в ацетилене

Молекула этина имеет линейную форму, что удачно отражает химическая формула ацетилена — H—C≡C—H. Атомы углерода и водорода находятся вдоль одной прямой, между ними возникают 3 σ- и 2 π-связи. Свободное движение, вращение вдоль оси C—C невозможно, этому препятствует наличие кратных связей. Другие особенности тройной связи:

  • количество пар электронов, связывающих два атома углерода, — 3;
  • длина — 0,120 нм;
  • энергия разрыва — 836 кДж/моль.

Для сравнения: в молекулах этана и этилена длина одинарной и двойной химической связи — 1,54 и 1,34 нм соответственно, энергия разрыва С—С составляет 348 кДж/моль, C=C — 614 кДж/моль.

Гомологи ацетилена

Ацетилен — простейший представитель алкинов, в молекулах которых также присутствует тройная связь. Пропин СН3С≡СН — гомолог ацетилена. Формула третьего представителя алкинов — бутина-1 — СН3СН2С≡СН. Ацетилен — тривиальное название этина. Систематическая номенклатура алкинов подчиняется правилам ИЮПАК:

  • в линейных молекулах указывается название основной цепи, возникшее от греческого числительного, к которому добавляется суффикс -ин и номер атома при тройной связи, например, этин, пропин, бутин-1;
  • нумерацию главной цепочки атомов начинают с конца молекулы, ближайшего к тройной связи;
  • для разветвленных углеводородов сначала идет наименование бокового ответвления, затем следует название главной цепочки атомов с суффиксом -ин.
  • заключительная часть наименования — цифра, указывающая расположение в молекуле тройной связи, например, бутин-2.

Изомерия алкинов. Зависимость свойств от строения

Этин и пропин не имеют изомеров положения тройной связи, они появляются, начиная с бутина. Изомеры углеродного скелета есть у пентина и следующих за ним гомологов. Относительно тройной связи не проявляется пространственная изомерия ацетиленовых углеводородов.

Первые 4 гомолога этина — газы, плохо растворимые в воде. Ацетиленовые углеводороды C5 – C15 — жидкости. Твердыми веществами являются гомологи этина, начиная с углеводорода C17. Химическая природа алкинов испытывает значительное влияние тройной связи. Углеводороды этого типа активнее, чем этиленовые, присоединяют различные частицы. На этом свойстве основано широкое применение этина в промышленности и технике. При горении ацетилена выделяется большое количество теплоты, что находит применение в газовой резке и сварке металлов.

Читайте также:  Как подключить зарядник к аккумулятору автомобиля
Ацетилен
Общие
Систематическое
наименование
Этин
Традиционные названия Ацетилен
Хим. формула C2H2
Рац. формула HCCH
Физические свойства
Молярная масса 26,038 [1] г/моль
Плотность 1,0896 г/л
Энергия ионизации 11,4 ± 0,1 эВ [2]
Термические свойства
Т. плав. -80,8 1277 мм Hg °C
Т. субл. −119 ± 1 °F [2]
Т. кип. −83,6 °C
Т. свспл. 335 °C
Пр. взрв. 2,5 ± 0,1 об.% [2]
Тройная точка −80,55
Кр. точка 35,2°С; 6,4 МПа
Мол. теплоёмк. 44,036 Дж/(моль·К)
Энтальпия образования +226,88 кДж/моль
Энтальпия сгорания –1302 кДж/моль
Давление пара 44,2 ± 0,1 атм [2]
Химические свойства
pKa 25
Растворимость в воде 100 18 мл/100 мл
Растворимость в этаноле 600 18 мл/100 мл
Структура
Гибридизация sp
Классификация
Рег. номер CAS 74-86-2
PubChem 6326
Рег. номер EINECS 200-816-9
SMILES
RTECS AO9600000
ChEBI 27518
Номер ООН 1001
ChemSpider 6086
Безопасность
Токсичность

Приводятся данные для стандартных условий (25 °C, 100 кПа), если не указано иного.

Содержание

Получение [ править | править код ]

В лаборатории [ править | править код ]

В лаборатории, а также в газосварочном оборудовании, ацетилен получают действием воды на карбид кальция [3] (Ф. Вёлер, 1862 год) [4] :

C a C 2 + 2 H 2 O → C a ( O H ) 2 + C 2 H 2 ↑ <displaystyle <mathsf <2>+2H_<2>O
ightarrow Ca(OH)_<2>+C_<2>H_<2>uparrow >>>

а также при дегидрировании двух молекул метана при температуре свыше 1400 °C:

2 C H 4 → C 2 H 2 + 3 H 2 <displaystyle <mathsf <2CH_<4>
ightarrow C_<2>H_<2>+3H_<2>>>>

В промышленности [ править | править код ]

В промышленности ацетилен получают гидролизом карбида кальция и пиролизом углеводородного сырья — метана или пропана с бутаном. В последнем случае ацетилен получают совместно с этиленом и примесями других углеводородов. Карбидный метод позволяет получать очень чистый ацетилен, но требует высокого расхода электроэнергии. Пиролиз существенно менее энергозатратен, т.к. для нагрева реактора используется сгорание того же рабочего газа во внешнем контуре, но в газовом потоке продуктов концентрация самого ацетилена низка. Выделение и концентрирование индивидуального ацетилена в таком случае представляет сложную задачу. Экономические оценки обоих методов многочисленны, но противоречивы [5] [:стр. 274] .

Получение пиролизом [ править | править код ]

Электрокрекинг [ править | править код ]

Метан превращают в ацетилен и водород в электродуговых печах (температура 2000—3000 °С, напряжение между электродами 1000 В). Метан при этом разогревается до 1600 °С. Расход электроэнергии составляет около 13000 кВт•ч на 1 тонну ацетилена, что относительно много (примерно равно затрачиваемой энергии по карбидному методу) и потому является недостатком процесса. Выход ацетилена составляет 50 %.

Регенеративный пиролиз [ править | править код ]

Иное название — Вульф-процесс. Сначала разогревают насадку печи путём сжигания метана при 1350—1400 °С. Далее через разогретую насадку пропускают метан. Время пребывания метана в зоне реакции очень мало и составляет доли секунды. Процесс реализован в промышленности, но экономически оказался не таким перспективным, как считалось на стадии проектирования.

Окислительный пиролиз [ править | править код ]

Метан смешивают с кислородом. Часть сырья сжигают, а образующееся тепло расходуют на нагрев остатка сырья до 1600 °С. Выход ацетилена составляет 30—32 %. Метод имеет преимущества — непрерывный характер процесса и низкие энергозатраты. Кроме того, с ацетиленом образуется еще и синтез-газ. Этот процесс (Заксе-процесс или BASF-процесс) получил наиболее широкое внедрение.

Гомогенный пиролиз [ править | править код ]

Является разновидностью окислительного пиролиза. Часть сырья сжигают с кислородом в топке печи, газ нагревается до 2000 °С. Затем в среднюю часть печи вводят остаток сырья, предварительно нагретый до 600 °С. Образуется ацетилен. Метод характеризуется большей безопасностью и надёжностью работы печи.

Пиролиз в струе низкотемпературной плазмы [ править | править код ]

Процесс разрабатывается с 1970-х годов, но, несмотря на перспективность, пока не внедрён в промышленности. Сущность процесса состоит в нагреве метана ионизированным газом. Преимущество метода заключается в относительно низких энергозатратах (5000—7000 кВт•ч) и высоких выходах ацетилена (87 % в аргоновой плазме и 73 % в водородной).

Карбидный метод [ править | править код ]

Этот способ известен с XIX века, но не потерял своего значения до настоящего времени. Сначала получают карбид кальция, сплавляя оксид кальция и кокс в электропечах при 2500—3000 °С:

C a O + 3 C → C a C 2 + C O ↑ <displaystyle <mathsf <2>+COuparrow >>>

C a C O 3 → C a O + C O 2 ↑ <displaystyle <mathsf <3>
ightarrow CaO+CO_<2>uparrow >>>

Далее карбид кальция обрабатывают водой:

C a C 2 + 2 H 2 O → C 2 H 2 + C a ( O H ) 2 <displaystyle <mathsf <2>+2H_<2>O
ightarrow C_<2>H_<2>+Ca(OH)_<2>>>>

Получаемый ацетилен имеет высокую степень чистоты 99,9 %. Основным недостатком процесса является высокий расход электроэнергии: 10000—11000 кВт•ч на 1 тонну ацетилена.

Физические свойства [ править | править код ]

При нормальных условиях — бесцветный газ, легче воздуха. Чистый 100 % ацетилен не обладает запахом. Технический ацетилен хранится в баллонах с пористым наполнителем, пропитанным ацетоном (т.к. чистый ацетилен при сжатии взрывается), и может содержать другие примеси, которые придают ему резкий запах [6] . Малорастворим в воде, хорошо растворяется в ацетоне. Температура кипения −83,6 °C [7] . Тройная точка −80,55 °C при давлении 961,5 мм рт. ст., критическая точка 35,18 °C при давлении 61,1 атм [8] .

Ацетилен требует большой осторожности при обращении. Может взрываться от удара, при нагреве до 500 °C или при сжатии выше 0,2 МПа [4] при комнатной температуре. Струя ацетилена, выпущенная на открытый воздух, может загореться от малейшей искры, в том числе от разряда статического электричества с пальца руки. Для хранения ацетилена используются специальные баллоны, заполненные пористым материалом, пропитанным ацетоном [9] .

Ацетилен обнаружен на Уране и Нептуне.

Химические свойства [ править | править код ]

  • Для ацетилена (этина) характерны реакции присоединения:

ClCH=CHCl>>>"> HC ≡ CH + Cl 2 ⟶ ClCH = CHCl <displaystyle <ce ClCH=CHCl>>>ClCH=CHCl>>>"/>

Ацетилен с водой, в присутствии солей ртути и других катализаторов, образует уксусный альдегид (реакция Кучерова). В силу наличия тройной связи, молекула высокоэнергетична и обладает большой удельной теплотой сгорания — 14000 ккал/м³ (50,4 МДж/кг). При сгорании в кислороде температура пламени достигает 3150 °C. Ацетилен может полимеризироваться в бензол и другие органические соединения (полиацетилен, винилацетилен). Для полимеризации в бензол необходим графит и температура в

500 °C. В присутствии катализаторов, например, трикарбонил(трифенилфосфин)никеля, температуру реакции циклизации можно снизить до 60—70 °C.

Кроме того, атомы водорода ацетилена относительно легко отщепляются в виде протонов, то есть он проявляет кислотные свойства. Так, ацетилен вытесняет метан из эфирного раствора метилмагнийбромида (образуется содержащий ацетиленид-ион раствор), образует нерастворимые взрывчатые осадки с солями серебра и одновалентной меди.

Основные химические реакции ацетилена (реакции присоединения, сводная таблица 1.):

Основные химические реакции ацетилена (реакции присоединения, димеризации, полимеризации, цикломеризации, сводная таблица 2.):

Ацетилен обесцвечивает бромную воду и раствор перманганата калия.

Реагирует с аммиачными растворами солей Cu(I) и Ag(I) с образованием малорастворимых, взрывчатых ацетиленидов — эта реакция используется для качественного определения ацетилена и его отличия от алкенов (которые тоже обесцвечивают бромную воду и раствор перманганата калия).

История [ править | править код ]

Открыт в 1836 году Э. Дэви, синтезирован из угля и водорода (дуговой разряд между двумя угольными электродами в атмосфере водорода) М. Бертло (1862 год).

Применение [ править | править код ]

  • для газовой сварки и резкиметаллов,
  • как источник очень яркого, белого света в автономных светильниках, где он получается реакцией карбида кальция и воды (см. карбидная лампа),
  • в производстве взрывчатых веществ (см. ацетилениды),
  • для получения уксусной кислоты, этилового спирта, растворителей, пластических масс, каучука, ароматических углеводородов.
  • для получения технического углерода
  • в атомно-абсорбционной спектрофотометрии при пламенной атомизации
  • в ракетных двигателях (вместе с аммиаком) [10]

Безопасность [ править | править код ]

Поскольку ацетилен нерастворим в воде, и его смеси с кислородом могут взрываться в очень широком диапазоне концентраций, его нельзя собирать в газометры.

Ацетилен взрывается при температуре около 500 °C или давлении выше 0,2 МПа; КПВ 2,3—80,7 %, температура самовоспламенения 335 °C. Взрывоопасность уменьшается при разбавлении ацетилена другими газами, например азотом, метаном или пропаном.

При длительном соприкосновении ацетилена с медью и серебром образуются ацетилениды меди и серебра, которые взрываются при ударе или повышении температуры. Поэтому при хранении ацетилена не используются материалы, содержащие медь (например, вентили баллонов).

Ацетилен обладает незначительным токсическим действием. Для ацетилена нормирован ПДКм.р. = ПДК с.с. = 1,5 мг/м³ согласно гигиеническим нормативам ГН 2.1.6.1338-03 «Предельно допустимые концентрации (ПДК) загрязняющих веществ в атмосферном воздухе населённых мест».

ПДКр.з. (рабочей зоны) не установлен (по ГОСТ 5457-75 и ГН 2.2.5.1314-03), так как концентрационные пределы распределения пламени в смеси с воздухом составляет 2,5—100 %.

Хранят и перевозят его в заполненных инертной пористой массой (например, древесным углём) стальных баллонах белого цвета (с красной надписью «А») в виде раствора в ацетоне под давлением 1,5—2,5 МПа.