Ацетилен

Ацетилен — это органическое соединение, простейший представитель класса алкинов (углеводородов с тройной связью между атомами углерода). Химическая формула — C₂H₂. При нормальных условиях представляет собой бесцветный газ, легче воздуха, с характерным резким запахом. Ацетилен обладает высокой химической активностью, горюч и взрывоопасен при смешивании с воздухом, широко используется в промышленности для газовой сварки и резки металлов, а также как исходное сырьё в органическом синтезе.

История открытия и получения

Ацетилен был впервые получен в 1836 году английским химиком Эдмундом Дэви, который нагревал бикарбонат калия с углеродом и обнаружил выделение газа. Однако Дэви не идентифицировал полученное вещество. В 1860 году французский химик Марселен Бертло синтезировал ацетилен, пропуская водород через электрическую дугу между угольными электродами, и дал ему название «ацетилен» (от лат. acetum — уксус, из-за схожести производных с уксусной кислотой). Бертло также установил его состав и показал возможность получения из неорганических веществ.

Промышленное производство ацетилена началось в конце XIX века. В 1892 году канадский изобретатель Томас Уилсон разработал способ получения ацетилена из карбида кальция (CaC₂) при его реакции с водой. Этот метод стал основным на протяжении десятилетий. В 1895 году во Франции была запущена первая промышленная установка по производству ацетилена. В начале XX века ацетилен получил широкое распространение для освещения (ацетиленовые фонари) и в качестве горючего для газовой сварки.

Физические свойства

Ацетилен — бесцветный газ, плотность при нормальных условиях (0 °C, 101,325 кПа) составляет 1,173 кг/м³, что несколько легче воздуха. Температура кипения — −84,0 °C, температура плавления — −80,8 °C (при давлении 1 атм). Критическая температура — 35,2 °C, критическое давление — 6,19 МПа. Ацетилен плохо растворим в воде (около 1,2 г/л при 20 °C), но хорошо растворим в органических растворителях, таких как ацетон, диметилформамид, этанол. В ацетоне при давлении 1,2 МПа и 15 °C растворяется до 300 объёмов ацетилена на один объём растворителя, что используется для хранения газа в баллонах.

Ацетилен обладает слабым наркотическим действием, но в высоких концентрациях вызывает удушье. Газообразный ацетилен легче воздуха, поэтому при утечке он скапливается под потолком помещений.

Химические свойства

Ацетилен — высокореакционноспособное соединение благодаря наличию тройной связи (одна σ-связь и две π-связи). Длина тройной связи составляет 0,120 нм, энергия связи — 837 кДж/моль. Химическая активность ацетилена проявляется в реакциях присоединения, окисления, полимеризации и замещения.

Реакции присоединения

Ацетилен легко вступает в реакции электрофильного присоединения. При гидратации (реакция Кучерова) в присутствии солей ртути(II) образуется ацетальдегид (уксусный альдегид). При гидрировании на катализаторах (Ni, Pd, Pt) последовательно образуется этилен, а затем этан. При галогенировании (хлор, бром) присоединяет две молекулы галогена с образованием тетрагалогенпроизводных. При гидрогалогенировании (HCl, HBr) в присутствии катализаторов образуются винилгалогениды.

Реакции окисления

Ацетилен горит на воздухе с образованием углекислого газа и воды. При горении в кислороде температура пламени достигает 3150–3300 °C, что делает его пригодным для сварки и резки металлов. При неполном сгорании (недостаток кислорода) образуется сажа (углерод). Ацетилен также окисляется перманганатом калия до щавелевой кислоты.

Реакции полимеризации

При нагревании (около 600 °C) или в присутствии катализаторов ацетилен полимеризуется с образованием бензола, а также других ароматических углеводородов (нафталин, стирол). Эта реакция лежит в основе промышленного синтеза бензола.

Реакции замещения

Ацетилен обладает слабыми кислотными свойствами (pKa ≈ 25). Водород при тройной связи может замещаться на металлы (например, натрий, медь, серебро) с образованием ацетиленидов — взрывоопасных солей. Ацетиленид серебра и ацетиленид меди используются в аналитической химии для идентификации ацетилена.

Получение

Промышленные способы

1. Из карбида кальция: основной метод, используемый с конца XIX века. Карбид кальция (CaC₂) получают в электропечах при сплавлении кокса и негашёной извести (CaO) при температуре 2000–2500 °C. Затем карбид реагирует с водой: CaC₂ + 2H₂O → C₂H₂ + Ca(OH)₂. Процесс экзотермический, требует охлаждения. Выход ацетилена — до 300 л/кг карбида.
2. Пиролиз углеводородов: в настоящее время доминирующий метод. Природный газ (метан) или лёгкие нефтяные фракции подвергают пиролизу при 1200–1500 °C с последующей быстрой закалкой. Выход ацетилена составляет 10–15% по массе. Метод позволяет получать ацетилен в больших объёмах, но требует высоких энергозатрат.
3. Электрокрекинг: пропускание электрической дуги через углеводородное сырьё (например, метан) с образованием ацетилена и водорода. Метод используется редко из-за высокого расхода электроэнергии.

Лабораторные способы

В лаборатории ацетилен получают действием воды на карбид кальция, а также дегидрогалогенированием винилхлорида или дихлорэтана под действием спиртового раствора щёлочи.

Применение

Газовая сварка и резка металлов

Ацетилен — основное горючее для газовой сварки и резки благодаря высокой температуре пламени (до 3300 °C в кислороде). Применяется для сварки сталей, чугуна, цветных металлов, а также для пайки и наплавки. Для безопасного использования ацетилен растворяют в ацетоне и хранят в баллонах под давлением 1,5–2,5 МПа.

Органический синтез

Ацетилен является сырьём для производства многих органических соединений:

• Уксусная кислота: через гидратацию до ацетальдегида с последующим окислением.
• Винилхлорид: присоединение хлороводорода к ацетилену, используется для производства поливинилхлорида (ПВХ).
• Винилацетат: реакция с уксусной кислотой, используется для получения поливинилацетата (клей ПВА, краски).
• Акрилонитрил: реакция с циановодородом, применяется в производстве синтетических волокон (нитрон, орлон).
• Бензол: тримеризация ацетилена, используется в нефтехимии.
• Хлоропрен: димеризация ацетилена с последующим гидрохлорированием, сырьё для синтетического каучука.

Производство сажи

При неполном сгорании ацетилена получают высокодисперсную сажу (ацетиленовую сажу), используемую как наполнитель для резины, в производстве красок, электродов для батарей.

Освещение

В конце XIX — начале XX века ацетиленовые фонари (карбидные лампы) широко применялись для освещения улиц, домов, автомобилей, шахт. В настоящее время используются редко, в основном в туристическом снаряжении и для спецэффектов.

Прочее

Ацетилен используется в спектроскопии как эталонное вещество, в аналитической химии для обнаружения металлов, в производстве взрывчатых веществ (ацетилениды).

Безопасность и хранение

Ацетилен взрывоопасен. Нижний предел взрываемости в смеси с воздухом — 2,5% по объёму, верхний — 80%. При давлении выше 0,15 МПа ацетилен может самопроизвольно взрываться (разлагаться на углерод и водород). Поэтому ацетилен хранят и транспортируют в виде раствора в ацетоне, которым пропитывают пористую массу (например, активированный уголь или кизельгур) в стальных баллонах. Баллоны окрашивают в белый цвет с красной надписью «Ацетилен».

При работе с ацетиленом необходимо исключать источники искрения, статического электричества, открытого огня. Помещения должны быть оборудованы вентиляцией. Ацетилен образует с медью и серебром взрывоопасные ацетилениды, поэтому запрещается использовать медные и серебряные трубопроводы и арматуру.

Экологические аспекты

Ацетилен не является стойким загрязнителем атмосферы, так как быстро разлагается под действием ультрафиолетового излучения и озона. При сжигании ацетилена образуются углекислый газ и вода, что не приводит к образованию токсичных продуктов (при полном сгорании). Однако при производстве ацетилена из карбида кальция образуется значительное количество отходов — известкового шлама (гидроксид кальция), который требует утилизации.

Интересные факты

• Ацетилен — одно из немногих органических соединений, которое может быть синтезировано из неорганических веществ (углерода и водорода) в одну стадию (электрическая дуга).
• В 1900 году ацетилен использовали для освещения Парижской выставки.
• Ацетиленовые лампы были основным источником света для велосипедов и автомобилей в начале XX века.
• В медицине ацетилен применялся в качестве анестетика (смесь с кислородом), но из-за взрывоопасности был вытеснен более безопасными средствами.
• Ацетилен является одним из самых энергоёмких газов: при сгорании 1 кг выделяется около 50 МДж тепла.

Источники

• Химическая энциклопедия: в 5 т. — М.: Большая Российская энциклопедия, 1988–1998.
• Кнунянц И. Л. и др. Краткая химическая энциклопедия. — М.: Советская энциклопедия, 1961–1967.
• Третьяков Ю. Д. и др. Неорганическая химия: в 3 т. — М.: Академия, 2004.
• Петров А. А., Бальян Х. В., Трощенко А. Т. Органическая химия. — М.: Высшая школа, 1981.
• ГОСТ 5457-75 «Ацетилен растворенный и газообразный технический. Технические условия».
• Правила безопасности при производстве, хранении, транспортировании и применении ацетилена (ПБ 12-609-03).