🔦

Αλκίνια – Αιθίνιο

Προσθήκη σε δύο στάδια, ενυδάτωση, όξινα H, καύση

Πώς κόβουν οι τεχνίτες ατσάλινες λαμαρίνες με μια φλόγα;

Με την οξυγονοκόλληση: καίνε ακετυλένιο $HC\equiv CH$ με καθαρό οξυγόνο και παίρνουν μια φλόγα τόσο καυτή που λιώνει και κόβει τον χάλυβα. Το ακετυλένιο είναι το απλούστερο αλκίνιο, με έναν τριπλό δεσμό. Εδώ μαθαίνεις πώς αντιδρά αυτός ο δεσμός — σε δύο στάδια — και γιατί το ακετυλένιο έχει «όξινα» υδρογόνα.

Αλκίνια: γενικά

Αλκίνια είναι οι άκυκλοι ακόρεστοι υδρογονάνθρακες με έναν τριπλό δεσμό στο μόριο. Γενικός τύπος $C_\nu H_{2\nu-2}$ ( $\nu \ge 2$ ).

$C_2H_2$ : $HC\equiv CH$ αιθίνιο ή ακετυλένιο
$C_3H_4$ : $HC\equiv C-CH_3$ προπίνιο
$C_4H_6$ : $HC\equiv CCH_2CH_3$ 1-βουτίνιο και $CH_3C\equiv CCH_3$ 2-βουτίνιο

Τα αλκίνια έχουν ευθύγραμμη διάταξη γύρω από τον τριπλό δεσμό. Λόγω δραστικότητας απαντούν σε μικρές ποσότητες στη φύση. Το ακετυλένιο παλιότερα ήταν βάση για τη βιομηχανική παρασκευή πολλών ενώσεων, αλλά μετά το 1970 έχει αντικατασταθεί κυρίως από το φθηνότερο αιθυλένιο.

Φυσικές ιδιότητες: όπως των αλκανίων και αλκενίων· το ακετυλένιο είναι αέριο άχρωμο, άοσμο, ελάχιστα διαλυτό στο νερό.

Προσθήκη σε δύο στάδια

Οι χαρακτηριστικές αντιδράσεις είναι αντιδράσεις του τριπλού δεσμού. Η προσθήκη γίνεται σε δύο στάδια: πρώτα ο τριπλός γίνεται διπλός και μετά ο διπλός απλός.

$H_2$ (καταλύτες $Pt$ , $Pd$ , $Ni$ ): $HC\equiv CH + H_2 \rightarrow CH_2=CH_2$ , και $CH_2=CH_2 + H_2 \rightarrow CH_3CH_3$
$Br_2$ (ή $Cl_2$ ): $HC\equiv CH + Br_2 \rightarrow CHBr=CHBr$ (1,2-διβρωμοαιθένιο), και με δεύτερο $Br_2$ : $CHBr_2-CHBr_2$ (1,1,2,2-τετραβρωμοαιθάνιο) — αποχρωματίζουν κι αυτά το διάλυμα $Br_2$
$HCl$ : $HC\equiv CH + HCl \rightarrow CH_2=CHCl$ (βινυλοχλωρίδιο, μονομερές του PVC), και με δεύτερο $HCl$ : $CH_3CHCl_2$ (1,1-διχλωροαιθάνιο) — η δεύτερη προσθήκη ακολουθεί τον κανόνα Markovnikov
$HCN$ : $HC\equiv CH + HCN \rightarrow CH_2=CH-CN$ (ακρυλονιτρίλιο, για το orlon)

Κόλπο μνήμης

Μέτρα τους «επιπλέον» δεσμούς: ο διπλός έχει 1, ο τριπλός 2. Κάθε επιπλέον δεσμός «ανοίγει» μία φορά και δέχεται ένα μόριο $H_2$ , $Br_2$ ή $HX$ . Άρα αλκένιο → 1 mol, αλκίνιο → 2 mol.

$HC\equiv CH \xrightarrow{+H_2} CH_2=CH_2 \xrightarrow{+H_2} CH_3CH_3 \qquad HC\equiv CH + 2H_2 \rightarrow CH_3CH_3$

Ενυδάτωση: από ακετυλένιο σε ακεταλδεΰδη

Η προσθήκη νερού στο ακετυλένιο δίνει αρχικά βινυλική αλκοόλη $CH_2=CHOH$ , που είναι ασταθής: όταν στο ίδιο άτομο C υπάρχουν διπλός δεσμός και $-OH$ (ενόλη), η ένωση μετατρέπεται γρήγορα σε καρβονυλική ένωση:

$HC\equiv CH + H_2O \rightarrow [CH_2=CH-OH] \rightarrow CH_3CHO \ (\text{αιθανάλη ή ακεταλδεΰδη})$

Γι' αυτό το τελικό προϊόν δεν είναι αλκοόλη, αλλά αλδεΰδη.

Καύση και όξινα υδρογόνα

Καύση: $2HC\equiv CH + 5O_2 \rightarrow 4CO_2 + 2H_2O$ . Η τέλεια καύση δίνει γαλάζια οξυακετυλενική φλόγα πολύ υψηλής θερμοκρασίας (περίπου $3000\ °C$ ), που χρησιμοποιείται στην κοπή και συγκόλληση δύστηκτων μετάλλων. Γενικά: $C_\nu H_{2\nu-2} + \frac{3\nu - 1}{2}O_2 \rightarrow \nu CO_2 + (\nu - 1)H_2O$ .

Όξινα υδρογόνα: τα H που είναι συνδεδεμένα στον C του τριπλού δεσμού είναι ευκίνητα (όξινα) και αντικαθίστανται από άτομα δραστικών μετάλλων. Τα προϊόντα λέγονται ακετυλενίδια (σημαντικότερο το ανθρακασβέστιο $CaC_2$ ):

$HC\equiv CH + Na \rightarrow HC\equiv CNa + \frac{1}{2}H_2 \qquad HC\equiv CH + 2Na \rightarrow NaC\equiv CNa + H_2$

Το προπίνιο και το 1-βουτίνιο έχουν ένα όξινο H· το 2-βουτίνιο $CH_3C\equiv CCH_3$ κανένα (δεν αντιδρά με $Na$ ).

Ήξερες ότι;

Οι παλιές λάμπες καρβιδίου των ανθρακωρύχων και των σπηλαιολόγων έκαιγαν ακετυλένιο που παραγόταν μέσα στη λάμπα: νερό έσταζε αργά πάνω σε ανθρακασβέστιο, $CaC_2 + 2H_2O \rightarrow Ca(OH)_2 + HC\equiv CH$ , και το αέριο έβγαινε από ένα ακροφύσιο και έδινε μια λαμπερή φλόγα.

Μέθοδος: ασκήσεις με αλκίνια

Πλήρης κορεσμός: $1\ mol$ αλκινίου χρειάζεται $2\ mol$ $H_2$ ή $2\ mol$ $Br_2$ (αλκένιο: 1 mol).
Αλκένιο ή αλκίνιο; Μέτρα τα mol $H_2$ / $Br_2$ ανά mol υδρογονάνθρακα: 1 $\rightarrow$ ένας διπλός, 2 $\rightarrow$ τριπλός (ή δύο διπλοί).
Αλκίνιο ή αλκαδιένιο; Αντίδραση με $Na$ (έκλυση $H_2$ ) δείχνει τριπλό δεσμό στην άκρη της αλυσίδας ( $-C\equiv CH$ ).
Βρες τον $\nu$ από δεδομένα καύσης και γράψε τον συντακτικό τύπο που ικανοποιεί όλα τα δεδομένα.

Άσκηση: Να γραφούν τα προϊόντα της αντίδρασης του ακετυλενίου με: (α) $2\ mol$ $H_2$ , (β) $2\ mol$ $Br_2$ , (γ) $1\ mol$ $HCl$ , (δ) $2\ mol$ $HCl$ , (ε) $H_2O$ .

Λύση:

(α) $HC\equiv CH + 2H_2 \rightarrow CH_3CH_3$ (αιθάνιο)
(β) $HC\equiv CH + 2Br_2 \rightarrow CHBr_2CHBr_2$ (1,1,2,2-τετραβρωμοαιθάνιο)
(γ) $HC\equiv CH + HCl \rightarrow CH_2=CHCl$ (βινυλοχλωρίδιο)
(δ) $HC\equiv CH + 2HCl \rightarrow CH_3CHCl_2$ (1,1-διχλωροαιθάνιο — στη 2η προσθήκη το H πηγαίνει στον $CH_2$ , κατά Markovnikov)
(ε) $HC\equiv CH + H_2O \rightarrow CH_3CHO$ (αιθανάλη, μέσω της ασταθούς βινυλικής αλκοόλης)

Γρήγορος έλεγχος

Πόσα mol $H_2$ απαιτούνται για την πλήρη υδρογόνωση $1\ mol$ προπινίου σε προπάνιο;

Άσκηση: $5{,}2\ g$ ακετυλενίου αντιδρούν με περίσσεια $Br_2$ μέχρι πλήρους κορεσμού. Πόσα g $Br_2$ αντιδρούν και πόσα g προϊόντος σχηματίζονται; ( $A_r$ : C = 12, H = 1, Br = 80)

Λύση: $n_{C_2H_2} = \frac{5{,}2}{26} = 0{,}2\ mol$ . Από $HC\equiv CH + 2Br_2 \rightarrow CHBr_2CHBr_2$ :

$n_{Br_2} = 0{,}4\ mol \Rightarrow m = 0{,}4 \cdot 160 = 64\ g$

$M_r(C_2H_2Br_4) = 24 + 2 + 320 = 346$ , οπότε $m = 0{,}2 \cdot 346 = 69{,}2\ g$ (έλεγχος: $5{,}2 + 64 = 69{,}2$ ✓).

Γρήγορος έλεγχος

Ποιο είναι το τελικό οργανικό προϊόν της προσθήκης νερού στο ακετυλένιο;

Άσκηση: $2{,}6\ g$ ακετυλενίου αντιδρούν με περίσσεια $Na$ και σχηματίζεται δινάτριο ακετυλενίδιο. Πόσα λίτρα $H_2$ (STP) ελευθερώνονται;

Λύση: $n = \frac{2{,}6}{26} = 0{,}1\ mol$ . Από $HC\equiv CH + 2Na \rightarrow NaC\equiv CNa + H_2$ :

$n_{H_2} = 0{,}1\ mol \Rightarrow V = 2{,}24\ L$

Άσκηση τύπου διαγωνίσματος: Άκυκλος υδρογονάνθρακας $X$ : $0{,}1\ mol$ του προσθέτουν ακριβώς $0{,}2\ mol$ $H_2$ , ενώ με πλήρη καύση $0{,}1\ mol$ δίνουν $13{,}2\ g$ $CO_2$ . Επιπλέον ο $X$ αντιδρά με $Na$ και ελευθερώνει $H_2$ .

Ζητούμενα: (α) ο μοριακός και ο συντακτικός τύπος του $X$ , (β) ο όγκος $H_2$ (STP) που ελευθερώνεται όταν $0{,}1\ mol$ $X$ αντιδράσουν με $Na$ (ένα όξινο H), (γ) η μάζα του προϊόντος πλήρους προσθήκης $Br_2$ σε $0{,}1\ mol$ $X$ .

Λύση:

(α) $1\ mol$ $X$ προσθέτει $2\ mol$ $H_2$ $\Rightarrow$ $C_\nu H_{2\nu-2}$ (αλκίνιο ή αλκαδιένιο). $n_{CO_2} = \frac{13{,}2}{44} = 0{,}3\ mol$ , άρα $0{,}1 \cdot \nu = 0{,}3 \Rightarrow \nu = 3$ : $C_3H_4$ . Υποψήφιοι: προπίνιο $HC\equiv CCH_3$ και προπαδιένιο $CH_2=C=CH_2$ . Αφού αντιδρά με $Na$ , έχει όξινο H στον C τριπλού δεσμού $\Rightarrow$ προπίνιο.

(β) $CH_3C\equiv CH + Na \rightarrow CH_3C\equiv CNa + \frac{1}{2}H_2$ : $n_{H_2} = 0{,}05\ mol \Rightarrow V = 1{,}12\ L$ .

(γ) $CH_3C\equiv CH + 2Br_2 \rightarrow CH_3CBr_2CHBr_2$ , $M_r(C_3H_4Br_4) = 40 + 320 = 360$ : $m = 0{,}1 \cdot 360 = 36\ g$ .

Απάντηση: (α) $C_3H_4$ , προπίνιο $HC\equiv C-CH_3$ , (β) $1{,}12\ L$ $H_2$ , (γ) $36\ g$ .

Γρήγορος έλεγχος

Ποια από τις ενώσεις αντιδρά με $Na$ ελευθερώνοντας $H_2$ ;

Γρήγορος έλεγχος

Ποιο είναι το προϊόν της αντίδρασης $HC\equiv CH + 2HCl$ ;

Πρόκληση

το μίγμα που «πίνει» υδρογόνο. $0{,}3\ mol$ μίγματος αιθενίου και αιθινίου απαιτούν για πλήρη κορεσμό ακριβώς $0{,}5\ mol$ $H_2$ . (α) Βρες τη σύσταση του μίγματος. (β) Αν αντί για $H_2$ χρησιμοποιούσες $Br_2$ , πόσα g θα αποχρωματίζονταν; ( $A_r$ : Br = 80)

Δοκίμασε πρώτα μόνος σου — μετά δες τη λύση

Έστω $x\ mol$ $CH_2=CH_2$ και $y\ mol$ $HC\equiv CH$ .

$CH_2=CH_2 + H_2 \rightarrow CH_3CH_3 \qquad HC\equiv CH + 2H_2 \rightarrow CH_3CH_3$

(α) $x + y = 0{,}3$ και $x + 2y = 0{,}5$ → $y = 0{,}2\ mol$ αιθίνιο, $x = 0{,}1\ mol$ αιθένιο.

(β) Το $Br_2$ προστίθεται με την ίδια αναλογία mol με το $H_2$ : $0{,}1 + 2 \cdot 0{,}2 = 0{,}5\ mol$ $Br_2$ → $m = 0{,}5 \cdot 160 = 80\ g$ .

Απάντηση: (α) $0{,}1\ mol$ αιθένιο και $0{,}2\ mol$ αιθίνιο, (β) $80\ g$ $Br_2$ .

Συνηθισμένα λάθη

Ένα στάδιο προσθήκης. Με περίσσεια αντιδραστηρίου το αλκίνιο δεσμεύει 2 mol $H_2$ , $Br_2$ ή $HX$ .
Αιθανόλη από ακετυλένιο + νερό. Το προϊόν είναι αιθανάλη (η ενόλη ανασχηματίζεται).
Όλα τα αλκίνια αντιδρούν με $Na$ . Μόνο όσα έχουν H πάνω στον C του τριπλού δεσμού ( $-C\equiv CH$ ).
Ανισοστάθμιστη εξίσωση με $2Na$ . Με 2 άτομα Na φεύγουν 2 άτομα H, δηλαδή $1\ mol$ $H_2$ (όχι $\frac{1}{2}$ ).

Σύνοψη — τι κρατάμε

Αλκίνια $C_\nu H_{2\nu-2}$ , ευθύγραμμη διάταξη· ακετυλένιο $HC\equiv CH$ .
Προσθήκη σε δύο στάδια: $+2H_2 \rightarrow$ αλκάνιο, $+2Br_2 \rightarrow$ τετραβρωμοπαράγωγο, $+HCl \rightarrow$ βινυλοχλωρίδιο $\rightarrow$ 1,1-διχλωροαιθάνιο (Markovnikov).
$HC\equiv CH + H_2O \rightarrow CH_3CHO$ (μέσω ασταθούς ενόλης).
Όξινα H στο $-C\equiv CH$ : $HC\equiv CH + 2Na \rightarrow NaC\equiv CNa + H_2$ (ακετυλενίδια).
Οξυακετυλενική φλόγα ( $\approx 3000\ °C$ ) για κοπή και συγκόλληση μετάλλων.

Αλκίνια: γενικά

Αλκίνια είναι οι άκυκλοι ακόρεστοι υδρογονάνθρακες με έναν τριπλό δεσμό στο μόριο. Γενικός τύπος

C_\nu H_{2\nu-2}

(

\nu \ge 2

C_2H_2

HC\equiv CH

αιθίνιο ή ακετυλένιο

C_3H_4

HC\equiv C-CH_3

προπίνιο

C_4H_6

HC\equiv CCH_2CH_3

1-βουτίνιο και

CH_3C\equiv CCH_3

2-βουτίνιο