Получение ацетилена: карбидный метод и расчёт выхода

Карбидный метод - самый классический лабораторный способ получить ацетилен прямо в пробирке: бросаешь кусочек карбида кальция в воду, и тут же выделяется бесцветный горючий газ с характерным чесночным запахом. Реакция простая, но задачи на неё встречаются почти в каждом варианте ЕГЭ и вузовской контрольной. Разберём уравнение, стехиометрию и расчёт - а начни с калькулятора ниже, чтобы сразу видеть числа при любой массе карбида.

Уравнение карбидного метода

Реакция карбида кальция с водой:

$\text{CaC}_2 + 2\text{H}_2\text{O} \;\rightarrow\; \text{C}_2\text{H}_2\uparrow + \text{Ca(OH)}_2$

Карбид кальция $\text{CaC}_2$ - это ионное соединение $\text{Ca}^{2+}$ и ацетиленид-иона $\text{C}_2^{2-}$, который и является источником ацетилена. При контакте с водой ацетиленид-ион захватывает два протона:

$\text{C}_2^{2-} + 2\text{H}_2\text{O} \;\rightarrow\; \text{C}_2\text{H}_2 + 2\text{OH}^-.$

Ионы $\text{OH}^-$ связываются с $\text{Ca}^{2+}$, образуя нерастворимый гашёный известняк - $\text{Ca(OH)}_2$. Это белый порошок, оседающий на дно реактора. На промышленных установках его обезвоживают и используют как строительную известь.

Стрелка вверх у $\text{C}_2\text{H}_2$ напоминает, что ацетилен - газ при комнатной температуре и сразу покидает раствор.

Рассчитать для своей задачи

Механизм реакции и электронная структура

Карбид кальция получают в дуговых электрических печах при 2000-2200 °C восстановлением оксида кальция коксом:

$\text{CaO} + 3\text{C} \;\rightarrow\; \text{CaC}_2 + \text{CO}\uparrow$

Это высокоэнергетический процесс; само по себе образование карбида - эндотермическое. Зато гидролиз карбида водой - экзотермический с $\Delta H \approx -125$ кДж/моль.

В кристаллической решётке $\text{CaC}_2$ ион $\text{C}_2^{2-}$ имеет структуру, аналогичную ацетилену: два углерода связаны тройной связью $\text{C}\equiv\text{C}$ с расстоянием 119 пм (почти как в молекуле $\text{C}_2\text{H}_2$ - 120 пм). При гидролизе каждый протон от молекулы воды присоединяется к одному углероду, полностью сохраняя тройную связь. Именно поэтому реакция идёт без изомеризации и без побочного продукта этилена: вся тройная связь переходит в ацетилен.

Стехиометрия: молярное соотношение веществ

Коэффициенты уравнения задают жёсткий пропорциональный ключ:

Из 1 моль карбида (64 г) теоретически получается 1 моль ацетилена (26 г) и потребляется 2 моль воды (36 г). Чтобы рассчитать объём газа, достаточно умножить количество молей на молярный объём при нормальных условиях $V_m = 22{,}4$ л/моль:

$V(\text{C}_2\text{H}_2) = n(\text{C}_2\text{H}_2) \cdot 22{,}4 \;\text{л/моль}.$

Главная цепочка расчёта:

$n(\text{CaC}_2) = \frac{m(\text{CaC}_2)}{M(\text{CaC}_2)} = \frac{m}{64}, \quad n(\text{C}_2\text{H}_2) = n(\text{CaC}_2) \cdot \eta,$

где $\eta$ - практический выход (доля от 0 до 1). При $\eta = 1$ (идеальный выход):

$V(\text{C}_2\text{H}_2)^{\max} = \frac{m}{64} \cdot 22{,}4.$

Рассчитать для своей задачи

На схеме выше - массы всех четырёх участников реакции при стандартном условии задачи: 128 г карбида, выход 85%. Закон сохранения масс: входит 128 + 72 = 200 г веществ, выходит столько же (ацетилен в газовой фазе + шлак + несвязанная вода).

Практический выход ацетилена

На практике выход меньше 100% по нескольким причинам:

• карбид кальция промышленного сорта содержит примеси (CaO, Ca$_3$N$_2$, CaS), которые не дают ацетилена;
• часть ацетилена растворяется в воде ($\approx 1{,}1$ л/л при 20 °C);
• при чрезмерном нагреве ацетилен может частично полимеризоваться.

Типичный практический выход - 80-90%. В задачах ЕГЭ практический выход задаётся явно в процентах или как дробь. Алгоритм:

1. Найти теоретическое количество молей ацетилена: $n_{\text{теор}} = n(\text{CaC}_2)$.
2. Умножить на выход: $n_{\text{практ}} = n_{\text{теор}} \cdot \eta$.
3. Перейти к массе или объёму через $M$ или $V_m$.

Пример расчёта задачи шаг за шагом

Разберём типовую постановку: определить объём ацетилена при н.у., образующегося при гидролизе 192 г карбида кальция, если практический выход составляет 80%.

Шаг 1. Молярная масса карбида.

$M(\text{CaC}_2) = 40 + 2 \times 12 = 64 \;\text{г/моль}.$

Шаг 2. Количество молей карбида.

$n(\text{CaC}_2) = \frac{192}{64} = 3{,}00 \;\text{моль}.$

Шаг 3. Теоретическое количество молей ацетилена (коэффициенты 1:1 в уравнении):

$n_{\text{теор}}(\text{C}_2\text{H}_2) = 3{,}00 \;\text{моль}.$

Шаг 4. Практическое количество молей с учётом выхода 80% = 0,80:

$n_{\text{практ}}(\text{C}_2\text{H}_2) = 3{,}00 \times 0{,}80 = 2{,}40 \;\text{моль}.$

Шаг 5. Объём при н.у. ($V_m = 22{,}4$ л/моль):

$V(\text{C}_2\text{H}_2) = 2{,}40 \times 22{,}4 = 53{,}76 \approx 53{,}8 \;\text{л}.$

Шаг 6. Попутные данные - масса шлака (не зависит от выхода ацетилена, определяется только количеством карбида):

$n(\text{Ca(OH)}_2) = n(\text{CaC}_2) = 3{,}00 \;\text{моль}, \quad m(\text{Ca(OH)}_2) = 3{,}00 \times 74 = 222 \;\text{г}.$

Проверить себя можно в калькуляторе выше: при масса CaC2 = 192 г и выход = 80% результаты совпадут с этими числами.

Промышленное производство и лабораторный генератор

В лаборатории используют аппарат Киппа: карбид в верхнем сосуде, вода в нижнем. При открытом кране вода поднимается к карбиду - газ выделяется. При закрытом избыточное давление ацетилена вытесняет воду обратно, реакция останавливается. Это удобная форма «газа по требованию» без нагрева.

В промышленности применяли два варианта:

• Сухой карбидный метод - карбид подают в минимальное количество воды; образуется пастообразный известковый шлам. Температура высокая (до 80-100 °C), что увеличивает риск взрывоопасного разогрева.
• Мокрый карбидный метод - карбид добавляют в избыток воды; шлам более жидкий, теплоотвод лучше, температура стабильна около 30-40 °C.

Сейчас карбидный путь почти вытеснен пиролизом метана и дегидрированием этилена - они дешевле в пересчёте на тонну ацетилена. Но карбидный метод остаётся эталонным для учебных целей: реакция воспроизводима, уравнение однозначное, выход измеряем.

Свойства и применение ацетилена

Ацетилен $\text{C}_2\text{H}_2$ - простейший алкин с тройной связью $\text{C}\equiv\text{C}$. Длина связи 120 пм, энергия 820 кДж/моль - самая прочная из $\sigma$+$\pi$+$\pi$ связей.

Ключевые физические характеристики:

• Молярная масса 26 г/моль, плотность при н.у. 1,165 г/л.
• Температура кипения -84 °C, при сжатии сжижается лишь под давлением.
• Растворимость в ацетоне в 300 раз выше, чем в воде - поэтому ацетилен хранят в баллонах, пропитанных ацетоном.

Применения определяются высокой теплотой сгорания (1300 кДж/моль):

$2\text{C}_2\text{H}_2 + 5\text{O}_2 \;\rightarrow\; 4\text{CO}_2 + 2\text{H}_2\text{O}, \quad \Delta H = -2600\;\text{кДж}.$

Газокислородное пламя ацетилена достигает 3100-3200 °C - выше, чем у пропана или водорода. Это делает ацетиленовую горелку незаменимой для резки и сварки металлов.

В органическом синтезе ацетилен - базовый С2-строительный блок. Тройная связь вступает в реакции электрофильного присоединения по правилу Марковникова и в реакции нуклеофильного присоединения:

• Гидрирование: $\text{C}_2\text{H}_2 + \text{H}_2 \xrightarrow{\text{Pd}} \text{C}_2\text{H}_4$ (этилен, затем этан);
• Гидрохлорирование: $\text{C}_2\text{H}_2 + \text{HCl} \rightarrow \text{CH}_2=\text{CHCl}$ (хлорвинил - мономер ПВХ);
• Гидратация (реакция Кучерова): $\text{C}_2\text{H}_2 + \text{H}_2\text{O} \xrightarrow{\text{Hg}^{2+}} \text{CH}_3\text{CHO}$ (уксусный альдегид);
• Тримеризация: $3\text{C}_2\text{H}_2 \xrightarrow{\text{Ni}} \text{C}_6\text{H}_6$ (бензол, реакция Зелинского).

Таким образом, ацетилен - это точка входа в целое дерево продуктов: пластики, растворители, красители, фармацевтические полупродукты.

Рассчитать для своей задачи

Частые ошибки

• Неверная молярная масса карбида. $M(\text{CaC}_2) = 40 + 2 \times 12 = 64$ г/моль, не 56 (ошибка - принять $M$ как у CaO) и не 52 (принять $M$ углерода за 6 вместо 12).
• Коэффициент 2 перед водой. Многие пишут $\text{CaC}_2 + \text{H}_2\text{O}$ без коэффициента, тогда расчёт расхода воды будет вдвое занижен.
• Забыть умножить на практический выход. Если задача требует «практического» объёма газа, нужно умножить теоретический результат на $\eta < 1$, иначе ответ завышен.
• Перепутать шлак с оксидом кальция. Продукт реакции - $\text{Ca(OH)}_2$ (гашёная известь), а не $\text{CaO}$ (негашёная): ионы $\text{OH}^-$ присоединяются к кальцию.
• Молярный объём не при н.у. При н.у. (0 °C, 101,3 кПа) $V_m = 22{,}4$ л/моль. Если в задаче «нормальные условия» расшифрованы как 20 °C, используйте $V_m = 24{,}04$ л/моль.

FAQ

Почему карбид кальция пахнет чесноком? Промышленный карбид содержит примеси фосфида кальция $\text{Ca}_3\text{P}_2$ и сульфида кальция CaS. При гидролизе они выделяют фосфин PH$_3$ и сероводород H$_2$S, имеющие резкие запахи. Чистый ацетилен практически без запаха.

Можно ли хранить ацетилен в сжатом виде, как кислород? Нет, это опасно: ацетилен при давлении выше 1,5 атм и температуре свыше 300 °C способен взрываться без участия кислорода через реакцию разложения $\text{C}_2\text{H}_2 \rightarrow 2\text{C} + \text{H}_2$ с выделением большого количества тепла. Поэтому его растворяют в ацетоне внутри пористого наполнителя (кизельгур) и хранят при давлении не выше 19 атм.

Чем карбидный метод отличается от пиролиза метана? При карбидном методе ацетилен получают в две ступени: сначала из угля и извести получают карбид ($\text{CaO} + 3\text{C} \rightarrow \text{CaC}_2 + \text{CO}$, 2000 °C), затем гидролизуют. При пиролизе метана реакция одностадийная: $2\text{CH}_4 \rightarrow \text{C}_2\text{H}_2 + 3\text{H}_2$ при 1500-1600 °C. Пиролиз требует меньше стадий и дешевле в промышленных масштабах, однако при этом образуется большое количество водорода, требующего утилизации. Карбидный метод надёжен в лаборатории, не требует высоких температур на стадии гидролиза и позволяет прецизионно дозировать газ через аппарат Киппа.

Что происходит с шлаком Ca(OH)2 - это отход или ценный продукт? $\text{Ca(OH)}_2$ - гашёная известь - имеет широкое самостоятельное применение: в строительстве (известковые растворы, побелка), в сельском хозяйстве (раскисление почв), в водоподготовке (умягчение воды, осаждение ионов тяжёлых металлов). Таким образом, карбидный метод даёт два ценных продукта: ацетилен и гашёную известь. В задачах о «безотходном» производстве это обстоятельство иногда спрашивают отдельно.

Коротко

Карбидный метод основан на реакции $\text{CaC}_2 + 2\text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{C}_2\text{H}_2 + \text{Ca(OH)}_2$. Стехиометрия 1:1 по молям: из 64 г карбида теоретически образуется 22,4 л ацетилена при н.у. Практический выход 80-90% учитывается умножением количества молей на долю выхода. Реакция экзотермическая (~125 кДж/моль), поэтому в аппарате Киппа или промышленном генераторе важен теплоотвод.