Cheminės savybės. "Aromatiniai angliavandeniliai (arenai)

Šiuolaikinis požiūris į benzeno struktūrą: plokščia molekulė, kurios anglies atomai yra sp 2 hibridizacijos būsenoje ir yra sujungti į taisyklingą šešiakampį.

Benzeno molekulės paveikslėlis:

Aromatingumas- neįprastai maža nesužadintos būsenos energija, kurią sukelia π-elektronų delokalizacija.

Aromatingumas- sąvoka, apibūdinanti ciklinių struktūrų su konjuguotų jungčių sistema struktūrinių, energetinių savybių ir reaktyvumo ypatybių visumą

Aromatingumo požymiai Bet kuris junginys yra aromatinis, jeigu jis turi: a) plokščią uždarą ciklą; b) konjuguota π-elektronų sistema, apimanti visus ciklo atomus; c) jei konjugacijoje dalyvaujančių elektronų skaičius atitinka Hiukelio formulę (4n + 2., kur n – ciklų skaičius).

izomerija

Nomenklatūra

orto-, meta- Ir pora- pakeistas:

Fizinės savybės

Visi aromatiniai junginiai turi kvapą. benzenas, toluenas, ksilenas, etilbenzenas,

kumenas, stirenas – skysčiai, naftalenas, antracenas – kietosios medžiagos.

26. Aromatiniai benzeno serijos angliavandeniliai. Nomenklatūra. Izomerizmas. Benzeno ir jo homologų gavimo būdai: iš akmens anglių deguto, parafinų aromatizavimas ir dehidrociklizavimas pagal Wurtz-Fittig reakciją, Friedel-Crafts alkilinimas olefinais, alkilo halogenidais, alkoholiais, iš benzenkarboksirūgšties druskų, alkinų trimerinimas.

Arenai (aromatiniai angliavandeniliai) yra cikliniai junginiai, kurių molekulėse yra vienas ar daugiau benzeno branduolių. Empirinė benzeno C6H6 formulė

izomerija

Di-, tri- ir tetrapakeistiems aromatiniams angliavandeniliams būdinga pakaito padėties izomerija ir šoninės alkilo grandinės izomerija.

Mono-, penta- ir heksapakeisti arenai neturi izomerų, susijusių su pakaito padėtimi žiede.

Nomenklatūra

Benzeno dariniai vadinami pakeistais benzenais. Daugeliui iš jų naudojami arba trivialūs pavadinimai, arba pakaitas nurodomas priešdėliu prieš žodį „benzenas“. Monokaitų benzenų pavadinimuose skaičiai neįtraukti, nes visi šeši benzeno molekulės anglies atomai yra lygiaverčiai, kiekvienam pakaitui galimas tik vienas monopakeistas benzenas.

Jei benzeno molekulėje yra du pakaitai, tada gali būti trys skirtingi dipakeistai benzenai. Jie atitinkamai pavadinti orto-, meta- Ir pora- pakeistas:

Jei benzene yra trys ar daugiau pakaitų, tada jų padėtis žiede turėtų būti nurodyta tik skaičiais. Visais atvejais pakaitų pavadinimai yra išvardyti prieš žodį „benzenas“ abėcėlės tvarka. Skaičius 1 pavadinime gali būti praleistas, pakaitalas, nuo kurio prasideda atgalinis skaičiavimas, šiuo atveju įtraukiamas į pavadinimo pagrindą:

Kvitas:

1. Akmens anglių deguto perdirbimas, naftos distiliavimas, sausas distiliavimas

medienos.

2. Aliejaus aromatizavimas.

3. Heksano ir heptano dehidrociklizavimas.

C6H14 → C6H6 + 4H2

C7H16 → C6H5-CH3 + 4H2

4. Wurtz-Fittig:

Alkilinimas pagal Friedel-Crafts. Priimami du galimi reakcijos mechanizmai. Pirmuoju atveju elektrofilinė dalelė yra karbokationas, susidaręs dėl halogenalkano sąveikos su aliuminio chloridu (Lewiso rūgštimi):

Antruoju atveju galima daryti prielaidą, kad AlCl3 polinio komplekso alkilo grupė su alkilo halogenidu yra elektrofilas.

benzeno alkilinimas (Friedelio-Craftso reakcija)

C 6 H 6 + C 2 H 5 Cl → C 6 H 5 - C 2 H 5 + HCl

27.Elektrofilinis pakaitalas aromatinėse serijose (nitrinimas, sulfoninimas, halogeninimas, alkilinimas ir Friedel-Crafts acilinimas). - ir -kompleksų samprata. Elektrofilinių pakaitų reakcijų mechanizmas

Aromatiniai angliavandeniliai sudaro svarbią ciklinės organinių junginių serijos dalį. Paprasčiausias tokių angliavandenilių atstovas yra benzenas. Šios medžiagos formulė ne tik išskyrė ją iš daugelio kitų angliavandenilių, bet ir suteikė postūmį plėtoti naują organinės chemijos kryptį.

Aromatinių angliavandenilių atradimas

Aromatiniai angliavandeniliai buvo atrasti XIX amžiaus pradžioje. Tais laikais gatvių apšvietimui dažniausiai naudojamas kuras buvo apšvietimo dujos. Iš jo kondensato didysis anglų fizikas Michaelas Faradėjus 1825 metais išskyrė tris gramus aliejinės medžiagos, išsamiai aprašė jos savybes ir pavadino ją karbiuratoriumi. 1834 metais vokiečių mokslininkas chemikas Mičerlichas pakaitino benzenkarboksirūgštį su kalkėmis ir gavo benzeną. Šios reakcijos formulė pateikta žemiau:

C6 H5 COOH + CaO susiliejimas C6 H6 + CaCO3.

Tuo metu reta benzenkarboksirūgštis buvo gaunama iš benzenkarboksirūgšties, kurią gali išskirti kai kurie atogrąžų augalai. 1845 m. buvo aptiktas naujas junginys akmens anglių dervoje, kuri buvo lengvai prieinama žaliava naujos medžiagos gamybai pramoniniu mastu. Kitas benzeno šaltinis yra nafta, gaunama iš kai kurių telkinių. Pramonės įmonių poreikiams tenkinti benzenas taip pat gaunamas aromatizuojant tam tikras aciklinių naftos angliavandenilių grupes.

Šiuolaikinę pavadinimo versiją pasiūlė vokiečių mokslininkas Liebigas. Žodžio „benzenas“ šaknies reikėtų ieškoti arabų kalboje – ten ji verčiama kaip „smilkalai“.

Fizikinės benzeno savybės

Benzenas yra bespalvis skystis, turintis specifinį kvapą. Ši medžiaga užverda 80,1 ° C temperatūroje, sukietėja 5,5 ° C temperatūroje ir virsta baltais kristaliniais milteliais. Benzenas praktiškai nepraleidžia šilumos ir elektros, blogai tirpsta vandenyje ir gerai – įvairiuose aliejuose. Aromatinės benzeno savybės atspindi jo vidinės struktūros struktūros esmę: gana stabilų benzeno branduolį ir neapibrėžtą sudėtį.

Cheminė benzeno klasifikacija

Benzenas ir jo homologai – toluenas ir etilbenzenas – yra aromatinė ciklinių angliavandenilių serija. Kiekvienos iš šių medžiagų struktūroje yra bendra struktūra, vadinama benzeno žiedu. Kiekvienos iš minėtų medžiagų struktūroje yra speciali ciklinė grupė, kurią sukuria šeši anglies atomai. Jis vadinamas benzeno aromatiniu branduoliu.

Atradimų istorija

Vidinės benzeno struktūros kūrimas užsitęsė kelis dešimtmečius. Pagrindinius struktūros (žiedo modelio) principus 1865 metais pasiūlė chemikas A. Kekulė. Pasak legendos, vokiečių mokslininkas sapne pamatė šio elemento formulę. Vėliau buvo pasiūlyta supaprastinta medžiagos sandaros rašyba, vadinama taip: benzenas. Šios medžiagos formulė yra šešiakampis. Anglies ir vandenilio simboliai, kurie turėtų būti šešiakampio kampuose, praleisti. Taigi gaunamas paprastas taisyklingas šešiakampis su kintamomis viengubomis ir dvigubomis linijomis šonuose. Bendroji benzeno formulė parodyta paveikslėlyje žemiau.

Aromatiniai angliavandeniliai ir benzenas

Šio elemento cheminė formulė rodo, kad benzenui nebūdingos adityvinės reakcijos. Jam, kaip ir kitiems aromatinės serijos elementams, būdingos vandenilio atomų pakeitimo reakcijos benzeno žiede.

Sulfonavimo reakcija

Užtikrinant koncentruotos sieros rūgšties ir benzeno sąveiką, pakėlus reakcijos temperatūrą, galima gauti benzosulfonrūgštį ir vandenį. Šioje reakcijoje benzeno struktūrinė formulė yra tokia:

halogeninimo reakcija

Bromas arba chromas reaguoja su benzenu esant katalizatoriui. Tokiu atveju gaunami halogeno dariniai. Tačiau nitrinimo reakcija vyksta naudojant koncentruotą azoto rūgštį. Galutinis reakcijos rezultatas yra azoto junginys:

Azotavimo pagalba gaunamas visiems žinomas sprogmuo - TNT arba trinitoluenas. Nedaug žmonių žino, kad tol yra benzeno pagrindu. Daugelis kitų benzeno žiedo pagrindu pagamintų nitro junginių taip pat gali būti naudojami kaip sprogmenys.

Elektroninė benzeno formulė

Standartinė benzeno žiedo formulė tiksliai neatspindi benzeno vidinės struktūros. Anot jos, benzenas turi turėti tris lokalizuotas p-jungtis, kurių kiekviena turi sąveikauti su dviem anglies atomais. Tačiau, kaip rodo patirtis, benzenas neturi įprastų dvigubų jungčių. Benzeno molekulinė formulė leidžia matyti, kad visos benzeno žiedo jungtys yra lygiavertės. Kiekvienas iš jų yra apie 0,140 nm ilgio, o tai yra tarpinis tarp standartinės viengubos jungties (0,154 nm) ir etileno dvigubos jungties (0,134 nm) ilgio. Struktūrinė benzeno formulė, pavaizduota su kintamomis jungtimis, yra netobula. Labiau tikėtinas 3D benzeno modelis atrodo taip, kaip parodyta paveikslėlyje žemiau.

Kiekvienas benzeno žiedo atomas yra sp 2 hibridizacijos būsenoje. Jis išleidžia tris valentinius elektronus, kad sudarytų sigma ryšius. Šie elektronai apima du gretimus angliavandenių atomus ir vieną vandenilio atomą. Šiuo atveju ir elektronai, ir C-C, H-H ryšiai yra toje pačioje plokštumoje.

Ketvirtasis valentinis elektronas sudaro aštuonių tūrių debesį, esantį statmenai benzeno žiedo plokštumai. Kiekvienas toks elektronų debesis virš ir tiesiai po benzeno žiedo plokštuma persidengia su dviejų gretimų anglies atomų debesimis.

Šios medžiagos p-elektronų debesų tankis yra tolygiai paskirstytas tarp visų anglies jungčių. Tokiu būdu susidaro vienas žiedinis elektronų debesis. Bendrojoje chemijoje tokia struktūra vadinama aromatiniu elektronų sekstetu.

Benzeno vidinių ryšių lygiavertiškumas

Visų šešiakampio paviršių lygiavertiškumas paaiškina aromatinių ryšių, lemiančių būdingas chemines ir fizines savybes, kurias turi benzenas, lygumą. Tolygaus n-elektronų debesies pasiskirstymo ir visų jo vidinių ryšių ekvivalentiškumo formulė parodyta žemiau.

Kaip matote, vietoj kintamų viengubų ir dvigubų linijų vidinė struktūra vaizduojama kaip apskritimas.

Benzeno vidinės struktūros esmė suteikia raktą suprasti ciklinių angliavandenilių vidinę struktūrą ir praplečia šių medžiagų praktinio panaudojimo galimybes.

Pamokos tikslai:

susidaryti idėją apie aromatinį ryšį, jo ypatybes, nustatyti ryšį tarp benzeno struktūros ir jo savybių;
įtvirtinti gebėjimą palyginti skirtingų serijų angliavandenilių sudėtį ir struktūrą;
supažindinti su fizinėmis benzeno savybėmis;
parodyti toksinį arenų poveikį žmogaus sveikatai.

Paskaitos planas

Benzeno molekulinės ir struktūrinės formulės išvedimas.
Benzeno atradimo istorija.
Kekulės formulė.
Benzeno struktūra.
Sąvoka „aromatas“.
Termino „aromatiniai junginiai“ atsiradimas.
Fizikinės benzeno savybės.
Toksinis arenų poveikis žmogaus organizmui.
Apimtos medžiagos konsolidavimas.
Namų darbai.

Pamokos pradžioje siūlau mokiniams išspręsti medžiagos formulės išvedimo uždavinį.

Užduotis. Deginant 2,5 g medžiagos išsiskyrė 8,46 g anglies dvideginio ir 1,73 g vandens. 1 litro medžiagos masė yra 3,5 g.Nustatykite medžiagos molekulines ir galimas struktūrines formules.

Spręsdami uždavinį, studentai išveda medžiagos molekulinę formulę – C 6 H 6. Susidaro probleminė situacija: „Kokią struktūrą gali turėti benzeno molekulė? Remdamiesi žiniomis apie nesočiuosius angliavandenilius, studentai siūlo galimas jo struktūrines formules:

NS C-CH2-CH2-C CH

H 2 C \u003d CH -C C-CH \u003d CH 2 ir kt.

Mokiniai daro išvadą, kad benzenas yra labai nesotus junginys, prisimena kokybines reakcijas į nesotumą.

Siūlau studentams eksperimento metu patikrinti benzeno neprisotinimo hipotezę. Atlikę benzeno reakcijas su bromo vandeniu ir kalio permanganato tirpalu, studentai daro išvadą, kad benzenas, būdamas nesočiąja sistema, neduoda kokybinių reakcijų į nesočiųjų, todėl negali būti priskirtas nesočiųjų klasei. angliavandeniliai.

Kokios struktūros yra benzeno molekulė ir kokiai angliavandenilių klasei ji gali būti priskirta?

Prieš atsakydamas į šį klausimą, supažindinu mokinius su benzeno atradimo istorija, kuri yra labai įdomi. 1812-1815 metais dujinis apšvietimas pirmą kartą pasirodė Londone. Šviečiančios dujos, išgautos iš jūrų gyvūnų riebalų, buvo tiekiamos geležiniuose balionuose. Šie balionai dažniausiai būdavo statomi namo rūsyje, iš kurio dujos vamzdžiais buvo paskirstomos po visą patalpą. Netrukus buvo pastebėta itin nemaloni aplinkybė – esant dideliam šalčiui, dujos degdamos prarado gebėjimą duoti ryškią šviesą. 1825 m. dujų gamyklos savininkai kreipėsi patarimo į Faradėjų, kuris nustatė, kad tie komponentai, kurie gali degti ryškia liepsna, yra surenkami baliono apačioje skaidraus skysčio sluoksnio pavidalu. Tyrinėdamas šį skystį Faradėjus atrado naują angliavandenilį – benzeną. Pavadinimą šiai medžiagai suteikė Liebigas - (priesaga -ol rodo jos riebumą, iš lotyniško oleum - aliejus).

1865 metais vokiečių mokslininkas Kekulė pasiūlė benzeno molekulės struktūrą, apie kurią svajojo kaip apie sau uodegą graužiančią gyvatę:

Tačiau ši formulė, atitinkanti benzeno elementinę sudėtį, neatitinka daugelio jos savybių:

benzenas nesuteikia kokybinių reakcijų į nesotumą;
benzenui būdingos pakeitimo reakcijos, o ne papildymai;
Kekulės formulė negali paaiškinti vienodų atstumų tarp anglies atomų, kurie vyksta tikroje benzeno molekulėje.

Kad išeitų iš šio sunkumo, Kekule manė, kad benzene vyksta nuolatinis dvigubų jungčių judėjimas.

Šiuolaikinių fizikinių ir kvantinių tyrimų metodų panaudojimas leido sukurti visapusišką benzeno sandaros supratimą.

Anglies atomai benzeno molekulėje yra antroje valentinėje būsenoje (sp 2). Kiekvienas anglies atomas sudaro ryšius su kitais dviem anglies atomais ir vienu vandenilio atomu, esančiu toje pačioje plokštumoje. Ryšio kampai tarp trijų jungčių yra 120°. Taigi visi šeši anglies atomai yra toje pačioje plokštumoje, sudarydami taisyklingą šešiakampį (1 pav.):

Ryžiai. 1. -ryšių susidarymo schema
benzeno molekulėje

Kiekvienas anglies atomas turi vieną nehibridinę p-orbitalę. Šešios tokios orbitalės yra statmenos -ryšio plokštumai ir lygiagrečios viena kitai (2 pav.). Visi šeši p-elektronai sąveikauja vienas su kitu, sudarydami vieną elektronų debesį. Taigi benzeno molekulėje vyksta žiedinė konjugacija. Didžiausias elektronų tankis šioje konjuguotoje sistemoje yra aukščiau ir žemiau žiedo plokštumos (3 pav.):

Dėl tokio vienodo visų šešių anglies atomų 2p orbitalių persidengimo atsiranda viengubos ir dvigubos jungčių „išlygiavimas“ - jungties ilgis yra 0,139 nm. Ši vertė yra tarpinė tarp viengubos jungties ilgio alkanuose (0,154 nm) ir dvigubos jungties ilgio alkenuose (0,133 nm). Tai yra, benzeno molekulėje nėra klasikinių dvigubų ir viengubų jungčių.

Apvalus konjugacija suteikia energijos padidėjimą 150 kJ/mol. Ši vertė yra konjugacijos energija – energijos kiekis, kurį reikia sunaudoti, kad sutriktų aromatinė benzeno sistema.

Ši elektroninė struktūra paaiškina visas benzeno savybes. Visų pirma, kodėl benzenui sunku patekti į sudėjimo reakcijas - tai veda prie konjugacijos pažeidimo. Tokios reakcijos galimos atšiauriomis sąlygomis.

Šiuo metu nėra vieno būdo grafiškai pavaizduoti benzeno molekulę, atsižvelgiant į tikrąsias jos savybes. Tačiau, norint pabrėžti elektronų tankio tolygumą benzeno molekulėje, naudojamos šios formulės:

Taip pat naudojama Kekulės formulė, nepamirštant jos trūkumų.

Benzeno savybių derinys vadinamas aromatingumu. Apskritai aromatiškumo reiškinį suformulavo vokiečių fizikas Hückelis: junginys turi pasižymėti aromatinėmis savybėmis, jei jo molekulėje yra plokščias žiedas su (4n + 2) elektronais, kur n gali turėti reikšmes 0, 1, 2, 3 ir tt Pagal šią taisyklę sistemos, kuriose yra 6, 10, 14 elektronų, yra aromatinės.

Tokių junginių pavyzdžiai yra naftalenas (n=2) ir antracenas (n=3).

Su mokiniais apsvarstę benzeno sandarą, aptariame atsakymus į klausimus:

Ar benzenas gali būti klasifikuojamas kaip nesočiųjų angliavandenilių? Pagrįskite atsakymą.
Kuriai angliavandenilių klasei priklauso benzenas?
Ką reiškia terminas „aromatinis junginys“?
Kokie angliavandeniliai vadinami aromatiniais?

Toliau mokinius supažindinu su termino „aromatiniai junginiai“ kilme. Pranešu, kad šis pavadinimas atsirado pradiniame chemijos vystymosi etape. Pastebėta, kad benzeno serijos junginiai gaunami distiliuojant kai kurias maloniai kvepiančias (aromatines) medžiagas – natūralias dervas ir balzamus. Tačiau dauguma aromatinių junginių yra bekvapiai arba nemalonus kvapas. Tačiau šis terminas buvo išsaugotas chemijoje. Aromatiniai angliavandeniliai (arenai) – tai medžiagos, kurių molekulėse yra vienas ar keli benzeno žiedai – ciklinės anglies atomų grupės, turinčios ypatingą ryšių pobūdį.

Toliau mokiniai susipažįsta su fizinėmis benzeno savybėmis, dirba su mokomąja literatūra. Jie žino, kad benzenas yra skystis, jis taip pat gali būti garų būsenos (tiriant kvapą). Supažindinu studentus su kietu benzenu. Benzeno lydymosi temperatūra yra 5,5 ° C. Remdamasis šia informacija, pademonstruoju skysto benzeno virsmą baltą kristalinę masę. Tam į mėgintuvėlį į indą, pripildytą sniego ar ledo, įpilu 4-5 ml benzeno. Po kelių minučių mokiniai stebi benzeno agregacijos būklės pasikeitimą. Remdamiesi savo pastebėjimais, studentai teigia, kad ši medžiaga turi turėti molekulinę kristalinę gardelę.

Atkreipiu studentų dėmesį į tai, kad benzenas yra labai toksiška medžiaga. Įkvėpus jo garų, svaigsta galva ir skauda galvą. Esant didelei benzeno koncentracijai, galimi sąmonės netekimo atvejai. Jo garai dirgina akis ir gleivines.

Skystas benzenas lengvai prasiskverbia į kūną per odą, o tai gali sukelti apsinuodijimą. Todėl darbas su benzenu ir jo homologais reikalauja ypatingo atsargumo.

Rūkymo pavojų paaiškinimui naudoju temos „Benzolas“ medžiagą. Į degutą panašios medžiagos, gaunamos iš tabako dūmų, tyrimai parodė, kad, be nikotino, joje yra aromatinių angliavandenilių, tokių kaip benzpirenas,

pasižymi stipriomis kancerogeninėmis savybėmis, t. y. šios medžiagos yra vėžio sukėlėjai. Tabako derva, besiliečianti su oda ir plaučiais, sukelia vėžinių navikų susidarymą. Rūkaliai dažniau suserga lūpų, liežuvio, gerklų ir stemplės vėžiu. Jie daug dažniau serga krūtinės angina, miokardo infarktu. Atkreipiu dėmesį, kad rūkalius į aplinką išskiria apie 50% nuodingų medžiagų, aplink save sukurdamas „pasyvių rūkalių“ žiedą, kuriam greitai atsiranda galvos skausmai, pykinimas, bendras negalavimas, o vėliau gali išsivystyti lėtinės ligos.

Pamokos pabaigoje atlieku frontalinę apklausą šiais klausimais:

Namų darbai: p.55-58, p.61 Nr.1, 2 pagal E. E. Nifantiev, L. A. Cvetkovos vadovėlį „Chemija 10-11“.

METODINĖS INSTRUKCIJOS

apie organinės chemijos kursą

« AROMATINIAI ANGLIANDENILIAI»

Rostovas prie Dono

Organinės chemijos kurso „Aromatiniai angliavandeniliai“ gairės. - Rostovas n/a: Rost. valstybė stato. un-t, 2007. - 12 p.

Pateikiamos teorinės nuostatos „Aromatiniai angliavandeniliai“. Pateikiamas aromatinių angliavandenilių apibrėžimas, taip pat „aromatiškumo“ sąvoka. Aprašyta benzeno molekulės sandara. Nagrinėjama aromatinių junginių, turinčių vieną benzeno žiedą, nomenklatūra ir izomerija. Pateikiami pagrindiniai arenų gavimo būdai, taip pat nagrinėjamos aromatinių angliavandenilių fizinės ir cheminės savybės.

Skirta I ir II kursų nuolatinių ir neakivaizdinių studijų studentams pagal PSM, ZChS, SSP, BTP ir AS specialybes.

Sudarė: Cand. chem. Mokslai, doc.

M.N. Mitskaja,

cand. chem. mokslai, asistentas.

E.A. Levinskaja

Recenzentas: Cand. chem. Mokslai, doc.

L.M. Astachovas

universitetas, 2007 m

Aromatiniai junginiai (arenos) - organiniai junginiai, turintys plokščią ciklinę struktūrą, kurioje visi anglies atomai sukuria vieną delokalizuotą π-elektronų sistemą, kurioje yra (4n + 2) π-elektronai.

Aromatiniams junginiams pirmiausia priskiriamas C6H6benzenas ir daugybė jo homologų bei darinių. Aromatinių junginių molekulėje gali būti vienas ar daugiau benzeno branduolių (daugiabranduolių aromatinių junginių). Bet mes apsvarstysime aromatinius junginius su vienu benzeno žiedu.

Benzeno molekulės struktūra

Benzeną M. Faradėjus 1825 metais atrado lengvose (kokso krosnies) dujose, o benzeno molekulės struktūra dažniausiai išreiškiama vokiečių chemiko A. Kekule (1865) pasiūlyta formule.

Remiantis šiuolaikinėmis koncepcijomis, benzeno molekulė turi plokščio šešiakampio struktūrą, kurios kraštinės yra lygios viena kitai ir yra 0,14 nm. Šis atstumas yra vidutiniškai nuo 0,154 nm (viengubo jungties ilgis) iki 0,134 nm (dvigubos jungties ilgis). Toje pačioje plokštumoje yra ne tik anglies atomai, bet ir šeši su jais susiję vandenilio atomai. H-C-C ir C-C-C jungčių suformuoti kampai yra 120°:

Visi anglies atomai benzeno molekulėje yra sp 2 hibridizacijos būsenoje. Kiekvienas iš jų yra sujungtas trimis hibridinėmis orbitalėmis su dviem tomis pačiomis dviejų gretimų anglies atomų orbitalėmis ir viena H atomo orbitale, sudarant tris σ ryšius (žr. pav.). Ketvirtoji, nehibridizuota anglies atomo 2p orbitalė, kurios ašis statmena benzeno žiedo plokštumai, persidengia su panašiomis dviejų gretimų anglies atomų, esančių dešinėje ir kairėje, orbitomis.

σ jungčių ir π ryšių susidarymo benzeno molekulėje schema

Šis sutapimas atsiranda aukščiau ir žemiau benzeno žiedo plokštumos. Dėl to susidaro viena uždara π-elektronų sistema. Dėl šio vienodo visų šešių anglies atomų 2p orbitalių persidengimo atsiranda viengubos ir dvigubos jungčių „išsilyginimas“, t.y. benzeno žiede nėra klasikinių dvigubų ir viengubų jungčių. Tolygus π-elektronų tankio pasiskirstymas tarp visų anglies atomų dėl π-elektronų delokalizacijos yra didelio benzeno molekulės stabilumo priežastis. Šiuo metu nėra vieno būdo grafiškai pavaizduoti benzeno molekulę, atsižvelgiant į tikrąsias jos savybes. Tačiau norint pabrėžti π-elektronų tankio vienodumą benzeno molekulėje, naudojamos šios formulės:

Tačiau reikia atsiminti, kad nė viena iš šių formulių neatitinka tikrosios molekulės fizinės būsenos ir juo labiau negali atspindėti visos jos savybių įvairovės. Kekule formulė šiuo metu yra tik benzeno molekulės simbolis. Tačiau jis plačiai naudojamas, nepamirštant ir trūkumų.

Tarp didžiulio organinių medžiagų arsenalo galima išskirti keletą junginių, kurių atradimą ir tyrimą lydėjo ilgus metus trukę moksliniai ginčai. Benzenas teisėtai priklauso jiems. Benzeno struktūra chemijoje galutinai priimta tik XX amžiaus pradžioje, o elementinė medžiagos sudėtis nustatyta jau 1825 m., išskiriant ją iš akmens anglių deguto, kuris buvo gautas kaip šalutinis anglių koksavimo produktas. .

Benzenas kartu su toluenu, antracenu, fenoliu, naftalenu šiuo metu priskiriamas aromatiniams angliavandeniliams. Mūsų straipsnyje apžvelgsime, kas yra šis angliavandenilis, išsiaiškinsime fizines savybes, pavyzdžiui, tokias kaip benzeno tirpumas, virimo temperatūra ir tankis, taip pat nurodysime junginio panaudojimo pramonėje ir žemės ūkyje sritis.

Kas yra arenos?

Organinių junginių chemija visas žinomas medžiagas suskirsto į kelias grupes, tokias kaip alkanai, alkinai, alkoholiai, aldehidai ir kt. Pagrindinis kiekvienos medžiagų klasės skiriamasis bruožas yra tam tikrų tipų jungčių buvimas. Sočiųjų angliavandenilių molekulėse yra tik sigma ryšys, etileno serijos medžiagose yra dvigubas ryšys, o alkinuose - trigubas ryšys. Kuriai klasei priklauso benzenas?

Benzeno struktūra rodo, kad jo molekulėje yra aromatinis žiedas, vadinamas benzeno žiedu. Visi organiniai junginiai, kurių molekulėse yra vienas ar daugiau šių žiedų, yra klasifikuojami kaip arenai (aromatiniai angliavandeniliai). Be benzeno, kurį dabar svarstome, į šią grupę įeina daug labai svarbių medžiagų, tokių kaip toluenas, anilinas, fenolis ir kt.

Kaip buvo išspręsta aromatinio angliavandenilio molekulės sandaros problema

Iš pradžių mokslininkai nustatė išreikšdami ją formule C 6 H 6, pagal kurią santykinė benzeno molekulinė masė yra 78. Tada buvo pasiūlyti keli struktūrinių formulių variantai, tačiau nė vienas neatitiko realių fizikinių ir cheminių savybių. benzeno, kurį chemikai pastebėjo atliekant laboratorinius eksperimentus.

Prireikė maždaug keturiasdešimties metų, kol vokiečių mokslininkas A. Kekulė pristatė savo benzeno molekulės turimos struktūrinės formulės versiją. Jame buvo trys dvigubos jungtys, rodančios galimą nesočiųjų angliavandenilio cheminių savybių pobūdį. Tai prieštarauja faktiniam C 6 H 6 formulės junginių sąveikos su kitomis medžiagomis, pavyzdžiui, bromu, nitrato rūgštimi, chloru, pobūdžiui.

Tik išsiaiškinus benzeno molekulės elektroninę konfigūraciją, jos struktūrinėje formulėje atsirado benzeno branduolio (žiedo) pavadinimas, o pats jis vis dar naudojamas organinės chemijos kursuose.

Elektroninė C6H6 molekulės konfigūracija

Kokia yra benzeno erdvinė struktūra? Benzeno struktūra galutinai patvirtinta dviejų reakcijų dėka: acetileno trimerizacija susidarant benzenui ir jo redukcija vandeniliu iki cikloheksano. Paaiškėjo, kad anglies atomai, susijungę vienas su kitu, sudaro plokščią šešiakampį ir yra sp 2 hibridizacijos būsenoje, naudojant tris iš keturių savo valentinių elektronų ryšį su kitais atomais.

Likę šeši laisvieji p-elektronai yra statmenai molekulės plokštumai. Persidengę vienas kitą, jie sudaro bendrą elektronų debesį, vadinamą benzeno branduoliu.

Pusantros cheminės jungties prigimtis

Gerai žinoma, kad fizinės ir cheminės junginių savybės pirmiausia priklauso nuo jų vidinės struktūros ir cheminių ryšių, atsirandančių tarp atomų, tipų. Atsižvelgdami į benzeno elektroninę struktūrą, galime daryti išvadą, kad jo molekulė neturi nei viengubų, nei dvigubų jungčių, o tai matyti iš Kekulės formulės. Priešingai, visi cheminiai ryšiai tarp anglies atomų yra lygiaverčiai. Be to, bendras π-elektronų debesis (iš visų šešių C atomų) sudaro cheminio tipo ryšį, vadinamą pusantro arba aromatiniu. Būtent šis faktas lemia specifines benzeno žiedo savybes ir dėl to aromatinių angliavandenilių cheminės sąveikos su kitomis medžiagomis pobūdį.

Fizinės savybės

Kai temperatūra nukrenta, skystis pereina į kietą fazę, o benzenas virsta balta kristaline mase. Lengvai tirpsta 5,5°C temperatūroje. Įprastomis sąlygomis medžiaga yra bespalvis skystis, turintis savitą kvapą. Jo virimo temperatūra yra 80,1 °C.

Benzeno tankis kinta priklausomai nuo temperatūros. Kuo aukštesnė temperatūra, tuo mažesnis tankis. Pateikime keletą pavyzdžių. Esant 10 ° temperatūrai, tankis yra 0,8884 g / ml, o esant 20 ° - 0,8786 g / ml. Benzeno molekulės yra nepolinės, todėl medžiaga netirpi vandenyje. Tačiau pats junginys tinka, pavyzdžiui, riebalams.

Benzeno cheminių savybių ypatumai

Eksperimentiškai nustatyta, kad aromatinis benzeno žiedas yra stabilus; pasižymi dideliu atsparumu plyšimui. Šis faktas paaiškina medžiagos polinkį į pakeitimo reakcijas, pavyzdžiui, su chloru normaliomis sąlygomis, su bromu, su nitrato rūgštimi, esant katalizatoriui. Reikėtų pažymėti didelį benzeno atsparumą oksiduojančių medžiagų, tokių kaip kalio permanganatas ir bromo vanduo, poveikiui. Tai dar kartą patvirtina, kad areno molekulėje nėra dvigubų jungčių. Kietoji oksidacija, kitaip vadinama degimu, būdinga visiems aromatiniams angliavandeniliams. Kadangi anglies procentas C 6 H 6 molekulėje yra didelis, benzeno degimą lydi dūminė liepsna ir susidaro suodžių dalelės. Reakcijos metu susidaro anglies dioksidas ir vanduo. Įdomus klausimas: ar aromatinis angliavandenilis gali patekti į adityvines reakcijas? Panagrinėkime tai išsamiau.

Prie ko atsiranda benzeno branduolio lūžimas?

Prisiminkite, kad areno molekulėse yra pusantros jungties, atsirandančios dėl šešių anglies atomų p-elektronų persidengimo. Tai yra benzeno branduolio pagrindas. Norint jį sunaikinti ir atlikti sudėjimo reakciją, reikalingos kelios specialios sąlygos, pvz., šviesos švitinimas, aukšta temperatūra ir slėgis bei katalizatoriai. Veikiant ultravioletinei spinduliuotei, benzeno ir chloro mišinys patenka į sudėjimo reakciją. Šios sąveikos produktas bus heksachlorcikloheksanas, toksiška kristalinė medžiaga, naudojama žemės ūkyje kaip insekticidas. Heksachlorano molekulėje nebėra benzeno žiedo, jo plyšimo vietoje buvo pridėti šeši chloro atomai.

Benzeno praktinio taikymo sritys

Įvairiose pramonės šakose medžiaga plačiai naudojama kaip tirpiklis, taip pat žaliava tolesnei lakų, plastikų, dažiklių gamybai, kaip priedas prie variklių kuro. Benzeno dariniai ir jo homologai turi dar platesnį pritaikymo spektrą. Pavyzdžiui, nitrobenzenas C 6 H 5 NO 2 yra pagrindinis reagentas anilino gamybai. Dėl to heksachlorbenzenas gaunamas naudojant chlorą, kai katalizatorius yra aliuminio chloridas. Jis naudojamas sėkloms apdoroti prieš sėją, taip pat naudojamas medienos apdirbimo pramonėje, siekiant apsaugoti medieną nuo kenkėjų. Nitruojant benzeno homologą (tolueną) susidaro sprogmuo, žinomas kaip TNT arba tol.

Šiame straipsnyje aptarėme tokias aromatinio junginio savybes kaip sudėjimo ir pakeitimo reakcijos, benzeno degimas, taip pat nustatėme jo taikymo sritis pramonėje ir žemės ūkyje.