Atsetüleeni struktuursed omadused mõjutavad selle omadusi, tootmist ja kasutamist. Aine koostise sümbol С2Н2 on selle kõige lihtsam ja jämedam valem. Atsetüleeni moodustavad kaks süsinikuaatomit, mille vahel tekib kolmikside. Selle olemasolu peegeldavad etiini molekuli erinevat tüüpi valemid ja mudelid, mis võimaldavad mõista struktuuri mõju aine omadustele.
Alkynes. Üldvalem. Atsetüleen
Alküünsüsivesinikud ehk atsetüleensüsivesinikud on atsüklilised, küllastumata. Süsinikuaatomite ahel ei ole suletud, see sisaldab üksik- ja mitut sidet. Alküünide koostis kajastub koondvalemis C H2n – 2. Selle klassi ainete molekulid sisaldavad ühte või mitut kolmiksidet. Atsetüleeniühendid on küllastumata. See tähendab, et vesiniku arvelt realiseeritakse ainult üks süsiniku valents. Ülejäänud kolme sidet kasutatakse teiste süsinikuaatomitega suhtlemisel.
Esimene – ja kõige kuulsam alküünide esindaja – atsetüleen ehk etüün. Aine triviaalne nimetus pärineb ladinakeelsest sõnast "acetum" - "äädikas" jakreeka keeles - "hyle" - "puu". Homoloogilise seeria esivanem avastati 1836. aastal keemilistes katsetes, hiljem sünteesisid aine kivisöest ja vesinikust E. Davy ja M. Berthelot (1862). Norma altemperatuuril ja normaalsel atmosfäärirõhul on atsetüleen gaasilises olekus. See on värvitu gaas, lõhnatu, vees vähe lahustuv. Etiin lahustub etanoolis ja atsetoonis kergemini.
Atsetüleeni molekulvalem
Etin on oma homoloogse seeria lihtsaim liige, selle koostis ja struktuur peegeldavad valemeid:
- С2Н2 - etiini koostise molekulaarne rekord, mis annab aimu, et aine moodustub kahe süsinikuaatomi ja sama vesinikuaatomite arv. Selle valemi abil saate arvutada ühendi molekulaar- ja molaarmassid. Hr (С2Н2)=26 a. e.m., M (С2Н2)=26,04 g/mol.
- Н:С:::С:Н - atsetüleeni elektronpunktivalem. Sellised kujutised, mida nimetatakse "Lewise struktuurideks", peegeldavad molekuli elektroonilist struktuuri. Kirjutamisel on vaja järgida reegleid: vesinikuaatom kipub keemilise sideme moodustamisel olema heeliumi valentskihi konfiguratsiooniga, teised elemendid - väliste elektronide oktett. Iga koolon tähendab välise energiataseme kahe aatomi või üksiku elektronpaari ühist.
- H-C≡C-H - atsetüleeni struktuurivalem, mis peegeldab aatomitevaheliste sidemete järjekorda ja paljusust. Üks kriips asendab ühe elektronide paari.
Atsetüleeni molekulide mudelid
Valemid, mis näitavad elektronide jaotust, olid aluseks aatomiorbitaalmudelite, molekulide ruumiliste valemite loomisele (stereokeemilised). Juba 18. sajandi lõpus levisid lai alt kuul-pulgast mudelid - näiteks erinevat värvi ja erineva suurusega pallid, mis tähistavad süsinikku ja vesinikku, mis moodustavad atsetüleeni. Molekuli struktuurivalem on esitatud varraste kujul, mis sümboliseerivad keemilisi sidemeid ja nende arvu igas aatomis.
Atsetüleeni pall-pulgamudel reprodutseerib 180°-ga võrdseid sidenurki, kuid tuumadevahelised kaugused molekulis peegelduvad ligikaudu. Kuulide vahelised tühimikud ei loo ettekujutust aatomite ruumi täitmisest elektrontihedusega. Puuduseks on kõrvaldatud Dreidingi mudelid, mis tähistavad aatomite tuumasid mitte pallidena, vaid varraste üksteise külge kinnitamise punktidena. Kaasaegsed mahulised mudelid annavad aatomi- ja molekulaarorbitaalidest selgema pildi.
Atsetüleeni hübriidaatomiorbitaalid
Ergastatud olekus süsinik sisaldab kolme p-orbitaali ja ühte paaritute elektronidega s. Metaani (CH4) moodustamisel osalevad nad samaväärsete sidemete loomises vesinikuaatomitega. Kuulus Ameerika teadlane L. Pauling töötas välja aatomiorbitaalide hübriidseisundi (AO) doktriini. Süsiniku käitumise seletus keemilistes reaktsioonides on AO vormi ja energia joondumine, uute pilvede teke. hübriidorbitaalid annavad tugevamad sidemed, valem muutub stabiilsemaks.
Süsinikuaatomid atsetüleeni molekulis, erinev alt metaanist, läbivad sp-hübridisatsiooni. S- ja p elektronid on kuju ja energia poolest segunenud. Ilmub kaks sp-orbitaali, mis asuvad 180° nurga all ja on suunatud tuuma vastaskülgedele.
Kolmikvõlakiri
Atsetüleenis osalevad süsiniku hübriidelektronipilved σ-sidemete loomises samade naaberaatomitega ja vesinikuga C-H paarides. Jääb kaks mittehübriidset p-orbitaali, mis on üksteisega risti. Etiini molekulis osalevad nad kahe π-sideme moodustamises. Koos σ-ga tekib kolmikside, mis kajastub struktuurivalemis. Atsetüleen erineb etaanist ja etüleenist aatomitevahelise kauguse poolest. Kolmikside on lühem kui kaksikside, kuid sellel on suurem energiavaru ja see on tugevam. σ- ja π-sidemete maksimaalne tihedus paikneb risti asetsevates piirkondades, mis viib silindrilise elektronipilve tekkeni.
Keemilise sideme omadused atsetüleenis
Etiini molekulil on lineaarne kuju, mis peegeldab eduk alt atsetüleeni keemilist valemit - H-C≡C-H. Süsiniku- ja vesinikuaatomid paiknevad piki üht sirgjoont, nende vahele tekivad 3 σ- ja 2 π-sidet. Vaba liikumine, pöörlemine piki C-C telge on võimatu, seda takistab mitme sideme olemasolu. Kolmiksideme muud omadused:
- kahte süsinikuaatomit siduvate elektronide paaride arv - 3;
- pikkus – 0,120 nm;
- murdeenergia - 836kJ/mol.
Võrdluseks: etaani ja etüleeni molekulides on keemiliste üksik- ja topeltsidemete pikkused vastav alt 1,54 ja 1,34 nm, C-C katkemisenergia on 348 kJ/mol, C=C - 614 kJ/mol.
Atsetüleeni homoloogid
Atsetüleen on alküünide lihtsaim esindaja, mille molekulides on ka kolmikside. Propyne CH3C≡CH on atsetüleeni homoloog. Alküünide kolmanda esindaja - butüün-1 - valem on CH3CH2C≡CH. Atsetüleen on etiini triviaalne nimi. Alküünide süstemaatiline nomenklatuur järgib IUPACi reegleid:
- lineaarsetes molekulides on märgitud peaahela nimetus, mis tekkis kreeka numbrist, millele on lisatud järelliide -in ja kolmiksideme aatomi number, näiteks etüün, propüün, butüün-1;
- aatomite põhiahela nummerdamine algab kolmiksidemele lähimast molekuli otsast;
- hargnenud süsivesinike puhul tuleb kõigepe alt kõrvalharu nimi, seejärel aatomite põhiahela nimi sufiksiga -in.
- nime viimane osa on number, mis näitab asukohta kolmiksideme molekulis, näiteks butüün-2.
Alküünide isomeeria. Omaduste sõltuvus struktuurist
Etiinil ja propüünil ei ole kolmiksideme positsiooni isomeere, need algavad butüüniga. Süsiniku skeleti isomeere leidub pentiinis ja sellele järgnevates homoloogides. Kolmiksideme suhtes ruumilist sidet ei oleatsetüleensete süsivesinike isomeeria.
Etiini neli esimest homoloogi on vees halvasti lahustuvad gaasid. Atsetüleeni süsivesinikud C5 – C15 - vedelikud. Tahked ained on etiini homoloogid, alustades süsivesinikust C17. Alküünide keemilist olemust mõjutab oluliselt kolmikside. Seda tüüpi süsivesinikud on aktiivsemad kui etüleen, nad seovad erinevaid osakesi. See omadus on aluseks etiini laialdasele kasutamisele tööstuses ja tehnoloogias. Atsetüleeni põletamisel eraldub suur hulk soojust, mida kasutatakse metallide gaaslõikamisel ja keevitamisel.
