Ацетилен. Непредельные углеводороды

Разработка урока по химии

10 класс

Урок 8

Тема урока: Алкины. Ацетилен, его получение пиролизом метана и карбидным способом. Химические свойства ацетилена: горение, обесцвечивание бромной воды, присоединение хлороводорода и гидратация. Применение ацетилена на основе свойств. Реакция полимеризации винилхлорида. Поливинилхлорид и его применение.

Цели урока:

- Изучить общую формулу, номенклатуру, физические свойства представителей гомологического ряда алкинов, их строение, химические свойства первого представителя гомологического ряда алкинов - ацетилена, применение.

- Развить общеучебные компетенции, логическое мышление.

Повысить познавательный интерес учащихся, показать важность знания органической химии.

Тип урока: УПНЗ

Информационно-методическое обеспечение: слайды, схемы, материалы коллекций, таблицы по теме урока.

Учебник: Химия. Органическая химия. 10 класс (базовый уровень). Рудзитис Г.Е., Фельдман Ф.Г., 15-е изд. - М.: 2012. - 192 с.

Характеристика деятельности учащихся: фронтальная, индивидуальная, работа у доски.

Виды контроля: Опрос.

Ход урока

I. Организационный момент урока

II. Актуализация знаний

Опрос по основным понятиям:

Углеводороды

Насыщенные и ненасыщенные соединения

Алкины: формула ряда, первый представитель ряда, основные свойства, способы получения, применение.

III. Проверка домашнего задания

IV. Изложение нового материала

Алкины – непредельные углеводороды, молекулы которых помимо одинарных С-С- связей содержат одну тройную С ≡ С-связь.

Общая формула ряда – С n H 2n-2

Особенности номенклатуры алк и нов

Принадлежность углеводорода к классу алкенов отражают суффиксом –ин:

С 2 Н 2 CH ≡ CH этин (ацетилен)

С 3 Н 4 CH ≡ C -СН 3 пропин

С 4 Н 6 CH ≡ C -СН 2 -СН 3 бутин-1

и т.д.

Правила названия соединений остаются такими же, как и для алкенов, лишь суффикс заменяется на –ин .

Изомерия алкенов

Структурная изомерия.

1. Изомерия строения углеродной цепи.

   Изомерия положения тройной связи.

   Межклассовая изомерия.

Приведите примеры изомеров каждого типа, назовите их!

Особенности строения молекул (на примере ацетилена)

В ацетилене углерод находится в состоянии sp - гибридизации (в гибридизации участвуют одна s и 1 p- орбиталь). У каждого атома углерода в молекуле этилена – 2 гибридные sp - орбитали и по две негибридные р-орбитали. Оси гибридных орбиталей располагаются в одной плоскости, а угол между ними равен 180°.Такие орбитали каждого атома углерода пересекаются с аналогичными другого атома углерода и s- орбиталями двух атомов водовода, образуя σ -связи С-С и С-Н.

Схема образования σ-связей в молекуле аце тилена

Четыре негибридные р-орбитали атомов углерода перекрываются во взаимноперпендикулярных плоскостях, которые расположены перпендикулярно к плоскости σ -связей. Так образуются две π- связи.

С ≡ С = σ + 2 π

Схема образования π-связей в молекуле э тилена

Строение молекулы ацетилена

Физические свойства

Ацетилен – газ, легче воздуха, малорастворим в воде, без запаха. С воздухом образует взрывоопасные смеси.

В ряду алкинов с увеличением молекулярной массы возрастает температура кипения.

Опишите физические свойства ацетилена в виде таблицы в тетради!

Получение

Способы получения ацетилена:

Из карбида кальция . (Лабораторный способ)

СаС 2 + 2Н 2 О → С 2 Н 2 + Са(ОН) 2

Получение карбида кальция (в промышленности):

СаО + 3С СаС 2 + СО

оксид кальция кокс карбид кальция

СаСО 3 CaO + CO 2

карбонат кальция оксид кальция

Термическое разложение метана.

2СН 4 С 2 Н 2 + 3Н 2

Способы получения гомологов ацетилена – углеводородов ряда алкинов:

Дегидрогалогенирование - отщепление двух молекул галогеноводорода от дигалогеналканов, которые содержат два атома галогена либо у соседних, либо у одного атома углерода:

Реакция идет под действием спиртового раствора щелочей на галогенпроизводные.

2 Н 5 ОН

СН 3 - СВ r 2 - СН 3 + 2КОН

СН 3 -С ≡ СН + 2КВ r + 2Н 2 О,

2,2 – дибромпропан пропин

Химические свойства

Реакции присоединения

1. Взаимодействие с галогенами

Качественная реакция на наличие кратных связей – обесцвечивание бромной воды!

Реакции присоединения идут в две стадии.

ацетальдегид

1. С металлами.

Продукт реакций – ацетилениды – малорастворимые, неустойчивые, взрывоопасные вещества!

Образование серовато-белого осадка ацетиленида серебра или красно-коричневого осадка ацетиленида меди – качественная реакция на концевую тройную связь!

Реакции окисления.

1. Горение.

Ацетилен может полимеризоваться в бензол и винилацетилен.

Полимеризация винилхлорида



Из поливинилхлорида (ПВХ) получают прочную пластмассу, искусственную кожу, клеенку, диэлектрики и др.

Применение ацетилена

Сырье в органическом синтезе (производство волокон, красителей, лаков, лекарств, ПВХ, хлорорпренового каучука, уксусной кислоты, растворителей и др.)

При резке и сварке металлов.

V. Закрепление знаний.

Решение задач и упражнений

с.54 – упр.1,3,5,6.

с.55 – упр.8

с.55 – задачи 1.

V I . Рефлексия. Подведение итогов урока

VI I . Домашнее задание

Параграф 13,

с. 55 – задачи 2, 3

Объясните отличия между строением молекул этилена и ацетилена.

Какой углеводород является ближайшим гомологом этина?

Составьте уравнения реакций, при помощи которых можно осуществить следующие превращения, укажите условия протекания реакций, назовите продукты реакции:

Опыты получения ацетилена и исследования его свойств демонстрируются одновременно. Заготавливать ацетилен для урока заранее и хранить его в газометре не следует ввиду опасности взрыва.

^ Получение ацетилена. Самый доступный способ получения ацетилена - взаимодействие карбида кальция с водой:

СаС 2 + 2Н 2 O  С 2 Н 2 + Са(ОН) 2

Колбу для реакции следует брать не слишком малого объема, так как при реакции происходит вспучивание образующейся густой жидкости и пену может погнать газом по отводной трубке. В случае применения слишком большой колбы пройдет много времени, пока из прибора не будет вытеснен весь воздух, и если ждать этого момента, то произойдет большая потеря ацетилена. Удобно воспользоваться колбой емкостью 250 мл. В случае применения колбы большей емкости опыты с ацетиленом можно начинать с реакций, не требующих вытеснения воздуха, что даст возможность провести их достаточно экономно.

При приливании воды к карбиду кальция реакция идет всегда очень бурно; ацетилен поэтому расходуется непроизвольно, и его может не хватить для показа всех намеченных опытов. Получить более спокойный и равномерный ток ацетилена можно двумя способами: добавить к карбиду кальция этиловый спирт и лишь затем пускать воду или же вместо воды воспользоваться насыщенным раствором поваренной соли.

В колбу помещают 7-8 кусочков карбида кальция величиной с горошину, вставляют плотно пробку с воронкой, наливают в воронку насыщенный раствор поваренной соли и пускают несколько капель его в колбу. Дальнейшее прибавление раствора производят так, чтобы установился равномерный ток газа со скоростью, позволяющей считать пузырьки. Обращают внимание учащихся на то, что реакция, в отличие от получения этилена и метана, идет без подогрева.

Образующийся газ собирают в цилиндры по способу вытеснения воды (после проверки на полноту вытеснения воздуха) или же непосредственно используют для соответствующих опытов. Ввиду заметной растворимости ацетилена в воде иногда рекомендуют собирать его над раствором поваренной соли, однако, как показывает опыт, вполне можно пользоваться и обычной водой.

^ Растворение ацетилена в воде . Ацетилен растворяется в воде лучше метана и этилена.

1. Пропускают ацетилен через воду в пробирке в течение нескольких минут. После этого нагревают воду до кипения и к отверстию пробирки подносят зажженную лучинку. Выделяющийся из воды ацетилен вспыхивает.

2. Цилиндр или пробирку с чистым (без воздуха) ацетиленом опрокидывают отверстием в стакан с подкрашенной холодной водой. При покачивании цилиндра (пробирки) уровень воды в нем заметно поднимается. Это явление будет более наглядным, если цилиндр в таком положении закрепить в штативе и оставить до следующего занятия.

^ Растворение ацетилена в ацетоне . Ацетилен хорошо растворяется в ацетоне. В виде такого раствора он и хранится обычно в стальных баллонах (с пористым наполнителем).

В небольшой цилиндр с ацетиленом наливают 3-4 мл ацетона. Цилиндр закрывают пробкой, встряхивают несколько раз и опрокидывают в ванну с подкрашенной водой. При открывании пробки вода поднимается в цилиндре.

^ Горение ацетилена . Полное сгорание ацетилена выражается уравнением:

2С 2 Н 2 + 5O 2  4СO 2 + 2Н 2 O

Внешняя картина горения и развиваемая при этом температура в сильной степени зависят от объемного соотношения газов.

Поджигают ацетилен, собранный в цилиндр, по способу вытеснения воды. Газ горит коптящим пламенем. По мере продвижения пламени внутрь цилиндра образование копоти усиливается, так как горение в цилиндре идет еще при большем недостатке кислорода. Поджигают ацетилен и у отводной трубки прибора (рис. 14) обращают внимание на то, что чем меньше отверстие трубки, тем газ горит менее коптящим пламенем, а в тонкой струйке газа происходит полное сгорание.

^ Взрыв ацетилена с кислородом . Смесь ацетилена с кислородом при поджигании взрывается с очень большой силой. Поэтому опыт можно производить в стальном цилиндре или в такой оболочке, разрыв которой неопасен. Лучше всего взрыв ацетилена показать в мыльных пузырях.

В мыльную воду, заготовленную заранее в железной чашке из расчета 1 г мыла на 30-40 мл воды и 4-5 мл глицерина, пропускают одновременно ацетилен из прибора и кислород из газометра. Уносят приборы со стола и поджигают длинной лучинкой образовавшиеся пузырьки со смесью газов. Происходит сильный, но безопасный взрыв.

^ Реакция ацетилена с бромом и раствором перманганата калия. Опыты, иллюстрирующие непредельность ацетилена, могут быть осуществлены двумя способами: а) пропусканием ацетилена в бромную воду и раствор перманганата калия, б) приливанием этих растворов в цилиндры с ацетиленом.

При демонстрации опытов первым способом обесцвечивание растворов (особенно бромной воды) наступает довольно медленно. Перемешивание растворов стеклянной палочкой несколько ускоряет процесс.

При демонстрации опытов вторым способом встряхивают газ с растворами в цилиндрах; обесцвечивание при этом наступает быстрее.

Исходя из строения ацетилена, учащиеся обычно правильно составляют уравнения реакций его с бромом:

Реакция ацетилена с перманганатом калия, как и реакция этилена, здесь может быть рассмотрена лишь в общих чертах.

Если реакция ацетилена с бромом и перманганатом калия демонстрируется способом пропускания газа через растворы, то время, в течение которого произойдет обесцвечивание растворов (сравните с этиленом), может быть использовано для разбора реакции. Такой опыт следует вести под тягой, так как сравнительно много ацетилена (с ядовитыми примесями) выделяется в атмосферу. Обсуждение опыта может быть начато примерно так: «Исходя из наличия тройной связи в молекуле ацетилена, мы высказываем предположение, что он должен легко окисляться и вступать в реакции присоединения. По какому признаку мы сможем определить, пойдут ли эти реакции в поставленном опыте?» После ответа учащихся учитель ставит вопрос: «Если произойдет обесцвечивание растворов, то как можно было бы выразить эти реакции уравнениями?»

^ Горение ацетилена в хлоре . Ацетилен, как и другие углеводороды, горит в хлоре, образуя хлористый водород и уголь:

С 2 Н 2 + СI 2  2С + 2НСI

1. В цилиндр с хлором медленно вводят изогнутую стеклянную трубку с горящим ацетиленом. Ацетилен продолжает гореть в хлоре, образуя копоть. Наполнять цилиндр хлором можно на уроке, насыпав в него немного толченого перманганата калия и приливая концентрированную соляную кислоту.

2. В цилиндр с хлором постепенно вводят изогнутую трубку, по которой поступает ацетилен (предварительно проверенный на чи-

Стоту). Ацетилен воспламеняется в хлоре. Опыт иллюстрирует большую химическую активность ацетилена.

3. В стеклянный цилиндр насыпают немного хлорной извести и обливают ее разбавленной соляной кислотой. Туда же бросают несколько кусочков карбида кальция. Через некоторое время в цилиндре наблюдают вспышки пламени, то угасающие, то вновь появляющиеся и перекатывающиеся сверху вниз.

При реакции хлорной извести с кислотой выделяется хлор:

CaCIOCl + 2НСI  СаСI 2 + Н 2 О + СI 2

а при реакции карбида кальция с водой - ацетилен (ем. с. 51). Ацетилен и хлор вступают в реакцию присоединения, от теплоты которой происходит воспламенение ацетилена в хлоре (в цилиндре) и в воздухе (у отверстия цилиндра). Хлорная известь здесь взята потому, что она образует хлор при реакции с разбавленной соляной кислотой, тогда как перманганат калия выделяет его при реакции с концентрированной кислотой. Присутствие же свободной воды необходимо для получения достаточно большого количества ацетилена.

^ Опыты с полихлорвинилом . При ознакомлении с полихлорвинилом следует рассмотреть отношение его к нагреванию, к химическим реагентам и растворителям. Последние два опыта здесь не описываются, так как ставятся они так же, как с полиэтиленом.

А) Кусочки винипласта или полихлорвиниловой пленки (клеенки, изоляции) нагревают осторожно в пробирке или фарфоровой чашке.

Убеждаются, что полимер не переходит в жидкое состояние, а разлагается. К выделяющимся газообразным продуктам разложения подносят влажную лакмусовую бумажку и затем палочку, смоченную раствором аммиака. Наблюдают покраснение бумажки в первом случае и образование белого дымка во втором. Делают вывод о выделении хлористого водорода при разложении полихлорвинила.

Б) Кусочки полихлорвинила нагревают в пробирке, закрытой пробкой с отводной трубкой. Газообразные продукты разложения отводят в пробирку с водой. К полученному водному раствору приливают немного раствора нитрата серебра и 1-2 капли азотной кислоты. Наблюдают образование осадка хлорида серебра, что говорит о выделении хлористого водорода при разложении полимера.

Как вы уже знаете, ацетилен - продукт неполного разложения метана. Этот процесс называют пиролизом (от греч. пир - огонь, лизис - разложение). Теоретически ацетилен можно представить как продукт дегидрирования этилена:

На практике ацетилен, кроме пиролизного способа, очень часто получают из карбида кальция:

Особенность строения молекулы ацетилена (рис. 21) состоит в том, что между атомами углерода имеется тройная связь, т. е. он является еще более непредельным соединением, чем этилен, молекула которого содержит двойную углерод-углеродную связь.

Рис. 21.
Модели молекулы ацетилена: 1 - шаростержневая; 2 - масштабная

Ацетилен является родоначальником гомологического ряда алкинов, или ацетиленовых углеводородов.

Ацетилен - это бесцветный газ без запаха, малорастворимый в воде.

Рассмотрим химические свойства ацетилена, которые лежат в основе его применения.

Ацетилен на воздухе горит коптящим пламенем из-за высокого содержания углерода в его молекуле, поэтому для сжигания ацетилена используют кислород:

Температура ацетиленокислородного пламени достигает 3200 °С. Таким пламенем можно резать и сваривать металлы (рис. 22).

Рис. 22.
Ацетиленокислородное пламя используют для резки и сварки металла

Как и все непредельные соединения, ацетилен активно вступает в реакции присоединения. 1) галогенов (галогенирование), 2) водорода (гидрирование), 3) галогеноводородов (гидрогалогенирование), 4) воды (гидратация).

Рассмотрим, например, реакцию гидрохлорирования - присоединения хлороводорода:

Почему продукт гидрохлорирования ацетилена называют хлорэтеном, вам понятно. А почему - винилхлоридом? Потому что одновалентный радикал этилена СН 2 =СН- называют винилом. Винилхлорид - это исходное соединение для получения полимера - поливинилхлорида, который находит широкое применение (рис. 23). В настоящее время винилхлорид получают не гидрохлорированием ацетилена, а другими способами.

Рис. 23.
Применение поливинилхлорида:
1 - искусственная кожа; 2 - изолента; 3 - изоляция проводов; 4 - трубы; 5 - линолеум; 6 - клеенка

Поливинилхлорид получают с помощью уже знакомой вам реакции полимеризации. Полимеризация винилхло-рида в поливинилхлорид может быть описана с помощью следующей схемы:

или уравнения реакции:

Реакция гидратации, протекающая в присутствии солей ртути, содержащих катион Hg 2+ , в качестве катализатора, носит имя выдающегося русского химика-органика М. Г. Кучерова и раньше широко использовалась для получения очень важного органического соединения - уксусного альдегида:

Реакцию присоединения брома - бромирование - используют как качественную реакцию на кратную (двойную или тройную) связь. При пропускании ацетилена (или этилена, или большинства других непредельных органических соединений) через бромную воду можно наблюдать ее обесцвечивание. При этом происходят следующие химические превращения:

Еще одной качественной реакцией на ацетилен и непредельные органические соединения является обесцвечивание раствора перманганата калия.

Ацетилен - важнейший продукт химической промышленности, который имеет широкое применение (рис. 24).

Рис. 24.
Применение ацетилена:
1 - резка и сварка металлов; 2-4 - производство органических соединений (растворителей 2, поливинилхлорида 3, клея 4)

Новые слова и понятия

1. Алкины.
2. Ацетилен.
3. Химические свойства, ацетилена: горение, присоединение галогеноводородов, воды (реакция Кучерова), галогенов.
4. Поливинилхлорид.
5. Качественные реакции на кратную связь: обесцвечивание бромной воды и раствора перманганата калия.

Вопросы и задания

При пропускании смеси пропана и ацетилена через склянку с бромной водой масса склянки увеличилась на 1,3 г. При полном сгорании такого же количества исходной смеси углеводородов выделилось 14 л (н.у.) оксида углерода (IV). Определите массовую долю пропана в исходной смеси.

Решение: Ацетилен поглощается бромной водой:

НC ≡ СH + 2Вr 2 → НСВr 2 -СНВr 2 .

1,3 г – это масса ацетилена. v(C 2 H 2) = 1,3/26 = 0,05 моль. При сгорании этого количества ацетилена по уравнению

2С 2 Н 2 + 5О 2 = 4СО 2 + 2Н 2 О

выделилось 2-0,05 = 0,1 моль СО 2 . Общее количество СО 2 равно 14/22,4 = 0,625 моль. При сгорании пропана по уравнению

С 3 Н 8 + 5О 2 = ЗСO 2 + 4Н 2 О

выделилось 0,625 – 0,1 = 0,525 моль СО 2 , при этом в реакцию вступило 0,525/3 = 0,175 моль С 3 Н 8 массой 0,175 – 44 = 7,7 г.

Общая масса смеси углеводородов равна 1,3+7,7 = 9,0 г, а массовая доля пропана составляет: (С 3 Н 8) = 7,7/9,0 = 0,856, или 85,6%.

Ответ. 85,6% пропана.

Алкины (иначе ацетиленовые углеводороды) - углеводороды, содержащие тройную связь между атомами углерода, с общей формулой CnH2n-2. Атомы углерода при тройной связи находятся в состоянии sp - гибридизации.

Взаимодействие ацетилена с бромной водой

Молекула ацетилена содержит тройную связь, бром разрушает её и присоединяется к ацетилену. Образуется терабромэтан. Бром расходуется на образование тетрабромэтана. Бромная вода (жёлтая) - обесцвечивается.

Эта реакция протекает с меньшей скоростью, чем в ряду этиленовых углеводородов. Реакция также проходит ступенчато:

HC ≡ CH + Br 2 → CHBr = CHBr + Br 2 → CHBr 2 - CHBr 2

ацетилен → 1,2-дибромэтан → 1,1,2,2-тетрабромэтан

Обесцвечивание бромной воды доказывает непредельность ацетилена.

Реакция ацетилена с раствором перманганата калия

В растворе перманганата калия происходит окисление ацетилена, при этом происходит разрыв молекулы по месту тройной связи, раствор быстро обесцвечивается.

3НC ≡ СН + 10KMnO 4 + 2H 2 O → 6CO 2 + 10КОН + 10MnO 2

Эта реакция является качественной реакцией на двойную и тройную связь.

Реакция ацетилена с аммиачным раствором оксида серебра

Если ацетилен пропустить через аммиачный раствор оксида серебра, атомы водорода в молекуле ацетилена легко заместятся металлами, так как обладают большой подвижностью. В данном опыте атомы водорода замещаются атомами серебра. Образуется ацетиленид серебра - осадок жёлтого цвета (взрывоопасен).

CH ≡ СН + OH → AgC≡CAg↓ + NH 3 + H 2 O

Эта реакция является качественной реакцией на тройную связь.