Лист в клетку, вырванный из тетради, исписан карандашом с двух сторон. Сверху условие тренировочной цепочки в духе тридцать второго задания: из карбида кальция получить ацетилен, из него ацетиленид натрия, дальше бутин-1 и бутанон. Ниже два вопроса от преподавателя: чем отличить бутин-1 от бутина-2 и сколько водорода при нормальных условиях нужно, чтобы превратить в бутан 10,8 грамма бутина.
Ученик написал шесть строк. Преподаватель красной ручкой оставил на полях пять пометок и один плюс. Лист условный, но собран он из ошибок, которые, по опыту преподавателей, повторяются на алкинах из года в год. Почти весь класс веществ помещается на этих полях.
«Оксид в воде?»
В первой строке карбид кальция реагирует с водой, и справа у ученика стоят ацетилен и оксид кальция. Пометка короткая. Оксид кальция в воде не останется, он сам с ней реагирует. Справа должна быть гашеная известь, а воды на одну формульную единицу карбида нужно две молекулы.
Кто бросал карбид в лужу, эту известь видел. Камешек шипит, вода мутнеет, на дне остается серая каша. Пахнет при этом чесноком, хотя чистый ацетилен почти без запаха. Запах дает фосфин, примесь из технического карбида. По той же причине индийские пищевые правила запрещают дозаривать карбидом манго и бананы. Ацетилен действует на плоды примерно как этилен, только вместе с ним в ящик попадают следы мышьяка и фосфора.
На заводах ацетилен давно берут из природного газа. Метан на доли секунды нагревают до полутора тысяч градусов и сразу охлаждают водой. Из двух его молекул получаются молекула ацетилена и три молекулы водорода. В цепочках эта реакция встречается реже карбидной, зато в первой части экзамена ее спрашивают прямо.
Плюс на полях
Вторая строка верная. Ацетилен с амидом натрия дает ацетиленид натрия и аммиак. Рядом с плюсом преподаватель приписал вопрос, почему этан так не умеет.
Ответ лежит в устройстве тройной связи. У двух атомов углерода при ней в гибридизации заняты одна эс- и одна пэ-орбиталь. Гибридные орбитали смотрят в противоположные стороны, и все четыре атома ацетилена стоят на одной прямой. Между углеродами одна сигма-связь и две пи-связи, расстояние между ядрами 0,120 нанометра против 0,134 у двойной связи и 0,154 у одинарной. Электронная пара связи углерода с водородом у такого атома заметно сдвинута к углероду. Водород поэтому подвижен и уступает место металлу.
С этим свойством считаются и вне лаборатории. Ацетилен запрещено подавать по медным трубам, потому что на влажной меди нарастает красно-бурый ацетиленид, а сухой он взрывается от удара. Сам газ тоже хранят с осторожностью. В баллоне сварщика лежит пористая масса с ацетоном, и ацетилен в нем растворен. При обычном давлении и пятнадцати градусах объем ацетона принимает около двадцати пяти объемов газа, под давлением намного больше. Сжатый без растворителя ацетилен способен разложиться со взрывом даже без воздуха, от сильного нагрева или удара.
«Какой бутин?»
В третьей строке ацетиленид натрия реагирует с бромэтаном. Продукт ученик записал молекулярной формулой, четыре углерода и шесть водородов, и подписал словом «бутин». На полях стоит вопрос и требование структурной формулы. В условии тридцать второго задания это требование записано прямо.
Молекулярная формула тут ничего не решает. Такой состав имеют бутин-1 и бутин-2, а кроме них бутадиен-1,3, из которого делают каучук, бутадиен-1,2 и циклобутен. Алкином считается только углеводород с открытой цепью и одной тройной связью. Общая формула ряда, где водорода на два атома меньше удвоенного числа углеродов, подходит и алкадиенам с той же общей формулой.
Два бутина различаются даже на складе. Бутин-1 кипит при восьми градусах, его продают в баллонах. Бутин-2 закипает при двадцати семи и стоит в бутылке жидкостью. В цепочке получается первый. Этильная группа встает на место натрия, тройная связь остается у края цепи. Номер в названии показывает атом, с которого она начинается, а считают его с ближнего к связи конца. Годятся для такого наращивания галогенметаны и первичные галогеналканы, с хлорметаном вышел бы пропин.
Бутин-1 можно получить и другим путем. На 1,2-дибромбутан действуют избытком спиртового раствора щелочи при нагревании, и она отнимает две молекулы бромоводорода. Из 2,3-дибромбутана так же получается бутин-2. Водный раствор щелочи дал бы вместо алкина двухатомный спирт.
Цис- и транс-форм, о которых ученик спросил в скобках, у бутинов нет. У бутена-2 они есть, потому что каждый атом при двойной связи держит два разных заместителя, водород и метил. Атом при тройной связи держит один, и лежит он на продолжении связи.
«Марковников»
Четвертая строка, гидратация бутина-1. Ученик помнил, что ацетилен с водой дает уксусный альдегид, и по аналогии написал бутаналь. Над стрелкой пусто. Пометка здесь из двух слов: фамилия и «условия».
Альдегид получается только из ацетилена. К бутину-1 вода присоединяется по правилу Марковникова, гидроксильная группа попадает ко второму атому углерода. Сначала возникает спирт с гидроксилом у двойной связи, енол. Он неустойчив, водород переходит от кислорода к соседнему углероду, и выходит кетон бутанон. Бутин-2 дал бы тот же бутанон, пропин дает ацетон. Над стрелкой пишут соль двухвалентной ртути и кислоту, а реакцию называют именем Кучерова. Хлороводород и бромоводород идут к тройной связи по тому же правилу, и две молекулы бромоводорода превращают пропин в 2,2-дибромпропан.
Ртуть в этой строке стоит по делу. Японский завод компании «Тиссо» в городе Минамата делал уксусный альдегид из ацетилена на ртутном катализаторе и сливал отходы в залив. Болезнь, которую в 1956 году описали у жителей побережья, носит имя города, как и конвенция о ртути, вступившая в силу в 2017 году. Она касается и соседнего производства. Китай получает большую часть своего поливинилхлорида из карбидного ацетилена. К нему присоединяют молекулу хлороводорода на хлориде ртути, нанесенном на активированный уголь, и выходит винилхлорид, а из него полимеризацией делают пластик для оконных профилей и труб.
«Зеркало у альдегидов»
На вопрос о двух бутинах ученик ответил почти правильно. Реактив назван верно, аммиачный раствор оксида серебра. Дальше написано, что бутин-1 дает серебряное зеркало. Преподаватель подчеркнул последние два слова.
Бутин-1 дает осадок соли. Серебро занимает место водорода у тройной связи, степени окисления не меняются. В бутине-2 такого водорода нет, по краям цепи метильные группы, и раствор остается прозрачным. Ацетилен в этой реакции замещает оба своих атома водорода. Зеркало получается иначе: альдегид восстанавливает серебро до металла. В плохо вымытой пробирке металл тоже ложится серым порошком, так что одно слово «осадок» в условии вопроса не решает, смотрят на его состав.
Есть и вторая проба. Подкисленный перманганат при нагревании рвет цепь по тройной связи. От бутина-2 остаются две молекулы уксусной кислоты, от бутина-1 пропионовая кислота и углекислый газ, потому что крайний атом углерода окисляется полностью. Ацетилен в нейтральном растворе дает оксалат калия и бурый оксид марганца.
«Связей две»
Последняя строка с расчетом. Молярную массу бутина ученик нашел верно, 54 грамма на моль, и получил 0,2 моль. Водорода взял столько же и написал 4,48 литра. На полях два слова и исправленный ответ, 8,96 литра.
Тройная связь принимает водород дважды. Один моль на моль алкина доводит ее до двойной, второй до одинарной, и только тогда получается бутан, 0,2 моль, или 11,6 грамма. На никеле, платине и обычном палладии реакция сама на алкене не задерживается. Остановить ее удалось Герберту Линдлару в 1952 году, когда для синтеза витамина А понадобилась двойная связь на месте тройной. Он ослабил палладий солью свинца. На таком катализаторе бутин-1 дает бутен-1, бутин-2 дает бутен-2.
С бромом счет такой же. Пропин с первым молем брома превращается в 1,2-дибромпропен, со вторым в 1,1,2,2-тетрабромпропан. Бромная вода при этом обесцвечивается, но с пропеном она обесцвечивается точно так же, и раствор перманганата оба газа тоже обесцвечивают. Алкин от алкена эти пробы не отличают, разница видна только в расходе реагента.
Чего на листе не было
Цепочка не дошла до двух реакций, которые на экзамене встречаются постоянно. Над активированным углем при 600 градусах три молекулы ацетилена замыкаются в кольцо бензола, а пропин в тех же условиях дает 1,3,5-триметилбензол. Дальше начинается уже тема аренов, получение и свойства бензола.
Вторая реакция, горение. В кислороде ацетилен сгорает с большим выделением теплоты, пламя горелки нагревается выше трех тысяч градусов и режет сталь. На два моля газа уходит пять молей кислорода, получается четыре моля углекислого газа и два моля воды. Моль любого алкина дает столько молей углекислого газа, сколько в молекуле атомов углерода, а воды на моль меньше. На воздухе ацетилен коптит, углерода в нем больше 92 процентов по массе.
Алкины, шпаргалка по реакциям
| Реакция | Реагент и условия | Пример | На что смотреть |
|---|---|---|---|
| Из карбида | вода | CaC₂ + 2H₂O → HC≡CH + Ca(OH)₂ | справа гидроксид кальция, не оксид |
| Из метана | 1500 °C, быстрое охлаждение | 2CH₄ → HC≡CH + 3H₂ | только ацетилен |
| Из дигалогенида | избыток KOH (спирт.), t° | CH₃–CHBr–CH₂Br + 2KOH → CH₃–C≡CH + 2KBr + 2H₂O | водная щелочь даст двухатомный спирт |
| Удлинение цепи | NaNH₂, затем галогенметан или первичный галогеналкан | HC≡CNa + CH₃Cl → CH₃–C≡CH + NaCl | нужен водород у тройной связи |
| Гидрирование | H₂, катализатор | CH₃–C≡CH + 2H₂ → CH₃–CH₂–CH₃ | до алкена 1 моль H₂, до алкана 2 моль |
| С галогенами | Br₂ (бромная вода) | CH₃–C≡CH + 2Br₂ → CH₃–CBr₂–CHBr₂ | обесцвечивание не отличает алкин от алкена |
| С HBr и HCl | HBr, HCl | CH₃–C≡CH + 2HBr → CH₃–CBr₂–CH₃ | правило Марковникова оба раза |
| Гидратация (Кучерова) | H₂O, Hg²⁺, H⁺ | HC≡CH + H₂O → CH₃–CHO CH₃–C≡CH + H₂O → CH₃–CO–CH₃ | альдегид только из ацетилена, из гомологов кетон; енол в ответе не оставлять |
| С серебром | [Ag(NH₃)₂]OH | HC≡CH + 2[Ag(NH₃)₂]OH → AgC≡CAg↓ + 4NH₃ + 2H₂O | только алкины с тройной связью на краю цепи; это соль, не серебряное зеркало |
| Окисление | KMnO₄, H₂SO₄, t° | 5CH₃–C≡C–CH₃ + 6KMnO₄ + 9H₂SO₄ → 10CH₃COOH + 6MnSO₄ + 3K₂SO₄ + 4H₂O | цепь рвется по тройной связи; крайний атом углерода дает CO₂ |
| Окисление ацетилена | KMnO₄, нейтральная среда | 3HC≡CH + 8KMnO₄ → 3K₂C₂O₄ + 8MnO₂↓ + 2KOH + 2H₂O | оксалат калия и бурый осадок |
| Тримеризация | C (акт.), 600 °C | 3HC≡CH → C₆H₆ | из пропина 1,3,5-триметилбензол |
| Горение | O₂ | 2C₂H₂ + 5O₂ → 4CO₂ + 2H₂O | из 1 моль алкина CₙH₂ₙ₋₂ выходит n моль CO₂ и n − 1 моль H₂O |
Общая формула: CₙH₂ₙ₋₂, n ≥ 2. Ту же формулу имеют алкадиены и циклоалкены.
Строение: два атома углерода при тройной связи в sp-гибридизации, угол 180°, одна σ- и две π-связи. Длина связи C≡C 0,120 нм, C=C 0,134 нм, C–C 0,154 нм.
Изомерия: углеродного скелета, положения тройной связи, межклассовая. Цис-транс-изомеров по тройной связи нет.
По кодификатору ЕГЭ по химии, раздел «Органическая химия», углеводороды.
Тот же лист набело
После разбора ученик переписал ответ. Карбид кальция и две молекулы воды дают ацетилен и гидроксид кальция. Ацетилен с амидом натрия превращается в ацетиленид натрия и аммиак. Ацетиленид с бромэтаном дает бутин-1, записанный структурной формулой, и бромид натрия. Бутин-1 с водой в присутствии соли ртути и кислоты превращается в бутанон. Бутин-1 от бутина-2 отличает осадок с аммиачным раствором оксида серебра. На гидрирование 0,2 моль бутина до бутана уходит 0,4 моль водорода.
Что из этого спрашивают на ЕГЭ
В работе 34 задания, проект ФИПИ на 2027 год ее не меняет. Органике в первой части отданы номера с 10 по 16. Задания 14 и 15 стоят по два балла, остальные по одному. Алкины встречаются в задании 11 про строение и изомеры, в 12 и 14 про свойства и получение углеводородов, в цепочке задания 16. Во второй части им отведено задание 32, пять уравнений на пять баллов, и задача 33 на вывод формулы, она стоит три балла.
Расчет с карбидом в цепочку не попал, он разобран в тренажере: технический карбид с примесями и выход ацетилена меньше теоретического.
Конструктор реакции алкинов
Выберите вещество и реагент. Сначала назовите продукт сами, потом сверьтесь.
Восемь задач для проверки
Все задания тренировочные. Решите на черновике и откройте ответ.
1Тренировочное задание. Технический карбид кальция массой 40 г содержит 20% примесей. Какой объем ацетилена (н. у.) получится, если выход реакции 85%?
Ответ
m(CaC₂) = 40 · 0,8 = 32 г; n = 32 ÷ 64 = 0,5 моль. По уравнению CaC₂ + 2H₂O → C₂H₂ + Ca(OH)₂ ацетилена тоже 0,5 моль, теоретически 0,5 · 22,4 = 11,2 л. С учетом выхода 11,2 · 0,85 = 9,52 л. Поправок две: доля чистого вещества и выход. Без первой получится 11,9 л, без второй 11,2 л.
2Тренировочное задание. Какой объем водорода (н. у.) нужен для полного гидрирования 10,8 г бутина? Какая масса бутана получится?
Ответ
M(C₄H₆) = 54 г/моль; n = 10,8 ÷ 54 = 0,2 моль. C₄H₆ + 2H₂ → C₄H₁₀, водорода 0,4 моль, V = 0,4 · 22,4 = 8,96 л. Бутана 0,2 моль, m = 0,2 · 58 = 11,6 г.
3Из 1,2-дибромбутана получили углеводород, который дает осадок с аммиачным раствором оксида серебра, а при гидратации с солью ртути превращается в кетон. Назовите углеводород и кетон.
Ответ
Бутин-1 и бутанон. Спиртовой раствор щелочи отнимает две молекулы HBr, осадок говорит о тройной связи на краю цепи. Из 2,3-дибромбутана получился бы бутин-2: осадка он не дает, кетон тот же.
4В трех склянках пропан, пропен и пропин. Как их различить?
Ответ
Бромную воду пропан не обесцвечивает, пропен и пропин обесцвечивают. Новые порции этих двух газов пропускают через аммиачный раствор оксида серебра: осадок дает только пропин.
5Сколько атомов углерода в состоянии sp-гибридизации в молекуле бутина-1?
Ответ
Два, только атомы при тройной связи. Два остальных в sp³-гибридизации.
6Вещество состава C₄H₆ не дает осадка с аммиачным раствором оксида серебра. Можно ли утверждать, что это бутин-2?
Ответ
Нет. Осадка не дают и бутадиен-1,3, и бутадиен-1,2, и циклобутен. Нужны дополнительные данные, например продукт гидратации. Расход двух молей брома на моль вещества алкин от алкадиена не отличает.
7Что получится при гидратации пропина в присутствии соли ртути(II)?
Ответ
Ацетон, CH₃–CO–CH₃. Вода присоединяется по правилу Марковникова, неустойчивый енол перегруппировывается в кетон.
8Какие кислоты образуются при окислении бутина-1 и бутина-2 подкисленным раствором перманганата калия при нагревании?
Ответ
Из бутина-2 две молекулы уксусной кислоты. Из бутина-1 пропионовая кислота и углекислый газ: крайний атом углерода окисляется полностью.
Задания авторские, тренировочные. Объемы газов рассчитаны для нормальных условий.
Куда двигаться дальше
Проверить себя можно на таком же листе. Рисуют два бутина и под каждым пишут продукты с избытком водорода, брома и бромоводорода, с водой, с серебром и с подкисленным перманганатом. Три строчки совпадут: бутан, 2,2-дибромбутан и бутанон. Бром встанет к разным атомам углерода, серебро откликнется только на бутин-1, перманганат оставит разные кислоты.
В таблице, где собраны классы органических соединений, рядом с алкинами стоят алкадиены и арены. Реакции присоединения у алкенов полезно повторить для сравнения, а что бывает с бутаноном дальше, расскажет тема «Альдегиды и кетоны». Общее устройство экзамена по химии на classicum.ru разобрано отдельно. Занятия по химии у нас идут онлайн, небольшими группами, и на первой бесплатной встрече методист смотрит, какие разделы органики держатся, а какие придется собирать заново.
Частые вопросы про алкины на экзамене
Отличит ли бромная вода алкин от алкена?
Нет. Цвет она теряет с обоими, перманганат тоже. Алкин с тройной связью на краю цепи узнают по осадку с серебром. Для остальных остается счет, два моля брома на моль вещества.
Почему в реакции Кучерова не пишут спирт?
Спирт с гидроксильной группой у двойной связи сразу перестраивается в карбонильное соединение. Справа в уравнении стоит уксусный альдегид, у гомологов кетон.
Сколько водорода присоединяет алкин?
До алкена один моль на моль вещества, до алкана два. Подсказку дают слова «избыток водорода» и названный катализатор.
Какие изомеры алкинов бывают в заданиях?
По углеродному скелету, по положению тройной связи и межклассовые, то есть алкадиены и циклоалкены. Цис- и транс-форм по тройной связи нет.
