Бензол – свойства вещества, формула, характеристика, состав

Физические и химические свойства бензола

Формула – С6Н6 (структурная формула – рис. 1). Молекулярная масса – 78, 11.

Рис. 1. Структурные и пространственная формулы бензола.

Все шесть атомов углерода в молекуле бензола находятся в sp 2 гибридном состоянии. Каждый атом углерода образует 3σ-связи с двумя другими атомами углерода и одним атомом водорода, лежащие в одной плоскости. Шесть атомов углерода образуют правильный шестиугольник (σ-скелет молекулы бензола). Каждый атом углерода имеет одну негибридизованную р-орбиталь, на которой находится один электрон. Шесть р-электронов образуют единое π-электронное облако (ароматическую систему), которое изображают кружочком внутри шестичленного цикла. Углеводородный радикал, полученный от бензола носит название C6H5 – — фенил (Ph-).

Химические свойства бензола

Для бензола характерны реакции замещения, протекающие по электрофильному механизму:

— галогенирование (бензол взаимодействует с хлором и бромом в присутствии катализаторов – безводных AlCl3, FeCl3, AlBr3)

— нитрование (бензол легко реагирует с нитрующей смесью – смесь концентрированных азотной и серной кислот)

— алкилирование по Фридею-Крафтсу

Реакции присоединения к бензолу приводят к разрушению ароматической системы и протекают только в жестких условиях:

— гидрирование (реакция протекает при нагревании, катализатор – Pt)

— присоединение хлора (протекает под действием УФ-излучения с образованием твердого продукта – гексахлорциклогексана (гексахлорана) – C6H6Cl6)

Как и любое органическое соединение бензол вступает в реакцию горения с образованием в качестве продуктов реакции углекислого газа и воды (горит коптящим пламенем):

Физические свойства бензола

Бензол – жидкость без цвета, но обладающая специфическим резким запахом. Образует с водой азеотропную смесь, хорошо смешивается с эфирами, бензином и различными органическими растворителями. Температура кипения – 80,1С, плавления – 5,5С. Токсичен, канцероген (т.е. способствует развитию онкологических заболеваний).

Получение и применение бензола

Основные способы получения бензола:

— дегидроциклизация гексана (катализаторы – Pt, Cr3O2)

— дегидрирование циклогексана (реакция протекает при нагревании, катализатор – Pt)

— тримеризация ацетилена (реакция протекает при нагревании до 600С, катализатор – активированный уголь)

Бензол служит сырьем для производства гомологов (этилбензола, кумола), циклогексана, нитробензола, хлорбензола и др. веществ. Ранее бензол использовали в качестве присадки к бензину для повышения его октанового числа, однако, сейчас, в связи с его высокой токсичностью содержание бензола в топливе строго нормируется. Иногда бензол используют в качестве растворителя.

Примеры решения задач

Задание Запишите уравнения, с помощью которых можно осуществить следующие превращения: CH4 → C2H2 → C6H6 → C6H5Cl.
Решение Для получения ацетилена из метана используют следующую реакцию:

2CH4 → C2H2 + 3Н2↑ (t = 1400C).

Получение бензола из ацетилена возможно по реакции тримеризации ацетилена, протекающей при нагревании (t = 600C) и в присутствии активированного угля:

Реакция хлорирования бензола с получением в качестве продукта хлорбензола осуществляется в присутствии хлорида железа (III):

Задание К 39 г бензола в присутствии хлорида железа (III) добавили 1 моль бромной воды. Какое количество вещества и сколько граммов каких продуктов при этом получилось?
Решение Запишем уравнение реакции бромирования бензола в присутствии хлорида железа (III):

Продуктами реакции являются бромбензол и бромоводород. Молярная масса бензола, рассчитанная с использованием таблицы химических элементов Д.И. Менделеева – 78 г/моль. Найдем количество вещества бензола:

По условию задачи бензол вступил в реакцию с 1 моль брома. Следовательно, бензол находится в недостатке и дальнейшие расчеты будем производить по бензолу. Согласно уравнению реакции n(C6H6): n(C6H5Br) : n(HBr) = 1:1:1, следовательно n(C6H6) = n(C6H5Br) = : n(HBr) = 0,5 моль. Тогда, массы бромбензола и бромоводорода будут равны:

Молярные массы бромбензола и бромоводорода, рассчитанные с использованием таблицы химических элементов Д.И. Менделеева – 157 и 81 г/моль, соответственно.

Бензол и его гомологи

Арены – ароматические углеводороды, содержащие одно или несколько бензольных колец. Бензольное кольцо составляют 6 атомов углерода, между которыми чередуются двойные и одинарные связи.

Важно заметить, что двойные связи в молекуле бензола не фиксированы, а постоянно перемещаются по кругу.

Арены также называют ароматическими углеводородами. Первый член гомологического ряда – бензол – C6H6. Общая формула их гомологического ряда – CnH2n-6.

Долгое время структурная формула бензола оставалась тайной. Предложенная Кекуле формула с тремя двойными связями не могла объяснить то, что бензол не вступает в реакции присоединения. Как уже было сказано выше, по современным представлениям двойные связи в молекуле бензола постоянно перемещаются, поэтому более верно рисовать их в виде кольца.

За счет чередования двойных связей в молекуле бензола формируется сопряжение. Все атомы углерода находятся в состоянии sp 2 гибридизации. Валентный угол – 120°.

Номенклатура и изомерия аренов

Названия аренов формируются путем добавления названий заместителей к главной цепи – бензольному кольцу: бензол, метилбензол (толуол), этилбензол, пропилбензол и т.д. Заместители, как обычно, перечисляются в алфавитном порядке. Если в бензольном кольце несколько заместителей, то выбирают кратчайший путь между ними.

Для аренов характерна структурная изомерия, связанная с положением заместителей. Например, два заместителя в бензольном кольце могут располагаться в разных положениях.

Название положения заместителей в бензольном кольце формируется на основе их расположения относительно друг друга. Оно обозначается приставками орто-, мета- и пара. Ниже вы найдете мнемонические подсказки для их успешного запоминания ;)

Получение аренов

Арены получают несколькими способами:

    Реакция Зелинского (тримеризация ацетилена)

Данная реакция протекает при пропускании ацетилена над активированным углем при t = 400°C. В результате образуется ароматический углеводород – бензол.

В случае, если к ацетилену добавить пропин, то становится возможным получение толуола. Увеличивая долю пропина, в конечном итоге можно добиться образования 1,3,5-триметилбензола.

В ходе таких реакций, протекающих при повышенной температуре и в присутствии катализатора – Cr2O3, линейная структура алкана замыкается в цикл, отщепляется водород.

При дегидроциклизации гептана получается толуол.

В результате дегидрирования уже “готовых” циклов – циклоалканов, отщепляются 3 моль водорода, и образуется соответствующий арен, с теми же заместителями, которые были у циклоалкана.

Синтез Дюма заключается в сплавлении солей карбоновых кислот с щелочами. В результате такой реакции возможно образование различных органических веществ, в том числе аренов.

Химические свойства аренов

Арены – ароматические углеводороды, которые содержат бензольное кольцо с сопряженными двойными связями. Эта особенность делает реакции присоединения тяжело протекающими (и тем не менее возможными!)

Запомните, что, в отличие от других непредельных соединений, бензол и его гомологи не обесцвечивают бромную воду и раствор перманганата калия.

При повышенной температуре и наличии катализатора, водород способен разорвать двойные связи в бензольном кольце и превратить арен в циклоалкан.

Реакция бензола с хлором на свету приводит к образованию гексахлорциклогексана, если же использовать только катализатор, то образуется хлорбензол.

Реакции с толуолом протекают иначе: при УФ-свете хлор направляется в радикал метил и замещает атом водорода в нем, при действии катализатора хлор замещает один атом водорода в бензольном кольце (в орто- или пара-положении).

Почему хлор направляется именно в орто- и пара-положения относительно метильной группы? Здесь самое время коснуться темы ориентантов I (орто-, пара-ориентантов) и II порядков (мета-ориентанты).

К ориентантам первого порядка относятся группы: NH2, OH, OR, CR3, CHR2, CH2R, галогены. К ориентантам второго: NO2, CN, SO3H, CCl3, CHO, COOH, COOR.

Например, ориентант I порядка, гидроксогруппа OH, обеспечивает протекание хлорирования в орто- и пара-положениях. А карбоксильная группа COOH, ориентант II порядка, обуславливает хлорирование в мета-положениях.

Арены вступают в реакции нитрования, протекающие при повышенной температуре и в присутствии серной кислоты, обладающей водоотнимающими свойствами.

Алкилирование аренов осуществляется путем введения алкильного радикала в молекулу бензола. Алкильным радикалом чаще всего выступает алкен или галогеналкан. В подобных реакциях используют катализатор AlCl3.

В случае если для алкилирования используется алкен, то с молекулой бензола соединяется наименее гидрированный атом углерода алкена, прилежащий к двойной связи. Один атом водорода переходит из бензольного кольца к радикалу.

Арены, как и все органические вещества, сгорают с образованием углекислого газа и воды.

При неполном окислении гомологи бензола способны окисляться до бензойной кислоты (при подкислении раствора серной кислотой). Сам бензол не вступает в реакцию окисления с KMnO4, не обесцвечивает его раствор.

В реакцию полимеризации способен вступать стирол (винилбензол), в радикале которого содержится двойная связь.

© Беллевич Юрий Сергеевич 2018-2021

Данная статья написана Беллевичем Юрием Сергеевичем и является его интеллектуальной собственностью. Копирование, распространение (в том числе путем копирования на другие сайты и ресурсы в Интернете) или любое иное использование информации и объектов без предварительного согласия правообладателя преследуется по закону. Для получения материалов статьи и разрешения их использования, обратитесь, пожалуйста, к Беллевичу Юрию.

Бензол – характеристика вещества, химические и физические свойства

Наверно каждый человек помнит о таком веществе, как бензол, еще с курса органической химии. Данное углеводородное соединение было открыто химиком Фарадеем в 1825 г., однако название «бензол» оно приобрело еще в далеком XVII веке.

Бензол является ароматическим углеводородным соединением, представляющим собой прозрачную жидкость, которая имеет слегка сладковатый запах. Структурная формула бензола – C6H6.

Это вещество является составной частью нефтепродуктов, применяется в промышленной и медицинской областях, входит в состав пластмассы, резины и различных красок.

Характеристики и физические свойства бензола

Некоторые углеводородные соединения сильно похожи на бензол. Однако они отличаются видом реакции, в которую вступают. Так, этилен, являющийся ненасыщенным углеводородом, вступает в реакцию присоединения, в то время как бензол вступает в реакцию замещения. Это происходит из-за того, что атомы бензола располагаются в одной плоскости.

Еще одним отличием является наличие в формуле бензола бензольного кольца. Таким образом, если в химической формуле вещества имеется бензольное кольцо — однозначно это бензол.

Строение этого углеводорода представлено в виде шестиугольника.

Данный углеводород имеет следующие физические свойства:

вещество представляет собой жидкость, имеющую не совсем приятный запах;

температура плавления бензола составляет 5,5 0 C;

температура кипения — 80 0 C;

общая плотность вещества — 0,879 г/см 3 ;

молярная масса 78,1 г/моль;

без проблем реагирует с органическими растворителями;

при попадании воздуха образует взрывоопасное соединение;

в процессе горения на свету видны следы копчения;

растворим в воде, нагретой до 25 0 C.

Получение бензола

Российским ученым-химиком Зелинским Н. Д. было доказано, что бензол возможно получить не только в процессе коксования угля, при котором данное сырье нагревается, выделяя бензол и иные летучие вещества. Данное вещество может быть образовано из циклогексана, в случае взаимодействия его с платиной или палладием.

Также, бензол можно получить путем нагревания гексана.

Зелинский также считал, что бензол возможно получить путем тримеризации ацетилена:

В настоящее время, большой популярностью пользуются такие способы получения бензола, как получение его из циклопарафинов и предельных углеводородов. Связано это прежде всего, с тем, что необходимость этого вещества сильно возросла.

Химические свойства бензола

Бензол активно вступает в реакции с кислотами, а также веществами из класса алкенов, галогенов, аренов и хлоралканов. В основном данный углеводород вступает в реакцию замещения. Высокая температура и сильное давление оказывают влияние на разрыв бензольного кольца.

Уравнения реакции бензола:

  • в случае наличия катализатора, бром вступает в реакцию с хлором, образуя при этом хлорбензол:
  • алкилирование бензола. Алкилбензол образуется в результате соединения бензола с алканами:
  • нитрование и сульфирование бензола:
  • галогенирование бензола:
  • к гомологам бензола относятся алкилбензолы, которые вступают в реакцию окисления, образуя при этом бензойную кислоту:

Применение бензола

В настоящее время бензол применяется во многих областях нашей жизни.

Наиболее часто данный углеводород применяется для синтезирования иных органических веществ. Используя реакцию нитрирования получают нитробензол; хлорирования — хлорбензол (растворитель), и другие вещества.

Хлорбензол часто используется в сфере сельского хозяйства, поскольку он является прекрасным средством для защиты растений. Данным веществом, при замене в его структуре молекул водорода молекулами хлора, протравливают семена растений, чтобы защитить их от грызунов и насекомых.

В области химической промышленности бензол играет немаловажную роль. Помимо его участия при создании других веществ, он также выступает в качестве растворителя. С помощью бензола возможно растворить любое органическое соединение.

Сегодня этот углеводород чаще всего используется при синтезировании этилбензола и кумола. Однако он редко применяется в чистом виде. В основном используются его производные компоненты. Этилбензол успешно применяется в качестве одного из компонентов автомобильного топлива, а также для синтезирования ионообменной смолы.

Помимо сельскохозяйственной и химической промышленности, бензол успешно применяется в области медицины.

Впервые бензол начали применять для лечения такого заболевания, как белокровие. В начале 20 века медики всего земного шара использовали бензол для лечения лейкемии, однако вскоре выяснилось, что вылечить эту болезнь таким методом нельзя.

Сначала бензол принимали перорально, затем стали вводить в качестве инъекции. Такое его применение было связано с тем, что первоначальные исследования показали возможность данного вещества снижать уровень лейкоцитов в крови, но вскоре выяснилось, что его применение в этих целях очень опасно.

Бензол: рассказываем по полочкам

Без существования органических веществ не стал бы возможен скоростной режим современной жизни. Бензин, пластмассы, красители, лекарства, синтетическая резина — это составные части нашей действительности. Многие из них содержат бензол — бесцветную летучую жидкость, которая обладает токсичным, канцерогенным действием.

Давайте подробно узнаем, что такое бензол, какие у него физические и химические свойства, где применяется, как действует на организм человека. А также о симптомах острого и хронического отравления этим веществом, оказанию первой помощи, проводимом лечении при интоксикации, возможных её последствиях и о мерах профилактики.

Что такое бензол

Это органическое вещество, прозрачная жидкость со сладковатым запахом. По химической структуре относится к простейшим ароматическим углеводородам.

Основные естественные источники бензола в природе — каменный уголь и нефть. В лабораторных условиях возможна его полимеризация (образование) из ацетилена. Промышленные способы получения бензола — коксование из каменного угля, а также каталитический риформинг и пиролиз бензиновых фракций нефти.

Химическая формула бензола — C6H6. Это циклическая структура из шести атомов углерода была открыта в 1865 году немецким химиком Фридрихом Августом Кекуле. А впервые в чистом виде бензол был обнаружен ещё раньше — в 1825 г. английский физик Фарадей выделил его светильного газа.

Физические свойства бензола включают плохую растворимость в воде, смешиваемость с органическими растворителями, высокую степень воспламеняемости, горючесть, взрывоопасность. Его расплавление происходит при температуре 5,5–6,0 °C, испарение при 79,6–80,5 °C, кипение — 80,1 °C. Он легче воды, так как имеет низкую относительную плотность (0,88 г/см3). Является легкорастворимым в эфире и спирте веществом.

Химические свойства бензола обусловлены его принадлежностью к группе ненасыщенных углеводородов с циклической структурой. Поэтому ему типичны реакции окисления и замещения. Методика промышленной разработки была предложена немецким учёным Гофманом, выделившим вещество из каменноугольной смолы.

Бензол сильно ядовит. Токсическое действие происходит:

  • ингаляционно — при вдыхании паров;
  • трансдермально — при непосредственном контакте с кожей или слизистыми оболочками;
  • перорально — при ошибочном употреблении жидкости внутрь.

Многие интересные факты о бензоле, связанные с изучением его структуры и свойств, сохранились и дошли до наших дней. Так, немецкий учёный Гофман, читая лекции студентам о физических свойствах углеводородов, всегда цитировал слова знакомой ему дамы, что запах бензола такой же, как у стираных перчаток. А идея кольцевой структуры бензола якобы пришла к химику Кекуле во сне — змея, состоящая из шести атомов углерода, свернулась в кольцо и укусила себя за хвост.

Что такое бензол — видеоурок

Физические свойства

Бесцветная жидкость со своеобразным резким запахом. Температура плавления = 5,5 °C, температура кипения = 80,1 °C, плотность = 0,879 г/см³, молярная масса = 78,11 г/моль. Подобно ненасыщенным углеводородам бензол горит сильно коптящим пламенем. С воздухом образует взрывоопасные смеси, хорошо смешивается с эфиром, бензином и другими органическими растворителями, с водой образует азеотропную смесь с температурой кипения 69,25 °C (91 % бензола). Растворимость в воде 1,79 г/л (при 25 °C).

Получение бензола

К основным способам получения бензола относятся:

— дегидроциклизация гексана (катализаторы – Pt, Cr3O2)

CH3 –(CH2)4-CH3 → C6H6 + 4H2 (toC, p, kat = Cr2O3);

C6H12 → C6H6 + 3H2 (toC, kat = Pt, Ni);

— тримеризация ацетилена (реакция протекает при нагревании до 600oС, катализатор – активированный уголь)

3HC≡CH → C6H6 (t = 600oC, kat = Сactiv).

Химические свойства

Для бензола характерны реакции замещения — бензол реагирует с алкенами, хлоралканами, галогенами, азотной и серной кислотами. Реакции разрыва бензольного кольца проходят в жёстких условиях (температура, давление).

  • Взаимодействие с алкенами (алкилирование), в результате реакции образуются гомологи бензола, например, этилбензол и кумол:

C6H6 + H2C = CH2 →AlCl3∗HCl C6H5CH2CH3C6H6 + CH2 = CH − CH3 →AlCl3 ∗ HCl C6H5CH(CH3)2

  • Взаимодействие с хлором и бромом в присутствии катализатора с образованием хлорбензола (реакция электрофильного замещения):

C6H6 + Cl2 →FeCl3 C6H5Cl + HCl

  • В отсутствие катализатора при нагревании или освещении идёт радикальная реакция присоединения с образованием смеси изомеров гексахлорциклогексана

C6H6 + 3Cl2 →T,hν C6H6Cl6

  • При взаимодействии бензола с бромом в растворе олеума образуется гексабромбензол:

C6H6 + 6Br2 →H2SO4 ∗ SO3 C6Br6 + 6HBr

  • Взаимодействие с галогенопроизводными алканов (алкилирование бензола, реакция Фриделя — Крафтса) с образованием алкилбензолов:

  • Реакция ацилирования по Фриделю—Крафтсу, бензола ангидридами, галогенангидридами карбоновых кислот приводит к образованию ароматических и жирноароматических кетонов:

C6H6 + (CH3CO)2O →AlCl3 C6H5COCH3 + CH3COOH
C6H6 + C6H5COCl →AlCl3 C6H5COC6H5 + HCl

В первой и второй реакциях образуется ацетофенон (метилфенилкетон), замена хлорида алюминия на хлорид сурьмы V позволяет снизить температуру протекании реакции до 25° С. В третьей реакции образуется бензофенон (дифенилкетон).

  • Реакция формилирования — взаимодействие бензола со смесью СО и НСl, протекает при высоком давлении и под действием катализатора, продуктом реакции является бензальдегид:

C6H6 + CO + HCl →AlCl3 C6H5COH + HCl

  • Реакции сульфирования и нитрования (электрофильное замещение):

C6H6 + HNO3 →H2SO4 C6H5NO2 + H2OC6H6 + H2SO4 → C6H5SO3H + H2O

  • Восстановление бензола водородом (каталитическое гидрирование):

C6H6 + 3H2 →Ni/Pd,Pt;t C6H12

Реакции окисления

Бензол, вследствие своего строения, очень устойчив к окислению, на него не действует, например, раствор перманганата калия. Однако окисление до малеинового ангидрида можно провести при помощи катализатора оксида ванадия V:

  • Реакция озонолиза. Также бензол подвергается озонолизу, но процесс протекает медленнее, чем с непредельными углеводородами:

Результатом реакции является образование диальдегида — глиоксаля (1,2-этандиаля).

  • Реакция горения. Горение бензола является предельным случаем окисления. Бензол легко воспламеняется и горит на воздухе сильно коптящим пламенем:

2C6H6 + 15O2 → 12CO2 + 6H2O

Влияние бензола на организм человека

Ароматические углеводороды — это неестественные для живого организма соединения, нарушающие его биологические процессы. Как типичный представитель этой группы бензол является токсичным веществом.

Основные органы-мишени углеводорода — нервная система и костный мозг. Нейротоксическое действие ярко проявляется при острых отравлениях, а гемотоксическое — при хронических. Однако влияние бензола на организм человека этим не ограничивается. Опосредованно он может действовать на печень, почки, сердце.

Предельно допустимая концентрация (ПДК) содержания бензола в атмосферном воздухе населённых мест не должна превышать 0,1–0,3 мг/м3.

Структура

Бензол по составу относится к ненасыщенным углеводородам (гомологический ряд CnH2n−6), но в отличие от углеводородов ряда этилена, C2H4, проявляет свойства, присущие ненасыщенным углеводородам (для них характерны реакции присоединения), только при жёстких условиях, а вот к реакциям замещения бензол более склонен. Такое «поведение» бензола объясняется его особым строением: нахождением атомов в одной плоскости и наличием в структуре сопряжённого 6π-электронного облака. Современное представление об электронной природе связей в бензоле основывается на гипотезе Лайнуса Полинга, который предложил изображать молекулу бензола в виде шестиугольника с вписанной окружностью, подчёркивая тем самым отсутствие фиксированных двойных связей и наличие единого электронного облака, охватывающего все шесть атомов углерода цикла.

В специальной и популярной литературе распространён термин бензольное кольцо, относящийся, как правило, к углеродной структуре бензола без учёта иных атомов и групп, связанных с атомами углерода. Бензольное кольцо входит в состав множества различных соединений.

Бензол как наркотик

Это вещество не относится к наркотическим средствам, так как не имеет совместимости с опиоидными рецепторами нервной системы человека. А также бензол не является прекурсором, так как нет таких химических реакций, посредством которых он может превратиться в вещество, способное воздействовать на опиатные рецепторы.

Тем не менее при вдыхании паров бензола у человека может возникать острое токсическое опьянение, сопровождающееся зрительными и слуховыми галлюцинациями, эйфорией. В наркологии это состояние носит название токсикомании, обусловленной вдыханием испарений летучих органических жидкостей. Как и при других видах наркомании, в этом случае существует опасность передозировки с возможностью летального исхода, а также возникновение физической и психической зависимости.

Производство

На сегодняшний день существует несколько принципиально различных способов производства бензола.

  1. Коксование каменного угля. Этот процесс исторически был первым и служил основным источником бензола до Второй мировой войны. В настоящее время доля бензола, получаемого этим способом, составляет менее 10 %. Следует добавить, что бензол, получаемый из каменноугольной смолы, содержит значительное количество тиофена, что делает такой бензол сырьем, непригодным для ряда технологичных процессов.
  2. Каталитический риформинг (аромаизинг) бензиновых фракций нефти. Этот процесс является основным источником бензола в США. В Западной Европе, России и Японии этим способом получают 40—60 % от общего количества вещества. В данном процессе кроме бензола образуются толуол и ксилолы. Ввиду того, что толуол образуется в количествах, превышающих спрос на него, его также частично перерабатывают в:
    • бензол — методом гидродеалкилирования;
    • смесь бензола и ксилолов — методом диспропорционирования.
  3. Пиролиз бензиновых и более тяжелых нефтяных фракций. До 50 % бензола производится этим методом. Наряду с бензолом образуются толуол и ксилолы. В некоторых случаях всю эту фракцию направляют на стадию деалкилирования, где и толуол, и ксилолы превращаются в бензол.

Получение бензола методом Реппе

Тримеризация ацетилена — при пропускании ацетилена при 400 °C над активированным углем с хорошим выходом образуется бензол и другие ароматические углеводороды: 3C2H2 → C6H6. Получение бензола из ацетилена связывают с именем Марселена Бертло, работы которого были начаты в 1851 году. Однако продуктом реакции по методу Бертло, протекавшей при высокой температуре, являлась, кроме бензола, сложная смесь компонентов. Лишь в 1948 году В. Реппе удалось найти подходящий катализатор — никель — для снижения температуры реакции.

Экология

Бензол экологически небезопасное вещество, токсикант антропогенного происхождения. Основными источниками бензола, поступающего в окружающую среду со сточными водами или выбросами в атмосферу, являются нефтехимические и коксохимические промышленные предприятия, производство топлива и транспорт. Из водоёмов бензол легко улетучивается, cпособен к трансформации из почв в растения, что несёт серьёзную угрозу экосистемам.

Бензол обладает свойством кумуляции, вследствие своей липофильности он способен депонироваться в клетках жировой ткани животных, тем самым отравляя их.

Ароматические углеводороды. Бензол, структурная формула, свойства и получение. Применение бензола и его гомологов

Ароматические углеводороды, или арены, – это соединения углерода с водородом, в молекулах которых содержится бензольное кольцо, или ядро, – циклическая группа атомов углерода с особым характером связей.

Простейшим представителем аренов является бензол C6H6. Гомологический ряд бензола имеет общую формулу CnH2n-6.

Первую структурную формулу бензола предложил в 1865 г. немецкий химик Ф.А. Кекуле:

Атомы С в молекуле бензола образуют правильный плоский шестиугольник, хотя часто его рисуют вытянутым.

Приведенная формула правильно отражает равноценность шести атомов С, однако не объясняет ряд особых свойств бензола. Например, несмотря на ненасыщенность, он не проявляет склонности к реакциям присоединения: не обесцвечивает бромную воду и раствор перманганата калия, т.е. ему не свойственны типичные для непредельных соединений качественные реакции.

В структурной формуле Кекуле – три одинарные и три двойные чередующиеся углерод-углеродные связи. Но такое изображение не передает истинного строения молекулы. В действительности углерод-углеродные связи в бензоле равноценны. Это объясняется электронным строением его молекулы.

Каждый атом С в молекуле бензола находится в состоянии sp 2 -гибридизации. Он связан с двумя соседними атомами С и атомом Н тремя -связями. В результате образуется плоский шестиугольник, где все шесть атомов С и все -связи С–С и С–Н лежат в одной плоскости (угол между связями С–С равен 120 o ). Третья p-орбиталь атома углерода не участвует в гибридизации. Она имеет форму гантели и ориентирована перпендикулярно плоскости бензольного кольца. Такие p-орбитали соседних атомов С перекрываются над и под плоскостью кольца. В результате шесть p-электронов (всех шести атомов С) образуют общее -электронное облако и единую химическую связь для всех атомов С.

-Электронное облако обусловливает сокращение расстояния между атомами С. В молекуле бензола они одинаковы и равны. Значит, в молекуле бензола нет чередования простых и двойных связей, а существует особая связь – “полуторная” – промежуточная между простой и двойной, так называемая ароматическая связь. Чтобы показать равномерное распределение p-электронного облака в молекуле бензола, корректнее изображать ее в виде правильного шестиугольника с окружностью внутри (окружность символизирует равноценность связей между атомами С) .

Однако часто пользуются и формулой Кекуле с указанием двойных связей (II), помня, однако, о ее недостатках:

Физические свойства. Бензол – бесцветная, летучая, огнеопасная жидкость со своеобразным запахом. В воде практически нерастворим, но служит хорошим растворителем для многих органических веществ. Горит сильно коптящим пламенем (92,3 % массы приходится на углерод). Пары бензола с воздухом образуют взрывчатую смесь. Жидкий бензол и пары бензола ядовиты. Температура кипения бензола 80,1 °С. При охлаждении он легко застывает в белую кристаллическую массу с температурой плавления 5,5 °С.

Химические свойства. Ядро бензола обладает большой прочностью. Этим и объясняется склонность аренов к реакциям замещения. Они протекают легче, чем у предельных углеводородов.

Реакция замещения (ионный механизм).

1) Галогенирование. Бензол взаимодействует с бромом и хлором только в присутствии катализаторов:

2) Нитрование. При действии на бензол нитрующей смеси (смесь концентрированных азотной и серной кислот) атом водорода замещается нитрогруппой NO2:

Реакции присоединения к бензолу приводят к разрушению ароматической системы и требуют больших затрат энергии, поэтому протекают только в жестких условиях.

Бензол не присоединяет галогеноводороды и воду.

1) Гидрирование. Бензол присоединяет водород при низкой температуре в присутствии катализатора – никеля или платины, образуя циклогексан:

2) Галогенирование. Бензол при ультрафиолетовом облучении присоединяет хлор, образуя гексахлорциклогексан (гексахлоран):

Реакции окисления.

1) Бензол очень устойчив к окислителям. В отличие от непредельных углеводородов он не обесцвечивает бромную воду и раствор KMnO4.

2) Бензол на воздухе горит коптящим пламенем:

2C6H6 + 15O2 12CO2 + 6H2O.

Арены, таким образом, могут вступать как в реакции замещения, так и в реакции присоединения, однако условия этих превращений значительно отличаются от аналогичных превращений предельных и непредельных углеводородов. Эти реакции бензола внешне схожи с реакциями алканов и алкенов, но протекают по другим механизмам.

Формула бензола в химии

История

Впервые бензолсодержащие смеси, образующиеся в результате перегонки каменноугольной смолы, описал немецкий химик Иоганн Глаубер в книге Furni novi philosophici, опубликованной в 1651 году. Бензол как индивидуальное вещество был описан Майклом Фарадеем, выделившим это вещество в 1825 году из конденсата светильного газа, получаемого коксованием угля. Вскоре, в 1833 году, получил бензол — при сухой перегонке кальциевой соли бензойной кислоты — и немецкий физико-химик Эйльгард Мичерлих. Именно после этого получения вещество стали называть бензолом.

К 1860-м годам было известно, что соотношение количества атомов углерода и атомов водорода в молекуле бензола аналогично таковому у ацетилена, и эмпирическая формула их — CnHn. Изучением бензола серьёзно занялся немецкий химик Фридрих Август Кекуле, которому в 1865 году и удалось предложить правильную — циклическую формулу этого соединения. Известна история о том, что Ф. Кекуле представлял в своём воображении бензол в виде змеи из шести атомов углерода. Идея же о цикличности соединения пришла ему во сне, когда воображаемая змея укусила себя за хвост. Фридриху Кекуле удалось в то время наиболее полно описать свойства бензола.

Структура

Бензол по составу относится к ненасыщенным углеводородам (гомологический ряд CnH2n-6), но в отличие от углеводородов ряда этилена C2H4 проявляет свойства, присущие ненасыщенным углеводородам (для них характерны реакции присоединения) только при жёстких условиях, а вот к реакциям замещения бензол более склонен. Такое «поведение» бензола объясняется его особым строением: нахождением всех связей и молекул на одной плоскости и наличием в структуре сопряжённого 6π-электронного облака. Современное представление об электронной природе связей в бензоле основывается на гипотезе Лайнуса Полинга, который предложил изображать молекулу бензола в виде шестиугольника с вписанной окружностью, подчёркивая тем самым отсутствие фиксированных двойных связей и наличие единого электронного облака, охватывающего все шесть атомов углерода цикла.

Физические и химические свойства

Бензол является бесцветной жидкостью и характеризуется специфическим резким запахом. Как и в случае других ненасыщенных углеводородов, при горении вещества можно наблюдать интенсивно коптящее пламя. При контакте с воздухом бензол образует взрывоопасную смесь.

Физические свойства бензола:

  • плавится при температуре 5,5C;
  • кипит при температуре 80,1C;
  • плотность вещества ,879г/см3;
  • молярная масса78,11г/моль;
  • растворяется в эфире, бензине и других растворителях органического происхождения;
  • при контакте с водой образуется азеотропная смесь, температура кипения которой составляет 69,25C;
  • растворимость в воде составляет 0,18 г на 100 г воды при температуре 25C.

Химические свойства бензола проявляются в реакциях замещения, в которые бензол вступает с такими соединениями, как:

  • алкены;
  • хлоралканы;
  • галогены;
  • азотная кислота;
  • серная кислота.

Разрыв бензольного кольца происходит в жестких условиях при определенных показателях температуры и давления.

Химическая реакция с алкенами (алкилирование) приводит к образованию гомологов бензола, к примеру, этилбензола и кумола: C6H6+H2C=CH2→AlCl3∗HClC6H5CH2CH3 C6H6+CH2=CH−CH3→AlCl3∗HClC6H5CH(CH3)2

Реакция с хлором и бромом при наличии катализатора протекает с образованием хлорбензола (реакция электрофильного замещения): C6H6+Cl2→FeCl3C6H5Cl+HCl

Когда катализатор отсутствует, нагрев или наличие освещения приводят к радикальной реакции присоединения, в результате чего получают смесь изомеров гексахлорциклогексана: C6H6+3Cl2→T,hνC6H6Cl6

Взаимодействие бензола и брома в растворе олеума приводит к образованию гексабромбензола: C6H6+6Br2→H2SO4∗SO3C6Br6+6HBr

Химическая реакция с галогенопроизводными алканов (алкилирование бензола, реакция Фриделя-Крафтса), в результате которой образуются алкилбензолы:

В процессе ацилирования (по Фриделю-Крафтсу) бензола ангидридами, галогенангидридами карбоновых кислот образуются ароматические и жирноароматические кетоны: C6HAlCl36+(CH3CO)2O→AlCl3C6H5COCH3+CH3COOH C6H6+C6H5COCl→AlCl3C6H5COC6H5+HCl В результате первого и второго химического процесса получен ацетофенон (метилфенилкетон). Замещение хлорида алюминия на хлорид сурьмы V позволяет снизить температуру протекании реакции до 25°С. В третьей реакции образуется бензофенон (дифенилкетон).

Реакция формилирования представляет собой процесс, при котором бензол взаимодействует со смесью СО и НСl. Условия — высокое давление и наличие катализатора. Продукт реакции — бензальдегид: C6H6+CO+HCl→AlCl3C6H5COH+HCl

Сульфирование и нитрование, то есть электрофильное замещение: C6H6+HNO3→H2SO4C6H5NO2+H2O C6H6+H2SO4→C6H5SO3H+H2O

Восстановление бензола с помощью водорода. Реакция каталитического гидрирования: C6H6+3H6→Ni/Pd,Pt;tC6H12

По причине особого строения бензол отличается устойчивостью к окислительным процессам. К примеру, вещество не взаимодействует с раствором перманганата калия. Допускается окисление до малеинового ангидрида при наличии катализатора оксида ванадия (V):

Для бензола характерна реакция озонолиза. Химический процесс протекает медленно по сравнению с аналогичными реакциями, в которые вступают непредельные углеводороды. В результате такое взаимодействие приводит к образованию диальдегида — глиоксаля (1,2-этандиаля):

Горение бензола представляет собой особый случай окисления. Соединение является легко воспламеняемым, процесс горения на воздухе сопровождается сильно коптящим пламенем: 2C6H6+15O2→12CO2+6H2O

Бензол: формула, отражающая истинное строение

В реальности связи между углеродом в кольце равноценны между собой. Среди них не удалось выделить одинарные и двойные. Объясняется такая особенность электронным строением бензола, при котором углерод в ядре находится в sp2-гибридизованном состоянии, соединен с соседями по кольцу и водородом тремя обычными одинарными связями.

В этом случае возникает шестиугольник, в котором находятся в одной плоскости 6 атомов углерода и 6 — водорода. Только электронные облака четвертых p-электронов, не участвующих в гибридизации, расположены иначе. Их форма напоминает гантели, центр приходится на плоскость кольца.

А утолщенные части находятся сверху и снизу. В таком случае над бензольным ядром и под ним расположены две электронные плотности, возникшие при перекрывании облаков p-электронов. Возникает общая химическая связь для углерода в кольце.

Как изобразить формулу бензола?

Правильной является формула бензола не с тремя двойными связями, как у Кекуле, а в виде шестиугольника с кружком внутри. Он символизирует общую принадлежность 6 электронов.

Находит подтверждение симметрия строения и в свойствах вещества. Кольцо бензола является устойчивым, имеет значительную энергию сопряжения.

Свойства первого представителя ароматических углеводородов проявляются у его гомологов. Каждый из них может быть представлен как производное, в котором происходит замещение водорода на различные углеводородные радикалы.

Получение бензола

Российским ученым-химиком Зелинским Н. Д. было доказано, что бензол возможно получить не только в процессе коксования угля, при котором данное сырье нагревается, выделяя бензол и иные летучие вещества. Данное вещество может быть образовано из циклогексана, в случае взаимодействия его с платиной или палладием.

Также, бензол можно получить путем нагревания гексана.

Зелинский также считал, что бензол возможно получить путем тримеризации ацетилена:

В настоящее время, большой популярностью пользуются такие способы получения бензола, как получение его из циклопарафинов и предельных углеводородов. Связано это прежде всего, с тем, что необходимость этого вещества сильно возросла.

Химические свойства

Для бензола характерны реакции замещения — бензол реагирует с алкенами, хлоралканами, галогенами, азотной и серной кислотами. Реакции разрыва бензольного кольца проходят в жёстких условиях (температура, давление).

  • Взаимодействие с алкенами (алкилирование), в результате реакции образуются гомологи бензола, например, этилбензол и кумол:

C6H6 + H2C = CH2 → AlCl3∗HCl C6H5CH2CH3 C6H6 + CH2 = CH − CH3 → AlCl3 ∗ HCl C6H5CH(CH3)2

  • Взаимодействие с хлором и бромом в присутствии катализатора с образованием хлорбензола (реакция электрофильного замещения):

C6H6 + Cl2 → FeCl 3 C6H5Cl + HCl

  • В отсутствие катализатора при нагревании или освещении идёт радикальная реакция присоединения с образованием смеси изомеров гексахлорциклогексана

C6H6 + 3Cl2 → T,hν C6H6Cl6

  • При взаимодействии бензола с бромом в растворе олеума образуется гексабромбензол:

C6H6 + 6Br2 → H2SO4 ∗ SO3 C6Br6 + 6HBr

  • Взаимодействие с галогенопроизводными алканов (алкилирование бензола, реакция Фриделя — Крафтса) с образованием алкилбензолов:

  • Реакция ацилирования по Фриделю—Крафтсу, бензола ангидридами, галогенангидридами карбоновых кислот приводит к образованию ароматических и жирноароматических кетонов:

C6H6 + (CH3CO)2O → AlCl 3 C6H5COCH3 + CH3COOH C6H6 + C6H5COCl → AlCl 3 C6H5COC6H5 + HCl

В первой и второй реакциях образуется ацетофенон (метилфенилкетон), замена хлорида алюминия на хлорид сурьмы V позволяет снизить температуру протекании реакции до 25° С. В третьей реакции образуется бензофенон (дифенилкетон).

  • Реакция формилирования — взаимодействие бензола со смесью СО и НСl, протекает при высоком давлении и под действием катализатора, продуктом реакции является бензальдегид:

C6H6 + CO + HCl → AlCl3 C6H5COH + HCl

  • Реакции сульфирования и нитрования (электрофильное замещение):

C6H6 + HNO3 → H2SO4 C6H5NO2 + H2O C6H6 + H2SO4 → C6H5SO3H + H2O

  • Восстановление бензола водородом (каталитическое гидрирование):

C6H6 + 3H2 → Ni/Pd,Pt;t C6H12

Реакции окисления

Бензол, вследствие своего строения, очень устойчив к окислению, на него не действует, например, раствор перманганата калия. Однако окисление до малеинового ангидрида можно провести при помощи катализатора оксида ванадия V:

  • Реакция озонолиза. Также бензол подвергается озонолизу, но процесс протекает медленнее, чем с непредельными углеводородами:

Результатом реакции является образование диальдегида — глиоксаля (1,2-этандиаля).

  • Реакция горения. Горение бензола является предельным случаем окисления. Бензол легко воспламеняется и горит на воздухе сильно коптящим пламенем:

2C6H6 + 15O2 → 12CO2 + 6H2O

Применение бензола

Бензол в чистом виде практически не используется. Его вырабатывают для производства других важных соединений, таких как, например, этилбензол, из которого получают стирол и полистирол.

Львиную долю бензола пускают на производства фенола, который необходим в производстве капрона, красителей, пестицидов, лекарств. Знаменитое лекарство аспирин невозможно получать без участия фенола.

Циклогексан из бензола необходим для производства пластмасс и искусственных волокон, нитробензол идет на выработку анилина, который используют для производства каучуков, красителей и гербицидов.

Химия. 10 класс

§ 19. Ароматические углеводороды. Бензол, строение молекулы

Ароматические углеводороды. Бензол, строение молекулы

Название «ароматические соединения» возникло потому, что первые известные представители этого класса, полученные ещё в начале XIX века, обладали приятным запахом. Позднее оказалось, что большинство веществ, которые по строению и химическим свойствам принадлежат к этой же группе, не имеют приятного запаха. Однако исторически сложившееся общее название этих соединений сохранилось.

Простейшим представителем ароматических углеводородов является бензол. Его молекулярная формула C6H6.

Бензол — легкокипящая (tкип = 80 °С), бесцветная, нерастворимая в воде

жидкость с характерным запахом. При охлаждении бензол легко застывает в белую кристаллическую массу с температурой плавления 5,5 °С.

Открыл бензол великий английский физик Майкл Фарадей. В 1825 году ему удалось выделить бензол из каменноугольной смолы. Позже были установлены простейшая CH и молекулярная C6H6 формулы бензола. Однако долгое время не удавалось установить строение молекулы данного вещества. Через сорок лет после открытия бензола немецкий химик Август Кекуле сделал правильное предположение о циклическом строении молекулы бензола и предложил следующую структурную формулу:

Представленная формула бензола называется формулой Кекуле. Формула Кекуле показывает, что молекула бензола имеет плоское строение, валентные углы равны 120°. Из формулы Кекуле также следует, что для гидрирования молекулы бензола до циклогексана требуются три молекулы водорода:

Все эти выводы подтверждаются экспериментальными данными. Однако формула Кекуле не объясняет ряд особых свойств бензола. Так, бензол не вступает в качественные реакции на двойную связь. Он, в отличие от алкенов, не обесцвечивает бромную воду и раствор перманганата калия. В присутствии катализатора бензол реагирует с галогенами, однако при этом происходит не присоединение галогена, а замещение атома водорода в молекуле бензола на галоген:

Кроме того, экспериментально установлено, что все связи углерод-углерод в молекуле бензола имеют одинаковую длину. Столь необычные свойства бензола удалось объяснить только в ХХ веке, используя современную теорию строения вещества.

Из формулы Кекуле следует, что двойные связи в молекуле бензола являются сопряжёнными. На примере бутадиена-1,3 мы видели, что сопряжение ведёт к некоторому выравниванию длин двойных и одинарных связей. В молекуле бензола сопряжение настолько сильное, что длины всех связей углерод-углерод становятся одинаковыми:

Таким образом, в молекуле бензола нет двойных и одинарных связей. Каждый атом углерода в молекуле бензола, как и в бутадиене-1,3, находится в состоянии sp 2 -гибридизации. π-Электроны делокализованы и образуют не три отдельные π-связи, а единую π-систему (сопряжённую систему π-связей):

В данной формуле шестиугольник отображает σ-связи между атомами углерода, а окружность — систему π-связей.

Наряду с формулой бензола, в которой показана делокализация π-электронов, нередко пользуются формулой Кекуле, учитывая при этом, что она не совсем точно передаёт строение бензола:

Делокализация π-электронов придаёт молекуле бензола дополнительную устойчивость. Поэтому для бензола характерны реакции, в которых сопряжённая система π-связей в молекуле сохраняется. Такими реакциями являются реакции замещения (см. уравнение реакции с бромом).

Как уже отмечалось, бензол является простейшим представителем ароматических углеводородов. Его гомологи могут рассматриваться как продукты замещения одного или нескольких атомов водорода в молекуле бензола на углеводородные радикалы. Формулы и названия некоторых гомологов бензола приведены на рисунке 19.3.

Как видно, для построения названий веществ, в молекулах которых с бензольным кольцом соединено несколько углеводородных радикалов, атомы углерода бензольного кольца нумеруют таким образом, чтобы заместители получили наименьшие номера, и при помощи цифр в названии указывают положение заместителей.

Бензол С6Н6 — простейший представитель класса ароматических углеводородов.

Молекула бензола имеет плоское строение, валентные углы равны 120°, длины всех связей углерод-углерод одинаковы.

π -Электроны в молекуле бензола делокализованы и образуют единую сопряжённую систему π -связей.

Сопряжённая система π -связей придаёт молекуле бензола повышенную устойчивость, поэтому для бензола характерны реакции, в которых сопряжённая система сохраняется.

Читайте также:
Каучук это формула, физические и химические свойства, получение и применение, виды синтетического каучука, интересные факты о натуральном каучуке
Рейтинг
( Пока оценок нет )
Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: