Ацетиле́н (етин) — органічна сполука, перший представник ряду алкінів. Безбарвний газ, без запаху, легший за повітря.
Фізичні властивості Ацетилен — при нормальних умовах — безбарвний газ, малорозчинний у воді, легший за повітря. При сильному охолодженні переходить відразу в білу кристалічну речовину, минаючи рідкий стан. При −83,6 °C випаровується (сублімує), не розплавляючись. При стисненні розкладається з вибухом, зберігають в балонах, заповнених активованим вугіллям, що просочене ацетоном, в якому ацетилен розчиняється під тиском у великих кількостях. Вибухонебезпечний.
C2Н2 виявлений на Урані і Нептуні.
Будова Хімічна формула C2Н2. Два магнітні ядра є еквівалентними з точки зору симетрії:
,
де — хімічний зсув. Спінова система C2Н2 — A2.
Спінова система 13C ізотоп-заміщеного похідного : Два протони й два ядра 13C є хімічно, але не магнітно еквівалентні. Оскільки константи спін-спінової взаємодії не є рівними:
Отримання Раніше ацетилен одержували лише з карбіду кальцію при взаємодії його з водою, переважно в апаратах із саморегулюванням реакції, що діяли за принципом апарату Кіппа:
Великі кількості ацетилену добувають при термічному розкладі (піролізі) метану (природного газу): 2CH4 -> C2H2 + 3H2
Процес проводять при температурі близько 1500 °C. Щоб запобігти розкладу одержаного ацетилену на вуглець і водень, метан швидко продувають через зону високої температури. При цьому разом з ацетиленом утворюється також водень.
Його також можна отримати дегідрогалогенуванням дибромоетану за допомогою гідроксиду калію:
Br-CH2-CH2-Br +2KOH ->[NR_4Cl]HC#CH +2KBr +2H2O
Хімічні властивості У хімічному відношенні ацетилен активніший, ніж етилен. Висока хімічна активність ацетилену обумовлюється наявністю в його молекулі потрійного зв'язку. Для ацетилену, як і етилену, характерні реакції окиснення, приєднання і полімеризації.
Реакції окиснення
Окиснення з утворенням карбонових кислот Алкіни окиснюються з розщепленням потрійного зв'язку і утворенням карбонових кислот. У випадку ацетилену це буде мурашина кислота. Окисниками можуть бути перманганат, дихромат калію, оксид хрому (VI), озон.
HC#CH + 3O + H2O ->2HCOOH
Реакція горіння Ацетилен горить кіптявим полум'ям. Суміш ацетилену з повітрям чи з киснем вибухонебезпечна. Межі вибуховості його сумішей з повітрям складають 2,2–81; з киснем — 2,3–93 об'ємних %.
Реакції приєднання
Взаємодія з галогенами та галогеноводнями
Ацетилен легко знебарвлює бромну воду, приєднуючи при цьому бром за місцем розриву спочатку одного, а потім і другого зв'язку з утворенням відповідно дибромоетену С2Н2Br2, а потім тетрабромоетану С2Н2Br4:
У присутності гідроксиду натрію може також вступати у реакції заміщення з бромом:
HC#CH +Br2 ->[NaOH,-HBr]HC#CBr +Br2 ->[NaOH, -HBr]BrC#CBr
При взаємодії з хлороводнем у присутності каталізатора ацетилен утворює вінілхлорид СН2=CHCl:
Ця реакція має велике практичне значення, оскільки вінілхлорид широко використовується для одержання полімерних матеріалів.
Приєднання карбонільних сполук При приєднанні карбонільних сполук утворюються спирти. В цій реакції, на відміну від інших реакцій приєднання, потрійний зв'язок залишається. З формальдегідом утворює пропінол, а далі — 2-бутин-1,4-діол:
HC#CH +H2CO ->HC#C-CH2-OH +H2CO ->HO-CH2-C#C-CH2-OH
При взаємодії з іншими альдегідами утворює вторинні спирти, а з кетонами — третинні:
HC#CH +R-CHO ->HC#C-CH(R)-OH
HC#CH +R2CO ->HC#C-CR2-OH
Приєднання кислот Ацетилен може приєднувати карбонові кислоти, утворюючи естери вінілового спирту. Каталізатором у цій реакції є солі ртуті(II) та міді(I):
HC#CH +H-O-CO-CH3 ->[Hg]CH2=CH-O-CO-CH3
Вінілацетат, який утворюється при взаємодії ацетилену з оцтовою кислотою, використовується для отримання полівінілацетату (ПВА) — полімеру з широким застосуванням.
Вінілові естери, що утворюються при цій реакції, здатні ще приєднувати карбонові кислоти з утворенням діестерів — ацеталів:
Гідрування У присутності порошку нікелю як каталізатора ацетилен легко вступає і в реакцію гідрування. При цьому, як і у випадку галогенування, реакція відбувається у дві стадії. Спочатку утворюється етилен, а потім етан:
Взаємодія зі спиртами В присутності алкоголятів взаємодіє зі спиртами, утворюючи етери:
HC#CH +ROH ->[RONa]H2C=CH-O-R
Механізм реакції такий: спочатку алкоголят розпадається на R-O- та Na+. Потім R-O- приєднується до молекули ацетилену, утворюючи карбоаніон та іон металу, а від молекули спирту відщеплюється протон, який приєднується до карбоаніона. R-O-, що залишився від спирту, взаємодіє з новою молекулою ацетилену, і реакція повторюється.
При взаємодії ацетилену зі спиртами та монооксидом вуглецю утворюються естери — акрилати:
HC#CH +ROH +CO->H2C=CH-CO-O-R
Полімеризацією метилакрилату, який утворюється у цій реакції (якщо там метанол) отримають поліметилакрилат.
Гідратація Ацетилен вступає також у реакцію гідратації з утворенням етаналю:
HC#CH +H2O ->CH3-CHO
Каталізатором у цій реакції є розчин сульфату ртуті у 10 % сульфатній кислоті. Спочатку іон Hg2+ перетворюється на Hg+, а H2O — на H2O+. Ці іони приєднуються до потрійного зв'язку з утворенням Hg+ -CH=CH-O+H2. Потім протон відщеплюється і знову приєднується у вигляді атома водню на місце іона ртуті, залишаючи каталізатор: Hg+ -CH=CH-OH + H+ ->H-CH=CH-OH + Hg^2+ .
Далі, завдяки кето-енольній таутомерії, отриманий вініловий спирт перетворюється на етаналь:
H2C=CH-OH <=>> H3C-CH=O.
Інші реакції приєднання Також приєднує синильну кислоту з утворенням акрилонітрилу:
HC#CH +HCN ->H2C=CH-CN
Взаємодія з металами Внаслідок високої електронегативності вуглецю в стані sp3-гібридизації атоми водню в ацетилені є рухливими, тобто ацетилен є слабкою кислотою. При пропусканні ацетилену у розчини солей перехідних металів випадає осад ацетиленидів металів, наприклад ацетиленід срібла.
Полімеризація
У присутності CuCl в кислому середовищі може димеризуватися з утворенням вінілацетилену. При цьому утворюється побічний продукт — дивінілацетилен:
2HC#CH ->[H^+, CuCl]H2C=CH-C#CH
H2C=CH-C#CH +HC#CH ->H2C=CH-C#C-CH=CH2
При нагріванні до 450 °C у присутності активованого вугілля циклотримеризується з утворенням бензену:
При нагріванні до 100 °C циклотетрамеризується з утворенням октатетраєну (реакція проходить аналогічно тримеризації, але в ній беруть участь чотири молекули).
У присутності радикальних ініціаторів або металоорганічних каталізаторів полімеризується у полієн:
nHC#CH ->(-CH=CH-)n
Застосування Головною галуззю застосування ацетилену є хімічна промисловість. Ацетилен служить вихідною сировиною для синтезу таких важливих хімічних продуктів, як пластмаси, бензол, ацетатна кислота і ін. У техніці значні кількості ацетилену використовуються при автогенному зварюванні і різанні металів.
Примітки
Див. також Реакція Кучерова
Джерела
Хімія / Ф. А. Деркач. — Львів: Видавництво Львівського держуніверситету, 1968. Шемчук Л. М. Ацетиленові вуглеводні // Фармацевтична енциклопедія Ластухін Ю. О., Воронов С. А. Органічна хімія. — 3-є. — Львів: Центр Європи, 2006. — 864 с. — ISBN 966-7022-19-6. Глосарій термінів з хімії // Й.Опейда, О.Швайка. Інститут фізико-органічної хімії та вуглехімії ім. Л. М. Литвиненка НАН України, Донецький національний університет — Донецьк: «Вебер», 2008. — 758 с. ISBN 978-966-335-206-0
Посилання Ацетилен // ВУЕ