Получение этилена в лаборатории: реакция и свойства

Этилен (этен) $C_2H_4$ - простейший представитель ряда алкенов, газ без цвета со слабым сладковатым запахом. В школьной и вузовской лаборатории его получают одним классическим способом - внутримолекулярной дегидратацией этанола над концентрированной серной кислотой при нагревании. Этот опыт собирает в одном приборе сразу несколько тем: уравнение реакции, роль катализатора, сбор газа над водой и качественные реакции на кратную связь. Разберём по порядку, как идёт реакция, как устроен прибор и какими свойствами выдаёт себя этилен - а заодно посчитаем выход газа по массе спирта.

Реакция получения этилена

Лабораторный способ - это дегидратация этилового спирта: молекула этанола теряет воду, и между двумя атомами углерода появляется двойная связь. Уравнение реакции:

$C_2H_5OH \xrightarrow{\;H_2SO_4,\;t>140^\circ C\;} C_2H_4 + H_2O$

Концентрированная серная кислота здесь работает не как реагент, а как водоотнимающий катализатор: она связывает отщеплённую воду и снижает энергию активации. Поэтому в уравнении её пишут над стрелкой, а не в левой части.

Рассчитать для своей задачи

Ключевая деталь - температура. При сильном нагреве (выше $140^\circ C$, на практике берут $\approx 170^\circ C$) преобладает внутримолекулярная дегидратация: одна молекула спирта даёт одну молекулу алкена. Если же температуру снизить до $\approx 140^\circ C$, начинает идти межмолекулярная дегидратация - две молекулы спирта дают диэтиловый эфир $(C_2H_5)_2O$ и воду. Конкуренцию этих двух путей подробно разбирает материал про межмолекулярную и внутримолекулярную дегидратацию спиртов - для получения именно этилена важно вести реакцию при высокой температуре.

Прибор и ход опыта

Прибор для получения этилена прост, но требует аккуратности. В круглодонную колбу наливают смесь этанола и концентрированной серной кислоты (примерно 1:3 по объёму) и добавляют немного речного песка или пемзы - кипелки, чтобы смесь не выбрасывало толчками при кипении.

• Колбу закрепляют в штативе и нагревают на спиртовке или газовой горелке.
• Через газоотводную трубку выделяющийся газ направляют в пробирку или собирают над водой (этилен в воде растворяется слабо).
• Первые порции газа сбрасывают: в них много воздуха из прибора.

Этилен легче воздуха ($M = 28$ против $29$ г/моль у воздуха) и почти не растворим в воде, поэтому его удобно собирать методом вытеснения воды. Параллельно образуются побочные продукты - сернистый газ $SO_2$ и углекислый газ от частичного окисления спирта серной кислотой, поэтому выделяющийся газ имеет характерный неприятный запах, и опыт ведут под тягой.

Качественные реакции на двойную связь

Главное химическое отличие этилена от предельных углеводородов - наличие $\pi$-связи, которая легко вступает в реакции присоединения. Именно на ней основаны две классические качественные реакции, доказывающие непредельность газа.

Рассчитать для своей задачи

Обесцвечивание бромной воды. При пропускании этилена через жёлто-оранжевую бромную воду она обесцвечивается - бром присоединяется по двойной связи:

$C_2H_4 + Br_2 \to C_2H_4Br_2$

Продукт - 1,2-дибромэтан, бесцветная жидкость. Это реакция электрофильного присоединения, идёт без катализатора и при обычных условиях.

Обесцвечивание раствора перманганата калия (реакция Вагнера). Фиолетовый раствор $KMnO_4$ при пропускании этилена обесцвечивается, выпадает бурый осадок $MnO_2$, а этилен окисляется до двухатомного спирта - этиленгликоля:

$3C_2H_4 + 2KMnO_4 + 4H_2O \to 3C_2H_4(OH)_2 + 2MnO_2\downarrow + 2KOH$

Обе реакции - надёжное доказательство того, что собранный газ действительно непредельный. Предельные углеводороды (метан, этан) ни бромную воду, ни перманганат при обычных условиях не обесцвечивают.

Другие химические свойства этилена

Реакционная двойная связь делает этилен исходным веществом для целого ряда превращений. Кроме качественных реакций он легко вступает в присоединение и окисление:

• Гидрирование (присоединение водорода): $C_2H_4 + H_2 \xrightarrow{Ni} C_2H_6$ - образуется этан.
• Гидратация (присоединение воды): $C_2H_4 + H_2O \xrightarrow{H_3PO_4} C_2H_5OH$ - промышленный способ получения этанола, обратный лабораторному.
• Гидрогалогенирование: $C_2H_4 + HCl \to C_2H_5Cl$ - хлорэтан.
• Полимеризация: $nCH_2{=}CH_2 \xrightarrow{p,\,t,\,kat} (-CH_2-CH_2-)_n$ - полиэтилен, важнейший промышленный продукт.

Полный набор реакций присоединения с механизмами разобран в статье про химические свойства алкенов - этилен ведёт себя как типичный их представитель, потому что несёт ту же $\pi$-связь.

Горение этилена

Как и любой углеводород, этилен горит. Полное сгорание на воздухе даёт углекислый газ и воду, а пламя - светящееся и слегка коптящее (доля углерода в молекуле выше, чем у этана):

$C_2H_4 + 3O_2 \to 2CO_2 + 2H_2O + Q$

Теплота сгорания этилена около $1411$ кДж/моль. На каждый моль сгоревшего газа расходуется три моля кислорода и выделяется два моля $CO_2$ - это удобно проверять расчётом по объёмам газов. С воздухом этилен образует взрывоопасные смеси, поэтому в лаборатории его не поджигают в большом объёме.

Расчёт выхода: сколько газа дать масса спирта

По уравнению дегидратации из одного моля этанола ($M = 46$ г/моль) получается один моль этилена ($M = 28$ г/моль). Значит, из массы спирта легко найти теоретический объём газа при нормальных условиях.

Пусть взяли $9{,}2$ г этанола. Количество вещества:

$n(C_2H_5OH) = \frac{9{,}2}{46} = 0{,}2 \text{ моль}$

По стехиометрии $n(C_2H_4) = 0{,}2$ моль. Тогда объём газа при н.у.:

$V(C_2H_4) = 0{,}2 \cdot 22{,}4 = 4{,}48 \text{ л}$

На практике выход меньше теоретического (часть спирта окисляется, часть уходит в побочные пути), поэтому реальный объём умножают на долю выхода. Калькулятор выше как раз пересчитывает массу спирта, выход и объём газа - двигайте ползунки и сразу получайте моли, массу и объём этилена.

Частые ошибки

• Серную кислоту пишут в левой части уравнения. Это ошибка: $H_2SO_4$ - катализатор, её место над стрелкой, в реакции она не расходуется по стехиометрии.
• Путают температуру 140 и 170 градусов. При $\approx 140^\circ C$ получается диэтиловый эфир, а не этилен. Для алкена нужна высокая температура.
• Считают, что этилен растворим в воде. Нет, растворимость мала - именно поэтому газ собирают над водой.
• Забывают про кипелки. Без песка или пемзы смесь кислоты со спиртом перегревается и выбрасывается из колбы.
• Принимают обесцвечивание перманганата за простое разбавление. Обесцвечивание сопровождается выпадением бурого $MnO_2$ - это окисление, а не разведение раствора.

FAQ

Почему для получения этилена нужна именно концентрированная серная кислота? Концентрированная $H_2SO_4$ - сильное водоотнимающее средство. Она связывает воду, отщепляющуюся от спирта, и смещает равновесие в сторону алкена. Разбавленная кислота воду не отнимает и дегидратацию не вызывает.

Чем доказать, что получился именно этилен, а не другой газ? Двумя качественными реакциями на двойную связь: газ обесцвечивает бромную воду и фиолетовый раствор перманганата калия (с выпадением бурого осадка). Предельные углеводороды этого не делают.

Можно ли получить этилен из этанола без серной кислоты? Да, в промышленности и лаборатории применяют каталитическую дегидратацию над оксидом алюминия $Al_2O_3$ при $\approx 350-400^\circ C$. Способ чище (нет $SO_2$), но требует трубчатой печи и катализатора, поэтому в школьном опыте берут серную кислоту.

Коротко

Этилен в лаборатории получают внутримолекулярной дегидратацией этанола над концентрированной серной кислотой при температуре выше $140^\circ C$ (на практике около $170^\circ C$): $C_2H_5OH \to C_2H_4 + H_2O$. Серная кислота - водоотнимающий катализатор, в смесь добавляют кипелки, газ собирают над водой. Непредельность доказывают обесцвечиванием бромной воды и раствора перманганата калия. Этилен вступает в реакции присоединения (гидрирование, гидратация, гидрогалогенирование, полимеризация) и горит с образованием $CO_2$ и воды. Выход газа считают по стехиометрии 1:1: из моля спирта - моль этилена, то есть $22{,}4$ л при н.у.