n(C) = m(C) / M(C);

n(C) = 6/12 = 0,5 mola.

Obliczmy ilość substancji wodorowej:

n(H2) = V(H2) / Vm;

n(H2) = 5,6 / 22,4 = 0,25 mol.

Oznacza to, że ilość substancji jednego atomu wodoru będzie równa:

n(H) = 2 × 0,25 = 0,5 mola.

Oznaczmy liczbę atomów węgla w cząsteczce węglowodoru jako „x”, a liczbę atomów wodoru jako „y”, wówczas stosunek tych atomów w cząsteczce wynosi:

x: y = 0,5: 0,5 = 1:1.

Wtedy najprostszy wzór węglowodorowy będzie wyrażony składem CH. Masa cząsteczkowa cząsteczki o składzie CH jest równa:

M(CH) = 13 g/mol

Znajdźmy masę cząsteczkową węglowodoru na podstawie warunków problemu:

M (C x H y) = ρ×V m;

M (C x H y) = 3,482 x 22,4 = 78 g/mol.

Ustalmy prawdziwy wzór węglowodoru:

k= M(C x H y)/ M(CH)= 78/13 =6,

dlatego współczynniki „x” i „y” należy pomnożyć przez 6, a wówczas wzór węglowodorowy przyjmie postać C 6 H 6. To jest benzen.

Pani Khimiya ostatecznie i nieodwołalnie nabyła taki związek jak benzen dopiero w 1833 roku. Benzen jest związkiem o porywczym, można nawet powiedzieć wybuchowym charakterze. Jak się dowiedziałeś?

Fabuła

Johann Glauber w 1649 roku zwrócił swoją uwagę na związek, który z powodzeniem powstał, gdy chemik przetwarzał smołę węglową. Chciał jednak pozostać incognito.

Około 170 lat później, a dokładniej w połowie lat dwudziestych XIX wieku, przez przypadek, z gazu oświetlającego, czyli z wydzielonego kondensatu, ekstrahowano benzen. Ludzkość zawdzięcza takie wysiłki Michaelowi Faradaya, naukowcowi z Anglii.

Pałeczkę za pozyskiwanie benzenu przejął Niemiec Eilgard Mitscherlich. Stało się to podczas przetwarzania bezwodnych soli wapniowych kwasu benzoesowego. Być może dlatego związek otrzymał taką nazwę - benzen. Alternatywnie naukowiec nazwał to benzyną. Kadzidło, jeśli zostało przetłumaczone z języka arabskiego.

Benzen pali się pięknie i jasno; w związku z tymi obserwacjami Auguste Laurent zalecił nazywanie go „fenem” lub „benzenem”. Jasne, lśniące - jeśli przetłumaczone z greckiego.

Opierając się na koncepcji natury komunikacji elektronicznej i właściwości benzenu, naukowiec przedstawił cząsteczkę związku w postaci poniższego obrazu. To jest sześciokąt. Wpisano w nią okrąg. Z powyższego wynika, że ​​benzen posiada pełną chmurę elektronów, która bezpiecznie otacza sześć (bez wyjątku) atomów węgla w cyklu. Nie obserwuje się żadnych połączonych wiązań binarnych.

Benzen był wcześniej używany jako rozpuszczalnik. Ale w zasadzie, jak to mówią, nie był członkiem, nie brał udziału, nie był zaangażowany. Ale to jest w XIX wieku. Znaczące zmiany nastąpiły w XX wieku. Właściwości benzenu wyrażają cenne cechy, które pomogły mu stać się bardziej popularnym. Liczba oktanowa, która okazała się wysoka, umożliwiła wykorzystanie go jako elementu paliwowego do tankowania samochodów. Akcja ta stała się impulsem do szerokiego wycofania benzenu, którego ekstrakcja prowadzona jest jako produkt wtórny produkcji stali koksowniczej.

W latach czterdziestych benzen zaczęto stosować w przemyśle chemicznym do produkcji substancji szybko eksplodujących. Wiek XX zwieńczył się faktem, że przemysł rafineryjny wyprodukował tak dużo benzenu, że zaczął zaopatrywać przemysł chemiczny.

Charakterystyka benzenu

Węglowodory nienasycone są bardzo podobne do benzenu. Na przykład seria węglowodorów etylenowych charakteryzuje się jako węglowodór nienasycony. Charakteryzuje się reakcją addycji. Benzen łatwo wchodzi w to wszystko dzięki atomom znajdującym się w tej samej płaszczyźnie. I faktycznie - chmura elektronów sprzężonych.

Jeżeli we wzorze występuje pierścień benzenowy, to możemy dojść do elementarnego wniosku, że jest to benzen, którego wzór strukturalny wygląda dokładnie tak.

Właściwości fizyczne

Benzen to ciecz, która nie ma koloru, ale ma nieprzyjemny zapach. Benzen topi się, gdy temperatura osiągnie 5,52 stopnia Celsjusza. Wrze w temperaturze 80,1. Gęstość wynosi 0,879 g/cm 3, masa molowa 78,11 g/mol. Podczas spalania dużo dymi. Tworzy wybuchowe związki po przedostaniu się powietrza. skały (benzyna, eter i inne) łączą się z opisaną substancją bez problemów. Tworzy z wodą związek azeotropowy. Ogrzewanie przed odparowaniem rozpoczyna się w temperaturze 69,25 stopnia (91% benzenu). W temperaturze 25 stopni Celsjusza może rozpuścić się w wodzie w ilości 1,79 g/l.

Właściwości chemiczne

Benzen reaguje z kwasem siarkowym i azotowym. A także z alkenami, halogenami, chloroalkanami. Charakterystyczna dla niego jest reakcja podstawienia. Temperatura ciśnienia wpływa na przebicie pierścienia benzenowego, które zachodzi w dość trudnych warunkach.

Możemy rozważyć każde równanie reakcji benzenu bardziej szczegółowo.

1. Substytucja elektrofilowa. Brom w obecności katalizatora reaguje z chlorem. W rezultacie otrzymujemy chlorobenzen:

С6H6+3Cl2 → C6H5Cl + HCl

2. Reakcja Friedela-Craftsa, czyli alkilowanie benzenu. Pojawienie się alkilobenzenów następuje w wyniku połączenia z alkanami, które są pochodnymi halogenowymi:

C6H6 + C2H5Br → C6H5C2H5 + HBr

3. Substytucja elektrofilowa. Zachodzi tu reakcja nitrowania i sulfonowania. Równanie dla benzenu będzie wyglądać następująco:

C6H6 + H2SO4 → C6H5SO3H + H2O

C6H6 + HNO3 → C6H5NO2 + H2O

4. Benzen podczas spalania:

2C6H6 + 15O2 → 12CO2 + 6H2O

W pewnych warunkach wykazuje charakter charakterystyczny dla węglowodorów nasyconych. Chmura elektronów P, która znajduje się w strukturze danej substancji, wyjaśnia te reakcje.

Różne rodzaje benzenu zależą od specjalnej technologii. W tym miejscu jest oznaczony benzen naftowy. Na przykład oczyszczony i wysoce oczyszczony, do syntezy. Chciałbym osobno zwrócić uwagę na homologi benzenu, a dokładniej na ich właściwości chemiczne. Są to alkilobenzeny.

Homologi benzenu reagują znacznie łatwiej. Ale powyższe reakcje benzenu, a mianowicie homologów, zachodzą z pewnymi różnicami.

Halogenowanie alkilobenzenów

Postać równania jest następująca:

C6H5-CH3 + Br = C6H5-CH2Br + HBr.

Nie obserwuje się tendencji bromu do pierścienia benzenowego. Wychodzi do łańcucha z boku. Ale dzięki katalizatorowi w postaci soli Al(+3) brom łatwo wchodzi do pierścienia.

Nitrowanie alkilobenzenów

Dzięki kwasom siarkowym i azotowym nitrowane są benzeny i alkilobenzeny. Reaktywne alkilobenzeny. Otrzymuje się dwa z trzech przedstawionych produktów - są to para- i orto-izomery. Możesz napisać jedną z formuł:

C6H5 - CH3 + 3HNO3 → C6H2CH3 (NO2)3.

Utlenianie

Jest to niedopuszczalne w przypadku benzenu. Ale alkilobenzeny reagują łatwo. Na przykład kwas benzoesowy. Wzór podano poniżej:

C6H5CH3 + [O] → C6H5COOH.

Alkilobenzen i benzen, ich uwodornienie

W obecności wzmacniacza wodór zaczyna reagować z benzenem, w wyniku czego powstaje cykloheksan, jak omówiono powyżej. Podobnie alkilobenzeny łatwo przekształcają się w alkilocykloheksany. Aby otrzymać alkilocykloheksan, konieczne jest uwodornienie pożądanego alkilobenzenu. Jest to zasadniczo procedura niezbędna do wytworzenia czystego produktu. I to nie wszystkie reakcje benzenu i alkilobenzenu.

Produkcja benzenu. Przemysł

Podstawą takiej produkcji jest obróbka komponentów: toluenu, benzyny ciężkiej, smoły powstającej podczas krakingu węgla i innych. Dlatego benzen jest produkowany w przedsiębiorstwach petrochemicznych i metalurgicznych. Ważne jest, aby wiedzieć, jak uzyskać benzen o różnym stopniu czystości, ponieważ zasada produkcji i cel zależą bezpośrednio od marki tej substancji.

Lwia część jest wytwarzana przez reforming termokatalityczny części kaustobiolitu, wrzenie w temperaturze 65 stopni, z efektem ekstraktu, destylację z dimetyloformamidem.

Przy produkcji etylenu i propylenu otrzymuje się produkty płynne, które powstają podczas rozkładu związków nieorganicznych i organicznych pod wpływem ciepła. Wyizolowano z nich benzen. Niestety, nie ma zbyt wielu materiałów źródłowych dla tej opcji ekstrakcji benzenu. Zatem interesującą nas substancję wydobywa się poprzez reformowanie. W ten sposób zwiększa się objętość benzenu.

Przez dealkilację w temperaturze 610-830 stopni ze znakiem plus, w obecności pary powstałej w wyniku wrzenia wody i wodoru, benzen otrzymuje się z toluenu. Jest inna opcja - katalityczna. Gdy obserwuje się obecność zeolitów lub, alternatywnie, katalizatorów tlenkowych, podlega reżimowi temperaturowemu 227-627 stopni.

Istnieje inna, starsza metoda wytwarzania benzenu. Wykorzystując absorpcję przez absorbenty pochodzenia organicznego, wyodrębnia się go z końcowego produktu węgla koksującego. Produkt jest produktem parowo-gazowym i został wstępnie schłodzony. Na przykład wykorzystuje się ropę, której źródłem jest ropa naftowa lub węgiel. Podczas destylacji z parą wodną oddziela się absorbent. Hydrorafinacja pomaga usunąć nadmiar substancji z surowego benzenu.

Surowce węglowe

W metalurgii przy wykorzystaniu węgla, a dokładniej poprzez jego suchą destylację, otrzymuje się koks. Podczas tej procedury dopływ powietrza jest ograniczony. Nie zapominaj, że węgiel podgrzewa się do temperatury 1200-1500 stopni Celsjusza.

Benzen chemiczny węgla wymaga dokładnego oczyszczenia. Konieczne jest pozbycie się metylocykloheksanu i jego przyjaciela, n-heptanu. również należy skonfiskować. Benzen czeka proces separacji i oczyszczania, który będzie prowadzony jeszcze nie raz.

Opisana powyżej metoda jest najstarsza, jednak z biegiem czasu traci swoją wysoką pozycję.

Frakcje olejowe

0,3-1,2% - to wskaźniki składu naszego bohatera w ropie naftowej. Skromne wskaźniki inwestowania pieniędzy i wysiłku. Do przetwarzania frakcji ropy naftowej najlepiej zastosować procedurę przemysłową. Oznacza to reforming katalityczny. W obecności wzmacniacza aluminiowo-platyno-renowego wzrasta procent węglowodanów aromatycznych i wzrasta wskaźnik określający zdolność paliwa do nie samozapłonu podczas jego sprężania.

Żywice pirolityczne

Jeśli nasz produkt naftowy będziemy ekstrahować z surowców niestałych, a mianowicie poprzez pirolizę powstającego podczas produkcji propylenu i etylenu, wówczas takie podejście będzie jak najbardziej akceptowalne. Mówiąc dokładniej, z pirokondensatu uwalnia się benzen. Rozkład pewnych proporcji wymaga hydrorafinacji. Podczas czyszczenia usuwana jest siarka i mieszaniny nienasycone. Początkowy wynik zawierał ksylen, toluen i benzen. Za pomocą destylacji ekstrakcyjnej grupa BTK zostaje oddzielona w celu wytworzenia benzenu.

Hydrodealkilacja toluenu

Główne składniki procesu, mieszanina strumienia wodoru i toluenu, są podawane podgrzane do reaktora. Toluen przechodzi przez złoże katalizatora. Podczas tego procesu grupa metylowa oddziela się, tworząc benzen. Właściwa jest tu pewna metoda oczyszczania. Rezultatem jest wysoce czysta substancja (do nitrowania).

Dysproporcja toluenu

W wyniku odrzucenia klasy metylowej następuje utworzenie benzenu, a ksylen ulega utlenieniu. W procesie tym zaobserwowano transalkilację. Efekt katalityczny zachodzi dzięki palladowi, platynie i neodymowi, które znajdują się na tlenku glinu.

Taluen i wodór dostarczane są do reaktora ze stabilnym złożem katalizatora. Jego celem jest zapobieganie osadzaniu się węglowodorów na płaszczyźnie katalizatora. Strumień opuszczający reaktor jest schładzany, a wodór jest bezpiecznie odzyskiwany do recyklingu. To, co pozostało, jest destylowane trzykrotnie. W początkowej fazie usuwane są związki niearomatyczne. W drugiej kolejności ekstrahuje się benzen, a ostatnim krokiem jest oddzielenie ksylenów.

Trimeryzacja acetylenu

Dzięki pracom francuskiego chemika fizycznego Marcelina Berthelota zaczęto wytwarzać benzen z acetylenu. Ale to, co wyróżniało się, to ciężki koktajl wielu innych elementów. Pytanie brzmiało, jak obniżyć temperaturę reakcji. Odpowiedź otrzymano dopiero pod koniec lat czterdziestych XX wieku. V. Reppe znalazł odpowiedni katalizator, okazało się, że jest to nikiel. Trimeryzacja jest jedyną możliwością uzyskania benzenu z acetylenu.

Benzen powstaje przy użyciu węgla aktywnego. Przy wysokich poziomach ciepła acetylen przepływa nad węglem. Benzen jest uwalniany, jeśli temperatura wynosi co najmniej 410 stopni. Jednocześnie rodzą się również różne węglowodory aromatyczne. Dlatego potrzebny jest dobry sprzęt, który będzie w stanie skutecznie oczyścić acetylen. Przy tak pracochłonnej metodzie, jak trimeryzacja, zużywa się dużo acetylenu. Aby otrzymać 15 ml benzenu, weź 20 litrów acetylenu. Możesz zobaczyć, jak to wygląda, a reakcja nie zajmie dużo czasu.

3C2H2 → C6H6 (równanie Zelinsky'ego).

3CH → CH = (t, kat) = C6H6.

Gdzie stosuje się benzen?

Benzen jest dość popularnym pomysłem chemii. Szczególnie często zauważano wykorzystanie benzenu do produkcji kumenu, cykloheksanu i etylobenzenu. Aby wytworzyć styren, nie można obejść się bez etylobenzenu. Surowcem wyjściowym do produkcji kaprolaktamu jest cykloheksan. Do produkcji żywicy termoplastycznej stosuje się kaprolaktam. Opisana substancja jest niezbędna do produkcji różnych farb i lakierów.

Jak niebezpieczny jest benzen?

Benzen jest substancją toksyczną. Manifestacja złego samopoczucia, któremu towarzyszą nudności i silne zawroty głowy, jest oznaką zatrucia. Nie można wykluczyć nawet śmierci. Uczucie nieopisanej rozkoszy to nie mniej niepokojące dzwonki zatrucia benzenem.

Benzen w postaci płynnej powoduje podrażnienie skóry. Opary benzenu z łatwością przenikają nawet przez nieuszkodzoną skórę. Przy bardzo krótkotrwałym kontakcie z substancją w małej dawce, ale regularnie, nieprzyjemne skutki nie będą długo czekać. Może to być uszkodzenie szpiku kostnego i ostra białaczka różnego typu.

Ponadto substancja powoduje uzależnienie u ludzi. Benzen działa jak narkotyk. Dym tytoniowy wytwarza produkt przypominający smołę. Badając go, doszli do wniosku, że jego zawartość jest niebezpieczna dla ludzi. Oprócz obecności nikotyny odkryto także obecność węglowodanów aromatycznych, takich jak benzpiren. Charakterystyczną cechą benzopirenu jest to, że jest on rakotwórczy. Mają bardzo szkodliwy wpływ. Na przykład powodują raka.

Pomimo tego benzen jest surowcem wyjściowym do produkcji różnorodnych leków, tworzyw sztucznych, kauczuku syntetycznego i oczywiście barwników. Jest to najczęstszy pomysł chemii i związku aromatycznego.

Pierwszą grupą reakcji są reakcje podstawienia. Powiedzieliśmy, że areny nie mają wiązań wielokrotnych w strukturze cząsteczki, ale zawierają sprzężony układ sześciu elektronów, który jest bardzo stabilny i zapewnia dodatkową wytrzymałość pierścieniowi benzenowemu. Dlatego w reakcjach chemicznych najpierw następuje wymiana atomów wodoru, a nie zniszczenie pierścienia benzenowego.

Reakcje podstawienia spotykaliśmy już, gdy mowa o alkanach, ale dla nich reakcje te mają radykalny mechanizm, natomiast areny charakteryzują się jonowym mechanizmem reakcji podstawienia.

Pierwszy właściwości chemiczne, halogenowanie. Zastąpienie atomu wodoru atomem halogenu, chloru lub bromu.

Reakcja zachodzi po podgrzaniu i zawsze przy udziale katalizatora. W przypadku chloru może to być chlorek glinu lub chlorek żelaza trzy. Katalizator polaryzuje cząsteczkę halogenu, powodując rozerwanie wiązania heterolitycznego i wytwarzanie jonów.

Chlor jest jonem naładowanym dodatnio i reaguje z benzenem.

Jeśli reakcja zachodzi z bromem, wówczas katalizatorem jest bromek żelaza lub bromek glinu.

Należy zauważyć, że reakcja zachodzi z bromem cząsteczkowym, a nie z wodą bromową. Benzen nie reaguje z wodą bromową.

Halogenowanie homologów benzenu ma swoją własną charakterystykę. W cząsteczce toluenu grupa metylowa ułatwia podstawienie w pierścieniu, reaktywność wzrasta, a reakcja zachodzi w łagodniejszych warunkach, czyli w temperaturze pokojowej.

Należy zauważyć, że podstawienie zawsze następuje w pozycjach orto i para, dzięki czemu otrzymuje się mieszaninę izomerów.

Drugi właściwość nitrowanie benzenu, wprowadzenie grupy nitrowej do pierścienia benzenowego.

Tworzy się ciężka żółtawa ciecz o zapachu gorzkich migdałów, nitrobenzen, więc reakcja może być jakościowa do benzenu. Do nitrowania stosuje się mieszaninę nitrującą stężonych kwasów azotowego i siarkowego. Reakcję prowadzi się przez ogrzewanie.

Przypomnę, że do nitrowania alkanów w reakcji Konovalova stosowano rozcieńczony kwas azotowy bez dodatku kwasu siarkowego.

Podczas nitrowania toluenu, a także podczas halogenowania powstaje mieszanina orto- i para-izomerów.

Trzeci właściwość alkilowania benzenu haloalkanami.

Reakcja ta umożliwia wprowadzenie rodnika węglowodorowego do pierścienia benzenowego i można ją uznać za metodę wytwarzania homologów benzenowych. Jako katalizator stosuje się chlorek glinu, który sprzyja rozkładowi cząsteczki haloalkanu na jony. Ogrzewanie jest również konieczne.

Czwarty właściwość alkilowanie benzenu alkenami.

Można w ten sposób otrzymać np. kumen czy etylobenzen. Katalizator chlorek glinu.

2. Reakcje addycji do benzenu

Drugą grupą reakcji są reakcje addycji. Powiedzieliśmy, że te reakcje nie są typowe, ale są możliwe w dość rygorystycznych warunkach wraz ze zniszczeniem chmury pi-elektronów i utworzeniem wiązań sześć sigma.

Piąty właściwość na liście ogólnej uwodornienie, dodanie wodoru.

Temperatura, ciśnienie, katalizator nikiel lub platyna. Toluen może reagować w ten sam sposób.

Szósty chlorowanie nieruchomości. Należy pamiętać, że mówimy konkretnie o interakcji z chlorem, ponieważ brom nie bierze udziału w tej reakcji.

Reakcja zachodzi pod ostrym promieniowaniem ultrafioletowym. Tworzy się heksachlorocykloheksan, inna nazwa heksachloranu, substancja stała.

Należy o tym pamiętać w przypadku benzenu niemożliwe reakcje addycji halogenowodorów (hydrohalogenacja) i addycji wody (hydratacja).

3. Podstawienie w łańcuchu bocznym homologów benzenu

Trzecia grupa reakcji dotyczy wyłącznie homologów benzenu – jest to podstawienie w łańcuchu bocznym.

Siódmy właściwość na liście ogólnej halogenowanie przy atomie węgla alfa w łańcuchu bocznym.

Reakcja zachodzi po podgrzaniu lub napromieniowaniu i zawsze tylko przy węglu alfa. W miarę kontynuowania halogenowania drugi atom halogenu powróci do pozycji alfa.

4. Utlenianie homologów benzenu

Czwarta grupa reakcji to utlenianie.

Pierścień benzenowy jest zbyt mocny, więc benzen nie utlenia się nadmanganian potasu nie odbarwia roztworu. Jest to bardzo ważne, aby o tym pamiętać.

Ale homologi benzenu utleniają się po podgrzaniu zakwaszonym roztworem nadmanganianu potasu. I to jest ósma właściwość chemiczna.

W ten sposób powstaje kwas benzoesowy. Obserwuje się zmianę zabarwienia roztworu. W tym przypadku, niezależnie od długości łańcucha węglowego podstawnika, zawsze pęka on po pierwszym atomie węgla i atom alfa utlenia się do grupy karboksylowej z utworzeniem kwasu benzoesowego. Pozostała część cząsteczki utlenia się do odpowiedniego kwasu lub, jeśli jest to tylko jeden atom węgla, do dwutlenku węgla.

Jeśli homolog benzenowy ma w pierścieniu aromatycznym więcej niż jeden podstawnik węglowodorowy, wówczas utlenianie przebiega według tych samych zasad - utlenianiu ulega węgiel znajdujący się w pozycji alfa.

W tym przykładzie powstaje dwuzasadowy kwas aromatyczny zwany kwasem ftalowym.

Chciałbym szczególnie zwrócić uwagę na utlenianie kumenu, izopropylobenzenu, tlenem atmosferycznym w obecności kwasu siarkowego.

Jest to tak zwana metoda kumenowa do produkcji fenolu. Z taką reakcją spotyka się zwykle w sprawach związanych z produkcją fenolu. Jest to metoda przemysłowa.

Dziewiąty spalanie własności, całkowite utlenienie tlenem. Benzen i jego homologi spalają się do dwutlenku węgla i wody.

Zapiszmy równanie spalania benzenu w postaci ogólnej.

Zgodnie z prawem zachowania masy, po lewej stronie powinno znajdować się tyle atomów, ile jest atomów po prawej stronie. Ponieważ w reakcjach chemicznych atomy nie znikają, ale po prostu zmienia się kolejność wiązań między nimi. Zatem będzie tyle cząsteczek dwutlenku węgla, ile jest atomów węgla w cząsteczce arenu, ponieważ cząsteczka zawiera jeden atom węgla. Oznacza to, że n cząsteczek CO2. Cząsteczek wody będzie dwa razy mniej niż atomów wodoru, czyli (2n-6)/2, czyli n-3.

Po lewej i prawej stronie znajduje się taka sama liczba atomów tlenu. Po prawej stronie znajduje się 2n z dwutlenku węgla, ponieważ każda cząsteczka ma dwa atomy tlenu plus n-3 z wody, co daje w sumie 3n-3. Po lewej stronie znajduje się taka sama liczba atomów tlenu 3n-3, co oznacza, że ​​cząsteczek jest dwa razy mniej, ponieważ cząsteczka zawiera dwa atomy. Oznacza to (3n-3)/2 cząsteczki tlenu.

W ten sposób opracowaliśmy równanie spalania homologów benzenu w ogólnej formie.

Aromatyczne węglowodory– związki węgla i wodoru, których cząsteczka zawiera pierścień benzenowy. Najważniejszymi przedstawicielami węglowodorów aromatycznych są benzen i jego homologi - produkty zastąpienia jednego lub większej liczby atomów wodoru w cząsteczce benzenu resztami węglowodorowymi.

Struktura cząsteczki benzenu

Pierwszy związek aromatyczny, benzen, odkrył w 1825 roku M. Faradaya. Ustalono jego wzór cząsteczkowy - C 6 H 6. Jeśli porównamy jego skład ze składem nasyconego węglowodoru zawierającego tę samą liczbę atomów węgla - heksanu (C 6 H 14), to zobaczymy, że benzen zawiera osiem atomów wodoru mniej . Jak wiadomo, pojawienie się wielu wiązań i cykli prowadzi do zmniejszenia liczby atomów wodoru w cząsteczce węglowodoru. W 1865 roku F. Kekule zaproponował jego wzór strukturalny jako cykloheksantrien - 1, 3, 5.

Zatem odpowiednia cząsteczka Wzór Kekule’a, zawiera wiązania podwójne, dlatego benzen musi być nienasycony, czyli musi łatwo ulegać reakcjom addycji: uwodornieniu, bromowaniu, hydratacji itp.

Jednakże dane z licznych eksperymentów wykazały, że benzen wchodzi w reakcje addycji tylko w trudnych warunkach (w wysokich temperaturach i oświetleniu) i jest odporny na utlenianie. Najbardziej charakterystycznymi dla niego reakcjami są reakcje podstawienia; dlatego benzen ma charakter bliższy marginalnym węglowodorom.

Próbując wyjaśnić te rozbieżności, wielu naukowców zaproponowało różne opcje struktury benzenu. Ostatecznie strukturę cząsteczki benzenu potwierdzono w wyniku reakcji jej powstania z acetylenu. W rzeczywistości wiązania węgiel-węgiel w benzenie są równoważne, a ich właściwości nie są podobne do wiązań pojedynczych ani podwójnych.

Obecnie benzen oznacza się wzorem Kekule'a lub sześciokątem, w którym przedstawiono okrąg.

Co więc jest specjalnego w strukturze benzenu? Na podstawie danych badawczych i obliczeń stwierdzono, że wszystkie sześć atomów węgla znajduje się w stanie sp 2 -hybrydyzacja i leżą w tej samej płaszczyźnie. Niehybrydyzowany P-orbitale atomów węgla tworzących wiązania podwójne (wzór Kekule'a) są prostopadłe do płaszczyzny pierścienia i równoległe do siebie.

Nakładają się na siebie, tworząc pojedynczy system π. Zatem układ naprzemiennych wiązań podwójnych przedstawiony we wzorze Kekulégo jest cyklicznym układem sprzężonych, zachodzących na siebie wiązań. Układ ten składa się z dwóch toroidalnych (podobnych do pączków) obszarów o gęstości elektronowej, leżących po obu stronach pierścienia benzenowego. Zatem bardziej logiczne jest przedstawianie benzenu jako foremnego sześciokąta z okręgiem w środku (układ π) niż jako cykloheksatrien-1,3,5.

Amerykański naukowiec L. Pauling zaproponował przedstawienie benzenu w postaci dwóch struktur granicznych, które różnią się rozkładem gęstości elektronów i stale się w siebie przekształcają, tj. uważają go za związek pośredni, „uśredniający” dwie struktury.

Pomiary długości wiązań potwierdzają te założenia. Stwierdzono, że wszystkie wiązania CC w benzenie mają tę samą długość (0,139 nm). Są nieco krótsze niż pojedyncze wiązania CC (0,154 nm) i dłuższe niż wiązania podwójne (0,132 nm).

Istnieją również związki, których cząsteczki zawierają kilka struktur cyklicznych.

Izomeria i nazewnictwo

Homologi benzenu charakteryzują się izomeria pozycji kilku podstawników. Najprostszy homolog benzenu - toluen (metylobenzen) - nie ma takich izomerów; następujący homolog jest przedstawiony w postaci czterech izomerów:

Podstawą nazwy węglowodoru aromatycznego z małymi podstawnikami jest słowo benzen. Atomy w pierścieniu aromatycznym są ponumerowane od najwyższego do najniższego podstawnika:

Według starej nomenklatury pozycje 2 i 6 nazywane są ortopozycje, 4 - para- oraz 3 i 5 - metapostanowienia.

Właściwości fizyczne
W normalnych warunkach benzen i jego najprostsze homologi są bardzo toksycznymi cieczami o charakterystycznym nieprzyjemnym zapachu. Słabo rozpuszczają się w wodzie, ale dobrze w rozpuszczalnikach organicznych.

Właściwości chemiczne benzenu

Reakcje podstawienia. Węglowodory aromatyczne ulegają reakcjom podstawienia.
1. Bromowanie. Podczas reakcji z bromem w obecności katalizatora, bromku żelaza (ΙΙΙ), jeden z atomów wodoru w pierścieniu benzenowym można zastąpić atomem bromu:

2. Nitrowanie benzenu i jego homologów. Kiedy węglowodór aromatyczny oddziałuje z kwasem azotowym w obecności kwasu siarkowego (mieszanina kwasu siarkowego i azotowego nazywana jest mieszaniną nitrującą), atom wodoru zastępuje się grupą nitrową -NO2:

W wyniku redukcji powstałego w tej reakcji nitrobenzenu otrzymuje się anilinę, substancję służącą do otrzymywania barwników anilinowych:

Reakcja ta została nazwana na cześć rosyjskiego chemika Zinina.
Reakcje addycji. Związki aromatyczne mogą również ulegać reakcjom addycji do pierścienia benzenowego. W tym przypadku tworzy się cykloheksan lub jego pochodne.
1. Uwodornienie. Katalityczne uwodornienie benzenu zachodzi w wyższej temperaturze niż uwodornienie alkenów:

2. Chlorowanie. Reakcja zachodzi po oświetleniu światłem ultrafioletowym i jest wolnorodnikowa:

Homologi benzenu

Skład ich cząsteczek odpowiada wzorowi C n H 2 n-6. Najbliższe homologi benzenu to:

Wszystkie homologi benzenu po toluenie mają izomery. Izomeria może być powiązana zarówno z liczbą i budową podstawnika (1, 2), jak i z pozycją podstawnika w pierścieniu benzenowym (2, 3, 4). Związki o wzorze ogólnym C 8 H 10:

Zgodnie ze starą nomenklaturą używaną do wskazania względnego położenia dwóch identycznych lub różnych podstawników w pierścieniu benzenowym, stosuje się przedrostki orto- (w skrócie o-) - podstawniki znajdują się przy sąsiednich atomach węgla, meta-(M-) – przez jeden atom węgla i para— (P-) – podstawniki względem siebie.
Pierwszymi członkami serii homologicznej benzenu są ciecze o specyficznym zapachu. Są lżejsze od wody. Są dobrymi rozpuszczalnikami.

Reagują homologi benzenu podstawienia ( bromowanie, nitrowanie). Toluen utlenia się nadmanganianem po podgrzaniu:

Homologi benzenu wykorzystuje się jako rozpuszczalniki do produkcji barwników, środków ochrony roślin, tworzyw sztucznych i leków.