Опыт 10. Получение ацетилена и его химические свойства

Реактивы и оборудование: карбид кальция (кусочки), насыщенная бромная вода, 1%-ный раствор перманганата калия, 10%-ный раствор карбоната натрия, 1%-ный раствор нитрата серебра, 5%-ный раствор аммиака, аммиачный раствор хлорида меди (I); газоотводные трубки, прямые газоотводные трубки с оттянутым концом, крышки от тиглей, фильтровальная бумага, пробирки.

10.1. Получение ацетилена и его горение (тяга). В пробирку помещают небольшой кусочек карбида кальция СаС 2 и приливают 1 мл воды. Пробирку сразу же закрывают пробкой с газоотводной трубкой с оттянутым концом. Выделяющийся ацетилен поджигают. Он горит коптящим пламенем (на поднесенной к пламени крышке тигля образуется пятно сажи). При интенсивной подаче кислорода ацетилен горит светящимся пламенем, так как происходит его полное сгорание.

10.2. Взаимодействие ацетилена с бромной водой. Пробирку с карбидом кальция и водой закрывают пробкой с изогнутой газоотводной трубкой и пропускают ацетилен через насыщенную бромную воду. Наблюдают постепенное обесцвечивание бромной воды.

Объясните, почему ацетилен обесцвечивает бромную воду значительно медленнее, чем этилен и подтвердите уравнением реакции.

10.3. Реакция окисления ацетилена перманганатом калия. В пробирку наливают 1 мл раствора перманганата калия, добавляют 1 мл 10%-ного раствора карбоната натрия, а затем через полученный раствор пропускают ацетилен. Фиолетовая окраска исчезает, и появляется хлопьевидный осадок оксида марганца (IV) бурого цвета. Напишите уравнение окисления ацетилена и назовите продукты реакции.

10.4. Получение ацетиленидов серебра и меди. Атомы водорода у ацетилена, в отличие от этиленовых углеводородов, могут легко замещаться на металлы с образованием соответствующих солей. Подобные свойства характерны и для моноалкилзамещенных ацетиленового ряда.

Для получения ацетиленида серебра в пробирку наливают 2 мл 1%-ного раствора нитрата серебра и прибавляют по каплям 5%-ный раствор аммиака до полного растворения образующегося вначале осадка оксида серебра (I). Через полученный раствор пропускают ацетилен и наблюдают выпадение желтовато-серого осадка ацетиленида серебра.

Для получения ацетиленида меди (I) в пробирку наливают 2-3 мл аммиачного раствора хлорида меди (I) и пропускают через него ацетилен. Бесцветный раствор сначала окрашивается в красный цвет, а затем выпадает красно-бурый осадок ацетиленида меди (I).

Эту реакцию можно провести другим способом. Для этого смачивают полоску фильтровальной бумаги аммиачным раствором хлорида меди (I) и подносят ее к отверстию пробирки, из которой выделяется ацетилен. Наблюдают появление красно-бурого окрашивания. Эту очень чувствительную реакцию применяют для обнаружения следов ацетилена, в том числе при санитарной экспертизе воздуха на предприятиях. Напишите схемы получения ацетиленидов и объясните их образование. Какие свойства проявляет ацетилен в данной реакции?

Лабораторная работа № 5

АРОМАТИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ

БЕНЗОЛ И ЕГО ГОМОЛОГИ

Опыт 11. Получение бензола из бензоата натрия

Реактивы и оборудование: бензоат натрия, едкий натр; лед, изогнутые газоотводные трубки, ступки, стеклянные палочки, стаканы на 100 мл, пробирки.

В ступке тщательно растирают 1 г бензоата натрия и 2 г едкого натра. Смесь помещают в сухую пробирку, закрывают пробкой с изогнутой газоотводной трубкой и закрепляют пробирку в лапке штатива с наклоном в сторону пробки. Конец газоотводной трубки опускают в пробирку-приемник, охлаждаемую водой со льдом. Пробирку со смесью сначала равномерно прогревают на газовой горелке, а затем сильно нагревают часть пробирки, заполненную реакционной смесью. Образующийся бензол собирается в пробирке-приемнике. Его обнаруживают по запаху и горючести. Для этого стеклянную палочку смачивают образовавшимся дистиллятом и подносят к пламени горелки. Бензол горит коптящим пламенем.

Опыт 12. Отношение ароматических углеводородов к окислителям

Реактивы и оборудование: бензол, толуол, 5%-ный раствор перманганата калия, 10%-ный раствор серной кислоты; обратные холодильники к пробиркам, водяные бани.

В две пробирки наливают по 1 мл бензола и толуола и добавляют по 1 мл 5%-ного раствора перманганата калия и 10%-ного раствора серной кислоты в каждую. Пробирки закрывают пробками с воздушными холодильниками и нагревают на водяной бане. В пробирке с толуолом наблюдают обесцвечивание перманганата калия, а в пробирке с бензолом никаких изменений не происходит. Объясните почему? Напишите уравнения реакций.

Следует отметить, что бензол может содержать примеси, которые изменяют окраску перманганата калия, поэтому для опыта необходимо брать предварительно очищенный бензол.

Опыт 13. Бромирование бензола (тяга)

Реактивы и оборудование: бензол, раствор брома в тетрахлориде углерода (1:5), железные опилки, синяя лакмусовая бумага; водяные бани, обратные холодильники к пробиркам, пробирки.

В две пробирки приливают по 1 мл бензола и по 1 мл раствора брома в тетрахлориде углерода. В одну из пробирок добавляют немного железных опилок (на кончике шпателя). Пробирки закрывают пробками с воздушными холодильниками и нагревают на теплой водяной бане. Через некоторое время в пробирке с железными опилками происходит обесцвечивание реакционной смеси. Синяя лакмусовая бумажка, смоченная водой и поднесенная к свободным концам стеклянных трубок, подтверждает, что реакция идет только в пробирке с железными опилками (происходит изменение цвета индикатора от паров выделяющегося бромводорода).

Через 5-10 мин после начала реакции в реакционную смесь опускают полоску фильтровальной бумаги, которую затем подсушивают на воздухе. На бумаге остается бромбензол, отличающийся по запаху от исходного бензола.

Необходимо помнить, что реакция замещения водорода в бензоле происходит в присутствии активированной частицы галогена. Активирование галогена осуществляется действием катализаторов (часто кислоты Льюиса). Галогенирование в ядро протекает по механизму электрофильного замещения (S E).

Напишите уравнение реакции образования апротонной кислоты Льюиса (FeBr 3) и механизм реакции бромирования бензола. Какие из изомеров дибромбензола могут получиться при дальнейшем бромировании бромбензола?

Опыт 14. Бромирование толуола (тяга)

Реактивы и оборудование: толуол, раствор брома в тетрахлориде углерода, железные опилки, синяя лакмусовая бумага; обратные холодильники к пробиркам, водяные бани, пробирки.

Повторяют опыт 13, но вместо бензола в две пробирки вносят по 1 мл толуола. Пробирку, не содержащую железных опилок, нагревают на кипящей водяной бане.

В отличие от предыдущего опыта, реакция идет в обеих пробирках. Бромирование толуола протекает по двум направлениям в зависимости от условий проведения реакции. В отсутствии катализатора (Fe), но при нагревании галоген замещает водород в боковой цепи по радикальному механизму (S R).

В присутствии катализатора (кислоты Льюиса) идет замещение водорода на бром в ароматическом ядре по ионному механизму (S E), при этом атом галогена вступает в кольцо в орто- или пара-положение по отношению к алкильному радикалу.

Напишите механизмы галогенирования толуола в боковую цепь (S R) и в ароматическое кольцо (S E). Объясните роль катализатора при галогенировании ароматических углеводородов в кольцо. Объясните ориентирующее влияние алкильных радикалов в реакциях электрофильного замещения с точки зрения статического и динамического подходов.

Опыт 15. Нитрование бензола (тяга)

Реактивы и оборудование: бензол, концентрированные азотная и серная кислоты; обратные холодильники к пробиркам, водяные бани, стаканы на 50 мл, лед, пробирки.

В пробирку вносят 1 мл концентрированной азотной кислоты (r = 1,4 г/см 3) и 1,5 мл концентрированной серной кислоты. Нитрующую смесь охлаждают ледяной водой, а затем к ней при встряхивании и охлаждении в несколько приемов прибавляют 1 мл бензола. Пробирку закрывают пробкой с воздушным холодильником и нагревают на водяной бане (50-55 °С) 5-10 мин, периодически встряхивая. После окончания реакции содержимое пробирки осторожно выливают в стакан с ледяной водой. Избыток минеральных кислот растворяется в воде, а нитробензол выделяется на дне стакана в виде маслянистых желтоватых капель, пахнущих горьким миндалем.

Напишите механизм реакции нитрования бензола. Какую роль играет серная кислота?

Опыт 16. Сульфирование бензола и толуола (тяга)

Реактивы и оборудование: бензол, толуол, концентрированная серная кислота; обратные холодильники к пробиркам, водяные бани, химические стаканы на 50 мл, пробирки.

В пробирки помещают по 0,5 мл бензола и толуола и добавляют по 2 мл концентрированной серной кислоты. Пробирки закрывают пробками с воздушными холодильниками и нагревают их на кипящей водяной бане 10-15 мин при постоянном перемешивании. Толуол постепенно растворяется в серной кислоте, а в пробирке с бензолом изменений не происходит. Когда толуол полностью растворится, пробирки охлаждают, и их содержимое осторожно выливают в стаканы с 20 мл воды. Бензол всплывает на поверхность воды, так как в данных условиях он не реагирует с серной кислотой. Толуол сульфируется легче, чем бензол. В процессе реакции образуются изомерные толуолсульфокислоты, хорошо растворимые в воде.

Объясните, как алкильный радикал влияет на скорость реакции сульфирования в ароматическом кольце. Напишите механизм реакции сульфирования толуола.

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.

Постановка опытов и текст – к.п.н. Павел Беспалов.

Взаимодействие ацетилена с хлором

В цилиндр насыпаем небольшое количество кристаллов перманганата калия и бросаем кусочек карбида кальция. Затем приливаем в цилиндр соляную кислоту. В сосуде наблюдаются вспышки, стенки цилиндра покрываются сажей. При взаимодействии соляной кислоты с перманганатом калия выделяется газ хлор

16 HCI + 2KMnO 4 = 5CI 2 + 2 KCI + 2 MnCI 2 + 8H 2 O

С соляной кислотой карбид кальция дает ацетилен

СаС 2 + 2 HCI = С 2 Н 2 + СаCI 2

Хлор с ацетиленом взаимодействуют, образуя хлороводород и уголь

С 2 Н 2 + CI 2 = 2С + 2 Н CI

Оборудование: цилиндр, шпатель.

Техника безопасности. Соблюдать правила работы с горючими газами. Опыт проводить только под тягой. После проведения опыта цилиндр залить водой.

Взаимодействие этилена с бромной водой

Получаем этилен нагреванием смеси этилового спирта с концентрированной серной кислотой. Выделяющийся этилен пропустим через раствор брома в воде, который называют бромной водой. Бромная вода очень быстро обесцвечивается. Бром присоединяется к этилену по месту двойной связи. При этом образуется 1,2-дибромэтан.

СН 2 =СН 2 + Br 2 = CH 2 Br — CH 2 Br

Реакция обесцвечивания водного раствора брома служит качественной реакцией на непредельность органических соединений.

Оборудование:

Техника безопасности.

Взаимодействие ацетилена с бромной водой

Ацетилен получаем действием воды на карбид кальция. Пропустим выделяющийся ацетилен через бромную воду. Наблюдаем обесцвечивание бромной воды. Бром присоединяется к ацетилену по месту тройной связи. При этом образуется соединение с четырьмя атомами брома в молекуле — 1,1,2,2-тетрабромэтан.

СН ≡ СН + 2 Br 2 = CHBr 2 — CHBr 2

Обесцвечивание бромной воды доказывает непредельность ацетилена.

Оборудование: колба Вюрца, делительная воронка, газоотводная трубка, стакан или пробирка, штатив.

Техника безопасности. Опыт следует проводить под тягой. Соблюдать правила работы с горючими газами.

Взаимодействие ацетилена с раствором перманганата калия

Ацетилен получаем действием воды на карбид кальция. При пропускании ацетилена через подкисленный раствор перманганата калия наблюдаем быстрое обесцвечивание раствора. Происходит окисление ацетилена по месту разрыва тройной связи с образованием продукта окисления – щавелевой кислоты. В избытке перманганата калия щавелевая кислота окисляется до углекислого газа и воды.

Обесцвечивание раствора перманганата калия служит доказательством непредельности ацетилена.

Оборудование: колба Вюрца, делительная воронка, газоотводная трубка, стакан, штатив.

Техника безопасности. Соблюдать правила работы с горючими газами.

Взаимодействие этилена с раствором перманганата калия.

Получаем этилен нагреванием смеси этилового спирта с концентрированной серной кислотой. Опустим газоотводную трубку с выделяющимся этиленом в подкисленный раствор перманганата калия. Раствор быстро обесцвечивается. При этом этилен окисляется в двухатомный спирт этиленгликоль.

СН 2 =СН 2 + [О] + Н-ОН = CH 2 ОН — CH 2 ОН

Эта реакция является качественной реакцией на двойную связь.

Оборудование: колба Вюрца, капельная воронка, промывалка, газоотводная трубка, стакан или пробирка, штатив.

Техника безопасности.

Соблюдать правила работы с горючими газами, концентрированными кислотами и огнеопасными жидкостями.

Взрыв смеси ацетилена с кислородом

Смесь ацетилена с кислородом при поджигании взрывается с большой силой. Поэтому безопасно экспериментировать только небольшими объемами смеси — в этом нам поможет раствор мыла. В фарфоровую ступку с водой и раствором мыла добавим немного пероксида водорода. К полученному раствору прибавим катализатор — диоксид марганца. Сразу же начинается выделение кислорода.

2Н 2 О 2 = 2Н 2 О + О 2

В эту смесь опустим небольшой кусочек карбида кальция. При взаимодействии с водой он дает ацетилен.

СаС 2 + 2 Н 2 О = С 2 Н 2 + Са(ОН) 2

На поверхности раствора, благодаря присутствию мыла, образуются пузыри, заполненные смесью ацетилена с кислородом. При поджигании пузырей происходят сильные взрывы смеси ацетилена с кислородом.

Оборудование: фарфоровая ступка, лучина.

Техника безопасности. Соблюдать правила работы с горючими газами. Поджигать можно только небольшой объем смеси.

Горение ацетилена

Получим ацетилен из карбида кальция и воды. Закроем колбу пробкой с газоотводной трубкой. В конец газоотводной трубки вставлена игла для инъекций. Через некоторое время, когда ацетилен полностью вытеснит воздух из колбы, подожжем выделяющейся газ. Ацетилен горит белым ярким пламенем. При горении ацетилена образуется углекислый газ и вода.

2СН ≡ СН + 5О 2 → 4СО 2 + 2Н 2 О

Внесем пробирку в пламя горящего ацетилена. На пробирке оседает сажа. При недостатке кислорода ацетилен не успевает полностью сгорать и выделяет углерод в виде сажи. Светимость пламени объясняется большим процентным содержанием углерода в ацетилене и высокой температурой его пламени, в котором раскаляются несгоревшие частицы углерода.

Оборудование: круглодонная колба, пробка с иглой от медицинского шприца, штатив.

Техника безопасности. Соблюдать правила работы с горючими газами. Поджигать ацетилен можно только после отбора пробы на чистоту.

Горение этилена

Получаем этилен нагреванием смеси этилового спирта с концентрированной серной кислотой. Смесь готовят из одной части спирта и трех частей серной кислоты. Серная кислота играет роль водоотнимающего средства. При нагревании смеси выделяется этилен.

С 2 Н 5 ОН = С 2 Н 4 + Н 2 О

Собираем этилен в цилиндр способом вытеснения воды. Этилен – бесцветный газ, малорастворимый в воде. Этилен сгорает на воздухе с образованием углекислого газа и воды.

С 2 Н 4 + 3О 2 = 2СО 2 + 2Н 2 О

Оборудование: колба Вюрца, делительная воронка, промывалка, газоотводная трубка, штатив, цилиндр.

Техника безопасности. Соблюдать правила работы с горючими газами, концентрированными кислотами и огнеопасными жидкостями.

Получение ацетиленида меди

Ацетилен получаем действием воды на карбид кальция. Атомы водорода в молекуле ацетилена обладают большой подвижностью. Поэтому они легко могут быть замещены металлами. Пропустим через аммиачный раствор хлорида меди (I) ацетилен. Выпадает красный осадок ацетиленида меди (I) .

СН ≡ СН + 2 CuCI → CuC ≡ CCu ↓ + 2 HCI

Оборудование:

Техника безопасности. Соблюдать правила работы с горючими газами. Получать только небольшие количества ацетиленида меди. Высушеный ацетиленид меди — очень опасное взрывчатое вещество. Его уничтожают обработкой концентрированной соляной кислотой.

Получение ацетиленида серебра

Ацетилен получаем действием воды на карбид кальция. Атомы водорода в молекуле ацетилена обладают большой подвижностью. Поэтому они легко могут быть замещены металлами. Пропустим через аммиачный раствор оксида серебра ацетилен. Выпадает осадок ацетиленида серебра.

СН ≡ СН + А g 2 O → AgC ≡ CAg ↓ + H 2 O

Оборудование: колба Вюрца, делительная воронка, газоотводная трубка, стакан или пробирка, полипропиленовая воронка, фильтровальная бумага, штатив.

Техника безопасности. Соблюдать правила работы с горючими газами. Получать только небольшие количества ацетиленида серебра. Высушенный ацетиленид серебра — очень опасное взрывчатое вещество. Его уничтожают обработкой концентрированной соляной кислотой.

Непрочность ацетиленидов металлов

Ацетилениды металлов — неустойчивые соединения. Во влажном состоянии ацетиленид серебра устойчив, высушенный он легко взрывается. Поднесем к сухому ацетилениду серебра тлеющую лучинку — он взрывается. Проведем аналогичный эксперимент с ацетиленидом меди (I). Так же как и ацетиленид серебра, ацетиленид меди (I) во влажном состоянии устойчив, но легко разлагается, если его высушить. Горящая лучинка, поднесенная к сухому ацетилениду меди (I), приводит к взрыву. При этом появляется пламя, окрашенное в зеленый цвет.

Оборудование: огнезащитная прокладка, лучина.

Техника безопасности. Получать и разлагать можно только небольшие количества ацетиленида серебра и меди. Высушеные ацетилениды серебра и меди — опасные взрывчатые вещества. Ацетилениды уничтожают обработкой концентрированной соляной кислотой.