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

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

Нека изчислим количеството водородно вещество:

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

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

Това означава, че количеството вещество на един водороден атом ще бъде равно на:

n(H) = 2 × 0,25 = 0,5 mol.

Нека обозначим броя на въглеродните атоми в една въглеводородна молекула с "x", а броя на водородните атоми с "y", тогава съотношението на тези атоми в молекулата е:

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

Тогава най-простата въглеводородна формула ще бъде изразена чрез състава CH. Молекулното тегло на молекула със състав CH е равно на:

M(CH) = 13 g/mol

Нека намерим молекулното тегло на въглеводорода въз основа на условията на проблема:

M (C x H y) = ρ×V m;

M (C x H y) = 3.482 x 22.4 = 78 g/mol.

Нека определим истинската формула на въглеводорода:

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

следователно коефициентите "x" и "y" трябва да се умножат по 6 и тогава въглеводородната формула ще приеме формата C 6 H 6. Това е бензен.

Ароматните въглеводороди образуват важна част от цикличната серия от органични съединения. Най-простият представител на такива въглеводороди е бензенът. Формулата на това вещество не само го отличава от редица други въглеводороди, но и дава тласък на развитието на нова посока в органичната химия.

Откриване на ароматни въглеводороди

Ароматните въглеводороди са открити в началото на 19 век. В онези дни най-разпространеното гориво за улично осветление беше газът за лампи. От неговия кондензат великият английски физик Майкъл Фарадей изолира през 1825 г. три грама мазно вещество, описва подробно свойствата му и го нарича: карбуриран водород. През 1834 г. немският учен химик Мичерлих нагрява бензоена киселина с вар и получава бензен. Формулата за тази реакция е представена по-долу:

C6 H5 COOH + CaO синтез на C6 H6 + CaCO3.

По това време рядката бензоена киселина се получава от смолата на бензоената киселина, която може да се отделя от някои тропически растения. През 1845 г. е открито ново съединение във въглищния катран, който е напълно достъпна суровина за производство на ново вещество в индустриален мащаб. Друг източник на бензен е петролът, получен от някои находища. За да се задоволят нуждите на промишлените предприятия от бензен, той се получава и чрез ароматизиране на определени групи ациклични въглеводороди от масло.

Съвременната версия на името е предложена от немския учен Либих. Коренът на думата "бензен" трябва да се търси в арабски езици - там се превежда като "тамян".

Физични свойства на бензена

Бензолът е безцветна течност със специфична миризма. Това вещество кипи при температура 80,1 o C, втвърдява се при 5,5 o C и се превръща в бял кристален прах. Бензолът практически не провежда топлина и електричество, слабо разтворим във вода и добре разтворим в различни масла. Ароматните свойства на бензена отразяват същността на структурата на неговата вътрешна структура: относително стабилен бензенов пръстен и несигурен състав.

Химична класификация на бензола

Бензолът и неговите хомолози - толуен и етилбензен - са ароматна серия от циклични въглеводороди. Структурата на всяко от тези вещества съдържа обща структура, наречена бензенов пръстен. Структурата на всяко от горните вещества съдържа специална циклична група, създадена от шест въглеродни атома. Нарича се бензенов ароматен пръстен.

История на откритието

Установяването на вътрешната структура на бензена отне няколко десетилетия. Основните принципи на структурата (модел на пръстена) са предложени през 1865 г. от химика А. Кекуле. Както разказва легендата, немски учен видял формулата на този елемент насън. По-късно беше предложено опростено изписване на структурата на вещество, наречено бензен. Формулата на това вещество е шестоъгълник. Символите за въглерод и водород, които трябва да бъдат разположени в ъглите на шестоъгълника, са пропуснати. Това създава прост правилен шестоъгълник с редуващи се единични и двойни линии отстрани. Общата формула на бензена е показана на фигурата по-долу.

Ароматни въглеводороди и бензен

Химическата формула на този елемент предполага, че реакциите на присъединяване не са типични за бензена. За него, както и за други елементи от ароматната серия, са характерни реакциите на заместване на водородните атоми в бензеновия пръстен.

Реакция на сулфониране

Чрез осигуряване на взаимодействието на концентрирана сярна киселина и бензен, повишаване на реакционната температура, могат да се получат бензосулфонова киселина и вода. Структурната формула на бензена в тази реакция е следната:

Реакция на халогениране

Бромът или хромът реагират с бензен в присъствието на катализатор. Това произвежда халогенни производни. Но реакцията на нитриране се извършва с помощта на концентрирана азотна киселина. Крайният резултат от реакцията е азотно съединение:

С помощта на азотиране се произвежда добре познат експлозив - TNT или тринитотолуен. Малко хора знаят, че толът се основава на бензен. Много други нитро съединения на базата на бензенов пръстен също могат да се използват като експлозиви

Електронна формула на бензен

Стандартната формула на бензеновия пръстен не отразява точно вътрешната структура на бензена. Според него бензенът трябва да има три локализирани p-връзки, всяка от които трябва да взаимодейства с два въглеродни атома. Но, както показва опитът, бензенът няма обикновени двойни връзки. Молекулната формула на бензена ви позволява да видите, че всички връзки в бензеновия пръстен са еквивалентни. Всяка от тях има дължина около 0,140 nm, което е междинно между дължината на стандартна единична връзка (0,154 nm) и етиленова двойна връзка (0,134 nm). Структурната формула на бензена, изобразена с редуващи се връзки, е несъвършена. По-правдоподобен триизмерен модел на бензен изглежда като изображението по-долу.

Всеки от атомите на бензеновия пръстен е в състояние на sp 2 хибридизация. Той изразходва три валентни електрона за образуването на сигма връзки. Тези електрони покриват два съседни въглехидратни атома и един водороден атом. В този случай и електроните, и C-C, H-H връзките са в една и съща равнина.

Четвъртият валентен електрон образува облак във формата на триизмерна осмица, разположен перпендикулярно на равнината на бензеновия пръстен. Всеки такъв електронен облак се припокрива над равнината на бензеновия пръстен и директно под него с облаците на два съседни въглеродни атома.

Плътността на n-електронните облаци на това вещество е равномерно разпределена между всички въглеродни връзки. По този начин се образува единичен пръстен електронен облак. В общата химия такава структура се нарича ароматен електронен секстет.

Еквивалентност на вътрешните връзки на бензена

Това е еквивалентността на всички лица на шестоъгълника, което обяснява еднаквостта на ароматните връзки, които определят характерните химични и физични свойства, които притежава бензенът. Формулата за равномерното разпределение на n-електронния облак и еквивалентността на всичките му вътрешни връзки е показана по-долу.

Както можете да видите, вместо редуващи се единични и двойни линии, вътрешната структура е изобразена като кръг.

Същността на вътрешната структура на бензена дава ключа към разбирането на вътрешната структура на цикличните въглеводороди и разширява възможностите за практическо приложение на тези вещества.

Ароматни въглеводороди- съединения на въглерод и водород, чиято молекула съдържа бензенов пръстен. Най-важните представители на ароматните въглеводороди са бензенът и неговите хомолози - продукти от заместването на един или повече водородни атоми в бензенова молекула с въглеводородни остатъци.

Структурата на молекулата на бензена

Първото ароматно съединение, бензен, е открито през 1825 г. от М. Фарадей. Установена е неговата молекулна формула - C6H6. Ако сравним неговия състав със състава на наситен въглеводород, съдържащ същия брой въглеродни атоми - хексан (C 6 H 14), тогава можем да видим, че бензенът съдържа осем по-малко водородни атома. Както е известно, появата на множество връзки и цикли води до намаляване на броя на водородните атоми във въглеводородна молекула. През 1865 г. Ф. Кекуле предлага структурната му формула като циклохексантриен-1,3,5.

По този начин молекула, съответстваща на формулата на Кекуле, съдържа двойни връзки, следователно бензенът трябва да бъде ненаситен, т.е. лесно да претърпява реакции на добавяне: хидрогениране, бромиране, хидратация и др.

Данните от множество експерименти обаче показват, че бензенът претърпява присъединителни реакции само при тежки условия(при високи температури и осветление), устойчиви на окисление. Най-характерните реакции за него са реакциите на заместванеСледователно бензенът е по-близък по характер до наситените въглеводороди.

Опитвайки се да обяснят тези несъответствия, много учени предложиха различни варианти за структурата на бензена. Структурата на молекулата на бензена беше окончателно потвърдена от реакцията на нейното образуване от ацетилен. В действителност въглерод-въглеродните връзки в бензена са еквивалентни и техните свойства не са подобни на тези на единичните или двойните връзки.

Понастоящем бензенът се обозначава или с формулата на Кекуле, или с шестоъгълник, в който е изобразен кръг.

И така, какво е специално за структурата на бензена?

Въз основа на данни от изследвания и изчисления беше направен изводът, че всичките шест въглеродни атома са в състояние на sp 2 хибридизация и лежат в една и съща равнина. Нехибридизираните р-орбитали на въглеродните атоми, които изграждат двойните връзки (формула на Кекуле), са перпендикулярни на равнината на пръстена и успоредни един на друг.

Те се припокриват, образувайки единна π-система. По този начин системата от редуващи се двойни връзки, изобразена във формулата на Кекуле, е циклична система от спрегнати, припокриващи се π връзки. Тази система се състои от две тороидални (подобни на поничка) области с електронна плътност, разположени от двете страни на бензеновия пръстен. Следователно е по-логично бензенът да се изобрази като правилен шестоъгълник с кръг в центъра (π-система), отколкото като циклохексантриен-1,3,5.

Американският учен Л. Полинг предложи да се представи бензенът под формата на две гранични структури, които се различават по разпределението на електронната плътност и постоянно се трансформират една в друга:

Измерванията на дължината на връзката потвърждават това предположение. Установено е, че всички C-C връзки в бензена имат еднаква дължина (0,139 nm). Те са малко по-къси от единичните C-C връзки (0,154 nm) и по-дълги от двойните връзки (0,132 nm).

Има и съединения, чиито молекули съдържат няколко циклични структури, например:

Изомерия и номенклатура на ароматните въглеводороди

За бензенови хомолозихарактерна е изомерията на позицията на няколко заместителя. Най-простият хомолог на бензена е толуен(метилбензен) - няма такива изомери; следният хомолог е представен като четири изомера:

Основата на името на ароматен въглеводород с малки заместители е думата бензен. Атомите в ароматния пръстен са номерирани, започвайки от старши заместник до младши:

Ако заместителите са еднакви, тогава номерирането се извършва по най-краткия път: например вещество:

наречен 1,3-диметилбензен, а не 1,5-диметилбензен.

Според старата номенклатура позиции 2 и 6 се наричат ​​ортопозиции, 4 - парапозиции, 3 и 5 - метапозиции.

Физични свойства на ароматните въглеводороди

Бензол и неговите най-прости хомолози при нормални условия - много токсични течностис характерна неприятна миризма. Те се разтварят слабо във вода, но добре в органични разтворители.

Химични свойства на ароматните въглеводороди

Реакции на заместване.Ароматните въглеводороди претърпяват реакции на заместване.

1. Бромиране.При взаимодействие с бром в присъствието на катализатор, железен (III) бромид, един от водородните атоми в бензеновия пръстен може да бъде заменен с бромен атом:

2. Нитриране на бензен и неговите хомолози. Когато ароматен въглеводород взаимодейства с азотна киселина в присъствието на сярна киселина (смес от сярна и азотна киселина се нарича нитрираща смес), водородният атом се заменя с нитро група - NO 2:

Чрез редукция на нитробензен получаваме анилин- вещество, което се използва за получаване на анилинови багрила:

Тази реакция е кръстена на руския химик Зинин.

Реакции на присъединяване.Ароматните съединения могат също да претърпят реакции на присъединяване към бензеновия пръстен. В този случай се образува циклохексан и неговите производни.

1. Хидрогениране.Каталитичното хидрогениране на бензен протича при по-висока температура от хидрогенирането на алкени:

2. Хлориране.Реакцията възниква при осветяване с ултравиолетова светлина и е свободен радикал:

Химични свойства на ароматните въглеводороди - резюме

Бензенови хомолози

Съставът на техните молекули съответства на формулата ° Снз2n-6. Най-близките хомолози на бензена са:

Всички хомолози на бензола след толуола имат изомери. Изомерията може да бъде свързана както с броя и структурата на заместителя (1, 2), така и с позицията на заместителя в бензеновия пръстен (2, 3, 4). Съединения с обща формула ° С 8 з 10 :

Съгласно старата номенклатура, използвана за обозначаване на относителното местоположение на два еднакви или различни заместителя върху бензеновия пръстен, се използват префиксите орто-(съкратено o-) - заместителите са разположени на съседни въглеродни атоми, мета-(m-) - през един въглероден атом и чифт-(n-) - заместители един срещу друг.

Първите членове на хомоложната серия на бензена са течности със специфична миризма. Те са по-леки от водата. Те са добри разтворители. Хомолозите на бензена претърпяват реакции на заместване:

бромиране:

нитриране:

Толуенът се окислява от перманганат при нагряване:

Справочен материал за полагане на теста:

Менделеевата таблица

Таблица за разтворимост

Бензен. Формула 1)

Бензол- органично съединение C 6 H 6, най-простият ароматен въглеводород; подвижна безцветна летлива течност със специфична лека миризма.

• tnl = 5,5°С;
• t kip = 80.1°С;
• плътност 879.1 kg/m 3 (0.8791 g/cm 3) при 20°C.

С въздух в обемна концентрация 1,5-8% бензенът образува експлозивни смеси. Бензолът се смесва във всички пропорции с етер, бензин и други органични разтворители; 0,054 g вода се разтваря в 100 g бензен при 26°C; с вода образува азеотропна (постоянно кипяща) смес (91,2% тегловни бензен) с t kip = 69,25°C.

История

Бензолът е открит от М. Фарадей. (1825), който го изолира от течния кондензат на осветителния газ; Бензолът е получен в чист вид през 1833 г. от Е. Мичерлих чрез суха дестилация на калциевата сол на бензоената киселина (оттук и името).

През 1865 г. Ф. А. Кекуле предлага структурна формула за бензен, съответстваща на циклохексатриен - затворена верига от 6 въглеродни атома с редуващи се единични и двойни връзки. Формулата на Кекуле е доста широко използвана, въпреки че са натрупани много факти, които показват, че бензенът няма структурата на циклохексатриен. По този начин отдавна е установено, че орто-дизаместените бензени съществуват само в една форма, докато формулата на Кекуле позволява изомерия на такива съединения (заместители на въглеродни атоми, свързани с единична или двойна връзка). През 1872 г. Кекуле допълнително въвежда хипотезата, че връзките в бензена постоянно и много бързо се движат и осцилират. Бяха предложени и други формули за структурата на бензена, но те не получиха признание.

Химични свойства

Бензол. Формула (2)

Химичните свойства на бензена формално съответстват до известна степен на формула (1). И така, при определени условия, 3 молекули хлор или 3 молекули водород се добавят към молекула бензен; бензенът се образува от кондензацията на 3 молекули ацетилен. Бензенът обаче се характеризира главно не с реакции на присъединяване, типични за ненаситените съединения, а с реакции на електрофилно заместване. В допълнение, бензеновият пръстен е много устойчив на окислители като калиев перманганат, което също противоречи на наличието на локализирани двойни връзки в бензена. Специални, т.нар Ароматните свойства на бензена се обясняват с факта, че всички връзки в неговата молекула са подредени, т.е. разстоянията между съседните въглеродни атоми са еднакви и равни на 0,14 nm, дължината на единичната C-C връзка е 0,154 nm, а на двойната C =C връзката е 0,132 nm. Молекулата на бензена има ос на симетрия от шест реда; Бензолът като ароматно съединение се характеризира с наличието на секстет от р-електрони, образуващи единична затворена стабилна електронна система. Все още обаче няма общоприета формула, отразяваща нейната структура; често се използва формула (2).

Ефект върху тялото

Бензолът може да причини остро и хронично отравяне. Прониква в тялото главно през дихателната система, но може да се абсорбира и през непокътната кожа. Максимално допустимата концентрация на бензенови пари във въздуха на работните помещения е 20 mg/m 3 . Екскретира се през белите дробове и с урината. Острото отравяне обикновено настъпва по време на инциденти; най-характерните им признаци са: главоболие, световъртеж, гадене, повръщане, възбуда, последвана от потиснато състояние, ускорен пулс, спадане на кръвното налягане, в тежки случаи - конвулсии, загуба на съзнание. Хроничното отравяне с бензол се проявява чрез промени в кръвта (дисфункция на костния мозък), замаяност, обща слабост, нарушение на съня, умора; при жените - менструална дисфункция. Надеждна мярка срещу отравяне с бензенови пари е добрата вентилация на промишлените помещения.

Лечение на остро отравяне:почивка, топлина, бромидни лекарства, сърдечно-съдови лекарства; за хронично отравяне с тежка анемия: трансфузия на червени кръвни клетки, витамин В12, добавки с желязо.

Източници

• Омеляненко Л. М., Сенкевич Н. А., Клиника и профилактика на отравяне с бензол, М., 1957;

Концепцията за "бензенов пръстен" веднага изисква декодиране. За да направите това, е необходимо поне накратко да разгледате структурата на молекулата на бензена. Първата структура на бензена е предложена през 1865 г. от немския учен А. Кекуле:

Най-важните ароматни въглеводороди включват бензен C 6 H 6 и неговите хомолози: толуен C 6 H 5 CH 3, ксилен C 6 H 4 (CH 3) 2 и др.; нафталин C 10 H 8, антрацен C 14 H 10 и техните производни.

Въглеродните атоми в молекулата на бензена образуват правилен плосък шестоъгълник, въпреки че обикновено се рисува като удължен.

Структурата на молекулата на бензена беше окончателно потвърдена от реакцията на нейното образуване от ацетилен. Структурната формула изобразява три единични и три двойни редуващи се въглерод-въглерод връзки. Но такова изображение не предава истинската структура на молекулата. В действителност въглерод-въглеродните връзки в бензена са еквивалентни и имат свойства, които не приличат на тези на единичните или двойните връзки. Тези характеристики се обясняват с електронната структура на молекулата на бензена.

Електронна структура на бензена

Всеки въглероден атом в бензеновата молекула е в състояние на sp 2 хибридизация. Той е свързан с два съседни въглеродни атома и водороден атом чрез три σ връзки. Резултатът е плосък шестоъгълник: всичките шест въглеродни атома и всички σ-връзки C-C и C-H лежат в една и съща равнина. Електронният облак на четвъртия електрон (р-електрон), който не участва в хибридизацията, има формата на дъмбел и е ориентиран перпендикулярно на равнината на бензеновия пръстен. Такива р-електронни облаци от съседни въглеродни атоми се припокриват над и под равнината на пръстена.

В резултат на това шест р-електрона образуват общ електронен облак и единична химична връзка за всички въглеродни атоми. Две области на голямата електронна равнина са разположени от двете страни на равнината на σ връзка.

P-електронният облак причинява намаляване на разстоянието между въглеродните атоми. В молекулата на бензена те са еднакви и равни на 0,14 nm. В случай на единична и двойна връзка, тези разстояния биха били съответно 0,154 и 0,134 nm. Това означава, че в молекулата на бензена няма единични или двойни връзки. Молекулата на бензена е стабилен шестчленен цикъл от еднакви СН групи, разположени в една и съща равнина. Всички връзки между въглеродните атоми в бензена са еквивалентни, което определя характерните свойства на бензеновия пръстен. Това най-точно се отразява от структурната формула на бензена под формата на правилен шестоъгълник с кръг вътре (I). (Кръгът символизира еквивалентността на връзките между въглеродните атоми.) Често се използва обаче и формулата на Кекуле, показваща двойни връзки (II):

Бензеновият пръстен има определен набор от свойства, които обикновено се наричат ​​ароматност.

Хомоложни редове, изомерия, номенклатура

Условно арените могат да бъдат разделени на два реда. Първият включва бензенови производни (например толуен или бифенил), вторият включва кондензирани (многоядрени) арени (най-простият от тях е нафталин):

Хомоложната серия на бензена има обща формула C n H 2 n -6. Хомолозите могат да се разглеждат като бензенови производни, в които един или повече водородни атоми са заменени с различни въглеводородни радикали. Например C 6 H 5 -CH 3 - метилбензен или толуен, C 6 H 4 (CH 3) 2 - диметилбензен или ксилен, C 6 H 5 -C 2 H 5 - етилбензен и др.

Тъй като всички въглеродни атоми в бензена са еквивалентни, първият му хомолог, толуенът, няма изомери. Вторият хомолог, диметилбензен, има три изомера, които се различават по относителното разположение на метиловите групи (заместители). Това е орто- (съкратено о-) или 1,2-изомер, в който заместителите са разположени върху съседни въглеродни атоми. Ако заместителите са разделени от един въглероден атом, тогава това е мета- (съкратено m-) или 1,3-изомер, а ако са разделени от два въглеродни атома, тогава това е пара- (съкратено p-) или 1,4-изомер. В имената заместителите се обозначават с букви (o-, m-, p-) или цифри.

Физични свойства

Първите членове на хомоложната серия на бензена са безцветни течности със специфична миризма. Тяхната плътност е по-малка от 1 (по-леки от водата). Неразтворим във вода. Бензолът и неговите хомолози сами по себе си са добри разтворители за много органични вещества. Арените горят с димящ пламък поради високото съдържание на въглерод в техните молекули.

Химични свойства

Ароматността определя химичните свойства на бензена и неговите хомолози. Системата с шест електрона π е по-стабилна от обикновените двуелектронни π връзки. Следователно реакциите на присъединяване са по-рядко срещани за ароматните въглеводороди, отколкото за ненаситените въглеводороди. Най-характерните реакции за арен са реакциите на заместване. По този начин ароматните въглеводороди по своите химични свойства заемат междинно положение между наситени и ненаситени въглеводороди.

I. Реакции на заместване

1. Халогениране (с Cl 2, Br 2)

2. Нитриране

3. Сулфониране

4. Алкилиране (образуват се бензенови хомолози) - реакции на Фридел-Крафтс

Алкилиране на бензен също се получава, когато реагира с алкени:

Стирен (винилбензен) се получава чрез дехидрогениране на етилбензен:

II. Реакции на присъединяване

1. Хидрогениране

2. Хлориране

III. Окислителни реакции

1. Изгаряне

2C 6 H 6 + 15O 2 → 12CO 2 + 6H 2 O

2. Окисляване под въздействието на KMnO 4, K 2 Cr 2 O 7, HNO 3 и др.

Не възниква химична реакция (подобно на алканите).

Свойства на хомолозите на бензола

В бензоловите хомолози се разграничават ядро ​​и странична верига (алкилови радикали). Химичните свойства на алкиловите радикали са подобни на алканите; влиянието на бензеновия пръстен върху тях се проявява във факта, че реакциите на заместване винаги включват водородни атоми при въглеродния атом, директно свързан с бензеновия пръстен, както и в по-лесното окисление на С-Н връзките.

Ефектът на електронодонорния алкилов радикал (например -СН3) върху бензеновия пръстен се проявява в увеличаване на ефективните отрицателни заряди на въглеродните атоми в орто и пара позиции; в резултат на това се улеснява заместването на свързани водородни атоми. Следователно хомолозите на бензена могат да образуват тризаместени продукти (а бензенът обикновено образува монозаместени производни).

Последни материали в раздела: