IChO 1969 · Theory problem 4
Products obtainable from calcium carbide and water
Calcium carbide and water are the basic raw materials in the production of:
a) ethanol
b) acetic acid
c) ethylene and polyethylene
d) vinyl chloride
e) benzene
Problem:
Give basic chemical equations for each reaction by which the above mentioned compounds can be obtained.
Official English text of the problem.
Answers
All routes start with the formation of acetylene (ethyne), C#C:
\[ \ce{CaC2 + 2H2O -> C2H2 + Ca(OH)2} \]
-
a) Ethanol,
CCO: hydrate acetylene to ethanal, then hydrogenate. \[ \ce{C2H2 + H2O -> CH3CHO} \] \[ \ce{CH3CHO + H2 -> CH3CH2OH} \] -
b) Acetic acid,
CC(=O)O: hydrate acetylene to ethanal, then oxidize. \[ \ce{C2H2 + H2O -> CH3CHO} \] \[ \ce{2CH3CHO + O2 -> 2CH3COOH} \] -
c) Ethylene (ethene),
C=C, and polyethylene, repeat-unit SMILES[*]CC[*]: partially hydrogenate acetylene, then polymerize. \[ \ce{C2H2 + H2 -> CH2=CH2} \] \[ \ce{n CH2=CH2 -> [-CH2-CH2-]_{n}} \] The stars in the repeat-unit SMILES mark connections to the continuing chain; a complete molecular SMILES would require a specified chain length and end groups. -
d) Vinyl chloride (chloroethene),
C=CCl: add hydrogen chloride to acetylene. \[ \ce{C2H2 + HCl -> CH2=CHCl} \] -
e) Benzene,
c1ccccc1: cyclotrimerize acetylene. \[ \ce{3C2H2 -> C6H6} \]
Solution
The common starting reaction is the hydrolysis of calcium carbide. Water protonates its acetylide component, releasing acetylene and leaving calcium hydroxide. The substances are calcium carbide, [Ca+2].[C-]#[C-]; water, O; and calcium hydroxide, [Ca+2].[OH-].[OH-]. The disconnected salt SMILES represent ionic formula units, not discrete molecules.
Hydrogen, [H][H], and oxygen, O=O, are auxiliary reagents in the routes below. They can also be obtained from water by electrolysis:
\[ \ce{2H2O -> 2H2 + O2} \]
a) Ethanol
Hydration of acetylene in acidic aqueous solution, catalysed by mercury(II) ions, [Hg+2], gives ethanal (acetaldehyde), CC=O. The initially formed enol is vinyl alcohol (ethenol), C=CO, which rearranges by keto–enol tautomerism:
\[ \ce{CH2=CHOH -> CH3CHO} \]
Thus the net hydration equation is \(\ce{C2H2 + H2O -> CH3CHO}\).
Catalytic hydrogenation of ethanal, for example over nickel, reduces its carbonyl group to a primary alcohol:
\[ \ce{CH3CHO + H2 -> CH3CH2OH} \]
The two-carbon skeleton is retained, giving ethanol.
b) Acetic acid
First prepare ethanal by the same hydration reaction as in (a). Oxidation converts its aldehyde group into a carboxyl group:
\[ \ce{2CH3CHO + O2 -> 2CH3COOH} \]
Each ethanal molecule gains one oxygen atom, so one molecule of oxygen oxidizes two molecules of ethanal.
c) Ethylene and polyethylene
Selective catalytic hydrogenation adds one molecule of hydrogen across part of acetylene’s triple bond:
\[ \ce{C2H2 + H2 -> CH2=CH2} \]
The catalyst and reaction conditions must favour stopping at ethylene.
Ethylene then undergoes addition polymerization, for example using high temperature and pressure with radical initiation:
\[ \ce{n CH2=CH2 -> [-CH2-CH2-]_{n}} \]
The double bonds become single bonds as the monomers join into a chain. Every monomer contributes one \(\ce{-CH2-CH2-}\) repeat unit, without elimination of a small molecule.
d) Vinyl chloride
Hydrogen chloride, Cl, adds across acetylene’s triple bond. A conventional catalyst is mercury(II) chloride, Cl[Hg]Cl:
\[ \ce{C2H2 + HCl -> CH2=CHCl} \]
Addition of one equivalent gives a double bond bearing one chlorine substituent: vinyl chloride. Hydrogen chloride supplies the chlorine, which is absent from the two basic raw materials.
e) Benzene
On heating over a suitable catalyst, such as activated carbon, three acetylene molecules undergo cyclotrimerization:
\[ \ce{3C2H2 -> C6H6} \]
Their six carbon atoms form the aromatic six-membered ring of benzene. All six hydrogen atoms are retained, and no coproduct is required.
The solution was checked against the official solution.
IChO 1969 · Theorieaufgabe 4
Aus Calciumcarbid und Wasser erhältliche Produkte
Calciumcarbid und Wasser sind die Grundrohstoffe für die Herstellung von:
a) Ethanol
b) Essigsäure
c) Ethylen und Polyethylen
d) Vinylchlorid
e) Benzol
Aufgabe:
Geben Sie die grundlegenden chemischen Gleichungen für jede Reaktion an, durch die die oben genannten Verbindungen erhalten werden können.
Aufgabentext aus dem offiziellen englischen Text übersetzt.
Antworten
Alle Synthesewege beginnen mit der Bildung von Acetylen (Ethin), C#C:
\[ \ce{CaC2 + 2H2O -> C2H2 + Ca(OH)2} \]
-
a) Ethanol,
CCO: Acetylen zu Ethanal hydratisieren, anschließend hydrieren. \[ \ce{C2H2 + H2O -> CH3CHO} \] \[ \ce{CH3CHO + H2 -> CH3CH2OH} \] -
b) Essigsäure,
CC(=O)O: Acetylen zu Ethanal hydratisieren, anschließend oxidieren. \[ \ce{C2H2 + H2O -> CH3CHO} \] \[ \ce{2CH3CHO + O2 -> 2CH3COOH} \] -
c) Ethylen (Ethen),
C=C, und Polyethylen, SMILES der Wiederholungseinheit[*]CC[*]: Acetylen partiell hydrieren, anschließend polymerisieren. \[ \ce{C2H2 + H2 -> CH2=CH2} \] \[ \ce{n CH2=CH2 -> [-CH2-CH2-]_{n}} \] Die Sterne im SMILES der Wiederholungseinheit kennzeichnen Verknüpfungen mit der sich fortsetzenden Kette; ein vollständiges molekulares SMILES würde eine festgelegte Kettenlänge und festgelegte Endgruppen erfordern. -
d) Vinylchlorid (Chlorethen),
C=CCl: Chlorwasserstoff an Acetylen addieren. \[ \ce{C2H2 + HCl -> CH2=CHCl} \] -
e) Benzol,
c1ccccc1: Acetylen cyclotrimerisieren. \[ \ce{3C2H2 -> C6H6} \]
Lösung
Die gemeinsame Ausgangsreaktion ist die Hydrolyse von Calciumcarbid. Wasser protoniert dessen Acetylidkomponente, wobei Acetylen freigesetzt wird und Calciumhydroxid zurückbleibt. Die Stoffe sind Calciumcarbid, [Ca+2].[C-]#[C-]; Wasser, O; und Calciumhydroxid, [Ca+2].[OH-].[OH-]. Die SMILES der Salze mit unverbundenen Komponenten stellen ionische Formeleinheiten dar, keine diskreten Moleküle.
Wasserstoff, [H][H], und Sauerstoff, O=O, sind Hilfsreagenzien bei den nachstehenden Synthesewegen. Sie können auch durch Elektrolyse aus Wasser gewonnen werden:
\[ \ce{2H2O -> 2H2 + O2} \]
a) Ethanol
Die durch Quecksilber(II)-Ionen, [Hg+2], katalysierte Hydratisierung von Acetylen in saurer wässriger Lösung ergibt Ethanal (Acetaldehyd), CC=O. Das zunächst gebildete Enol ist Vinylalkohol (Ethenol), C=CO, der sich durch Keto-Enol-Tautomerie umlagert:
\[ \ce{CH2=CHOH -> CH3CHO} \]
Somit lautet die Nettogleichung der Hydratisierung \(\ce{C2H2 + H2O -> CH3CHO}\).
Die katalytische Hydrierung von Ethanal, beispielsweise an Nickel, reduziert dessen Carbonylgruppe zu einem primären Alkohol:
\[ \ce{CH3CHO + H2 -> CH3CH2OH} \]
Das Gerüst aus zwei Kohlenstoffatomen bleibt erhalten, und es entsteht Ethanol.
b) Essigsäure
Zunächst wird Ethanal durch dieselbe Hydratisierungsreaktion wie in (a) hergestellt. Durch Oxidation wird dessen Aldehydgruppe in eine Carboxylgruppe umgewandelt:
\[ \ce{2CH3CHO + O2 -> 2CH3COOH} \]
Jedes Ethanalmolekül nimmt ein Sauerstoffatom auf, sodass ein Sauerstoffmolekül zwei Ethanalmoleküle oxidiert.
c) Ethylen und Polyethylen
Bei der selektiven katalytischen Hydrierung wird ein Wasserstoffmolekül unter teilweiser Aufhebung der Dreifachbindung des Acetylens addiert:
\[ \ce{C2H2 + H2 -> CH2=CH2} \]
Der Katalysator und die Reaktionsbedingungen müssen begünstigen, dass die Reaktion auf der Stufe des Ethylens stehen bleibt.
Anschließend wird Ethylen einer Additionspolymerisation unterzogen, beispielsweise bei hoher Temperatur und hohem Druck mit radikalischer Initiierung:
\[ \ce{n CH2=CH2 -> [-CH2-CH2-]_{n}} \]
Die Doppelbindungen werden zu Einfachbindungen, während sich die Monomere zu einer Kette verbinden. Jedes Monomer trägt eine \(\ce{-CH2-CH2-}\)-Wiederholungseinheit bei, ohne dass ein kleines Molekül abgespalten wird.
d) Vinylchlorid
Chlorwasserstoff, Cl, wird an die Dreifachbindung des Acetylens addiert. Ein herkömmlicher Katalysator ist Quecksilber(II)-chlorid, Cl[Hg]Cl:
\[ \ce{C2H2 + HCl -> CH2=CHCl} \]
Die Addition eines Äquivalents ergibt eine Doppelbindung mit einem Chlorsubstituenten: Vinylchlorid. Chlorwasserstoff liefert das Chlor, das in den beiden Grundrohstoffen nicht enthalten ist.
e) Benzol
Beim Erhitzen an einem geeigneten Katalysator, beispielsweise Aktivkohle, durchlaufen drei Acetylenmoleküle eine Cyclotrimerisierung:
\[ \ce{3C2H2 -> C6H6} \]
Ihre sechs Kohlenstoffatome bilden den aromatischen Sechsring des Benzols. Alle sechs Wasserstoffatome bleiben erhalten, und es muss kein Koppelprodukt entstehen.
Die Lösung wurde mit der offiziellen Lösung abgeglichen.
IChO 1969 · Teori sorusu 4
Kalsiyum karbür ve sudan elde edilebilen ürünler
Kalsiyum karbür ve su, aşağıdaki maddelerin üretimindeki temel ham maddelerdir:
a) etanol
b) asetik asit
c) etilen ve polietilen
d) vinil klorür
e) benzen
Soru:
Yukarıda belirtilen bileşiklerin elde edilmesini sağlayan her bir tepkimenin temel kimyasal denklemini yazınız.
Soru metni resmi İngilizce metinden çevrilmiştir.
Cevaplar
Tüm sentez yolları asetilen (etin), C#C, oluşumuyla başlar:
\[ \ce{CaC2 + 2H2O -> C2H2 + Ca(OH)2} \]
-
a) Etanol,
CCO: asetileni hidratasyonla etanale dönüştürün, ardından hidrojenleyin. \[ \ce{C2H2 + H2O -> CH3CHO} \] \[ \ce{CH3CHO + H2 -> CH3CH2OH} \] -
b) Asetik asit,
CC(=O)O: asetileni hidratasyonla etanale dönüştürün, ardından yükseltgeyin. \[ \ce{C2H2 + H2O -> CH3CHO} \] \[ \ce{2CH3CHO + O2 -> 2CH3COOH} \] -
c) Etilen (eten),
C=C, ve polietilen, tekrar biriminin SMILES gösterimi[*]CC[*]: asetileni kısmen hidrojenleyin, ardından polimerleştirin. \[ \ce{C2H2 + H2 -> CH2=CH2} \] \[ \ce{n CH2=CH2 -> [-CH2-CH2-]_{n}} \] Tekrar biriminin SMILES gösterimindeki yıldızlar, zincirin devamına olan bağlantıları belirtir; molekülün tam bir SMILES gösterimi için zincir uzunluğunun ve uç grupların belirtilmesi gerekir. -
d) Vinil klorür (kloroeten),
C=CCl: asetilene hidrojen klorür katın. \[ \ce{C2H2 + HCl -> CH2=CHCl} \] -
e) Benzen,
c1ccccc1: asetileni siklotrimerleştirin. \[ \ce{3C2H2 -> C6H6} \]
Çözüm
Ortak başlangıç tepkimesi, kalsiyum karbürün hidrolizidir. Su, kalsiyum karbürün asetilür bileşenini protonlayarak asetilen açığa çıkarır ve geride kalsiyum hidroksit bırakır. Bu maddeler kalsiyum karbür, [Ca+2].[C-]#[C-]; su, O; ve kalsiyum hidroksittir, [Ca+2].[OH-].[OH-]. Birbirine bağlı olmayan bileşenler içeren tuz SMILES gösterimleri, bağımsız molekülleri değil, iyonik formül birimlerini temsil eder.
Hidrojen, [H][H], ve oksijen, O=O, aşağıdaki sentez yollarında yardımcı reaktiflerdir. Bunlar elektroliz yoluyla sudan da elde edilebilir:
\[ \ce{2H2O -> 2H2 + O2} \]
a) Etanol
Asetilenin asidik sulu çözeltide cıva(II) iyonları, [Hg+2], katalizörlüğünde hidratasyonu, etanal (asetaldehit), CC=O, verir. Başlangıçta oluşan enol, keto–enol tautomerisi yoluyla yeniden düzenlenen vinil alkoldür (etenol), C=CO:
\[ \ce{CH2=CHOH -> CH3CHO} \]
Dolayısıyla net hidratasyon denklemi \(\ce{C2H2 + H2O -> CH3CHO}\) şeklindedir.
Etanalin, örneğin nikel üzerinde, katalitik hidrojenlenmesi karbonil grubunu birincil alkole indirger:
\[ \ce{CH3CHO + H2 -> CH3CH2OH} \]
İki karbonlu iskelet korunur ve etanol elde edilir.
b) Asetik asit
Önce (a)'daki ile aynı hidratasyon tepkimesiyle etanal hazırlayın. Yükseltgenme, etanalin aldehit grubunu karboksil grubuna dönüştürür:
\[ \ce{2CH3CHO + O2 -> 2CH3COOH} \]
Her etanal molekülü bir oksijen atomu kazanır; dolayısıyla bir oksijen molekülü iki etanal molekülünü yükseltger.
c) Etilen ve polietilen
Seçici katalitik hidrojenleme, asetilenin üçlü bağının bir kısmına bir hidrojen molekülü katar:
\[ \ce{C2H2 + H2 -> CH2=CH2} \]
Katalizör ve tepkime koşulları, tepkimenin etilen aşamasında durmasını desteklemelidir.
Ardından etilen, örneğin yüksek sıcaklık ve basınçta radikalik başlatma kullanılarak, katılma polimerleşmesine uğrar:
\[ \ce{n CH2=CH2 -> [-CH2-CH2-]_{n}} \]
Monomerler bir zincir oluşturacak şekilde birleşirken çift bağlar tek bağlara dönüşür. Her monomer, küçük bir molekül ayrılmaksızın bir \(\ce{-CH2-CH2-}\) tekrar birimi sağlar.
d) Vinil klorür
Hidrojen klorür, Cl, asetilenin üçlü bağına katılır. Yaygın olarak kullanılan bir katalizör, cıva(II) klorürdür, Cl[Hg]Cl:
\[ \ce{C2H2 + HCl -> CH2=CHCl} \]
Bir eşdeğer hidrojen klorürün katılması, bir klor sübstitüenti taşıyan çift bağa sahip vinil klorürü verir. Hidrojen klorür, iki temel ham maddede bulunmayan kloru sağlar.
e) Benzen
Aktif karbon gibi uygun bir katalizör üzerinde ısıtıldığında, üç asetilen molekülü siklotrimerleşmeye uğrar:
\[ \ce{3C2H2 -> C6H6} \]
Bu moleküllerin altı karbon atomu, benzenin altı üyeli aromatik halkasını oluşturur. Altı hidrojen atomunun tamamı korunur ve herhangi bir eş ürün oluşması gerekmez.
Çözüm, resmi çözümle karşılaştırılarak kontrol edildi.
IChO 1969 · Problema teórico 4
Productos que pueden obtenerse a partir de carburo de calcio y agua
El carburo de calcio y el agua son las materias primas básicas en la producción de:
a) etanol
b) ácido acético
c) etileno y polietileno
d) cloruro de vinilo
e) benceno
Problema:
Escriba las ecuaciones químicas básicas de cada reacción mediante la cual puedan obtenerse los compuestos mencionados anteriormente.
Enunciado traducido del texto oficial en inglés.
Respuestas
Todas las rutas comienzan con la formación de acetileno (etino), C#C:
\[ \ce{CaC2 + 2H2O -> C2H2 + Ca(OH)2} \]
-
a) Etanol,
CCO: hidratar el acetileno para obtener etanal y, a continuación, hidrogenarlo. \[ \ce{C2H2 + H2O -> CH3CHO} \] \[ \ce{CH3CHO + H2 -> CH3CH2OH} \] -
b) Ácido acético,
CC(=O)O: hidratar el acetileno para obtener etanal y, a continuación, oxidarlo. \[ \ce{C2H2 + H2O -> CH3CHO} \] \[ \ce{2CH3CHO + O2 -> 2CH3COOH} \] -
c) Etileno (eteno),
C=C, y polietileno, con SMILES de la unidad repetitiva[*]CC[*]: hidrogenar parcialmente el acetileno y, a continuación, polimerizar el etileno. \[ \ce{C2H2 + H2 -> CH2=CH2} \] \[ \ce{n CH2=CH2 -> [-CH2-CH2-]_{n}} \] Los asteriscos en el SMILES de la unidad repetitiva indican las conexiones con la continuación de la cadena; un SMILES molecular completo requeriría especificar la longitud de la cadena y los grupos terminales. -
d) Cloruro de vinilo (cloroeteno),
C=CCl: adicionar cloruro de hidrógeno al acetileno. \[ \ce{C2H2 + HCl -> CH2=CHCl} \] -
e) Benceno,
c1ccccc1: ciclotrimerizar el acetileno. \[ \ce{3C2H2 -> C6H6} \]
Solución
La reacción inicial común es la hidrólisis del carburo de calcio. El agua protona su componente acetiluro, liberando acetileno y dejando hidróxido de calcio. Las sustancias son carburo de calcio, [Ca+2].[C-]#[C-]; agua, O; e hidróxido de calcio, [Ca+2].[OH-].[OH-]. Los SMILES de las sales con componentes desconectados representan unidades fórmula iónicas, no moléculas discretas.
El hidrógeno, [H][H], y el oxígeno, O=O, son reactivos auxiliares en las rutas que se presentan a continuación. También pueden obtenerse a partir del agua mediante electrólisis:
\[ \ce{2H2O -> 2H2 + O2} \]
a) Etanol
La hidratación del acetileno en disolución acuosa ácida, catalizada por iones de mercurio(II), [Hg+2], produce etanal (acetaldehído), CC=O. El enol formado inicialmente es el alcohol vinílico (etenol), C=CO, que se reorganiza mediante tautomería ceto–enólica:
\[ \ce{CH2=CHOH -> CH3CHO} \]
Por tanto, la ecuación neta de hidratación es \(\ce{C2H2 + H2O -> CH3CHO}\).
La hidrogenación catalítica del etanal, por ejemplo sobre níquel, reduce su grupo carbonilo a un alcohol primario:
\[ \ce{CH3CHO + H2 -> CH3CH2OH} \]
Se conserva el esqueleto de dos átomos de carbono, dando lugar a etanol.
b) Ácido acético
Primero se prepara etanal mediante la misma reacción de hidratación que en (a). La oxidación convierte su grupo aldehído en un grupo carboxilo:
\[ \ce{2CH3CHO + O2 -> 2CH3COOH} \]
Cada molécula de etanal gana un átomo de oxígeno, por lo que una molécula de oxígeno oxida dos moléculas de etanal.
c) Etileno y polietileno
La hidrogenación catalítica selectiva adiciona una molécula de hidrógeno a una parte del triple enlace del acetileno:
\[ \ce{C2H2 + H2 -> CH2=CH2} \]
El catalizador y las condiciones de reacción deben favorecer que la reacción se detenga en el etileno.
A continuación, el etileno experimenta una polimerización por adición, por ejemplo a temperatura y presión elevadas con iniciación radicalaria:
\[ \ce{n CH2=CH2 -> [-CH2-CH2-]_{n}} \]
Los dobles enlaces se convierten en enlaces simples a medida que los monómeros se unen formando una cadena. Cada monómero aporta una unidad repetitiva \(\ce{-CH2-CH2-}\), sin eliminación de una molécula pequeña.
d) Cloruro de vinilo
El cloruro de hidrógeno, Cl, se adiciona al triple enlace del acetileno. Un catalizador convencional es el cloruro de mercurio(II), Cl[Hg]Cl:
\[ \ce{C2H2 + HCl -> CH2=CHCl} \]
La adición de un equivalente da lugar a un doble enlace con un sustituyente cloro: cloruro de vinilo. El cloruro de hidrógeno aporta el cloro, que no está presente en las dos materias primas básicas.
e) Benceno
Al calentar sobre un catalizador adecuado, como el carbón activado, tres moléculas de acetileno experimentan una ciclotrimerización:
\[ \ce{3C2H2 -> C6H6} \]
Sus seis átomos de carbono forman el anillo aromático de seis miembros del benceno. Se conservan los seis átomos de hidrógeno y no se requiere ningún coproducto.
La solución se comprobó con la solución oficial.
IChO 1969 · 理论题 4
由碳化钙和水可制得的产物
碳化钙和水是生产下列物质的基本原料:
a) 乙醇
b) 乙酸
c) 乙烯和聚乙烯
d) 氯乙烯
e) 苯
问题:
写出制备上述各化合物所涉及的每一步反应的基本化学方程式。
题目译自官方英文原文。
答案
所有路线均从生成乙炔(乙炔),C#C,开始:
\[ \ce{CaC2 + 2H2O -> C2H2 + Ca(OH)2} \]
-
a) 乙醇,
CCO:使乙炔水合生成乙醛,然后加氢。 \[ \ce{C2H2 + H2O -> CH3CHO} \] \[ \ce{CH3CHO + H2 -> CH3CH2OH} \] -
b) 乙酸,
CC(=O)O:使乙炔水合生成乙醛,然后氧化。 \[ \ce{C2H2 + H2O -> CH3CHO} \] \[ \ce{2CH3CHO + O2 -> 2CH3COOH} \] -
c) 乙烯(乙烯),
C=C,和聚乙烯,重复单元的 SMILES 为[*]CC[*]:使乙炔部分加氢,然后聚合。 \[ \ce{C2H2 + H2 -> CH2=CH2} \] \[ \ce{n CH2=CH2 -> [-CH2-CH2-]_{n}} \] 重复单元 SMILES 中的星号标示与延伸链段的连接位置;完整分子的 SMILES 则需要指定链长和端基。 -
d) 氯乙烯(氯代乙烯),
C=CCl:使氯化氢与乙炔发生加成反应。 \[ \ce{C2H2 + HCl -> CH2=CHCl} \] -
e) 苯,
c1ccccc1:使乙炔发生环三聚反应。 \[ \ce{3C2H2 -> C6H6} \]
解答
各路线共同的起始反应是碳化钙的水解。水使其中的乙炔根离子质子化,释放出乙炔,并生成氢氧化钙。涉及的物质为碳化钙,[Ca+2].[C-]#[C-];水,O;以及氢氧化钙,[Ca+2].[OH-].[OH-]。这些以不相连的片段表示的盐的 SMILES 代表离子化合物的化学式单位,而非独立的分子。
氢气,[H][H],和氧气,O=O,是下列路线中的辅助试剂。它们也可通过电解水获得:
\[ \ce{2H2O -> 2H2 + O2} \]
a) 乙醇
在汞(II)离子,[Hg+2],催化下,乙炔在酸性水溶液中水合,生成乙醛(醋醛),CC=O。最初生成的烯醇为乙烯醇(乙烯醇),C=CO,它通过酮–烯醇互变异构发生重排:
\[ \ce{CH2=CHOH -> CH3CHO} \]
因此,水合反应的净反应方程式为 \(\ce{C2H2 + H2O -> CH3CHO}\)。
乙醛的催化加氢(例如以镍为催化剂)将其羰基还原为伯醇:
\[ \ce{CH3CHO + H2 -> CH3CH2OH} \]
两个碳原子构成的骨架保持不变,得到乙醇。
b) 乙酸
首先通过与 (a) 中相同的水合反应制备乙醛。氧化使其醛基转化为羧基:
\[ \ce{2CH3CHO + O2 -> 2CH3COOH} \]
每个乙醛分子增加一个氧原子,因此一个氧分子可氧化两个乙醛分子。
c) 乙烯和聚乙烯
选择性催化加氢使一个氢分子加成到乙炔三键的部分键上:
\[ \ce{C2H2 + H2 -> CH2=CH2} \]
催化剂和反应条件必须有利于使反应停留在乙烯阶段。
随后,乙烯发生加成聚合,例如在高温高压下采用自由基引发:
\[ \ce{n CH2=CH2 -> [-CH2-CH2-]_{n}} \]
随着单体连接成链,双键变为单键。每个单体提供一个 \(\ce{-CH2-CH2-}\) 重复单元,且不脱去小分子。
d) 氯乙烯
氯化氢,Cl,与乙炔的三键发生加成反应。常用的催化剂是氯化汞(II),Cl[Hg]Cl:
\[ \ce{C2H2 + HCl -> CH2=CHCl} \]
加成一当量的氯化氢后,得到带有一个氯取代基的双键化合物:氯乙烯。氯化氢提供了两种基本原料中均不含有的氯元素。
e) 苯
在合适的催化剂(如活性炭)上加热时,三个乙炔分子发生环三聚反应:
\[ \ce{3C2H2 -> C6H6} \]
它们的六个碳原子形成苯的芳香性六元环。全部六个氢原子均保留下来,且无需生成其他产物。
解答已与官方解答核对。
IChO 1969 · Теоретическая задача 4
Продукты, получаемые из карбида кальция и воды
Карбид кальция и вода являются основными исходными веществами для получения:
a) этанола
b) уксусной кислоты
c) этилена и полиэтилена
d) винилхлорида
e) бензола
Задание:
Приведите основные химические уравнения всех реакций, с помощью которых можно получить перечисленные выше соединения.
Условие переведено с официального английского текста.
Ответы
Все пути получения начинаются с образования ацетилена (этина), C#C:
\[ \ce{CaC2 + 2H2O -> C2H2 + Ca(OH)2} \]
-
a) Этанол,
CCO: гидратировать ацетилен до этаналя, затем провести гидрирование. \[ \ce{C2H2 + H2O -> CH3CHO} \] \[ \ce{CH3CHO + H2 -> CH3CH2OH} \] -
b) Уксусная кислота,
CC(=O)O: гидратировать ацетилен до этаналя, затем провести окисление. \[ \ce{C2H2 + H2O -> CH3CHO} \] \[ \ce{2CH3CHO + O2 -> 2CH3COOH} \] -
c) Этилен (этен),
C=C, и полиэтилен, SMILES повторяющегося звена[*]CC[*]: провести частичное гидрирование ацетилена, затем полимеризацию. \[ \ce{C2H2 + H2 -> CH2=CH2} \] \[ \ce{n CH2=CH2 -> [-CH2-CH2-]_{n}} \] Звёздочки в SMILES повторяющегося звена обозначают места соединения с продолжением цепи; для полной записи SMILES молекулы необходимо задать длину цепи и концевые группы. -
d) Винилхлорид (хлорэтен),
C=CCl: присоединить хлороводород к ацетилену. \[ \ce{C2H2 + HCl -> CH2=CHCl} \] -
e) Бензол,
c1ccccc1: провести циклотримеризацию ацетилена. \[ \ce{3C2H2 -> C6H6} \]
Решение
Общая исходная реакция — гидролиз карбида кальция. Вода протонирует содержащийся в нём ацетилид-ион, при этом выделяется ацетилен и образуется гидроксид кальция. Эти вещества: карбид кальция, [Ca+2].[C-]#[C-]; вода, O; и гидроксид кальция, [Ca+2].[OH-].[OH-]. Записи SMILES солей с несвязанными фрагментами представляют ионные формульные единицы, а не отдельные молекулы.
Водород, [H][H], и кислород, O=O, служат вспомогательными реагентами в приведённых ниже путях получения. Их также можно получить из воды электролизом:
\[ \ce{2H2O -> 2H2 + O2} \]
a) Этанол
Гидратация ацетилена в кислом водном растворе, катализируемая ионами ртути(II), [Hg+2], даёт этаналь (ацетальдегид), CC=O. Первоначально образующийся енол — виниловый спирт (этенол), C=CO, который превращается в этаналь в результате кето-енольной таутомерии:
\[ \ce{CH2=CHOH -> CH3CHO} \]
Таким образом, суммарное уравнение гидратации имеет вид \(\ce{C2H2 + H2O -> CH3CHO}\).
При каталитическом гидрировании этаналя, например на никелевом катализаторе, его карбонильная группа восстанавливается с образованием первичного спирта:
\[ \ce{CH3CHO + H2 -> CH3CH2OH} \]
Углеродный скелет из двух атомов сохраняется, и образуется этанол.
b) Уксусная кислота
Сначала получают этаналь с помощью той же реакции гидратации, что и в (a). При окислении его альдегидная группа превращается в карбоксильную:
\[ \ce{2CH3CHO + O2 -> 2CH3COOH} \]
Каждая молекула этаналя присоединяет один атом кислорода, поэтому одна молекула кислорода окисляет две молекулы этаналя.
c) Этилен и полиэтилен
При селективном каталитическом гидрировании одна молекула водорода присоединяется по тройной связи ацетилена, частично восстанавливая её:
\[ \ce{C2H2 + H2 -> CH2=CH2} \]
Катализатор и условия реакции должны способствовать остановке процесса на стадии образования этилена.
Затем этилен подвергают полимеризации присоединения, например при высоких температуре и давлении с радикальным инициированием:
\[ \ce{n CH2=CH2 -> [-CH2-CH2-]_{n}} \]
При соединении мономеров в цепь двойные связи превращаются в одинарные. Каждая молекула мономера образует одно повторяющееся звено \(\ce{-CH2-CH2-}\), без отщепления низкомолекулярного вещества.
d) Винилхлорид
Хлороводород, Cl, присоединяется по тройной связи ацетилена. Обычно в качестве катализатора используют хлорид ртути(II), Cl[Hg]Cl:
\[ \ce{C2H2 + HCl -> CH2=CHCl} \]
При присоединении одного эквивалента образуется соединение с двойной связью и одним атомом хлора в качестве заместителя — винилхлорид. Хлороводород служит источником хлора, который отсутствует в двух основных исходных веществах.
e) Бензол
При нагревании в присутствии подходящего катализатора, например активированного угля, три молекулы ацетилена вступают в реакцию циклотримеризации:
\[ \ce{3C2H2 -> C6H6} \]
Их шесть атомов углерода образуют ароматическое шестичленное кольцо бензола. Все шесть атомов водорода сохраняются, и образование сопутствующего продукта не требуется.
Решение проверено по официальному решению.
IChO 1969 · مسألة نظرية 4
النواتج التي يمكن الحصول عليها من كربيد الكالسيوم والماء
كربيد الكالسيوم والماء هما المادتان الخام الأساسيتان في إنتاج:
a) الإيثانول
b) حمض الأسيتيك
c) الإيثيلين والبولي إيثيلين
d) كلوريد الفينيل
e) البنزين
المطلوب:
اكتب المعادلات الكيميائية الأساسية لكل تفاعل يمكن بواسطته الحصول على المركبات المذكورة أعلاه.
نص المسألة مترجم عن النص الإنجليزي الرسمي.
الإجابات
تبدأ جميع المسارات بتكوين الأسيتيلين (الإيثاين)، C#C:
\[ \ce{CaC2 + 2H2O -> C2H2 + Ca(OH)2} \]
-
a) الإيثانول،
CCO: أجرِ إماهة الأسيتيلين للحصول على الإيثانال، ثم أجرِ الهدرجة. \[ \ce{C2H2 + H2O -> CH3CHO} \] \[ \ce{CH3CHO + H2 -> CH3CH2OH} \] -
b) حمض الأسيتيك،
CC(=O)O: أجرِ إماهة الأسيتيلين للحصول على الإيثانال، ثم أجرِ الأكسدة. \[ \ce{C2H2 + H2O -> CH3CHO} \] \[ \ce{2CH3CHO + O2 -> 2CH3COOH} \] -
c) الإيثيلين (الإيثين)،
C=C، والبولي إيثيلين، بتمثيل SMILES للوحدة المتكررة[*]CC[*]: أجرِ هدرجة جزئية للأسيتيلين، ثم أجرِ البلمرة. \[ \ce{C2H2 + H2 -> CH2=CH2} \] \[ \ce{n CH2=CH2 -> [-CH2-CH2-]_{n}} \] تشير النجوم في تمثيل SMILES للوحدة المتكررة إلى مواضع الاتصال بامتداد السلسلة؛ أما تمثيل SMILES الجزيئي الكامل فيتطلب تحديد طول السلسلة والمجموعات الطرفية. -
d) كلوريد الفينيل (كلوروإيثين)،
C=CCl: أضف كلوريد الهيدروجين إلى الأسيتيلين. \[ \ce{C2H2 + HCl -> CH2=CHCl} \] -
e) البنزين،
c1ccccc1: أجرِ تثليثًا حلقيًا للأسيتيلين. \[ \ce{3C2H2 -> C6H6} \]
الحل
تفاعل البداية المشترك هو التحلل المائي لكربيد الكالسيوم. يمنح الماء بروتونات لمكوّن الأسيتيلِيد فيه، فينطلق الأسيتيلين ويتبقى هيدروكسيد الكالسيوم. والمواد هي كربيد الكالسيوم، [Ca+2].[C-]#[C-]؛ والماء، O؛ وهيدروكسيد الكالسيوم، [Ca+2].[OH-].[OH-]. تمثل صيغ SMILES للأملاح ذات الأجزاء المنفصلة وحدات صيغية أيونية، وليست جزيئات منفردة.
الهيدروجين، [H][H]، والأكسجين، O=O، كاشفان مساعدان في المسارات أدناه. ويمكن الحصول عليهما أيضًا من الماء بالتحليل الكهربائي:
\[ \ce{2H2O -> 2H2 + O2} \]
a) الإيثانول
تعطي إماهة الأسيتيلين في محلول مائي حمضي، بتحفيز من أيونات الزئبق(II)، [Hg+2]، الإيثانال (الأسيتالدهيد)، CC=O. والإينول المتكوّن في البداية هو كحول الفينيل (الإيثينول)، C=CO، الذي يعيد ترتيب بنيته عبر التماكب التوتومري الكيتوني–الإينولي:
\[ \ce{CH2=CHOH -> CH3CHO} \]
وعليه، فإن معادلة الإماهة الصافية هي \(\ce{C2H2 + H2O -> CH3CHO}\).
تختزل الهدرجة الحفزية للإيثانال، على سطح النيكل مثلًا، مجموعة الكربونيل فيه إلى كحول أولي:
\[ \ce{CH3CHO + H2 -> CH3CH2OH} \]
يُحتفظ بالهيكل المكوّن من ذرتي كربون، فينتج الإيثانول.
b) حمض الأسيتيك
حضّر الإيثانال أولًا بتفاعل الإماهة نفسه الوارد في (a). تحوّل الأكسدة مجموعة الألدهيد فيه إلى مجموعة كربوكسيل:
\[ \ce{2CH3CHO + O2 -> 2CH3COOH} \]
يكتسب كل جزيء من الإيثانال ذرة أكسجين واحدة، ولذلك يؤكسد جزيء واحد من الأكسجين جزيئين من الإيثانال.
c) الإيثيلين والبولي إيثيلين
تضيف الهدرجة الحفزية الانتقائية جزيئًا واحدًا من الهيدروجين إلى جزء من الرابطة الثلاثية في الأسيتيلين:
\[ \ce{C2H2 + H2 -> CH2=CH2} \]
يجب أن يعزز الحفاز وظروف التفاعل توقف التفاعل عند الإيثيلين.
ثم يخضع الإيثيلين لبلمرة الإضافة، مثلًا باستخدام درجة حرارة وضغط مرتفعين مع بدء التفاعل بالجذور الحرة:
\[ \ce{n CH2=CH2 -> [-CH2-CH2-]_{n}} \]
تتحول الروابط المزدوجة إلى روابط أحادية عندما تتصل المونومرات لتكوّن سلسلة. ويسهم كل مونومر بوحدة متكررة واحدة من \(\ce{-CH2-CH2-}\)، دون حذف جزيء صغير.
d) كلوريد الفينيل
يُضاف كلوريد الهيدروجين، Cl، عبر الرابطة الثلاثية في الأسيتيلين. ومن الحفازات التقليدية كلوريد الزئبق(II)، Cl[Hg]Cl:
\[ \ce{C2H2 + HCl -> CH2=CHCl} \]
تعطي إضافة مكافئ واحد رابطة مزدوجة تحمل مستبدل كلور واحدًا: كلوريد الفينيل. ويوفّر كلوريد الهيدروجين الكلور، الذي لا يوجد في أيٍّ من المادتين الخام الأساسيتين.
e) البنزين
عند التسخين على سطح حفاز مناسب، مثل الكربون المنشّط، تخضع ثلاثة جزيئات من الأسيتيلين لتثليث حلقي:
\[ \ce{3C2H2 -> C6H6} \]
تشكّل ذرات الكربون الست فيها الحلقة العطرية السداسية للبنزين. ويُحتفظ بذرات الهيدروجين الست جميعها، ولا يلزم تكوّن أي ناتج مرافق.
تمت مراجعة الحل بمقارنته بالحل الرسمي.