Acetilēna strukturālās īpašības ietekmē tā īpašības, ražošanu un izmantošanu. Vielas sastāva simbols - С2Н2 - ir tās vienkāršākā un rupjākā formula. Acetilēnu veido divi oglekļa atomi, starp kuriem veidojas trīskāršā saite. Tās klātbūtni atspoguļo dažāda veida etīna molekulas formulas un modeļi, kas ļauj izprast problēmu par struktūras ietekmi uz vielas īpašībām.
Alkynes. Vispārējā formula. Acetilēns
Alkīna ogļūdeņraži jeb acetilēna ogļūdeņraži ir acikliski, nepiesātināti. Oglekļa atomu ķēde nav slēgta, tajā ir viena un vairākas saites. Alkīnu sastāvs ir atspoguļots kopsavilkuma formulā C H2n – 2. Šīs klases vielu molekulas satur vienu vai vairākas trīskāršās saites. Acetilēna savienojumi ir nepiesātināti. Tas nozīmē, ka uz ūdeņraža rēķina tiek realizēta tikai viena oglekļa valence. Atlikušās trīs saites tiek izmantotas, mijiedarbojoties ar citiem oglekļa atomiem.
Pirmais un slavenākais alkīnu pārstāvis - acetilēns jeb etīns. Vielas triviālais nosaukums cēlies no latīņu vārda "acetum" - "etiķis" unGrieķu valodā - "hyle" - "koks". Homologās sērijas priekštecis tika atklāts 1836. gadā ķīmiskos eksperimentos, vēlāk vielu no oglēm un ūdeņraža sintezēja E. Deivijs un M. Bertelots (1862). Normālā temperatūrā un normālā atmosfēras spiedienā acetilēns ir gāzveida stāvoklī. Tā ir bezkrāsaina gāze, bez smaržas, nedaudz šķīst ūdenī. Etīns vieglāk izšķīst etanolā un acetonā.
Acetilēna molekulārā formula
Etin ir vienkāršākais homologās sērijas loceklis, tā sastāvs un struktūra atspoguļo formulas:
- С2Н2 - etīna sastāva molekulārais ieraksts, kas sniedz priekšstatu, ka vielu veido divi oglekļa atomi un vienāds ar ūdeņraža atomu skaitu. Izmantojot šo formulu, jūs varat aprēķināt savienojuma molekulmasas un molārās masas. kungs (С2Н2)=26 a. e.m., M (С2Н2)=26,04 g/mol.
- Н:С:::С:Н - acetilēna elektronu punktu formula. Šādi attēli, ko sauc par "Lūisa struktūrām", atspoguļo molekulas elektronisko struktūru. Rakstot ir jāievēro noteikumi: ūdeņraža atomam, veidojot ķīmisko saiti, mēdz būt hēlija valences apvalka konfigurācija, pārējiem elementiem - ārējo elektronu oktetam. Katrs kols nozīmē kopīgu ārējā enerģijas līmeņa diviem atomiem vai vientuļajiem elektronu pāriem.
- H-C≡C-H - acetilēna strukturālā formula, kas atspoguļo saišu secību un daudzveidību starp atomiem. Viena domuzīme aizstāj vienu elektronu pāri.
Acetilēna molekulu modeļi
Formulas, kas parāda elektronu sadalījumu, kalpoja par pamatu atomu orbitālo modeļu, molekulu telpisko formulu (stereoķīmisko) izveidei. Jau 18. gadsimta beigās plaši izplatījās lodīšu un nūju modeļi - piemēram, dažādu krāsu un izmēru bumbiņas, kas apzīmē oglekli un ūdeņradi, kas veido acetilēnu. Molekulas strukturālā formula ir attēlota stieņu veidā, kas simbolizē ķīmiskās saites un to skaitu katrā atomā.
Acetilēna lodīšu un nūju modelis atveido saites leņķus, kas vienādi ar 180°, bet starpkodolu attālumi molekulā ir aptuveni atspoguļoti. Tukšumi starp bumbiņām nerada priekšstatu par atomu telpas piepildīšanu ar elektronu blīvumu. Trūkums ir novērsts Dreidinga modeļos, kas atomu kodolus apzīmē nevis kā lodītes, bet gan kā stieņu piestiprināšanas punktus savā starpā. Mūsdienu tilpuma modeļi sniedz skaidrāku priekšstatu par atomu un molekulu orbitālēm.
Acetilēna hibrīda atomu orbitāles
Ogleklis ierosinātā stāvoklī satur trīs p-orbitāles un vienu s ar nepāra elektroniem. Metāna (CH4) veidošanā tie piedalās līdzvērtīgu saišu veidošanā ar ūdeņraža atomiem. Slavenais amerikāņu pētnieks L. Paulings izstrādāja doktrīnu par atomu orbitāļu hibrīdstāvokli (AO). Oglekļa uzvedības skaidrojums ķīmiskajās reakcijās ir AO sakārtošanās formā un enerģijā, jaunu mākoņu veidošanās. hibrīdsorbitāles nodrošina stiprākas saites, formula kļūst stabilāka.
Oglekļa atomi acetilēna molekulā, atšķirībā no metāna, tiek pakļauti sp-hibridizācijai. S- un p elektroni ir sajaukti pēc formas un enerģijas. Parādās divas sp-orbitāles, kas atrodas 180° leņķī un ir vērstas uz pretējām kodola pusēm.
Trīskāršā saite
Acetilēnā oglekļa hibrīdelektronu mākoņi piedalās σ-saišu veidošanā ar tiem pašiem blakus esošajiem atomiem un ar ūdeņradi C-H pāros. Paliek divas nehibrīdas p-orbitāles, kas ir perpendikulāras viena otrai. Etīna molekulā tie ir iesaistīti divu π saišu veidošanā. Kopā ar σ rodas trīskāršā saite, ko atspoguļo strukturālā formula. Acetilēns atšķiras no etāna un etilēna ar attālumu starp atomiem. Trīskāršā saite ir īsāka nekā dubultā saite, taču tai ir lielāka enerģijas rezerve un tā ir stiprāka. Maksimālais σ- un π-saišu blīvums atrodas perpendikulāros apgabalos, kas noved pie cilindriska elektronu mākoņa veidošanās.
Acetilēna ķīmiskās saites pazīmes
Etīna molekulai ir lineāra forma, kas veiksmīgi atspoguļo acetilēna ķīmisko formulu - H-C≡C-H. Oglekļa un ūdeņraža atomi atrodas pa vienu taisnu līniju, starp tiem parādās 3 σ- un 2 π-saites. Brīva kustība, rotācija pa C-C asi nav iespējama, to novērš vairāku saišu klātbūtne. Citas trīskāršās saites funkcijas:
- elektronu pāru skaits, kas saista divus oglekļa atomus - 3;
- garums - 0,120 nm;
- pārtraukuma enerģija - 836kJ/mol.
Salīdzinājumam: etāna un etilēna molekulās vienas un dubultās ķīmiskās saites garums ir attiecīgi 1,54 un 1,34 nm, C-C pārrāvuma enerģija ir 348 kJ/mol, C=C - 614 kJ/mol.
Acetilēna homologi
Acetilēns ir vienkāršākais alkīnu pārstāvis, kura molekulās ir arī trīskāršā saite. Propīns CH3C≡CH ir acetilēna homologs. Alkīnu trešā pārstāvja - butīna-1 - formula ir CH3CH2C≡CH. Acetilēns ir triviāls etīna nosaukums. Sistemātiskā alkīnu nomenklatūra atbilst IUPAC noteikumiem:
- lineārās molekulās ir norādīts galvenās ķēdes nosaukums, kas cēlies no grieķu cipara, kam pievienots sufikss -in un atoma numurs pie trīskāršās saites, piemēram, etīns, propilēns, butīns-1;
- galvenās atomu ķēdes numerācija sākas no tās molekulas gala, kas ir vistuvāk trīskāršajai saitei;
- sazarotajiem ogļūdeņražiem vispirms nāk sānzara nosaukums, pēc tam galvenās atomu ķēdes nosaukums ar sufiksu -in.
- nosaukuma pēdējā daļa ir skaitlis, kas norāda atrašanās vietu trīskāršās saites molekulā, piemēram, butīns-2.
Alkīnu izomērija. Rekvizītu atkarība no struktūras
Etīnam un propīnam nav trīskāršās saites pozīcijas izomēru, tie parādās, sākot ar butīnu. Oglekļa skeleta izomēri ir atrodami pentīnā un tam sekojošajos homologos. Attiecībā uz trīskāršo saiti nav telpiskasacetilēna ogļūdeņražu izomērija.
Pirmie 4 etīna homologi ir gāzes, kas slikti šķīst ūdenī. Acetilēna ogļūdeņraži C5 – C15 - šķidrumi. Cietās vielas ir etīna homologi, sākot ar ogļūdeņradi C17. Alkīnu ķīmisko raksturu būtiski ietekmē trīskāršā saite. Šāda veida ogļūdeņraži ir aktīvāki par etilēnu, tie piesaista dažādas daļiņas. Šis īpašums ir pamats etīna plašai izmantošanai rūpniecībā un tehnoloģijās. Dedzinot acetilēnu, izdalās liels daudzums siltuma, ko izmanto metālu griešanai ar gāzi un metināšanu.
