undefined

Ароматические углеводороды. Арены

План урока

Строение аренов. Классификация и номенклатура
Физические свойства аренов
Химические свойства аренов
Получение аренов
Применение аренов

Цели урока

знать особенности строения бензола и его гомологов
уметь составлять структурные формулы бензола и его гомологов
уметь составлять уравнения химических реакций замещения с участием бензола
знать основные направления применения бензола и его гомологов

Разминка

Чем отличаются сопряжённые алкадиены от других диенов?
Какие вещества относят к непредельным углеводородам?
Укажите способы получения алкинов. Приведите примеры уравнений химических реакций.

Строение бензола. Гомологи бензола

Рис. 1. Майкл Фарадей

Изучение строения бензола является увлекательной страницей в истории химии. Впервые бензол получил Иоганн Глаубер ещё в 1649 году из каменноугольной смолы. Однако состав вещества учёный не смог описать. В 1825 году английский физик Майкл Фарадей выделил бензол из конденсата светильного газа и установил его молекулярную формулу — $C_{6} H_{6}$ . Это было второе рождение бензола.

Чуть позже, в 1833 году, немецкий учёный Эйльгард Мичерлих синтезирует бензол из соли бензойной кислоты. Отсюда и пошло название вещества — бензол.

Однако никто из исследователей не смог установить строение вещества. Предлагались различные версии.

Рис. 2. Фридрих Август Кекуле

Если учитывать малое количество атомов водорода по отношению к атомам углерода, то бензол должен содержать кратные связи, но он не обесцвечивал бромную воду и раствор перманганата калия. А это качественные реакции на двойные и тройные связи.

Противоречие удалось решить автору теории валентности Фридриху Августу Кекуле в 1865 году.

Учёный предложил замкнуть 6 атомов углерода в шестигранник. Получилась следующая структурная формула бензола.

Структурную формулу учёный вывел во сне. Вот как говорит сам Кекуле о своём научном открытии: «Перед моими глазами прыгали атомы, они сливались в более крупные структуры, похожие на змей. Как заворожённый, я следил за их танцем, как вдруг одна из „змей“ схватила себя за хвост и дразняще затанцевала перед моими глазами. Будто пронзённый молнией, я проснулся: структура бензола представляет из себя замкнутое кольцо!»

Рис. 3. Схема делокализации <br loading=

π электронов" loading="lazy" /> Рис. 3. Схема делокализации
π электронов

В итоге в строении молекулы бензола и всех его гомологов имеется общая система, названная бензольным кольцом. Это сопряжённая система электронов С-атомов, находящихся в sp²-гибридизации.

Кольцо напоминает арену цирка, поэтому данные углеводороды и получили название арены.

При отображении структурной формулы можно использовать любой из представленных ниже вариантов, которые теперь стали называться формулами Кекуле.

Радикал бензола состава $C_{6} H_{5} \cdot$ по номенклатуре обозначается как фенил:

Гомологи бензола

Бензол является родоначальником гомологического ряда аренов. Достаточно заменить водород на углеводородный радикал, например на метильный, как мы получим новый арен, гомолог бензола.

Даже название его будет связано с бензолом — метилбензол. Исторически сложилось, что чаще встречается тривиальное название — толуол.

Если вместо метильного радикала использовать этильный, получим структурную формулу этилбензола:

Заменив два водорода на метильные радикалы, получаем диметилбензол. В нашем примере это 1,2-диметилбензол, или орто-ксилол:

Общая формула аренов: $C_{n} H_{2 n - 6}$ , причём $n \geq 6$ .

По расположению радикалов относительно бензольного кольца выделяют орто-положение, когда радикалы расположены рядом, мета-положение — через один атом углерода, а также пара-положение, если радикалы располагаются напротив друг друга.

Упражнение 1

Составьте структурные формулы всех аренов состава $C_{8} H_{10} .$ Дайте им названия по систематической номенклатуре.

Пример 1

Найдите массовую долю углерода в толуоле $(C_{7} H_{8}) .$

Решение

1. Найдём молярную массу вещества $C_{7} H_{8}$ :

$M (С_{7} Н_{8}) = 12 * 7 + 1 * 8 = 92 г / м о л ь$

2. Рассчитаем массовую долю углерода по формуле:

$ω (C) = \frac{A r (C) \cdot x}{M r (C_{7} H_{8})} \cdot 100 % = \frac{12 \cdot 7}{92} \cdot 100 % = 91, 3 %$ ,

где Ar — относительная атомная масса, Mr — относительная молекулярная масса.

3. $ω (C) = 91, 3 %$ , следовательно, $ω (H) = 100 % - 91, 3 % = 8, 7 %$

Пример 2

Определите массовую долю примесей в образце бензола массой 150 г, если чистого вещества в нём 138 г.

Решение

1. Вычислим массу примесей в образце:

m(прим.) = m(обр.) – m(чист. в-ва) = 150 г – 138 г = 12 г.

2. Рассчитаем массовую долю примесей по формуле:

$ω (прим .) = \frac{m (прим .)}{m (обр .)} \cdot 100 % = \frac{12 г}{150 г} \cdot 100 % = 8 %$ .

Ответ: 8 %.

Физические свойства аренов

Бензол и его ближайшие гомологи — бесцветные жидкие вещества, нерастворимые в воде, но хорошо растворяющиеся во многих органических жидкостях. Они обладают специфическим запахом, поэтому исторически сложилось второе название группы этих соединений — ароматические углеводороды. Многие из них токсичны и являются канцерогенами, в том числе сам бензол.

Химические свойства аренов

Арены, являясь непредельными углеводородами, содержат в составе три двойные связи, объединённые в общее бензольное кольцо. Оно, в свою очередь, достаточно прочное, по этой причине реакции присоединения для аренов не типичны — они протекают с большим трудом при определённых условиях. Гораздо чаще арены вступают в реакции замещения, которые протекают значительно легче, чем у алканов. Однако можно отметить сходство в самих процессах, например, молекула бензола также подвергается галогенированию и нитрованию.

Реакции замещения

1. Галогенирование

Бензол, как и его гомологи, вступает в реакции замещения по кольцу с галогенами под действием температуры и в присутствии катализаторов [галогениды алюминия или железа (III)].

Причём замещение может происходить у любого атома углерода, так как они равноценны.

У гомологов бензола положение нового заместителя зависит от уже имеющихся ответвлений кольца. При наличии заместителей I рода, например углеводородных радикалов, галогенов, $OH$ -группы, замещение происходит у второго или четвёртого $C$ -атомов кольца. При наличии заместителей II рода
(- $COOH$ , - $COH$ , - ${NO}_{2}$ и др.) замещение происходит уже у третьего или пятого
$C$ -атомов.

2. Нитрование

Арены вступают в реакцию нитрования в присутствии водоотнимающего средства — концентрированной серной кислоты.

Реакции присоединения

Реакции присоединения не характерны для аренов, так как в результате данного процесса необходимо разрывать всё бензольное кольцо, то есть присоединять шесть атомов, что достаточно трудоёмко.

Бензол вступает в реакцию присоединения с хлором только под действием света. В результате образуется гексахлорциклогексан, ранее используемый как пестицид в сельском хозяйстве.

Окислительно-восстановительные реакции

Рис. 4. Горение бензола

Все арены горят. Бензол горит коптящим пламенем, как и ацетилен. Чем больше массовые доли углерода в молекуле, тем более коптящее будет пламя в результате горения.

Бензол не обесцвечивает подкислённый раствор перманганата калия в отличие от своих гомологов, которые могут окисляться до бензойной кислоты $C_{6} H_{5} COOH$ .

Упражнение 2

Какое из веществ горит более коптящим пламенем: метан, этилен или бензол? Подтвердите свой ответ расчётами: определите массовые доли углерода в каждом веществе.

Получение аренов

Бензол и его гомологи выделяют из нефти и нефтепродуктов (до 50 % всего объёма аренов), а также в результате коксования каменного угля, однако в настоящее время доля бензола, получаемого этим способом, составляет менее 10 % из-за наличия побочных продуктов реакции.

Существуют и другие способы синтеза аренов.

1. Тримеризация алкинов

В результате из ацетилена получают бензол. Реакция идёт при высокой температуре и в присутствии катализатора (активированного угля).

2. Дегидроциклизация (дегидрирование и циклизация) алканов в присутствии катализатора:

В нашем случае из гексана получается бензол.

3. Получение гомологов бензола

Для получения других аренов к бензолу в присутствии катализатора присоединяют алкен или же добавляют галогеналкан:

$C_{6} H_{6} + {CH}_{2} = {CH}_{2} \to C_{6} H_{5} - {CH}_{2} - {CH}_{3}$ ,

$C_{6} H_{6} + Cl - {CH}_{2} - {CH}_{3} \to C_{6} H_{5} - {CH}_{2} - {CH}_{3} + HCl$ .

Упражнение 3

Допишите левые части уравнений реакций с участием аренов, укажите условия их протекания:

а) $\to C_{6} H_{5} Br + HBr$

б) $\to C_{6} H_{5} {NO}_{2} + H_{2} O$

в) $\to C_{6} H_{6}$

Применение аренов

Бензол и его гомологи широко применяются человеком.

Арены нерастворимы в воде, поэтому их нередко отделяют от слоя полярного растворителя методом экстракции. Например, слой арена будет находиться на поверхности воды наподобие растительного масла.

Экстракция — это извлечение вещества из раствора или сухой смеси с помощью растворителя, практически не смешивающегося с исходной смесью. Экстракция может быть разовой или непрерывной.

Арены хорошо растворяются в органических растворителях, что находит применение в хозяйственной деятельности человека. Их применяют для растворения жиров, масляных красок, лаков, смол. В качестве примера можно привести органический растворитель «Сольвент».

Нитробензол и тринитротолуол (тротил) применяют как взрывчатые вещества; нитротолуол применяется для синтеза анилиновых красителей; ксилолы входят в состав моторных масел; из изопропилбензола (кумола) получают ацетон и фенол.

Ещё варианты применения аренов приведены на схеме (рис. 5).

Рис. 5. Варианты применения аренов

Упражнение 4

Напишите уравнения реакций, с помощью которых можно осуществить следующие превращения:

Этан → ацетилен → бензол → хлорбензол.

Формулы веществ записывайте в молекулярном виде.

Контрольные вопросы

Расскажите об истории изучения строения бензола.
Какие химические реакции характерны для аренов?
Назовите способы получения аренов.
Расскажите о применении бензола.

Ответы

Упражнение 1

Упражнение 2

$ω (C) в б е н з о л е 92 %$
$ω (C) в м е т а н е 75 %$
$ω (C) в э т и л е н е 86 %$

Вывод: бензол горит более коптящим пламенем.

Упражнение 3

а) $C_{6} H_{6} + {Br}_{2} \to C_{6} H_{5} Br + HBr$

б) $C_{6} H_{6} + {HNO}_{3} \to C_{6} H_{5} {NO}_{2} + H_{2} O$

в) $3 CH \equiv CH \to C_{6} H_{6}$

Упражнение 4

${CH}_{3} - {CH}_{3} \to CH \equiv CH + 2 H_{2}$

$3 CH \equiv CH \to C_{6} H_{6}$

$C_{6} H_{6} + {Cl}_{2} \to C_{6} H_{5} Cl + HCl$

Конспект урока: Ароматические углеводороды, или арены

Непредельные углеводороды