Формула бензола в химии

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 двумя тройными связями не могла объяснить то, что бензол не вступает в реакции присоединения. Как уже было сказано выше, по современным представлениям, двойные связи в молекуле постоянно перемещают, поэтому правильнее рисовать их в виде кольца.

За счет чередования двойных связей в молекуле бензола формируется сопряжение. Все атомы углерода находятся в состоянии sp2 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.

• Дегидроциклизация алканов

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.

• Дегидрирование циклоалканов

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

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.

• Гидрирование

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

• Галогенирование

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, CH 2R, 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.

• Нитрование

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

• Алкилирование

Алкилирование аренов осуществляется путем введения алкильного радикала в молекулу бензола. Алкильным радикалом чаще всего выступает алкен или галогеналкан. 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.

• Окисление

Арены, как и все органические вещества, сгорают с образованием углекислого газа и воды. 2C6H6 + 15O2 → 12CO2 + 6H2O 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.

• Полимеризация

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

Источник: https://studarium.ru/article/186

Арены — номенклатура, получение, химические свойства

Ароматические углеводороды – соединения углерода и водорода, в молекуле которых имеется бензольное кольцо. Важнейшими представителями ароматических углеводородов являются бензол и его гомологи – продукты замещения одного или более атомов водорода в молекуле бензола на углеводородные остатки.

Строение молекулы бензола

Первое ароматическое соединение – бензол – было открыто в 1825 г. М. Фарадеем. Была установлена его молекулярная формула – С6Н6.

Если сравнить его состав с составом предельного углеводорода, содержащего такое же количество атомов углерода, — гексаном (С6Н14), то можно заметить, что бензол содержит на восемь атомов водорода меньше.

Как известно, к уменьшению количества атомов водорода в молекуле углеводорода приводит появление кратных связей и циклов. В 1865 г. Ф. Кекуле предложил его структурную формулу как циклогексантриена – 1, 3, 5.

            Таким образом, молекула, соответствующая формуле Кекуле, содержит двойные связи, следовательно, бензол должен иметь ненасыщенный характер, т. е. легко вступать в реакции присоединения: гидрирования, бромирования, гидратации и т. д.

Однако данные многочисленных экспериментов показали, что бензол вступает в реакции присоединения только в жестких условиях (при высоких температурах и освещении), устойчив к окислению. Наиболее характерными для него являются реакции замещения, следовательно, бензол по характеру ближе к придельным углеводородам.

Пытаясь объяснить эти несоответствия, многие ученые предлагали различные варианты структуры бензол. Окончательно строение молекулы бензола было подтверждено реакцией его образования из ацетилена. В действительности углерод — углеродные связи в бензоле равноценны, и их свойства не похожи на свойства ни одинарных, ни двойных связей.

В настоящее время бензол обозначают или формулой Кекуле, или шестиугольником, в котором изображают окружность.

Так в чем же особенность структуры бензола? На основании данных исследователей и расчетов сделан вывод о том, что все шесть углеродных атомов находятся в состоянии sp2-гибридизации и лежат в одной плоскости. Негибридизированные p-орбитали атомов углерода, составляющие двойные связи (формула Кекуле), перпендикулярны плоскости кольца и параллельны друг другу.

Они перекрываются между собой, образуя единую π-систему. Таким образом, система чередующихся двойных связей, изображенных в формуле Кекуле, является циклической системой сопряженных, перекрывающихся между собой -связей. Эта система представляет собой две тороидальные (похожие на бублик) области электронной плотности, лежащие по обе стороны бензольного кольца.

Так, изображать бензол в виде правильного шестиугольника с окружностью в центре ( π -система) более логично, чем в виде циклогексатриена-1,3,5.

Американский ученый Л. Полинг предложил представлять бензол в виде двух граничных структур, отличающихся распределением электронной плотности и постоянно переходящих друг в друга, т. е. считать его промежуточным соединением, «усреднением» двух структур.

Данные измерения длин связей подтверждают эти предположения. Выяснено, что все С—С связи в бензоле имеют одинаковую длину (0,139 нм). Они несколько короче одинарных С—С связей (0,154 нм) и длиннее двойных (0,132 нм).

• Существуют также соединения, молекулы которых содержат несколько циклических структур.
• 
• Изомерия и номенклатура
• Для гомологов бензола характерна изомерия положения нескольких заместителей. Простейший гомолог бензола — толуол (метилбензол) — не имеет таких изомеров; следующий гомолог представлен в виде четырех изомеров:
• 
  Основой названия ароматического углеводорода с небольшими заместителями является слово бензол. Атомы в ароматическом кольце нумеруют, начиная от старшего заместителя к младшему:
• 
  По старой номенклатуре положения 2 и 6 называют ортоположениями, 4 — пара-, а 3 и 5 — метаположениями.

Физические свойства
Бензол и его простейшие гомологи в обычных условиях весьма токсичные жидкости с характерным неприятным запахом. Они плохо растворяются в воде, но хорошо — в органических растворителях.

Реакции замещения.  Ароматические углеводороды вступают в реакции замещения.
1. Бромирование. При реакции с бромом в присутствии катализатора, бромида железа (ΙΙΙ), один из атомов водорода в бензольном кольце может замещаться на атом брома:

2. Нитрирование бензола и его гомологов. При взаимодействии ароматического углеводорода с азотной кислотой в присутствии серной (смесь серной и азотной кислот называют нитрующей смесью)  происходит замещение атома водорода на нитрогруппу —NO2:

1. 
2. Восстановлением образовавшегося в этой реакции нитробензола получают анилин — вещество, которое применяется для получения анилиновых красителей:
3. 

Эта реакция носит имя  русского химика Зинина.
Реакции присоединения. Ароматические соединения могут вступать и в реакции присоединения к бензольному кольцу. При этом образуются циклогексан или его производные.
1. Гидрирование. Каталитическое гидрирование бензола протекает при более высокой температуре, чем гидрирование алкенов:

2. Хлорирование. Реакция идет при освещении ультрафиолетовым светом и является свободнорадикальной:

• Состав их молекул отвечает формуле СnH2n-6. Ближайшие гомологи бензола:

Все следующие за толуолом гомологи бензола имеют изомеры. Изомерия может быть связана как с числом и строением заместителя (1, 2), так и с положением заместителя в бензольном кольце (2, 3, 4). Соединения общей формулы С8Н10:

По старой номенклатуре, употребляемой для указания относительного расположения двух одинаковых или разных заместителей в бензольном кольце, используют приставки орто—  (сокращенно о-) – заместители расположены у соседних атомов углерода, мета- (м-) – через один атом углерода и пара— (п-) – заместители друг против друга.
Первые члены гомологического ряда бензола – жидкости со специфическим запахом. Они легче воды. Являются хорошими  растворителями.

1. Гомологи бензола вступают в реакции замещения (бромирование, нитрирование).  Толуол окисляется перманганатом при нагревании:
2. Гомологи  бензола  используются как растворители, для получения красителей, средств для защиты растений, пластмасс, лекарств.
3. Дополнительно Арены — номенклатура, получение, химические свойства

Источник: http://himege.ru/areny-nomenklatura-poluchenie-ximicheskie-svojstva/

Ароматические углеводороды. Бензол и его гомологи

Ароматические углеводороды (арены) — вещества, в молекулах которых содержится одно или несколько бензольных колец — циклических групп атомов углерода с особым характером связей. Гомологический ряд CnH2n-6.

Понятие «бензольное кольцо» сразу требует расшифровки. Для этого необходимо хотя бы коротко рассмотреть строение молекулы бензола. Первая структура бензола была предложена в 1865 г. немецким ученым А. Кекуле:

К наиболее важным ароматическим углеводородам относятся бензол С6Н6 и его гомологи : толуол С6Н5СНз, ксилол С6Н4(СНз)2 и др.; нафталин C10H8, антрацен С14Н10 и их производные.

Атомы углерода в молекуле бензола образуют правильный плоский шестиугольник, хотя обычно его рисуют вытянутым.

Окончательно строение молекулы бензола подтверждено реакцией образования его из ацетилена. В структурной формуле изображается по три одинарных и три двойных чередующихся углерод-углеродных связей.

Но такое изображение не передает истинного строения молекулы. В действительности углерод-углеродные связи в бензоле равноценны, и они обладают свойствами, не похожими на свойства ни одинарных, ни двойных связей.

Эти особенности объясняются электронным строением молекулы бензола.

Электронное строение бензола

Каждый атом углерода в молекуле бензола находится в состоянии sp2-гибридизации. Он связан с двумя соседними атомами углерода и атомом водорода тремя σ-связями.

В результате образуется плоский шестиугольник: все шесть атомов углерода и все σ-связи С-С и С-Н лежат в одной плоскости.

Электронное облако четвертого электрона (р-электрона), не участвующего в гибридизации, имеет форму гантели и ориентировано перпендикулярно к плоскости бензольного кольца. Такие р-электронные облака соседних атомов углерода перекрываются над и под плоскостью кольца.

В результате шесть р-электронов образуют общее электронное облако и единую химическую связь для всех атомов углерода. Две области большой электронной плоскости расположены по обе стороны плоскости σ-связей.

p-Электронное облако обусловливает сокращение расстояния между атомами углерода. В молекуле бензола они одинаковы и равны 0,14 нм. В случае простой и двойной связи эти расстояния составили бы соответственно 0,154 и 0,134 нм. Значит, в молекуле бензола нет простых и двойных связей.

Молекула бензола — устойчивый шестичленный цикл из одинаковых СН-групп, лежащих в одной плоскости. Все связи между атомами углерода в бензоле равноценны, чем и обусловлены характерные свойства бензольного ядра. Наиболее точно это отражает структурная формула бензола в виде правильного шестиугольника с окружностью внутри (I).

(Окружность символизирует равноценность связей между атомами углерода.) Однако часто пользуются и формулой Кекуле с указанием двойных связей (II):

Бензольное ядро обладает определенной совокупностью свойств, которую принято называть ароматичностью.

Гомологический ряд, изомерия, номенклатура

Условно арены можно разделить на два ряда. К первому относят производные бензола (например, толуол или дифенил), ко второму — конденсированные (полиядерные) арены (простейший из них — нафталин):

Гомологический ряд бензола имеет общую формулу СnН2n-6. Гомологи можно рассматривать как производные бензола, в котором один или несколько атомов водорода замещены различными углеводородными радикалами. Например, С6Н5-СН3 — метилбензол или толуол, С6Н4(СН3)2 — диметилбензол или ксилол, С6Н5—С2Н5 — этилбензол и т.д.

Так как в бензоле все углеродные атомы равноценны, то у первого его гомолога — толуола — изомеры отсутствуют. У второго гомолога — диметилбензола — имеются три изомера, отличающиеся взаимным расположением метильных групп (заместителей).

Это орто- (сокращенно о-), или 1,2-изомер, в нем заместители находятся у соседних атомов углерода. Если заместители разделены одним атомом углерода, то это мета- (сокращенно м-) или 1,3-изомер, а если они разделены двумя атомами углерода, то это пара- (сокращенно п-) или 1,4-изомер.

В названиях заместители обозначаются буквами (о-, м-, п-) или цифра­ми.

Физические свойства

Первые члены гомологического ряда бензола — бесцветные жидкости со специфическим запахом. Плотность их меньше 1 (легче воды). В воде нерастворимы. Бензол и его гомологи сами являются хорошими растворителями для многих органических веществ. Арены горят коптящим пламенем ввиду высокого содержания углерода в их молекулах.

Химические свойства

Ароматичность определяет химические свойства бензола и его гомологов. Шестиэлектронная π-система является более устойчивой, чем обычные двухэлектронные π-связи.

Поэтому реакции присоединения менее характерны для ароматических углеводородов, чем для непредельных углеводородов. Наиболее характерными для аренов являются реакции замещения.

Таким образом, ароматические углеводороды по своим химическим свойствам занимают промежуточное положение между предельными и непредельными углеводородами.

I. Реакции замещения

1. Галогенирование (с Cl2, Вr2)

Алкилирование бензола происходит также при его взаимодействии с алкенами:

Дегидрированием этилбензола получают стирол (винилбензол):

II. Реакции присоединения

1. Гидрирование

2С6Н6 + 15O2 → 12СO2 + 6Н2O

2. Окисление под действием КМnO4, К2Сr2O7, HNO3 и др

Не происходит химической реакции (сходство с алканами).

Свойства гомологов бензола

В гомологах бензола различают ядро и боковую цепь (алкильные радикалы). По химическим свойствам алкильные радикалы подобны алканам; влияние бензольного ядра на них проявляется в том, что в реакциях замещения всегда участвуют атомы водорода у атома углерода, непосредственно связанного с бензольным ядром, а также в более легкой окисляемости С-Н связей.

Влияние электронодонорного алкильного радикала (например, -СН3) на бензольное ядро проявляется в повышении эффективных отрицательных зарядов на атомах углерода в орто- и пара-положениях; в результате облегчается замещение связанных с ними атомов водорода. Поэтому гомологи бензола могут образовывать тризамещенные продукты (а бензол обычно образует монозамещенные производные).

I. Реакции с участием боковой цепи

1. Галогенирование

При избытке галогена:

2. Нитрование

См. «Циклоалканы»

3. Дегидроциклизация гексана

См. «Алканы»

4. Тримеризация ацетилена

См. «Алкины»

Способы получения гомологов бензола

1. Алкилирование бензола по Фриделю — Крафтсу

Кроме одноядерных ароматических углеводородов, к которым относятся бензол и его гомологи, существуют также многоядерные арены; например:

Источник: http://examchemistry.com/content/lesson/orgveshestva/areny.html

Ароматические углеводороды (Арены)

АРЕНЫ (АрУ)– карбоциклические соединения, содержащие в молекуле специфическую систему чередующихся двойных и одинарных связей (сопряженных π-связей).

Общая формула CnH2n-6

Ароматические углеводороды (Арены) являются ненасыщенными циклическими соединениями и представлены в нефтях следующими углеводородами:

1. моноциклическими (бензольными) – СnНn;
2. бициклическими (нафталиновыми) – СnНn-2;
3. трициклическими (антраценовыми) – СnНn-4
4. тетрациклическими (пиреновыми) – СnНn-6.

В основном все они представлены алкилпроизводными изомерами и содержатся во фракциях нефти в соответствии с их температурами кипения.

В среднем для нефтей характерно следующее соотношение этих групп  углеводородов: 

• бензольные – 67%, 
• нафталиновые – 18%,
• фенантреновые – 8%,
• пиреновые – 5%,
• прочие – 2%.

Строение

Основой названия ароматического углеводорода с небольшим заместителем является бензол. Атомы в ароматическом кольце нумеруют, начиная от старшего заместителя к младшему по кратчайшему пути.

• 
• Строение аренонов представлено бензолом и его гомологами – продуктами замещения одного или более атомов водорода в молекуле бензола на углеводородные остатки.
• Гомологи – вещества, относящиеся к одному классу соединений, имеющие сходные химические свойства и отличающиеся на одну или несколько СН2 групп.

Арены: бензол и его гомологи

Существуют также соединения, молекулы которых содержат несколько циклических структур:

Циклические молекулы

Изомеры

Для гомологов бензола характерна изомерия положения нескольких заместителей.

Изомеры

Свойства

Физические

К характерным свойствам следует отнести:

1. высокую плотность (880 – 900 кг/м3),
2. большой показатель преломления (1,5 – 1,55)
3. минимальное соотношение Н:С (5 – 8 %), т.е. низкие энергетические свойства.

Кстати, прочтите эту статью тоже:  Синтез-газ

Физические свойства ароматических углеводородов существенно зависят от числа, места и молекулярной массы боковых заместителей и числа циклов. Такое резкое отличие их свойств часто используют для разделения этих углеводородов физическими методами.

Бензол и его простейшие гомологи в обычных условиях – токсичные жидкости с характерным запахом. Они плохо растворяются в воде, но хорошо  в органических растворителях.

Все арены горят коптящим пламенем ввиду высокого содержания углерода в их молекулах.

Химические

Для аренов наиболее характерны реакции электрофильного замещения –

• галогенирование,
• нитрование,
• сульфирование,
• алкилирование (получение хлорбензола, нитробензола, этилбензола др. соединений).

При высоких парциальных давлениях водорода в присутствии катализаторов арены насыщаются до нафтенов.

Получение

Ароматические углеводороды нефтяного происхождения (содержащиеся в природной нефти и образующиеся во вторичных процессах термокаталитической переработки фракций нефти) являются основным исходным сырьем для огромного числа нефтехимических производств получения ценных продуктов.

Из общего производства аренов в мире 29 млн. т/г. (2005-е годы) 87-92% вырабатывалось из нефти.

Применение

1. Бензол в основном идет на производство этилбензола, из которого каталитическим дегидрированием при 600 °С получают стирол – исходный мономер для производства каучуков и ценных полимеров:
2. Для производства других ценных продуктов – фенола и ацетона пользуют кумол (изопропилбензол), который окисляют в пероксид, разложением которого кислотой получают фенол и ацетон.
3. Из кумола каталитическим дегидрированием получают такой ценный мономер для производства каучуков, как α-метилстирол.

Кстати, прочтите эту статью тоже:  Асфальт

Значение АрУ в нефтепродуктах различно. Так, в бензинах присутствие (до 30% масс.) желательно и необходимо, так как придает бензинам хорошие моторные свойства – повышает детонационную стойкость. С этой целью в товарные бензины часто добавляют толуол или ксилолы.

В авиационных керосинах содержание АрУ ограничивают (в зависимости от марки топлива) 10-20% масс. из-за их низкой теплоты сгорания и способности давать нагар в двигателе сгорании. Допустимое количество АрУ обусловлено необходимостью иметь авиакеросины с повышенной плотностью.

В дизельных топливах содержание АрУ ограничивают из-за их нагарообразующих свойств и плохой воспламеняемости является очень важной характеристикой этих топлив.

В маслах высокомолекулярные и алкилсодержащие  АрУ с боковыми цепями изомерного строения –  нежелательный  компонент,  так  как они  ухудшают вязкостно-температурную характеристику масел (индекс вязкости) и обусловливают образование лаково-смолистых отложений на трущихся поверхностях. АрУ удаляют из масел в процессе очистки масляных дистиллятов и деасфальтизатов.

Остаются в маслах лишь АрУ с длинными боковыми цепями и “гибридные” полициклические углеводороды, в которых преобладают   насыщенные циклы, поскольку свойства углеводородов приближаются соответственно к свойствам алканов и цикланов.

Распределение по фракциям нефти

Распределение АрУ по фракциям нефтей зависит от степени ароматизированности нефти, выражающейся в ее плотности.

• В легких нефтях, богатых алканами, АрУ представлены в основном легкими моно- и бициклическими, и их общее содержание максимально в начальных фракциях и снижается к более высококипящим. 
• В нефтях средней плотности, богатых нафтеновыми углеводородами, распределение АрУ более равномерно, а в тяжелых смолистых нефтях картина обратная: содержание АрУ в низкокипящих фракциях невелико и нарастает в высококипящих.
• В бензиновых фракциях нефти (30-200 °С) содержатся в основном бензольные АрУ (С6-C9).
• В керосиновых фракциях (150-300 °С) кроме бензольных присутствуют нафталиновые АрУ (С10-С16), а в тяжелых дистиллятных фракциях (350-500 °С) – главным образом нафталиновые и антраценовые.
• В остатках нефти (выше 500 °С) концентрируются полицик­лические АрУ с числом циклов от трех до семи, причем “чистые” АрУ здесь уступают место “гибридным”, сочетающим в себе насыщенные и ненасыщенные циклы.

Кстати, прочтите эту статью тоже:  Себестоимость добычи нефти

Простейшие из них (индан, тетралин, флуорен и другие би- и трициклические соединения) содержатся в керосино-газойлевых фракциях нефти (150 – 350оС).  

Гибридные соединения

В «гибридных» соединениях ароматические циклы имеют обычно метильные заместители, а нафтеновые – более длинные боковые цепи.

В остальных фракциях нефти (выше 500оС) и особенно в составе смол и асфальтенов концентрируются полициклические АрУ с числом циклов 4 и более, такие как пирен, хризен, бенз-α-пирен и другие, являющиеся канцерогенными веществами.

Cодержание аренов в нефтях России

Общее содержание аренов в нефтях России (с учетом «гибридных») составляет 35 – 40 % – для тяжелых нафтено – ароматических нефтей и около 20 % – для высокопарафинистых.

Источник: https://pronpz.ru/neft/areny.html

История развития представлений о строении бензола. Понятие об ароматичности. Видеоурок. Химия 10 Класс

На данном уроке будет рассмотрена тема «История развития представлений о строении бензола. Понятие об ароматичности». Вы узнаете, как с течением времени менялись представления о строении бензола. Вы познакомитесь с новым понятием – ароматичность.

• Тема: Ароматические углеводороды
• Урок: История развития представлений о строении бензола. Понятие об ароматичности
• История представлений о строении бензола
• C6H6 бензол.
• СnH2n–6общая формула аренов (ароматических углеводородов).
• Изомеров такого состава может быть очень много. Например:

· Все возможные структурные формулы включают в себя либо двойные и тройные связи, либо трехчленные циклы. Такие соединения легко вступают в реакции присоединения и окисления. Но бензол не проявляет таких свойств.

· У бензола нет различий между двойными и простыми связями (существует только один 1,2-диметилбензол).

1865 г. – Август Кекуле (Рис. 1) предположил, что атомы углерода могут замыкаться в цикл.

Рис. 1.

1872 г. – Кекуле предложил гипотезу, согласно которой в бензольном кольце происходит непрерывный обмен местами простых и двойных связей:

Современные представления о строении бензола

Появление физических методов анализа веществ и квантовомеханических подходов к описанию молекул позволило установить, что атомы углерода в молекуле бензола составляют плоский правильный шестиугольник; связи между всеми атомами углерода имеют равную длину – 0,14 нм, которая больше, чем длина двойной связи (0,132 нм), но меньше, чем длина простой связи (0,154 нм). Рис. 2.

 или

Рис. 2. Молекула бензола

Так изображают структурную формулу бензола.

Все атомы углерода находятся в состоянии sp2-гибридизации. Рис. 2. Шесть π-электронов образуют общее электронное облако, которое принадлежит всем шести атомам углерода:

Рис. 3. Образование связей в молекуле бензола

Ароматичность

Прочность связи между атомами углерода в цикле должна быть промежуточной между прочностью двойной и одинарной связи. Но связь между атомами С в бензольном кольце оказывается значительно прочнее! Поэтому соединения ряда бензола не вступают во многие реакции, характерные для непредельных соединений.

Ароматичность – способность циклической молекулы с системой сопряженных двойных связей образовывать единое p-электронное облако с увеличением стабильности молекулы.

На основе квантовомеханических расчетов Э. Хюккель сформулировал критерии ароматичности:

1. Молекула (или ее часть) должна быть циклической и плоской.

2. Она должна содержать сопряженные p-электроны. Это могут быть электроны двойных связей или неподеленных электронных пар атомов.

1. 3. Число p-электронов должно быть равным 4n + 2, где n = 0,1,2… (правило Хюккеля)
2. Примеры ароматических соединений:
3. Бензол – плоская циклическая система, содержащая 6 p-электронов (n = 1).

Нафталин (n = 2)	антрацен (n = 3)

• Пиррол – гетероцикл, каждый атом углерода которого вносит в ароматическую систему по одному p-электрону, а атом азота – неподеленную электронную пару (n = 1):
• Пиридин – гетероцикл, каждый атом которого (и атомы углерода, и атом азота) вносит в ароматическую систему по одному p-электрону, а неподеленная пара азота в сопряжении не участвует:
• В сопряжении может участвовать и пустая пи-орбиталь. Таким образом, ароматичными могут быть и заряженные частицы, например циклопропенилий-катион

(n = 0):
циклопентадиенилий-анион (n = 1):
циклогептатриенилий-катион (тропилий-катион):

Получение и химические свойства этих соединений будут рассмотрены на дальнейших уроках.

Подведение итога урока

На этом уроке вы изучили тему «История развития представлений о строении бензола. Понятие об ароматичности». Вы узнали, как с течением времени менялись представления о строении бензола, познакомились с новым понятием – ароматичность.

Список литературы

1. Рудзитис Г.Е. Химия. Основы общей химии. 10 класс: учебник для общеобразовательных учреждений: базовый уровень / Г. Е. Рудзитис, Ф.Г. Фельдман. – 14-е издание. – М.: Просвещение, 2012.

2. Химия. 10 класс. Профильный уровень: учеб. для общеобразоват. учреждений/ В.В. Еремин, Н.Е. Кузьменко, В.В. Лунин и др. – М.: Дрофа, 2008. – 463 с.

3. Химия. 11 класс. Профильный уровень: учеб. для общеобразоват. учреждений/ В.В. Еремин, Н.Е. Кузьменко, В.В. Лунин и др. – М.: Дрофа, 2010. – 462 с.

4. Хомченко Г.П., Хомченко И.Г. Сборник задач по химии для поступающих в вузы. – 4-е изд. – М.: РИА «Новая волна»: Издатель Умеренков, 2012. – 278 с.

Дополнительные рекомендованные ссылки на ресурсы сети Интернет

1. Органическая химия (Источник).

2. Химик (Источник).

Домашнее задание

2. Почему при изображении структурной формулы бензола не следует указывать двойные связи?

3. Как образуются химические связи в молекуле бензола?

Источник: https://interneturok.ru/lesson/chemistry/10-klass/aromaticheskie-uglevodorody/istoriya-razvitiya-predstavleniy-o-stroenii-benzola-ponyatie-ob-aromatichnosti

Строение бензола | Химия онлайн

• Современная теория строения молекулы бензола базируется на представлении о гибридизации орбиталей атома углерода.
• Учебный фильм «Строение молекулы бензола»
• Согласно этой теории, атомы углерода в бензоле находятся в состоянии sp2-гибридизации.

Каждый атом углерода образует три σ-связи (две с атомами углерода и одну – с атомом водорода). Валентные углы между каждой парой σ-связей равны 120°. Таким образом, все шесть атомов углерода и все σ-связи С-С и С-лежат в одной плоскости, образуя правильный шестиугольник (σ-скелет молекулы бензола).

                          

Каждый атом углерода имеет одну негибридную р-орбиталь. Шесть таких орбиталей располагаются перпендикулярно плоскому σ-скелету и параллельно друг другу. Все шесть р-электронов взаимодействуют между собой, образуя π-связи, не локализованные в пары, как при образовании обычных двойных связей, а образующие единое π-электронное облако и единую химическую связь для всех атомов углерода.

Таким образом, в молекуле бензола осуществляется круговое сопряжение, образуется единая сопряженная π-система. Наибольшая π-электронная плотность в этой сопряженной системе располагается над и под плоскостью σ-скелета.

1. Сочетание шести σ-связей с единой π-системой называется ароматической связью.
2. Цикл из шести атомов углерода, связанных ароматической связью, называется бензольным кольцом, или бензольным ядром.
3. 
4. π-Электронное облако обусловливает сокращение расстояния между атомами углерода.

Все связи С-С в бензоле равноценны, их длина равна 0,140 нм, что соответствует промежуточному значению между длиной простой связи (0,154 нм) и двойной (0,134 нм). Это означает, что в молекуле бензола нет чередования простых и двойных связей, а существует особая связь – «полуторная» – промежуточная между простой и двойной, так называемая ароматическая связь.

Поэтому структурную формулу бензола изображают в виде правильного шестиугольника (σ-скелет) с окружностью внутри, обозначающего делокализованные π-связи.

Такое электронное строение объясняет все особенности бензола. Становится понятно, почему бензол трудно вступает в реакции присоединения – это приводит к нарушению сопряжения. Такие реакции возможны только в очень жестких условиях.

• Таким образом, наряду с формулой Кекуле используется формула бензола, где обобщенное электронное облако изображают замкнутой линией внутри кольца.
• 
• Ароматические углеводороды (арены)

Источник: https://himija-online.ru/organicheskaya-ximiya/areny/stroenie-benzola.html

Бензол

Бензол, органическое соединение C6H6, простейший ароматический углеводород; подвижная бесцветная летучая жидкость со своеобразным нерезким запахом; tnл 5,5°C; tkип 80,1°С; плотность 879,1 кг/м3 (0,8791 г/см3) при 20°С; n20D 1,5011.

С воздухом в объёмной концентрации 1,5—8% бензол образует взрывоопасные смеси. Бензол смешивается во всех соотношениях с эфиром, бензином и др.

органическими растворителями; в 100 г бензола при 26°С растворяется 0,054 г воды; с водой образует азеотропную (постоянно кипящую) смесь (91,2% бензола по массе) с tkип 69,25°С.

  Бензол открыт М. Фарадеем. (1825), который выделил его из жидкого конденсата светильного газа; в чистом виде бензол получен в 1833 Э. Мичерлихом, сухой перегонкой кальциевой соли бензойной кислоты (отсюда название).

  В 1865 Ф. А. Кекуле предложил для бензола формулу строения I, соответствующую циклогексатриену — замкнутую цепь из 6 атомов углерода с чередующимися простыми и двойными связями. Формулой Кекуле довольно широко пользуются, хотя накоплено много фактов, свидетельствующих о том, что бензол не обладает строением циклогексатриена.

Так, давно установлено, что орто-дизамещённые бензолы (например, 1,2 и 1,6) существуют лишь в одной форме, тогда как формула Кекуле допускает изомерию таких соединений (заместители у атомов углерода, связанных простой или двойной связью). В 1872 Кекуле дополнительно ввёл гипотезу о том, что связи в бензоле постоянно и очень быстро перемещаются, осциллируют. Были предложены и др.

формулы строения бензола, однако они не получили признания.

  Химические свойства бензола формально в некоторой степени соответствуют формуле (1). Так, в определённых условиях к молекуле бензола присоединяются 3 молекулы хлора или 3 молекулы водорода; бензол образуется при конденсации 3 молекул ацетилена.

Однако для бензола характерны в основном не реакции присоединения, типичные для ненасыщенных соединений, а реакции электрофильного замещения. Кроме того, бензольное ядро очень устойчиво к действию окислителей, например перманганата калия, что также противоречит наличию в бензоле локализованных двойных связей.

Особые, т. н. ароматические, свойства бензола объясняются тем, что все связи в его молекуле выравнены, т. е. расстояния между соседними атомами углерода одинаковы и равны 0,14 нм (1,40 ), длина простой связи С—С 0,154 нм (1,54 ) и двойной С = С 0,132 нм (1,32 ). Молекула бензола имеет ось симметрии шестого порядка; для бензола как ароматического соединения характерно наличие секстета p-электронов, образующих единую замкнутую устойчивую электронную систему. Однако до сих пор нет общепринятой формулы, отражающей его строение; часто используют формулу II.

  Бензол содержится в продуктах сухой перегонки каменного угля (коксовом газе) и небольшое количество — в коксовой смоле. Значительные количества бензола получают также каталитической циклизацией алифатических углеводородов нефти (см. Ароматизация нефтепродуктов). Бензол — важнейшее сырьё химической промышленности.

При действии азотной кислоты на бензол образуется нитробензол С6Н5NО2, который может быть восстановлен в анилин C6H5NH2 — исходный продукт в производстве многих красителей. При взаимодействии бензола с серной кислотой получается бензолсульфокислота C6H5SO2OH, щелочное плавление солей которой — один из основных методов производства фенола.

При алкилировании бензола этиленом в присутствии хлористого алюминия получается этилбензол, каталитическое дегидрирование которого представляет собой основной способ производства стирола C6H5CH=CH2. Аналогично из бензола и пропилена образуется изопропилбензол C6H5CH (CH3)2 — исходный продукт для получения фенола и ацетона в промышленном масштабе.

При каталитическом гидрировании бензол превращается в циклогексан — исходный продукт в одном из способов производства капролактама, полимеризацией которого получают синтетическое волокно «капрон».

При облучении бензола присоединяет 3 моля хлора с образованием смеси стереоизомерных гексахлорциклогексанов, один из которых (гексахлоран) обладает сильными инсектицидными свойствами. Бензол применяют в производстве взрывчатых веществ, а также как растворитель и экстрагирующее средство в производстве лаков, красок и др.

  Лит.: Неницеску К. Д., Органическая химия, пер. с рум., т. 1, М., 1962, с. 304, 323.

  Я. Ф. Комиссаров.

  Действие на организм. Бензол может вызывать острые и хронические отравления. Проникает в организм главным образом через органы дыхания, может всасываться и через неповрежденную кожу. Предельно допустимая концентрация паров бензола в воздухе рабочих помещений 20 мг/м3.

Выводится через лёгкие и с мочой.

Острые отравления происходят обычно при авариях; их наиболее характерные признаки: головная боль, головокружение, тошнота, рвота, возбуждение, сменяющееся угнетённым состоянием, частый пульс, падение кровяного давления, в тяжёлых случаях — судороги, потеря сознания.

Хроническое отравление бензолом проявляется изменением крови (нарушение функции костного мозга), головокружением, общей слабостью, расстройством сна, быстрой утомляемостью; у женщин — нарушением менструальной функции. Надёжная мера против отравлений парами бензола — хорошая вентиляция производственных помещений.

  Лит.: Омельяненко Л. М. и Сенкевич Н. А., Клиника и профилактика отравлений бензолом, М., 1957; Профессиональные болезни, 2 изд., М., 1964.

Бензол.

Бензол.

Источник: http://www.xumuk.ru/bse/329.html

Бензол: использование в промышленности и воздействие на человека

Бензол является важнейшим сырьем для химической промышленности, поскольку он используется и как исходный реагент для синтеза самых разнообразных соединений, и как растворитель для других реакций (бензол растворяет практически все органические соединения, это своего рода «органическая вода»).

В настоящее время бензол применяется в основном в производстве этилбензола, кумола и циклогексана.

На основе бензола по-прежнему получают различные полупродукты (сульфо-, нитро-, галоген-, алкил-, арил-, ацетилбензолы и др.

), используемые в дальнейшем для получения синтетических каучуков, пластмасс, синтетических волокон, красителей, поверхностно-активных веществ (ПАВ), инсектицидов, лекарственных веществ.

Бензол широко применяется также в качестве растворителя и экстрагента в производстве лаков и красок; применяется как компонент моторного топлива для повышения октанового числа.

Воздействие на организм человека

Бензол высокотоксичен. При отравлении его парами обычно наблюдаются учащенное сердцебиение, сонливость, головокружение, головные боли, тремор и прочие симптомы отравления. Попадание бензола внутрь может вызвать поражение желудочно-кишечного тракта. Бензол оказывает угнетающее действие на функцию кроветворения, обладает канцерогенным действием.

Вдыхание паров бензола в осложненных случаях способно привести к летальному исходу.

Действие бензола на организм обладает свойством кумулятивности, иными словами, многократное воздействие малыми дозами суммируется.

Общий характер действия: наркотическое и отчасти судорожное. Бензол действует на нервную систему и органы кроветворения.

Острые отравления в производственных условиях возникают редко: при авариях, чистке цистерн из-под этих веществ, при применении их в составе быстро сохнущих красок при работе в замкнутых помещениях, при переливании в плохо вентилируемых помещениях.

Легкая форма отравления бензолом напоминает опьянение: могут наблюдаться головная боль, головокружение, звон в ушах, спутанность сознания, рвота.

В более выраженных случаях — потеря сознания, мышечные подергивания, которые могут перейти в судороги, зрачки расширены, плохо реагируют на свет, дыхание учащено, затем замедляется, температура тела снижается, кожные покровы бледные. Пульс слабого наполнения, учащен, артериальное давление падает.

Хроническое отравление бензолом вызывает головную боль, головокружение, слабость, быструю утомляемость, раздражительность, расстройство сна, плохой аппетит, неприятные ощущения в области сердца, кровоточивость десен, носовые кровотечения, появление синяков на теле. Ранним признаком хронического отравления являются функциональные изменения нервной системы: неврастенический или астенический синдром с вегетативной дисфункцией.

При появлении симптомов отравления необходимо срочно обратиться в медицинское учреждение.

Материал подготовлен на основе информации открытых источников

Источник: https://ria.ru/20130208/921966570.html