Страница 53 - гдз по химии 10-11 класс задачник Еремин, Дроздов

2.183. Перечислите сходства и различия в реакционной способности алкенов и алкинов.

Сходства

• И алкены, и алкины являются ненасыщенными углеводородами, так как содержат кратные связи между атомами углерода (двойную связь $C=C$ у алкенов и тройную связь $C \equiv C$ у алкинов). Наличие в их молекулах подвижных $\pi$-электронов (одна $\pi$-связь у алкенов, две у алкинов) определяет их высокую реакционную способность по сравнению с насыщенными углеводородами (алканами).

• Для обоих классов соединений наиболее характерны реакции электрофильного присоединения ($A_E$), которые протекают по месту разрыва менее прочных $\pi$-связей. К таким реакциям относятся:

  • Галогенирование: присоединение галогенов ($Cl_2, Br_2$). И алкены, и алкины обесцвечивают бромную воду, что является качественной реакцией на кратную связь.
  • Гидрогалогенирование: присоединение галогеноводородов ($HCl, HBr, HI$). Для несимметричных молекул реакция протекает в соответствии с правилом Марковникова.
  • Гидрирование: каталитическое присоединение водорода ($H_2$) в присутствии металлов (Ni, Pt, Pd). Реакция приводит к полному насыщению кратной связи и образованию алканов.
  • Гидратация: присоединение воды ($H_2O$), хотя и в разных условиях и с образованием различных по строению продуктов.

• И алкены, и алкины легко вступают в реакции окисления. Например, они обесцвечивают водный раствор перманганата калия ($KMnO_4$), что также служит качественным тестом на ненасыщенность.

• Оба класса углеводородов способны к реакциям полимеризации, образуя высокомолекулярные соединения (полимеры).

Ответ: Сходство реакционной способности алкенов и алкинов обусловлено наличием в их молекулах ненасыщенных кратных связей, содержащих подвижные $\pi$-электроны. Это делает для обоих классов соединений характерными реакции электрофильного присоединения, окисления и полимеризации.

Различия

• Строение и гибридизация:

  • У алкенов атомы углерода при двойной связи ($C=C$) находятся в состоянии $sp^2$-гибридизации. Фрагмент молекулы с двойной связью имеет плоское строение, а валентные углы близки к $120^\circ$.
  • У алкинов атомы углерода при тройной связи ($C \equiv C$) находятся в состоянии $sp$-гибридизации. Этот фрагмент молекулы имеет линейное строение с валентными углами $180^\circ$.

• Реакционная способность:

  • Алкины могут присоединять две молекулы реагента по месту тройной связи, в то время как алкены — только одну. Реакции с алкинами могут протекать ступенчато.
  • Несмотря на большее число $\pi$-электронов, алкины, как правило, менее активны в реакциях электрофильного присоединения, чем алкены. Это объясняется большей электроотрицательностью $sp$-гибридизованных атомов углерода, которые прочнее удерживают $\pi$-электроны, и меньшей стабильностью образующегося промежуточного винильного карбокатиона.

• Продукты гидратации:

  • Гидратация алкенов приводит к образованию спиртов.
  • Гидратация алкинов (реакция Кучерова, катализатор — соли $Hg^{2+}$) приводит к образованию карбонильных соединений (альдегидов или кетонов) через стадию образования неустойчивого промежуточного продукта — енола.

• Кислотные свойства:

  • Терминальные алкины (с тройной связью на конце цепи, $R-C \equiv C-H$) проявляют слабые кислотные свойства. Атом водорода при тройной связи достаточно подвижен и может замещаться на атомы металлов при действии сильных оснований (например, $NaNH_2$) или аммиачных растворов оксида серебра(I) или хлорида меди(I). Эти реакции являются качественными для обнаружения терминальных алкинов.
  • Алкены и нетерминальные алкины такими свойствами не обладают.

• Специфические реакции:

  • Для алкинов характерны реакции циклоолигомеризации, например, тримеризация ацетилена с образованием бензола.
  • Для алкенов характерно участие в качестве диенофилов в реакциях диенового синтеза (реакция Дильса-Альдера).

Ответ: Различия в реакционной способности алкенов и алкинов вытекают из разного строения их кратных связей (двойная $C=C$ и тройная $C \equiv C$). Это проявляется в разной активности в реакциях присоединения (алкены активнее), возможности ступенчатого присоединения для алкинов, образовании разных продуктов гидратации (спирты из алкенов, карбонильные соединения из алкинов) и наличии у терминальных алкинов уникальных кислотных свойств, отсутствующих у алкенов.

2.184. Какие классы соединений являются структурными изомерами алкинов?

Структурные изомеры — это соединения, которые имеют одинаковый качественный и количественный состав (одинаковую молекулярную формулу), но разный порядок соединения атомов в молекуле (разное химическое строение).

Общая формула гомологического ряда ациклических алкинов (углеводородов с одной тройной связью) — $C_nH_{2n-2}$, где $n \ge 2$. Для нахождения классов соединений, являющихся структурными изомерами алкинов, необходимо определить, какие еще классы органических соединений подчиняются этой общей формуле.

Такую же общую формулу $C_nH_{2n-2}$ имеют следующие классы углеводородов:

• Алкадиены (диены). Это ациклические углеводороды, содержащие две двойные углерод-углеродные связи. Наличие каждой двойной связи уменьшает число атомов водорода на два по сравнению с алканами ($C_nH_{2n+2}$), поэтому общая формула алкадиенов: $C_nH_{2n+2-4} = C_nH_{2n-2}$.
  Пример для $C_4H_6$: алкин бутин-1 ($\text{CH} \equiv \text{C}-\text{CH}_2-\text{CH}_3$) и алкадиен бутадиен-1,3 ($\text{CH}_2=\text{CH}-\text{CH}=\text{CH}_2$).
• Циклоалкены. Это циклические углеводороды, содержащие одну двойную связь в цикле. Замыкание в цикл уменьшает число атомов водорода на два, и наличие одной двойной связи — еще на два. Таким образом, их общая формула также $C_nH_{2n+2-2-2} = C_nH_{2n-2}$.
  Пример для $C_4H_6$: алкин бутин-1 ($\text{CH} \equiv \text{C}-\text{CH}_2-\text{CH}_3$) и циклоалкен циклобутен.
• Бициклоалканы. Это углеводороды, содержащие два цикла. Наличие каждого цикла уменьшает число атомов водорода на два по сравнению с алканами. Их общая формула: $C_nH_{2n+2-4} = C_nH_{2n-2}$.
  Пример для $C_4H_6$: алкин бутин-1 ($\text{CH} \equiv \text{C}-\text{CH}_2-\text{CH}_3$) и бицикло[1.1.0]бутан.

Таким образом, алкины вступают в межклассовую изомерию с алкадиенами, циклоалкенами и бициклоалканами.

Ответ: Структурными изомерами алкинов являются алкадиены (диены), циклоалкены и бициклоалканы.

2.185. Составьте молекулярные формулы алкинов, количество атомов углерода в которых равно: а) 8; б) 12; в) 24; г) 102.

Дано:

Класс соединений — алкины.

Количество атомов углерода ($n$) в молекуле:

а) $n = 8$

б) $n = 12$

в) $n = 24$

г) $n = 102$

Найти:

Молекулярные формулы алкинов для каждого случая.

Решение:

Алкины — это ациклические углеводороды, содержащие в своей структуре одну тройную связь между атомами углерода. Общая формула гомологического ряда алкинов: $C_nH_{2n-2}$, где $n$ — количество атомов углерода в молекуле ($n \ge 2$).

Чтобы найти молекулярную формулу каждого алкина, нужно подставить заданное количество атомов углерода $n$ в общую формулу и рассчитать соответствующее количество атомов водорода.

а) При $n = 8$, количество атомов водорода составляет:
$2n - 2 = 2 \cdot 8 - 2 = 16 - 2 = 14$.
Таким образом, молекулярная формула алкина — $C_8H_{14}$.
Ответ: $C_8H_{14}$.

б) При $n = 12$, количество атомов водорода составляет:
$2n - 2 = 2 \cdot 12 - 2 = 24 - 2 = 22$.
Таким образом, молекулярная формула алкина — $C_{12}H_{22}$.
Ответ: $C_{12}H_{22}$.

в) При $n = 24$, количество атомов водорода составляет:
$2n - 2 = 2 \cdot 24 - 2 = 48 - 2 = 46$.
Таким образом, молекулярная формула алкина — $C_{24}H_{46}$.
Ответ: $C_{24}H_{46}$.

г) При $n = 102$, количество атомов водорода составляет:
$2n - 2 = 2 \cdot 102 - 2 = 204 - 2 = 202$.
Таким образом, молекулярная формула алкина — $C_{102}H_{202}$.
Ответ: $C_{102}H_{202}$.

2.186. Составьте молекулярные формулы алкинов, количество атомов водорода в которых равно: а) 6; б) 14; 6) 44; г) 250.

Дано:

Класс соединений: алкины.

Количество атомов водорода в молекулах:

а) $N(H) = 6$

б) $N(H) = 14$

в) $N(H) = 44$

г) $N(H) = 250$

Перевод данных в систему СИ не требуется.

Найти:

Молекулярные формулы алкинов для каждого случая.

Решение:

Общая молекулярная формула для гомологического ряда алкинов (углеводородов с одной тройной связью) имеет вид $C_nH_{2n-2}$, где $n$ — это целое число атомов углерода ($n \ge 2$).

Из этой формулы видно, что количество атомов водорода, которое мы обозначим как $N(H)$, связано с количеством атомов углерода $n$ соотношением:

$N(H) = 2n - 2$

Для нахождения молекулярной формулы нам нужно определить число атомов углерода $n$, зная число атомов водорода $N(H)$. Выразим $n$ из этого уравнения:

$2n = N(H) + 2$

$n = \frac{N(H) + 2}{2}$

Теперь, используя эту выведенную формулу, мы можем рассчитать число атомов углерода для каждого из предложенных случаев и составить соответствующую молекулярную формулу.

а) Дано количество атомов водорода $N(H) = 6$.

Найдем число атомов углерода $n$:

$n = \frac{6 + 2}{2} = \frac{8}{2} = 4$

Таким образом, в молекуле 4 атома углерода. Молекулярная формула алкина: $C_4H_6$.

Ответ: $C_4H_6$

б) Дано количество атомов водорода $N(H) = 14$.

Найдем число атомов углерода $n$:

$n = \frac{14 + 2}{2} = \frac{16}{2} = 8$

Таким образом, в молекуле 8 атомов углерода. Молекулярная формула алкина: $C_8H_{14}$.

Ответ: $C_8H_{14}$

в) Дано количество атомов водорода $N(H) = 44$.

Найдем число атомов углерода $n$:

$n = \frac{44 + 2}{2} = \frac{46}{2} = 23$

Таким образом, в молекуле 23 атома углерода. Молекулярная формула алкина: $C_{23}H_{44}$.

Ответ: $C_{23}H_{44}$

г) Дано количество атомов водорода $N(H) = 250$.

Найдем число атомов углерода $n$:

$n = \frac{250 + 2}{2} = \frac{252}{2} = 126$

Таким образом, в молекуле 126 атомов углерода. Молекулярная формула алкина: $C_{126}H_{250}$.

Ответ: $C_{126}H_{250}$

2.187. Назовите основные области применения ацетилена.

Ацетилен (этин, $C_2H_2$) — это ненасыщенный углеводород с тройной связью, обладающий высокой реакционной способностью и выделяющий большое количество теплоты при сгорании. Благодаря этим свойствам он находит применение в различных областях.

Автогенная сварка и резка металлов

Это одна из самых известных и широко распространенных областей применения ацетилена. При сжигании ацетилена в чистом кислороде (кислородно-ацетиленовая сварка) образуется пламя с очень высокой температурой, достигающей $3150–3500$ °C.
Уравнение реакции полного сгорания ацетилена:
$2C_2H_2 + 5O_2 \rightarrow 4CO_2 + 2H_2O + Q$
Такая высокая температура позволяет эффективно плавить и сваривать большинство конструкционных металлов (сталь, чугун) и сплавов, а также производить их резку. Ацетиленовые горелки и резаки до сих пор активно используются в строительстве, машиностроении, ремонте и металлообработке.

Химический синтез

Ацетилен является ценным исходным сырьем в органическом синтезе для получения множества важных продуктов. Хотя в настоящее время многие производства переориентированы на более дешевое сырье (например, этилен), химия ацетилена по-прежнему играет значительную роль.
На основе ацетилена получают:

• Винилхлорид — мономер для производства поливинилхлорида (ПВХ), одного из самых массовых пластиков. Реакция с хлороводородом: $C_2H_2 + HCl \rightarrow CH_2=CHCl$.
• Акрилонитрил — используется для производства синтетических волокон (нитрон), каучуков и пластиков (АБС-пластик). Получают реакцией с синильной кислотой: $C_2H_2 + HCN \rightarrow CH_2=CH-CN$.
• Винилацетат — мономер для поливинилацетата (клей ПВА) и поливинилового спирта. Реакция с уксусной кислотой: $C_2H_2 + CH_3COOH \rightarrow CH_3COOCH=CH_2$.
• Ацетальдегид — промежуточный продукт для получения уксусной кислоты, бутанола и других веществ. Получают гидратацией ацетилена (реакция Кучерова): $C_2H_2 + H_2O \xrightarrow{Hg^{2+}} [CH_2=CHOH] \rightarrow CH_3CHO$.
• Хлоропрен — мономер для синтетического хлоропренового каучука (неопрен), который обладает высокой стойкостью к маслам, бензину и атмосферным воздействиям.
• Тетрахлорэтан и трихлорэтилен — используются как растворители.
• Бензол — путем тримеризации ацетилена над активированным углем при высокой температуре (реакция Зелинского-Казанского): $3C_2H_2 \xrightarrow{C_{\text{акт.}},~600-650^\circ\text{C}} C_6H_6$.

Производство технического углерода (сажи)

При термическом разложении ацетилена без доступа воздуха образуется очень чистый мелкодисперсный углерод (сажа) и водород.
$C_2H_2 \xrightarrow{t} 2C + H_2$
Такой технический углерод используется в производстве шин, резинотехнических изделий, печатных красок, а также в электротехнической промышленности (например, для изготовления сухих гальванических элементов).

Освещение (историческое применение)

Раньше ацетилен широко использовался для освещения в карбидных лампах. В этих лампах ацетилен получался в результате реакции карбида кальция ($CaC_2$) с водой:
$CaC_2 + 2H_2O \rightarrow Ca(OH)_2 + C_2H_2$
Сгорая, ацетилен давал очень яркое, белое пламя. Такие лампы применялись шахтерами, на маяках, в фарах первых автомобилей и велосипедов до широкого распространения электричества.

Другие области применения

Ацетилен также используется в атомно-абсорбционной спектрометрии в качестве горючего газа в пламенных атомизаторах для определения концентрации металлов в пробах. Велись исследования по его применению в качестве компонента ракетного топлива.

Ответ: Основными областями применения ацетилена являются: кислородно-ацетиленовая сварка и резка металлов; химический синтез широкого круга органических соединений (винилхлорида, акрилонитрила, ацетальдегида и др.); производство технического углерода (сажи). Исторически важным было его применение для освещения в карбидных лампах.

2.188. Предложите три способа получения ацетилена.

Ацетилен (этин, $C_2H_2$) — первый представитель гомологического ряда алкинов. Существует несколько способов его получения, как в промышленности, так и в лаборатории. Ниже представлены три основных способа.

1. Гидролиз карбида кальция (Карбидный способ)

Это исторически первый и наиболее известный лабораторный способ получения ацетилена. Он основан на реакции карбида кальция ($CaC_2$) с водой. Реакция протекает бурно с выделением большого количества тепла.

Уравнение реакции:

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

В результате реакции образуется газообразный ацетилен и гидроксид кальция (гашеная известь). Этот метод прост в исполнении и не требует сложного оборудования.

Ответ: Ацетилен получают взаимодействием карбида кальция с водой.

2. Пиролиз метана

Это основной промышленный способ получения ацетилена. Метан, являющийся главным компонентом природного газа, подвергают высокотемпературному крекингу (пиролизу). Процесс ведут при температуре около $1500^\circ C$ с последующим резким охлаждением (закалкой) реакционной смеси, чтобы предотвратить разложение ацетилена на углерод и водород.

Уравнение реакции:

$2CH_4 \xrightarrow{1500^\circ C} C_2H_2 + 3H_2$

Этот метод является наиболее экономически выгодным в промышленных масштабах.

Ответ: Ацетилен получают путем высокотемпературного ($1500^\circ C$) разложения метана.

3. Дегидрогалогенирование дигалогеналканов

Этот способ используется в лабораторной практике для синтеза алкинов из производных алканов. Для получения ацетилена используют дигалогенпроизводные этана, например, 1,2-дихлорэтан или 1,1-дихлорэтан. На них действуют сильным основанием, чаще всего спиртовым раствором гидроксида калия ($KOH$), при нагревании. В ходе реакции отщепляются две молекулы галогеноводорода.

Пример с 1,2-дихлорэтаном:

$CH_2Cl-CH_2Cl + 2KOH \xrightarrow{спирт, t^\circ} CH\equiv CH\uparrow + 2KCl + 2H_2O$

В результате реакции элиминирования (отщепления) образуется тройная связь и выделяется ацетилен.

Ответ: Ацетилен получают действием спиртового раствора щелочи на дигалогенпроизводные этана (например, 1,2-дихлорэтан).

2.189. Как химическими методами различить бутин-1 и бутин-2?

Решение

Бутин-1 и бутин-2 являются структурными изомерами, отличающимися положением тройной связи в углеродной цепи. Это различие в строении определяет их химические свойства и позволяет различить их с помощью качественных реакций.

Структурная формула бутина-1: $CH \equiv C-CH_2-CH_3$. Это терминальный (концевой) алкин, поскольку тройная связь находится на конце цепи.

Структурная формула бутина-2: $CH_3-C \equiv C-CH_3$. Это нетерминальный (внутренний) алкин, так как тройная связь расположена внутри цепи.

Ключевое химическое отличие заключается в том, что у бутина-1 есть атом водорода, непосредственно связанный с атомом углерода при тройной связи ($C \equiv C-H$). Этот атом водорода обладает слабокислотными свойствами (является "подвижным") и способен замещаться на ионы металлов, таких как серебро(I) или медь(I). У бутина-2 таких атомов водорода нет, поэтому он в подобные реакции замещения не вступает.

В две пробирки с исследуемыми веществами (бутином-1 и бутином-2) добавляют свежеприготовленный аммиачный раствор оксида серебра $[Ag(NH_3)_2]OH$.

• В пробирке с бутином-1 будет наблюдаться выпадение белого творожистого осадка бутинида серебра.
• В пробирке с бутином-2 видимых изменений не произойдет.

Уравнение реакции для бутина-1: $CH_3-CH_2-C \equiv CH + [Ag(NH_3)_2]OH \rightarrow CH_3-CH_2-C \equiv CAg \downarrow + 2NH_3 + H_2O$

Ответ: Бутин-1 реагирует с реактивом Толленса с образованием белого осадка, в то время как бутин-2 не реагирует.

К образцам бутина-1 и бутина-2 добавляют аммиачный раствор хлорида меди(I) $[Cu(NH_3)_2]Cl$.

• В пробирке с бутином-1 образуется характерный красно-коричневый осадок бутинида меди(I).
• В пробирке с бутином-2 реакция не пойдет, раствор останется без изменений.

Уравнение реакции для бутина-1: $CH_3-CH_2-C \equiv CH + [Cu(NH_3)_2]Cl \rightarrow CH_3-CH_2-C \equiv CCu \downarrow + NH_4Cl + NH_3$

Ответ: Бутин-1 дает красно-коричневый осадок с аммиачным раствором хлорида меди(I), а бутин-2 не вступает в реакцию.

2.190. Может ли в ходе реакции Кучерова получиться пропаналь? Почему?

Может ли в ходе реакции Кучерова получиться пропаналь? Почему?

Решение

Реакция Кучерова — это реакция гидратации (присоединения молекулы воды) к алкинам, протекающая в присутствии катализатора, обычно солей ртути(II) ($Hg^{2+}$) в кислой среде.

Общий принцип реакции заключается в том, что сначала образуется неустойчивое промежуточное соединение — енол (вещество, содержащее гидроксильную группу при двойной связи), который затем изомеризуется (таутомеризуется) в более стабильное карбонильное соединение (альдегид или кетон).

Продукты реакции определяются строением исходного алкина и правилом Марковникова, согласно которому при присоединении полярной молекулы ($H_2O$) к несимметричному алкину атом водорода присоединяется к наиболее гидрогенизированному атому углерода при тройной связи.

1. Единственным алкином, из которого в реакции Кучерова образуется альдегид, является ацетилен (этин $HC \equiv CH$). В этом случае образуется этаналь (уксусный альдегид):
$HC \equiv CH + H_2O \xrightarrow{Hg^{2+}, H^+} [CH_2=CH-OH] \rightarrow CH_3-CHO$

2. Пропаналь ($CH_3CH_2CHO$) — это альдегид, содержащий три атома углерода. Теоретически, он мог бы получиться из пропина ($CH_3-C \equiv CH$). Однако при гидратации пропина реакция идет по правилу Марковникова. Атом водорода из молекулы воды присоединяется к первому атому углерода ($CH$), а гидроксильная группа ($OH$) — ко второму атому углерода ($C$).

В результате образуется промежуточный енол (пропен-2-ол), который сразу же перегруппировывается в кетон — пропанон (ацетон):
$CH_3-C \equiv CH + H_2O \xrightarrow{Hg^{2+}, H^+} [CH_3-C(OH)=CH_2] \rightarrow CH_3-C(O)-CH_3$

Таким образом, из пропина в реакции Кучерова образуется пропанон, а не пропаналь. Для образования пропаналя потребовалось бы присоединение воды против правила Марковникова, что в условиях данной реакции не происходит.

Ответ: Нет, в ходе реакции Кучерова не может получиться пропаналь. Это связано с тем, что гидратация алкинов (кроме ацетилена) протекает по правилу Марковникова. В случае с пропином, это приводит к образованию кетона (пропанона), а не альдегида (пропаналя).

2.191. В трёх пробирках без этикеток находятся гексан, гексен-2 и гексин-1. Как химическим путём распознать содержимое каждой пробирки?

Для того чтобы химически различить гексан, гексен-2 и гексин-1, необходимо использовать качественные реакции, которые характерны для разных классов углеводородов: предельных (алканы), непредельных с двойной связью (алкены) и непредельных с тройной связью (алкины).

Анализ свойств веществ:

• Гексан ($CH_3(CH_2)_4CH_3$) — это алкан, насыщенный углеводород. Он не реагирует с бромной водой и раствором перманганата калия в обычных условиях, так как не содержит кратных связей.
• Гексен-2 ($CH_3CH=CHCH_2CH_2CH_3$) — это алкен, непредельный углеводород с двойной связью. Он легко вступает в реакции присоединения, обесцвечивая бромную воду и раствор перманганата калия. Двойная связь находится внутри цепи, поэтому он не обладает свойствами терминальных алкенов.
• Гексин-1 ($HC \equiv CCH_2CH_2CH_2CH_3$) — это терминальный алкин, непредельный углеводород с тройной связью у первого атома углерода. Как и алкен, он обесцвечивает бромную воду и раствор перманганата калия. Однако, благодаря наличию подвижного атома водорода при тройной связи ($ \equiv C-H$), он способен образовывать нерастворимые соли (ацетилениды) при реакции с аммиачным раствором оксида серебра.

На основе этих различий можно составить следующий план распознавания веществ:

Этап 1. Выявление непредельных углеводородов.

В каждую из трех пробирок добавляем несколько капель бромной воды ($Br_2(aq)$) или слабого раствора перманганата калия ($KMnO_4$).

• В пробирке, где цвет реагента (бурый у бромной воды или фиолетовый у перманганата калия) не изменяется, находится гексан.
• В двух других пробирках произойдет обесцвечивание раствора. Это означает, что в них находятся непредельные соединения — гексен-2 и гексин-1.

Пример реакции с бромной водой:

$CH_3CH=CH(CH_2)_2CH_3 + Br_2 \rightarrow CH_3CHBr-CHBr(CH_2)_2CH_3$

Пример реакции с перманганатом калия (реакция Вагнера):

$3CH_3CH=CH(CH_2)_2CH_3 + 2KMnO_4 + 4H_2O \rightarrow 3CH_3CH(OH)-CH(OH)(CH_2)_2CH_3 + 2MnO_2 \downarrow + 2KOH$

Этап 2. Различение гексена-2 и гексина-1.

Берем новые пробы из тех двух пробирок, в которых произошло обесцвечивание на первом этапе. В каждую из них добавляем аммиачный раствор оксида серебра (реактив То́лленса) $[Ag(NH_3)_2]OH$.

• В пробирке, где образуется белый или желтовато-белый осадок, находится гексин-1. Это качественная реакция на терминальные алкины.
• В пробирке, где видимых изменений не происходит, находится гексен-2, так как алкены с внутренней двойной связью не реагируют с реактивом То́лленса.

Уравнение реакции для гексина-1:

$HC \equiv C(CH_2)_3CH_3 + [Ag(NH_3)_2]OH \rightarrow AgC \equiv C(CH_2)_3CH_3 \downarrow + 2NH_3 + H_2O$

Ответ: Для распознавания веществ необходимо последовательно применить два реагента. Сначала во все три пробирки добавляем бромную воду: в пробирке с гексаном изменений не будет, а в пробирках с гексеном-2 и гексином-1 бромная вода обесцветится. Затем к двум пробам, где реакция произошла, добавляем аммиачный раствор оксида серебра: в пробирке с гексином-1 выпадет белый осадок, а в пробирке с гексеном-2 видимых изменений не произойдет.

2.192. Нарисуйте структурные формулы всех алкинов состава ${\mathrm{C}}_6{\mathrm{H}}_{10}.$ Какие из приведённых алкинов являются терминальными (содержат фрагмент $-\mathrm{C}\equiv \mathrm{C}-\mathrm{H})?$ Дайте им названия по правилам систематической номенклатуры.

Общая формула гомологического ряда алкинов — $C_nH_{2n-2}$. Для углеводорода состава $C_6H_{10}$ эта формула выполняется, так как $10 = 2 \cdot 6 - 2$. Следовательно, данное соединение относится к классу алкинов.

Для того чтобы найти все структурные изомеры, необходимо рассмотреть все возможные варианты строения углеродного скелета и различные положения тройной связи в нём.

Структурные формулы и названия всех алкинов состава C₆H₁₀

Всего существует 7 изомерных алкинов с молекулярной формулой $C_6H_{10}$.

1. Изомеры с неразветвленной углеродной цепью (6 атомов углерода):

а) Гексин-1: $CH \equiv C-CH_2-CH_2-CH_2-CH_3$

б) Гексин-2: $CH_3-C \equiv C-CH_2-CH_2-CH_3$

в) Гексин-3: $CH_3-CH_2-C \equiv C-CH_2-CH_3$

2. Изомеры с основной цепью из 5 атомов углерода и одним метильным заместителем:

а) 3-Метилпентин-1: $CH \equiv C-CH(CH_3)-CH_2-CH_3$

б) 4-Метилпентин-1: $CH \equiv C-CH_2-CH(CH_3)-CH_3$

в) 4-Метилпентин-2: $CH_3-C \equiv C-CH(CH_3)-CH_3$

3. Изомеры с основной цепью из 4 атомов углерода и двумя метильными заместителями:

а) 3,3-Диметилбутин-1: $CH \equiv C-C(CH_3)_2-CH_3$

Какие из приведённых алкинов являются терминальными (содержат фрагмент $-C \equiv C-H$)?

Терминальными алкинами называют алкины, в молекулах которых тройная связь находится на конце углеродной цепи, то есть у первого атома углерода. Такие алкины содержат характерный фрагмент $-C \equiv C-H$.

Из перечисленных выше 7 изомеров терминальными являются 4 соединения:

• Гексин-1

• 3-Метилпентин-1

• 4-Метилпентин-1

• 3,3-Диметилбутин-1

Остальные три алкина (гексин-2, гексин-3 и 4-метилпентин-2) являются нетерминальными (или внутренними), так как тройная связь в них находится внутри углеродной цепи.

Ответ:

Структурные формулы и систематические названия 7 изомеров алкинов состава $C_6H_{10}$:

1. Гексин-1: $CH \equiv C-CH_2-CH_2-CH_2-CH_3$

2. Гексин-2: $CH_3-C \equiv C-CH_2-CH_2-CH_3$

3. Гексин-3: $CH_3-CH_2-C \equiv C-CH_2-CH_3$

4. 3-Метилпентин-1: $CH \equiv C-CH(CH_3)-CH_2-CH_3$

5. 4-Метилпентин-1: $CH \equiv C-CH_2-CH(CH_3)-CH_3$

6. 4-Метилпентин-2: $CH_3-C \equiv C-CH(CH_3)-CH_3$

7. 3,3-Диметилбутин-1: $CH \equiv C-C(CH_3)_2-CH_3$

Терминальными алкинами (содержат фрагмент $-C \equiv C-H$) из них являются: гексин-1, 3-метилпентин-1, 4-метилпентин-1 и 3,3-диметилбутин-1.

2.193. Нарисуйте структурные формулы всех алкинов состава ${\mathrm{C}}_7{\mathrm{H}}_{12}.$ Какие из приведённых алкинов являются интернальными (содержат фрагмент $\mathrm{C}-\mathrm{C}\equiv \mathrm{C}-\mathrm{C})?$ Дайте им названия по правилам систематической номенклатуры.

Структурные формулы и названия всех алкинов состава C₇H₁₂

Для молекулярной формулы $C_7H_{12}$ существует 14 структурных изомеров класса алкинов. Ниже приведены их структурные формулы и названия в соответствии с систематической номенклатурой.

Изомеры с главной цепью из 7 атомов углерода (гептины):

1. $CH \equiv C-CH_2-CH_2-CH_2-CH_2-CH_3$ — гептин-1

2. $CH_3-C \equiv C-CH_2-CH_2-CH_2-CH_3$ — гептин-2

3. $CH_3-CH_2-C \equiv C-CH_2-CH_2-CH_3$ — гептин-3

Изомеры с главной цепью из 6 атомов углерода (гексины):

4. $CH \equiv C-CH(CH_3)-CH_2-CH_2-CH_3$ — 3-метилгексин-1

5. $CH \equiv C-CH_2-CH(CH_3)-CH_2-CH_3$ — 4-метилгексин-1

6. $CH \equiv C-CH_2-CH_2-CH(CH_3)-CH_3$ — 5-метилгексин-1

7. $CH_3-C \equiv C-CH(CH_3)-CH_2-CH_3$ — 4-метилгексин-2

8. $CH_3-C \equiv C-CH_2-CH(CH_3)-CH_3$ — 5-метилгексин-2

9. $CH_3-CH(CH_3)-C \equiv C-CH_2-CH_3$ — 2-метилгексин-3

Изомеры с главной цепью из 5 атомов углерода (пентины):

10. $CH \equiv C-CH(CH_2CH_3)-CH_2-CH_3$ — 3-этилпентин-1

11. $CH \equiv C-C(CH_3)_2-CH_2-CH_3$ — 3,3-диметилпентин-1

12. $CH \equiv C-CH_2-C(CH_3)_2-CH_3$ — 4,4-диметилпентин-1

13. $CH \equiv C-CH(CH_3)-CH(CH_3)-CH_3$ — 3,4-диметилпентин-1

14. $CH_3-C \equiv C-C(CH_3)_2-CH_3$ — 4,4-диметилпентин-2

Ответ: Выше приведены 14 структурных формул и названий для всех изомерных алкинов состава $C_7H_{12}$.

Интернальные алкины состава C₇H₁₂

Интернальными (внутренними) алкинами называются алкины, у которых тройная связь находится не на конце углеродной цепи, то есть они содержат фрагмент $C-C \equiv C-C$. Из перечисленных выше изомеров к интернальным относятся те, у которых в названии локант (номер атома углерода), указывающий на положение тройной связи, не равен 1.

К таким алкинам относятся:

Гептин-2 ($CH_3-C \equiv C-CH_2-CH_2-CH_2-CH_3$)

Гептин-3 ($CH_3-CH_2-C \equiv C-CH_2-CH_2-CH_3$)

4-Метилгексин-2 ($CH_3-C \equiv C-CH(CH_3)-CH_2-CH_3$)

5-Метилгексин-2 ($CH_3-C \equiv C-CH_2-CH(CH_3)-CH_3$)

2-Метилгексин-3 ($CH_3-CH(CH_3)-C \equiv C-CH_2-CH_3$)

4,4-Диметилпентин-2 ($CH_3-C \equiv C-C(CH_3)_2-CH_3$)

Ответ: Интернальными являются 6 алкинов: гептин-2, гептин-3, 4-метилгексин-2, 5-метилгексин-2, 2-метилгексин-3 и 4,4-диметилпентин-2.

2.194. Изобразите структурную формулу алкина, в котором: а) все атомы углерода имеют sp-гибридизацию; б) количество атомов водорода в полтора раза больше количества атомов углерода; в) количество атомов водорода на 5 больше количества атомов углерода; г) одинаковое количество атомов углерода в sp-гибридизации и $s{p}^3$-гибридизации; д) количество $s{p}^3$-гибридных атомов углерода в три раза больше количества sp-гибридных.

а) все атомы углерода имеют sp-гибридизацию

Дано:

Алкин, в котором все атомы углерода находятся в состоянии sp-гибридизации.

Найти:

Структурную формулу.

Решение:

Атомы углерода находятся в состоянии sp-гибридизации, если они образуют тройную связь ($C \equiv C$) или две двойные связи ($C=C=C$). Поскольку требуется найти формулу алкина, в молекуле должна быть как минимум одна тройная связь. Два атома углерода, образующие тройную связь, уже находятся в sp-гибридизации. Чтобы все остальные атомы углерода также были в sp-гибридизации, они должны быть соединены с этой группой так, чтобы тоже образовывать тройные связи (как в полиинах). Простейшим алкином, в котором все (оба) атома углерода sp-гибридизованы, является ацетилен (этин) $H-C \equiv C-H$. Более сложным примером является бута-1,3-диин, в котором все четыре атома углерода находятся в sp-гибридизации.

Ответ:

Структурная формула бута-1,3-диина:

$H-C \equiv C-C \equiv C-H$

б) количество атомов водорода в полтора раза больше количества атомов углерода

Дано:

Алкин, в котором количество атомов водорода $N(H)$ в 1,5 раза больше количества атомов углерода $N(C)$.

$N(H) = 1.5 \cdot N(C)$

Найти:

Структурную формулу.

Решение:

Общая формула для ациклических алкинов с одной тройной связью: $C_nH_{2n-2}$.

Пусть количество атомов углерода $N(C) = n$. Тогда количество атомов водорода $N(H) = 2n-2$.

Согласно условию, $N(H) = 1.5 \cdot N(C)$, что можно записать в виде уравнения:

$2n-2 = 1.5n$

Решим это уравнение относительно n:

$2n - 1.5n = 2$

$0.5n = 2$

$n = 4$

Следовательно, молекулярная формула алкина — $C_4H_6$. Существует два изомерных алкина с такой формулой: бутин-1 и бутин-2. Изобразим структурную формулу одного из них, например, бутина-1.

Ответ:

Структурная формула бутина-1:

$HC \equiv C-CH_2-CH_3$

в) количество атомов водорода на 5 больше количества атомов углерода

Дано:

Алкин, в котором количество атомов водорода $N(H)$ на 5 больше количества атомов углерода $N(C)$.

$N(H) = N(C) + 5$

Найти:

Структурную формулу.

Решение:

Используем общую формулу для ациклических алкинов с одной тройной связью: $C_nH_{2n-2}$.

Пусть количество атомов углерода $N(C) = n$. Тогда количество атомов водорода $N(H) = 2n-2$.

Подставим эти выражения в условие задачи $N(H) = N(C) + 5$:

$2n-2 = n + 5$

Решим уравнение:

$2n - n = 5 + 2$

$n = 7$

Таким образом, молекулярная формула искомого алкина — $C_7H_{12}$. Существует множество изомеров для данного состава. В качестве примера приведем структурную формулу гептина-1.

Ответ:

Структурная формула гептина-1:

$HC \equiv C-CH_2-CH_2-CH_2-CH_2-CH_3$

г) одинаковое количество атомов углерода в sp-гибридизации и sp³-гибридизации

Дано:

Алкин, в котором количество атомов углерода в sp-гибридизации ($N_{sp}$) равно количеству атомов углерода в sp³-гибридизации ($N_{sp^3}$).

$N_{sp} = N_{sp^3}$

Найти:

Структурную формулу.

Решение:

В любом алкине с одной тройной связью есть ровно два атома углерода в состоянии sp-гибридизации (атомы, образующие тройную связь $C \equiv C$).

Следовательно, $N_{sp} = 2$.

Согласно условию, $N_{sp^3} = N_{sp}$, значит, $N_{sp^3} = 2$.

Предположим, что в молекуле нет атомов углерода в sp²-гибридизации (то есть нет двойных связей). Тогда общее число атомов углерода в молекуле равно $N(C) = N_{sp} + N_{sp^3} = 2 + 2 = 4$.

Нам нужно найти алкин состава $C_4$. Это бутины. Рассмотрим их структуры:

1. Бутин-1: $HC \equiv C-CH_2-CH_3$. Здесь $C_1$ и $C_2$ находятся в sp-гибридизации ($N_{sp} = 2$), а $C_3$ и $C_4$ — в sp³-гибридизации ($N_{sp^3} = 2$). Условие $N_{sp} = N_{sp^3}$ выполняется.

2. Бутин-2: $CH_3-C \equiv C-CH_3$. Здесь $C_2$ и $C_3$ находятся в sp-гибридизации ($N_{sp} = 2$), а $C_1$ и $C_4$ — в sp³-гибридизации ($N_{sp^3} = 2$). Условие также выполняется.

Любая из этих структур является решением. Выберем бутин-2.

Ответ:

Структурная формула бутина-2:

$CH_3-C \equiv C-CH_3$

д) количество sp³-гибридных атомов углерода в три раза больше количества sp-гибридных

Дано:

Алкин, в котором количество sp³-гибридных атомов углерода ($N_{sp^3}$) в три раза больше количества sp-гибридных атомов углерода ($N_{sp}$).

$N_{sp^3} = 3 \cdot N_{sp}$

Найти:

Структурную формулу.

Решение:

В алкине с одной тройной связью количество sp-гибридизованных атомов углерода всегда равно двум: $N_{sp} = 2$.

Используя условие задачи, находим количество sp³-гибридизованных атомов углерода:

$N_{sp^3} = 3 \cdot N_{sp} = 3 \cdot 2 = 6$.

Если в молекуле нет других типов гибридизации (sp²), то общее число атомов углерода составляет $N(C) = N_{sp} + N_{sp^3} = 2 + 6 = 8$.

Таким образом, нам необходимо изобразить структурную формулу любого алкина состава $C_8$, который содержит 6 атомов углерода в sp³-гибридизации и 2 атома в sp-гибридизации. Самый простой пример — это алкин с неразветвленной цепью и тройной связью в начале цепи, то есть октин-1.

Ответ:

Структурная формула октина-1:

$HC \equiv C-CH_2-CH_2-CH_2-CH_2-CH_2-CH_3$