Ацетилен

Ацетиле́н (етин) — органічна сполука, перший представник ряду алкінів. Безбарвний газ, без запаху, легший за повітря.

Ацетилен
Ацетилен
Ацетилен
Ацетилен - просторова модель
просторова модель твердого ацетилену
Систематична назва	Ethyne[1]
Ідентифікатори
Номер CAS	74-86-2
PubChem	6326
Номер EINECS	200-816-9
DrugBank	DB15906
KEGG	C01548
Назва MeSH	D02.455.326.397.259
ChEBI	27518
RTECS	AO9600000
SMILES	C#C
InChI	1/C2H2/c1-2/h1-2H
Номер Бельштейна	906677
Номер Гмеліна	210
Властивості
Молекулярна формула	C2H2
Молярна маса	26,04 г/моль
Зовнішній вигляд	безбарвний газ
Запах	без запаху
Густина	1,097 г/л = 1.097 кг/м3
Тпл	−80,8
Розчинність (вода)	малорозчинний
Тиск насиченої пари	44,2 атм (20 °C)[2]
Кислотність (pKa)	25[3]
Структура
Геометрія	лінійна
Термохімія
Ст. ентальпія утворення ΔfHo 298	+226.88 кДж/моль
Ст. ентропія So 298	201 Дж/(моль·К)
Небезпеки
ГДК (США)	немає[2]
ГГС піктограми
ГГС запобіжних заходів	P202, P210, P261, P271, P304, P340, P312, P377, P381, P403, P403, P233, P405, P501
NFPA 704	4 1 3
Якщо не зазначено інше, дані наведено для речовин у стандартному стані (за 25 °C, 100 кПа)
Інструкція з використання шаблону
Примітки картки

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:

${\displaystyle \varepsilon (H_{1})=\varepsilon (H_{2})}$,

де ${\displaystyle \varepsilon }$ — хімічний зсув. Спінова система C₂Н₂ — ${\displaystyle A_{2}.}$

Спінова система ${\displaystyle {}^{13}C}$ ізотоп-заміщеного похідного ${\displaystyle H_{1}-{}^{13}C\equiv {}^{13}C-H_{2}}$: ${\displaystyle AA'XX'.}$ Два протони й два ядра ${\displaystyle {}^{13}C}$ є хімічно, але не магнітно еквівалентні. Оскільки константи спін-спінової взаємодії не є рівними:

${\displaystyle J(H_{1}-C_{1})\neq J(H_{1}-C_{2});\quad J(H_{2}-C_{1})\neq J(H_{2}-C_{2}).}$

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):

${\displaystyle {\ce {2CH4 -> C2H2 + 3H2}}}$

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:

${\displaystyle {\ce {Br-CH2-CH2-Br +2KOH ->[NR_4Cl]HC#CH +2KBr +2H2O}}}$

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.

${\displaystyle {\ce {HC#CH + 3O + H2O ->2HCOOH}}}$

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 %.

${\displaystyle \mathrm {2C_{2}H_{2}+5O_{2}\rightarrow 4CO_{2}+2H_{2}O} }$

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:

${\displaystyle {\ce {HC#CH +Br2 ->[NaOH,-HBr]HC#CBr +Br2 ->[NaOH, -HBr]BrC#CBr}}}$

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:

${\displaystyle {\ce {HC#CH +H2CO ->HC#C-CH2-OH +H2CO ->HO-CH2-C#C-CH2-OH}}}$

При взаємодії з іншими альдегідами утворює вторинні спирти, а з кетонами — третинні:

${\displaystyle {\ce {HC#CH +R-CHO ->HC#C-CH(R)-OH}}}$

${\displaystyle {\ce {HC#CH +R2CO ->HC#C-CR2-OH}}}$

Приєднання кислот

Ацетилен може приєднувати карбонові кислоти, утворюючи естери вінілового спирту. Каталізатором у цій реакції є солі ртуті(II) та міді(I):

${\displaystyle {\ce {HC#CH +H-O-CO-CH3 ->[Hg]CH2=CH-O-CO-CH3}}}$

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:

${\displaystyle \mathrm {H-C\equiv C-H+H_{2}{\xrightarrow {Ni}}CH_{2}=CH_{2}} }$

${\displaystyle \mathrm {CH_{2}=CH_{2}+H_{2}\longrightarrow CH_{3}-CH_{3}} }$

Взаємодія зі спиртами

В присутності алкоголятів взаємодіє зі спиртами, утворюючи етери:

${\displaystyle {\ce {HC#CH +ROH ->[RONa]H2C=CH-O-R}}}$

Механізм реакції такий: спочатку алкоголят розпадається на ${\displaystyle {\ce {R-O-}}}$ та ${\displaystyle {\ce {Na+}}}$. Потім ${\displaystyle {\ce {R-O-}}}$ приєднується до молекули ацетилену, утворюючи карбоаніон та іон металу, а від молекули спирту відщеплюється протон, який приєднується до карбоаніона. ${\displaystyle {\ce {R-O-}}}$, що залишився від спирту, взаємодіє з новою молекулою ацетилену, і реакція повторюється.

При взаємодії ацетилену зі спиртами та монооксидом вуглецю утворюються естери — акрилати:

${\displaystyle {\ce {HC#CH +ROH +CO->H2C=CH-CO-O-R}}}$

Полімеризацією метилакрилату, який утворюється у цій реакції (якщо там метанол) отримають поліметилакрилат.

Гідратація

Ацетилен вступає також у реакцію гідратації з утворенням етаналю:

${\displaystyle {\ce {HC#CH +H2O ->CH3-CHO}}}$

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 ${\displaystyle {\ce {Hg+ -CH=CH-O+H2}}}$. Потім протон відщеплюється і знову приєднується у вигляді атома водню на місце іона ртуті, залишаючи каталізатор:

${\displaystyle {\ce {Hg+ -CH=CH-OH + H+ ->H-CH=CH-OH + Hg^2+}}}$.

Далі, завдяки кето-енольній таутомерії, отриманий вініловий спирт перетворюється на етаналь:

${\displaystyle {\ce {H2C=CH-OH <=>> H3C-CH=O}}}$.

Інші реакції приєднання

Також приєднує синильну кислоту з утворенням акрилонітрилу:

${\displaystyle {\ce {HC#CH +HCN ->H2C=CH-CN}}}$

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

Докладніше: Полімеризація алкінів

У присутності CuCl в кислому середовищі може димеризуватися з утворенням вінілацетилену. При цьому утворюється побічний продукт — дивінілацетилен:

${\displaystyle {\ce {2HC#CH ->[H^+, CuCl]H2C=CH-C#CH}}}$

${\displaystyle {\ce {H2C=CH-C#CH +HC#CH ->H2C=CH-C#C-CH=CH2}}}$

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:

${\displaystyle {\ce {nHC#CH ->(-CH=CH-)n}}}$

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.