Αλκίνια - Αιθίνιο ή ακετυλένιο 🔥

Γενικά για τα αλκίνια

Αλκίνια ονομάζονται οι άκυκλοι ακόρεστοι υδρογονάνθρακες, οι οποίοι στο μόριό τους περιέχουν έναν τριπλό δεσμό. Το ακετυλένιο είναι το απλούστερο μέλος αυτής της ομόλογης σειράς.

Παλαιότερα το ακετυλένιο είχε μεγάλη βιομηχανική χρήση για την παρασκευή ακεταλδεΰδης, οξικού οξέος κ.λπ. Σήμερα, όμως, οι μέθοδοι αυτοί έχουν αντικατασταθεί από άλλες πιο οικονομικές, με πρώτη ύλη το αιθυλένιο.

Ο γενικός τύπος των αλκινίων είναι $C_\nu H_{2\nu-2}$ ( $\nu\geq2$ ).

Στον παρακάτω πίνακα φαίνονται οι μοριακοί και συντακτικοί τύποι των πρώτων μελών της ομόλογης σειράς των αλκινίων:

Μοριακός τύπος	Συντακτικός τύπος
$C_2H_2$	$HC\equiv CH$ — αιθίνιο ή ακετυλένιο
$C_3H_4$	$HC\equiv C-CH_3$ — προπίνιο
$C_4H_6$	$HC\equiv C-CH_2CH_3$ — 1-βουτίνιο
$C_4H_6$	$CH_3-C\equiv C-CH_3$ — 2-βουτίνιο

Μην μπερδεύεις τη θέση του τριπλού δεσμού

Το 1-βουτίνιο και το 2-βουτίνιο έχουν τον ίδιο μοριακό τύπο $C_4H_6$ , αλλά διαφέρουν στη θέση του τριπλού δεσμού μέσα στην ανθρακική αλυσίδα. Αυτό τα κάνει διαφορετικές ενώσεις με διαφορετικές ιδιότητες.

Προέλευση και παρασκευές

Τα αλκίνια, λόγω της μεγάλης τους δραστικότητας, απαντούν σε πολύ μικρές ποσότητες στη φύση. Το μέλος της ομόλογης σειράς που παρουσιάζει το μεγαλύτερο ενδιαφέρον είναι το ακετυλένιο.

Παρασκευές ακετυλενίου

1. Βιομηχανικά, με πυρόλυση του μεθανίου στους 1200 ºC:

2CH_4 \xrightarrow{1200°C} HC\equiv CH + 3H_2

2. Με υδρόλυση του ανθρακασβεστίου $CaC_2$ : Παλαιότερα η μέθοδος αυτή είχε βιομηχανικό ενδιαφέρον· σήμερα έχει μόνο εργαστηριακή εφαρμογή.

CaC_2 + 2H_2O \rightarrow Ca(OH)_2 + HC\equiv CH

3. Με αφυδραλογόνωση 1,2-διχλωροαιθανίου με αλκοολικό διάλυμα $NaOH$ ή $KOH$ :

CH_2Cl-CH_2Cl + 2NaOH \rightarrow HC\equiv CH + 2NaCl + 2H_2O

Η μέθοδος αυτή μπορεί να εφαρμοστεί γενικότερα για την παρασκευή αλκινίων:

C_\nu H_{2\nu}Cl_2 + 2NaOH \rightarrow C_\nu H_{2\nu-2} + 2NaCl + 2H_2O

Ευθύγραμμη διάταξη γύρω από τον τριπλό δεσμό

Στα αλκίνια, ο άξονας του τριπλού δεσμού και οι υποκαταστάτες των ανθράκων του τριπλού δεσμού (π.χ. το άτομο H) βρίσκονται πάνω στην ίδια ευθεία. Αυτή η γεωμετρία διαφέρει από τη γωνιακή διάταξη γύρω από τον απλό ή τον διπλό δεσμό.

Φυσικές ιδιότητες

Οι φυσικές ιδιότητες των αλκινίων μοιάζουν με αυτές των αλκανίων και των αλκενίων. Ειδικότερα, το ακετυλένιο είναι αέριο, άχρωμο, άοσμο και ελάχιστα διαλυτό στο νερό.

Χημικές ιδιότητες

Τα αλκίνια, όπως και τα αλκένια, είναι δραστικές ενώσεις. Οι χαρακτηριστικότερες αντιδράσεις τους είναι στην ουσία αντιδράσεις του τριπλού δεσμού άνθρακα-άνθρακα.

Αντιδράσεις προσθήκης

Η προσθήκη στον τριπλό δεσμό γίνεται σε δύο στάδια: στο πρώτο στάδιο ο τριπλός δεσμός μετατρέπεται σε διπλό και στη συνέχεια ο διπλός δεσμός ανορθώνεται σε απλό.

Προσθήκη υδρογόνου — γίνεται παρουσία καταλύτη $Pt$ , $Pd$ ή $Ni$ :

CH\equiv CH \xrightarrow{H_2, Pt} CH_2=CH_2 \xrightarrow{H_2, Pt} CH_3-CH_3

Προσθήκη αλογόνου ( $Cl_2$ , $Br_2$ ):

HC\equiv CH + Br_2 \rightarrow CHBr=CHBr \xrightarrow{Br_2} CHBr_2-CHBr_2

Προσθήκη υδραλογόνου:

HC\equiv CH + HCl \rightarrow CH_2=CH-Cl \xrightarrow{HCl} CH_3-CHCl_2

Στο πρώτο στάδιο παράγεται το βινυλοχλωρίδιο και στο δεύτερο το 1,1-διχλωροαιθάνιο. Το ενδιάμεσο προϊόν (βινυλοχλωρίδιο) μπορεί να απομονωθεί και να χρησιμοποιηθεί για την παρασκευή του πολυμερούς PVC.

Κανόνας του Markovnikov

Στην προσθήκη υδραλογόνου, το δεύτερο στάδιο προσθήκης ακολουθεί τον κανόνα του Markovnikov, όπως και στα αλκένια.

Προσθήκη HCN:

HC\equiv CH + HCN \rightarrow CH_2=CH-CN

Ο πολυμερισμός του παραγόμενου ακρυλονιτριλίου δίνει προϊόν που χρησιμοποιείται ως τεχνητή υφάνσιμη ύλη (Orlon).

Προσθήκη νερού (ενυδάτωση αλκινίων):

HC\equiv CH + H_2O \rightarrow [CH_2=CH-OH] \rightarrow CH_3-CHO

Η ενδιάμεση ένωση που σχηματίζεται, η βινυλική αλκοόλη, είναι ασταθής επειδή στο ίδιο άτομο άνθρακα υπάρχει ταυτόχρονα διπλός δεσμός και ομάδα $-OH$ (ενόλη), γι' αυτό μετατρέπεται γρήγορα σε καρβονυλική ένωση — στην περίπτωση του ακετυλενίου, σε ακεταλδεΰδη.

Καύση

Η τέλεια καύση του $HC\equiv CH$ δημιουργεί γαλάζια φλόγα πολύ υψηλής θερμοκρασίας (περίπου 3000 ºC), η οποία ονομάζεται οξυακετυλενική φλόγα και χρησιμοποιείται για τη συγκόλληση και την κοπή μετάλλων.

2HC\equiv CH + 5O_2 \rightarrow 4CO_2 + 2H_2O

Πολυμερισμός

Το $HC\equiv CH$ μπορεί να πολυμεριστεί σε κατάλληλες συνθήκες, δίνοντας βενζόλιο (τριμερισμός) ή βινυλοακετυλένιο (διμερισμός):

3HC\equiv CH \rightarrow C_6H_6

HC\equiv CH + HC\equiv CH \rightarrow CH_2=CH-C\equiv CH

Το δεύτερο προϊόν ονομάζεται βινυλοακετυλένιο.

Αντιδράσεις όξινου υδρογόνου

Τα υδρογόνα του $HC\equiv CH$ , και γενικότερα τα υδρογόνα που είναι συνδεδεμένα με άνθρακα τριπλού δεσμού, είναι ευκίνητα (όξινα υδρογόνα) και μπορούν εύκολα να αντικατασταθούν από άτομα μετάλλων. Τα προϊόντα αυτής της αντικατάστασης ονομάζονται ακετυλενίδια. Σημαντικότερο απ' αυτά είναι το ανθρακασβέστιο ( $CaC_2$ ). Άλλα χαρακτηριστικά παραδείγματα είναι τα ακετυλενίδια του νατρίου και του καλίου:

HC\equiv CH + Na \rightarrow HC\equiv CNa + \tfrac{1}{2}H_2

Το προϊόν ονομάζεται μονονάτριο ακετυλενίδιο.

HC\equiv CH + 2Na \rightarrow NaC\equiv CNa + H_2

Το προϊόν αυτής της αντίδρασης ονομάζεται δινάτριο ακετυλενίδιο.

Ο σχηματισμός του χαλκοακετυλενιδίου, ενός καστανέρυθρου ιζήματος, χρησιμοποιείται για την ανίχνευση του ακετυλενίου, ή γενικότερα των αλκινίων με όξινο υδρογόνο:

HC\equiv CH + 2CuCl + 2NH_3 \rightarrow CuC\equiv CCu\downarrow + 2NH_4Cl

Το ανθρακασβέστιο είναι κι αυτό ακετυλενίδιο

Το ανθρακασβέστιο $CaC_2$ προκύπτει και αυτό από την αντικατάσταση των όξινων υδρογόνων του ακετυλενίου από άτομα ασβεστίου, γι' αυτό ανήκει στην κατηγορία των ακετυλενιδίων — παρόλο που συνήθως το συναντάμε ως πρώτη ύλη για την παρασκευή ακετυλενίου.

Χρήσεις του ακετυλενίου

Το ακετυλένιο χρησιμοποιείται κυρίως στη συγκόλληση των μετάλλων μέσω της οξυακετυλενικής φλόγας, η οποία, λόγω της πολύ υψηλής θερμοκρασίας της, είναι κατάλληλη για την κοπή και τη συγκόλληση ακόμη και πολύ δύστηκτων μετάλλων.

Παλαιότερα το ακετυλένιο αποτελούσε τη βάση για τη βιομηχανική παρασκευή πολλών οργανικών ενώσεων με μεγάλες πρακτικές εφαρμογές. Μετά το 1970 και μέχρι σήμερα, ο ρόλος του έχει περιοριστεί σημαντικά, καθώς στις περισσότερες περιπτώσεις έχει αντικατασταθεί από το φθηνότερο αιθυλένιο.

Από ανθρακασβέστιο σε ακεταλδεΰδη

Με πρώτη ύλη το ανθρακασβέστιο μπορούμε να φτάσουμε στην ακεταλδεΰδη σε δύο μόνο βήματα: πρώτα το $CaC_2$ υδρολύεται προς ακετυλένιο, $CaC_2 + 2H_2O \rightarrow Ca(OH)_2 + HC\equiv CH$ , και στη συνέχεια το ακετυλένιο ενυδατώνεται προς ακεταλδεΰδη, $HC\equiv CH + H_2O \rightarrow CH_3CHO$ . Με παρόμοιο τρόπο, μέσω προσθήκης $HCl$ , μπορεί να παρασκευαστεί και πολυβινυλοχλωρίδιο (PVC).