Страница 60 - гдз по химии 10 класс учебник Рудзитис, Фельдман

Зная, что в молекуле ацетилена есть тройная связь, предположите, какие химические свойства будут для него характерны.

Молекула ацетилена (этина) имеет формулу $C_2H_2$ и структурную формулу $H-C \equiv C-H$. Наличие тройной связи между атомами углерода, которая состоит из одной прочной $\sigma$-связи (сигма-связи) и двух менее прочных $\pi$-связей (пи-связей), определяет его высокую химическую активность. Электронная плотность $\pi$-связей является легкодоступной для атаки реагентов (электрофилов), поэтому для ацетилена наиболее характерны реакции, идущие с разрывом этих связей.

Это наиболее типичные реакции для ацетилена и других непредельных углеводородов. Присоединение может происходить в две стадии: сначала по одной $\pi$-связи с образованием производного этилена (с двойной связью), а затем по второй $\pi$-связи с образованием насыщенного соединения.

• Гидрирование (присоединение водорода). В зависимости от катализатора реакция может быть остановлена на стадии образования этена или доведена до конца с образованием этана.

  $HC \equiv CH + H_2 \xrightarrow{кат. Pd/PbCO_3} H_2C=CH_2$ (этен)

  $HC \equiv CH + 2H_2 \xrightarrow{кат. Ni, Pt} H_3C-CH_3$ (этан)

• Галогенирование (присоединение галогенов, например, брома $Br_2$). Ацетилен обесцвечивает бромную воду, что является качественной реакцией на непредельные соединения.

  $HC \equiv CH + Br_2 \rightarrow CHBr=CHBr$ (1,2-дибромэтен)

  $CHBr=CHBr + Br_2 \rightarrow CHBr_2-CHBr_2$ (1,1,2,2-тетрабромэтан)

• Гидрогалогенирование (присоединение галогеноводородов, например, $HCl$). Присоединение ко второй молекуле идет по правилу Марковникова.

  $HC \equiv CH + HCl \rightarrow H_2C=CHCl$ (хлорэтен, или винилхлорид)

• Гидратация (присоединение воды) — реакция Кучерова. Происходит в присутствии солей ртути(II) с образованием промежуточного неустойчивого продукта (енола), который сразу изомеризуется в более стабильный уксусный альдегид (ацетальдегид).

  $HC \equiv CH + H_2O \xrightarrow{H_2SO_4, HgSO_4} [H_2C=CH-OH] \rightarrow CH_3-CHO$ (ацетальдегид)

Ответ: Для ацетилена характерны реакции присоединения (водорода, галогенов, галогеноводородов, воды) по месту разрыва менее прочных $\pi$-связей в его тройной связи.

Тройная связь, как область повышенной электронной плотности, легко окисляется.

• Горение. Ацетилен горит в кислороде ярким, сильно коптящим пламенем (из-за высокого массового содержания углерода) с выделением большого количества теплоты, что используется, например, при газовой сварке металлов.

  $2C_2H_2 + 5O_2 \rightarrow 4CO_2 + 2H_2O$

• Мягкое окисление. Ацетилен обесцвечивает водный раствор перманганата калия ($KMnO_4$), что также является качественной реакцией на кратную связь. При этом тройная связь полностью разрывается, и образуется соль щавелевой кислоты (оксалат).

  $3C_2H_2 + 8KMnO_4 \xrightarrow{H_2O} 3K_2C_2O_4 + 8MnO_2 \downarrow + 2KOH + 2H_2O$

Ответ: Ацетилен легко вступает в реакции окисления, включая полное сгорание и взаимодействие с сильными окислителями (например, $KMnO_4$), что доказывает наличие в нем кратной связи.

Благодаря наличию кратных связей, молекулы ацетилена способны соединяться друг с другом, образуя более крупные молекулы.

• Димеризация и тримеризация. При пропускании ацетилена над активированным углем при высокой температуре ($600^\circ C$) происходит его тримеризация с образованием ароматического углеводорода — бензола (реакция Зелинского-Казанского).

  $3HC \equiv CH \xrightarrow{C_{акт.}, 600^\circ C} C_6H_6$ (бензол)

• Линейная полимеризация. В определенных условиях ацетилен может образовывать длинные цепи, формируя полимер полиацетилен, обладающий полупроводниковыми свойствами.

Ответ: Ацетилен способен к реакциям полимеризации и олигомеризации, важнейшей из которых является тримеризация в бензол.

Это уникальное свойство ацетилена и других алкинов с тройной связью на конце цепи (терминальных алкинов). Атомы водорода, связанные с атомами углерода при тройной связи, обладают повышенной подвижностью и могут замещаться на ионы металлов. Это связано с сильной поляризацией связи $C-H$ из-за высокой электроотрицательности sp-гибридизованного атома углерода.

• Взаимодействие с сильными основаниями или активными металлами приводит к образованию ацетиленидов.

  $HC \equiv CH + 2Na \rightarrow Na-C \equiv C-Na + H_2 \uparrow$ (ацетиленид натрия)

• Образование нерастворимых ацетиленидов с аммиачными растворами оксида серебра(I) или хлорида меди(I). Эти реакции являются качественными для обнаружения терминальной тройной связи.

  $HC \equiv CH + 2[Ag(NH_3)_2]OH \rightarrow Ag-C \equiv C-Ag \downarrow + 4NH_3 + 2H_2O$ (белый осадок ацетиленида серебра)

  $HC \equiv CH + 2[Cu(NH_3)_2]Cl \rightarrow Cu-C \equiv C-Cu \downarrow + 2NH_4Cl + 2NH_3$ (красно-бурый осадок ацетиленида меди(I))

Ответ: В отличие от алкенов и алканов, ацетилен проявляет слабые кислотные свойства, вступая в реакции замещения атомов водорода при тройной связи на металлы с образованием солеподобных ацетиленидов.

Какие качественные реакции на кратные связи вам известны?

Кратные связи (двойные $C=C$ и тройные $C \equiv C$) являются характерной особенностью непредельных углеводородов (алкенов, алкинов, алкадиенов). Наличие менее прочной $\pi$-связи в их структуре обуславливает склонность к реакциям присоединения, которые и лежат в основе качественного определения этих связей. Наиболее известными являются следующие реакции.

1. Взаимодействие с бромной водой

При пропускании непредельного углеводорода через бромную воду (раствор брома $Br_2$ в воде), имеющую бурую или желто-бурую окраску, происходит реакция электрофильного присоединения брома по месту разрыва $\pi$-связи. В результате образуется бесцветный продукт дибромпроизводное, а сама бромная вода обесцвечивается.

Пример для этена (алкен):
$CH_2=CH_2$ (этен) + $Br_2$ (бромная вода) $\rightarrow$ $CH_2Br-CH_2Br$ (1,2-дибромэтан, бесцветный)

Пример для ацетилена (алкин):
$CH \equiv CH$ (ацетилен) + $2Br_2$ (бромная вода) $\rightarrow$ $CHBr_2-CHBr_2$ (1,1,2,2-тетрабромэтан, бесцветный)

Ответ: Обесцвечивание бурого раствора бромной воды.

2. Окисление раствором перманганата калия (реакция Вагнера)

Алкены и алкины легко окисляются холодным водным раствором перманганата калия $KMnO_4$, который имеет ярко-фиолетовую окраску. В ходе реакции происходит разрыв $\pi$-связей и присоединение гидроксогрупп (в мягких условиях для алкенов) или полный разрыв углеродного скелета (в более жестких условиях или для алкинов). При этом фиолетовый ион перманганата $MnO_4^-$ восстанавливается до диоксида марганца $MnO_2$ — нерастворимого соединения бурого цвета.

Пример для этена (мягкое окисление в нейтральной среде):
$3CH_2=CH_2 + 2KMnO_4 + 4H_2O \rightarrow 3HO-CH_2-CH_2-OH$ (этиленгликоль) $+ 2MnO_2 \downarrow$ (бурый осадок) $+ 2KOH$

Пример для ацетилена (окисление в нейтральной среде):
$3CH \equiv CH + 8KMnO_4 \rightarrow 3KOOC-COOK$ (оксалат калия) $+ 8MnO_2 \downarrow$ (бурый осадок) $+ 2KOH + 2H_2O$

Ответ: Обесцвечивание фиолетового раствора перманганата калия и образование бурого осадка $MnO_2$.

3. Реакции для алкинов с концевой тройной связью

Эта группа реакций позволяет не только обнаружить тройную связь, но и отличить алкины с тройной связью на конце молекулы (терминальные алкины) от алкенов и алкинов с тройной связью в середине цепи. Атом водорода при тройной связи ($ \equiv C-H$) обладает слабыми кислотными свойствами и может замещаться на ионы металлов.

а) Реакция с аммиачным раствором оксида серебра(I) (реактив Толленса). При взаимодействии терминального алкина с реактивом Толленса $[Ag(NH_3)_2]OH$ образуется белый или желтовато-белый осадок ацетиленида серебра.

Пример для ацетилена:
$HC \equiv CH + 2[Ag(NH_3)_2]OH \rightarrow Ag-C \equiv C-Ag \downarrow$ (ацетиленид серебра, белый осадок) $+ 4NH_3 + 2H_2O$

б) Реакция с аммиачным раствором хлорида меди(I). При взаимодействии терминального алкина с аммиачным раствором $CuCl$ образуется красно-бурый осадок ацетиленида меди(I).

Пример для пропина:
$CH_3-C \equiv CH + [Cu(NH_3)_2]Cl \rightarrow CH_3-C \equiv C-Cu \downarrow$ (пропинид меди(I), красно-бурый осадок) $+ NH_4Cl + NH_3$

Ответ: Образование белого осадка с аммиачным раствором оксида серебра или красно-бурого осадка с аммиачным раствором хлорида меди(I). Данные реакции специфичны только для алкинов с концевой тройной связью.