Acetileno struktūrinės savybės turi įtakos jo savybėms, gamybai ir naudojimui. Medžiagos sudėties simbolis – С2Н2 – yra paprasčiausia ir grubiausia formulė. Acetileną sudaro du anglies atomai, tarp kurių susidaro triguba jungtis. Jos buvimą atspindi įvairių tipų etino molekulės formulės ir modeliai, leidžiantys suprasti struktūros įtakos medžiagos savybėms problemą.
Alkynes. Bendroji formulė. Acetilenas
Alkininiai angliavandeniliai arba acetileno angliavandeniliai yra acikliniai, nesotieji. Anglies atomų grandinė nėra uždara, joje yra viengubos ir daugybinės jungtys. Alkinų sudėtis atsispindi suvestinėje formulėje C H2n – 2. Šios klasės medžiagų molekulėse yra viena ar daugiau trigubų jungčių. Acetileno junginiai yra nesotieji. Tai reiškia, kad vandenilio sąskaita realizuojamas tik vienas anglies valentas. Likusios trys jungtys naudojamos sąveikaujant su kitais anglies atomais.
Pirmasis – ir garsiausias alkinų atstovas – acetilenas, arba etinas. Trivialus medžiagos pavadinimas kilęs iš lotyniško žodžio „acetum“– „actas“irGraikiškai – „hyle“– „medis“. Homologinės serijos protėvis buvo atrastas 1836 m. cheminių eksperimentų metu, vėliau medžiagą iš anglies ir vandenilio susintetino E. Davy ir M. Berthelot (1862). Esant normaliai temperatūrai ir normaliam atmosferos slėgiui, acetilenas yra dujinės būsenos. Tai bespalvės dujos, bekvapės, mažai tirpios vandenyje. Etinas lengviau tirpsta etanolyje ir acetone.
Acetileno molekulinė formulė
Etin yra paprasčiausias homologinės serijos narys, jo sudėtis ir struktūra atspindi formules:
- С2Н2 - etino sudėties molekulinis įrašas, leidžiantis suprasti, kad medžiagą sudaro du anglies atomai ir toks pat vandenilio atomų skaičius. Naudodami šią formulę galite apskaičiuoti junginio molekulinę ir molinę masę. Ponas (С2Н2)=26 a. e.m., M (С2Н2)=26,04 g/mol.
- Н:С:::С:Н - acetileno elektronų taško formulė. Tokie vaizdai, vadinami „Lewiso struktūromis“, atspindi elektroninę molekulės struktūrą. Rašant būtina laikytis taisyklių: vandenilio atomas, sudarydamas cheminį ryšį, linkęs turėti helio valentinio apvalkalo konfigūraciją, kiti elementai – išorinių elektronų oktetą. Kiekvienas dvitaškis reiškia bendrą dviejų išorinio energijos lygio atomų arba atskirų elektronų poros.
- H-C≡C-H – acetileno struktūrinė formulė, atspindinti ryšių tarp atomų tvarką ir daugumą. Vienas brūkšnelis pakeičia vieną elektronų porą.
Acetileno molekulių modeliai
Formulės, rodančios elektronų pasiskirstymą, buvo pagrindas kuriant atominių orbitų modelius, erdvines molekulių formules (stereochemines). Dar XVIII amžiaus pabaigoje paplito modeliai su kamuoliukais ir pagaliukais – pavyzdžiui, skirtingų spalvų ir dydžių rutuliukai, žymintys anglį ir vandenilį, iš kurių susidaro acetilenas. Struktūrinė molekulės formulė pateikiama lazdelių pavidalu, simbolizuojančių cheminius ryšius ir jų skaičių kiekviename atome.
Acetileno rutulio ir lazdos modelis atkuria 180° ryšio kampus, tačiau atstumai tarp branduolių molekulėje atsispindi apytiksliai. Tuštumos tarp rutuliukų nesukuria idėjos užpildyti atomų erdvę elektronų tankiu. Trūkumas pašalintas Dreidingo modeliuose, kuriuose atomų branduoliai nurodomi ne kaip rutuliukai, o kaip strypų tvirtinimo vienas prie kito taškai. Šiuolaikiniai tūriniai modeliai suteikia aiškesnį atominių ir molekulinių orbitalių vaizdą.
Acetileno hibridinės atominės orbitalės
Sužadintos būsenos anglyje yra trys p-orbitalės ir viena s su nesuporuotais elektronais. Susidarant metanui (CH4) jie dalyvauja kuriant lygiaverčius ryšius su vandenilio atomais. Garsus amerikiečių tyrinėtojas L. Paulingas sukūrė hibridinės atominių orbitų būsenos (AO) doktriną. Anglies elgsenos cheminėse reakcijose paaiškinimas yra AO formų ir energijos išlyginimas, naujų debesų susidarymas. hibridasorbitalės sukuria stipresnius ryšius, formulė tampa stabilesnė.
Anglies atomai acetileno molekulėje, skirtingai nei metanas, yra sp-hibridizuojami. S- ir p elektronai yra susimaišę savo forma ir energija. Atsiranda dvi sp-orbitalės, esančios 180° kampu ir nukreiptos į priešingas branduolio puses.
Triguba obligacija
Acetilene hibridiniai anglies elektronų debesys dalyvauja kuriant σ ryšius su tais pačiais kaimyniniais atomais ir vandeniliu C-H poromis. Lieka dvi nehibridinės p-orbitalės, statmenos viena kitai. Etino molekulėje jie dalyvauja formuojant dvi π ryšius. Kartu su σ atsiranda trigubas ryšys, kurį atspindi struktūrinė formulė. Acetilenas skiriasi nuo etano ir etileno atstumu tarp atomų. Trigubas ryšys yra trumpesnis nei dvigubas ryšys, tačiau turi didesnį energijos rezervą ir yra stipresnis. Didžiausias σ ir π ryšių tankis yra statmenose srityse, todėl susidaro cilindrinis elektronų debesis.
Cheminės jungties acetilene ypatybės
Etino molekulė turi linijinę formą, kuri sėkmingai atspindi cheminę acetileno formulę – H-C≡C-H. Anglies ir vandenilio atomai išsidėstę išilgai vienos tiesios linijos, tarp jų atsiranda 3 σ- ir 2 π-ryšiai. Laisvas judėjimas, sukimasis išilgai C-C ašies yra neįmanomas, tam trukdo daugybė jungčių. Kitos trigubos jungties savybės:
- elektronų porų, jungiančių du anglies atomus, skaičius – 3;
- ilgis – 0,120 nm;
- pertraukos energija - 836kJ/mol.
Palyginimui: etano ir etileno molekulėse viengubų ir dvigubų cheminių jungčių ilgiai yra atitinkamai 1,54 ir 1,34 nm, C-C trūkimo energija yra 348 kJ/mol, C=C - 614 kJ/mol.
Acetileno homologai
Acetilenas yra paprasčiausias alkinų, kurių molekulėse yra ir trigubas ryšys, atstovas. Propyne CH3C≡CH yra acetileno homologas. Trečiojo alkinų atstovo – butino-1 – formulė yra CH3CH2C≡CH. Acetilenas yra trivialus etino pavadinimas. Sisteminė alkinų nomenklatūra vadovaujasi IUPAC taisyklėmis:
- tiesinėse molekulėse nurodomas pagrindinės grandinės pavadinimas, kilęs iš graikiško skaitmens, prie kurio pridedama priesaga -in ir atomo skaičius ties triguba jungtimi, pavyzdžiui, etinas, propinas, butinas-1;
- pagrindinės atomų grandinės numeracija prasideda nuo molekulės galo, esančio arčiausiai trigubo ryšio;
- šakotiems angliavandeniliams pirmiausia pateikiamas šoninės šakos pavadinimas, tada pagrindinės atomų grandinės pavadinimas su priesaga -in.
- paskutinė pavadinimo dalis yra skaičius, nurodantis vietą trigubos jungties molekulėje, pavyzdžiui, butinas-2.
Alkinų izomerija. Savybių priklausomybė nuo struktūros
Etinas ir propinas neturi trigubos jungties padėties izomerų, jie atsiranda pradedant butinu. Anglies skeleto izomerai randami pentine ir po jo sekančiuose homologuose. Trigubo ryšio atžvilgiu nėra erdvinio ryšioacetileno angliavandenilių izomerija.
Pirmieji 4 etino homologai yra dujos, kurios blogai tirpsta vandenyje. Acetileno angliavandeniliai C5 – C15 - skysčiai. Kietosios medžiagos yra etino homologai, pradedant angliavandeniliu C17. Alkinų cheminę prigimtį labai įtakoja trigubas ryšys. Šio tipo angliavandeniliai yra aktyvesni nei etileno, sujungia įvairias daleles. Ši savybė yra plačiai paplitusio etino naudojimo pramonėje ir technologijose pagrindas. Deginant acetileną išsiskiria didelis kiekis šilumos, kuri sunaudojama metalų pjovimui dujomis ir suvirinimui.
