Химия · Органическая химия · 10 класс

Алкины, бензол и стирол

Какой газ выделяется из карбида и воды и почему его пламя плавит металл?

Ситуация

В мастерской сварщик открывает два баллона: в синем — кислород, в белом — ацетилен. На кончике горелки появляется слепящий маленький голубоватый конус — рядом с ним температура около 3100 °C, сталь плавится мгновенно. Ацетилен можно получить и в школьной лаборатории: если капнуть воды на серый кусок карбида кальция, газ «закипает». А из ацетилена при высокой температуре можно получить бензол, из бензола — стирол и полистироловые стаканчики. В чём секрет тройной связи в молекуле ацетилена и бензольного кольца?

Тема

Алкины и ароматические углеводороды. Пламя ацетиленовой сварки и бензольное кольцо: ацетилен из карбида, бензол из ацетилена, стирол из бензола

Ключевые понятия

C≡C: σ + 2π, 180°
Бензольное кольцо
Тримеризация, стирол

Формулы

C_{n} H_{2 n - 2}

Алкины (одна $C \equiv C$ : σ + 2π, 180°, sp); арены — $C_{n} H_{2 n - 6}$ (бензольное кольцо).

CaC_{2} + 2 H_{2} O \overset{}{\to} C_{2} H_{2} ↑ + Ca (OH)_{2}

Ацетилен в лаборатории: карбид кальция и вода. 1 моль $CaC_{2}$ (64,1 г) → 22,4 л $C_{2} H_{2}$ (н. у.).

3 CH \equiv CH \overset{\overset{}{C_{а к т .}, 600^{\circ} C}}{\to} C_{6} H_{6}

Тримеризация (Н. Д. Зелинский): бензол из трёх молекул ацетилена.

C_{6} H_{6} + Br_{2} \overset{\overset{}{FeBr_{3}}}{\to} C_{6} H_{5} Br + HBr

Для бензола характерно замещение: кольцо сохраняется, Br вместо H.

C_{6} H_{5} - CH_{2} - CH_{3} \overset{\overset{}{Fe_{2} O_{3}, 600^{\circ} C}}{\to} C_{6} H_{5} - CH = CH_{2} + H_{2}

Стирол: дегидрирование этилбензола; стирол полимеризуется в полистирол.

Теория

Алкины: строение, изомерия, номенклатура (2.13)

Алкины — углеводороды с одной тройной связью $C \equiv C$ в молекуле, $C_{n} H_{2 n - 2}$ : этин (ацетилен) $C_{2} H_{2}$ , пропин $C_{3} H_{4}$ , бутин $C_{4} H_{6}$ … Атомы углерода при тройной связи находятся в sp-гибридизации: две гибридные орбитали на одной прямой (180°) образуют σ-связи, две негибридизованные p-орбитали образуют две взаимно перпендикулярные π-связи — π-облако окружает ось связи, как цилиндр. Длина $C \equiv C$ 120 пм ( $C = C$ 134, $C - C$ 154 пм). Номенклатура: в названии алкана «-ан» заменяется на «-ин», указывается номер тройной связи: $CH \equiv C - CH_{2} - CH_{3}$ — бутин-1, $CH_{3} - C \equiv C - CH_{3}$ — бутин-2. Изомерия: углеродного скелета, положения тройной связи и межклассовая — с алкадиенами (бутин-1, бутин-2 и бутадиен-1,3 — все $C_{4} H_{6}$ ).

Ацетилен: получение, свойства, применение (2.14)

Получение: в лаборатории — действием воды на карбид кальция (технический карбид имеет неприятный запах, чистый ацетилен почти без запаха); в промышленности — кратковременным нагреванием метана до 1500 °C: $2 CH_{4} \overset{}{\to} C_{2} H_{2} + 3 H_{2}$ . Свойства: присоединяет в две стадии — водород (Ni; сначала этилен, затем этан), бром (бромная вода обесцвечивается; 1 моль $C_{2} H_{2}$ присоединяет 2 моль $Br_{2}$ ), хлороводород (винилхлорид — мономер ПВХ), воду — реакция Кучерова (1881, соли $Hg^{2 +}$ ): через неустойчивый виниловый спирт получается уксусный альдегид. Обесцвечивает раствор $KMnO_{4}$ . Атом H при концевой тройной связи может замещаться металлом: из аммиачного раствора оксида серебра выпадает осадок $AgC \equiv CAg$ — качественная реакция на концевую тройную связь. При 600 °C на активированном угле тримеризуется — в бензол (Зелинский, 1927). На воздухе горит коптящим пламенем, в кислороде — пламенем ≈ 3100 °C, которое применяют для сварки и резки металлов. Безопасность: ацетилен с воздухом при содержании от 2,5 % образует взрывоопасную смесь — перед поджиганием воздух из прибора должен выйти; карбид берите сухой посудой, в перчатках; надевайте защитные очки.

Сварочное пламя

В горелке смешиваются ацетилен и кислород. Примерно 1 объём кислорода на 1 объём ацетилена — нейтральное пламя: чёткий яркий внутренний конус, у его кончика температура около 3100–3200 °C; недостающий для полного сгорания кислород во внешней оболочке берётся из воздуха ( $2 C_{2} H_{2} + 5 O_{2} \overset{}{\to} 4 CO_{2} + 2 H_{2} O$ , 1 моль ацетилена ≈ 1300 кДж). Если ацетилена избыток — науглероживающее пламя (вокруг конуса белое «перо», температура ниже, шов насыщается углеродом и становится хрупким); если избыток кислорода — окислительное пламя (короткий шумный конус, самое горячее, но окисляет сталь). Сталь плавится около 1400–1500 °C, поэтому нейтральное пламя гораздо горячее её. По ГОСТу кислородные баллоны красят в синий цвет, ацетиленовые — в белый.

Бензол и арены: строение (2.15)

Ароматические углеводороды (арены) содержат бензольное кольцо, гомологический ряд $C_{n} H_{2 n - 6}$ : бензол $C_{6} H_{6}$ , толуол (метилбензол) $C_{7} H_{8}$ , этилбензол и ксилолы $C_{8} H_{10}$ . Бензол в 1825 году выделил М. Фарадей из остатка осветительного газа, формулу кольца в 1865 году предложил А. Кекуле. В формуле Кекуле двойные и одинарные связи чередуются, но на самом деле все шесть связей C–C одинаковы — 139 пм (между одинарной и двойной): шесть атомов углерода в sp²-гибридизации, шесть p-орбиталей образуют единое кольцевое π-облако (6 π-электронов). У двузамещённых аренов есть изомерия положения заместителей: орто (1,2), мета (1,3), пара (1,4) — например, о-, м-, п-ксилол.

Свойства бензола; стирол (2.16–2.17)

Кольцо устойчиво: бензол не обесцвечивает бромную воду и раствор $KMnO_{4}$ (при встряхивании с бромной водой бром переходит в слой бензола — тот становится оранжевым, но реакции нет). Для него характерно замещение: бромирование ( $FeBr_{3}$ ), нитрование ( $HNO_{3} + H_{2} SO_{4}$ → нитробензол), алкилирование (этилен, $AlCl_{3}$ → этилбензол). Присоединение — только в жёстких условиях: гидрирование (Ni, t, p → циклогексан), хлорирование на свету ( $C_{6} H_{6} Cl_{6}$ ). Циклогексен гидрируется с выделением 120 кДж/моль теплоты; «кекулевское» кольцо с тремя двойными связями должно было бы дать 360 кДж/моль, а бензол даёт всего 208 кДж/моль — кольцо устойчивее на ≈ 150 кДж/моль. В толуоле кольцо активирует метильную группу: при нагревании $KMnO_{4}$ окисляет её до бензойной кислоты. В промышленности бензол получают из нефтяного риформинга и каменноугольной смолы; можно получить и тримеризацией ацетилена. Стирол $C_{6} H_{5} - CH = CH_{2}$ получают дегидрированием этилбензола; благодаря двойной связи в боковой цепи он обесцвечивает бромную воду и полимеризуется: полистирол (одноразовая посуда, пенопласт), с бутадиеном — бутадиен-стирольный каучук. Безопасность: бензол канцерогенен (группа 1 по классификации Международного агентства по изучению рака — IARC): работать с ним можно только в вытяжном шкафу, в очень малых количествах; в школе его чаще заменяют толуолом.

Задачи и границы модели (2.23)

Пример: сколько литров ацетилена получится из 6,4 г $CaC_{2}$ ? $n = 6,4 / 64 = 0,1$ моль, $V = 0,1 \cdot 22,4 = 2,24$ л (н. у.). Сколько литров $O_{2}$ расходуется при сгорании 0,56 л ацетилена? $2 C_{2} H_{2} + 5 O_{2}$ : $0,025 \cdot 2,5 = 0,0625$ моль, 1,4 л. Модель: карбид принят чистым (технический карбид не чист — в нём есть известь и другие примеси, поэтому газа из него выходит меньше), каждая капля (0,05 мл) воды полностью реагирует с карбидом, объём газа в газометре показан приведённым к нормальным условиям; в пробирках бром и перманганат расходуются мгновенно и полностью. Температура пламени — приблизительные значения из руководств по сварке (в источниках расхождение ±100 °C). Молекулы показаны с реальными длинами и углами связей в масштабе 1 Å ≈ 4,5 см; анимации реакций замедлены, механизмы упрощены.

Знаете ли вы?

Бензол в 1825 году выделил в Лондоне Майкл Фарадей из масляного остатка в баллонах с осветительным газом и назвал его «бикарбюретом водорода». Формулу кольца опубликовал Август Кекуле в 1865 году.
В Навои на «Навоиазоте» в конце 2019 года запустили комплекс по производству 100 тысяч тонн поливинилхлорида (ПВХ) в год; в его составе есть и производство каустической соды и ацетилена.

Что внутри эксперимента

Эксперимент начинается с жизненной ситуации: вы предсказываете результат, меняете параметры, проводите опыт и делаете вывод. Внутри — задания, теория, тест и экскурсия: камера сама движется и объясняет главное.

Другие эксперименты раздела

Органическая химия: строение — 10 класс
Изомеры и номенклатура — 10 класс
Алканы и циклоалканы — 10 класс
Алкены и алкадиены — 10 класс
Полимеры, каучук, волокна — 10 класс
Природный газ, нефть и каменный уголь — 10 класс
Спирты и простые эфиры — 10 класс
Фенол, альдегиды и кетоны — 10 класс
Кислоты, эфиры и мыло — 10 класс
Углеводы: глюкоза и крахмал — 10 класс