Удивительный мир органической химии - страница 25
Впервые об ацетилене узнали в 1836 г., когда он был получен при действии воды на карбид кальция (СаС>2). Но в 1862 г. этот газ уже был синтезирован М. Бертло при пропускании водорода через электрическую дугу между двумя угольными электродами (т. е. из элементов — углерода и водорода). Этот же ученый определил его состав (С>2Н>2) и дал этому газу название — ацетилен. Кроме того, он предположил, что ацетилен является первым углеводородом, образующим гомологический ряд с общей формулой С>nН>2n-2.
Итак, молекула ацетилена состоит из двух атомов углерода и двух водородных атомов. Следовательно, чтобы соблюсти четырехвалентность атома углерода, формулу ацетилена следует записать так:
Ацетилен — самое простое органическое соединение с тройной связью между углеродными атомами. Как же устроена такая связь?
Для объяснения снова обратимся к теории гибридизации. Согласно этой теории атом углерода в молекуле ацетилена находится в состоянии sp-гибридизации. Перекрыванием двух sp-гибридных орбиталей (по одной от каждого углеродного атома) образуется одна связь между углеродными атомами. Это — σ-связь, которую в формулах обозначаем одной черточкой. Две другие sp-гибридные орбитали (также по одной от каждого углеродного атома) образуют с 1s-орбиталями двух водородных атомов две σ-связи С—Н. Они расположены друг относительно друга под углом 180°. Но у каждого углеродного атома остались еще по две негибридизованные 2р-орбитали! Вот они-то, перекрываясь в двух взаимно перпендикулярных плоскостях, и образуют две π-связи. В формуле они обозначены еще двумя черточками. Обратите внимание, что перекрывание 2p-орбиталей, как в случае этилена, происходит «боками», а не «лбами». Поэтому прочность образовавшихся π-связей незначительна. Как видно из рисунка 17, молекула ацетилена имеет линейное строение. Таким образом, символ из трех черточек в формуле молекулы ацетилена означает сочетание одной σ-связи и двух π-связей.
Поскольку мы уже знаем строение одинарной, двойной и тройной связей, давайте сравним их длины. Не может быть, чтобы эти связи не отличались по длине. Действительно, рентгеноструктурный анализ показал, что длина простой связи равна 0,154 нм (1 нм = 10>-7 см), двойной — 0,134 нм, а тройной — 0,120 нм. Таким образом, длина тройной связи — самая короткая.
Мы уже знаем, что впервые ацетилен получили из карбида кальция. Вот схема этой реакции:
Этим способом и сейчас получают ацетилен в технике. Для этого карбид кальция «выпекают» в электропечах при прокаливании кокса с негашеной известью при температуре 2500 °С:
Интересно, что впервые карбид кальция был получен еще в 1892 г. (уже специально для получения ацетилена) французским химиком Анри Муассаном (1852-1907).
Сейчас ацетилен в промышленности получают разложением метана при температуре 1500 °С:
Как оказалось, этим способом ацетилен получил М. Бертло еще в 1868 г. Тогда же он высказал мысль о том, что такой путь может оказаться перспективным. Что ж, ученый оказался прав: в 1936 г. в Германии и США ацетилен стали получать термическим разложением метана.
Ацетилен, как соединение непредельное, легко вступает в реакции присоединения со многими веществами. Например, при гидрировании (присоединение водорода) в присутствии катализатора вначале образуется этилен (разрывается одна π-связь), а затем — этан (разрывается вторая π-связь):
Подобным образом происходит и присоединение галогенов. Вначале образуется дигалогенопроизводное, а затем — тетрагалогенопроизводное. Например:
Но есть еще одна интересная реакция ацетилена. При действии на него аммиачного раствора оксида серебра получают ацетиленид серебра — продукт замещения водородных атомов на серебро.
Это желтоватое вещество в сухом состоянии способно взрываться от удара. Ацетиленид серебра формально напоминает соль, но не следует думать, что ацетилен — кислота. Дело в том, что водородные атомы в молекуле ацетилена немного «подвижнее», чем в молекуле этилена, а тем более — в молекуле этана. Поэтому ацетиленовые водороды замещаются на атомы серебра. Впервые ацетиленид серебра получил в 1866 г. М. Бертло, но еще раньше, в 1860 г., он обратил внимание на другую реакцию — взаимодействие ацетилена с водой. В результате этой реакции ученый получил уксусный альдегид.