- Строение аренов. Классификация и номенклатура
- Физические свойства аренов
- Химические свойства аренов
- Получение аренов
- Применение аренов
- 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
- 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!»
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: $\mathbf{C}_{\mathbf{n}} \mathbf{H}_{2 \mathbf{n} - 6}$, причём $\mathbf{n} \geq 6$.
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 $C_{7} H_{8}$:
$M ( C_{7} H_{8} ) = 12 \star 7 + 1 \star 8 = 92 \text{г} / \text{м} \text{оль}$
2. Рассчитаем массовую долю углерода по формуле:
$\omega ( \mathit{C} ) = \frac{A r ( C ) \cdot x}{M r ( C_{7} H_{8} )} \cdot 100 \% = \frac{12 \cdot 7}{92} \cdot 100 \% = 91,3 \%$,
где Ar — относительная атомная масса, Mr — относительная молекулярная масса.
3. $\omega ( C ) = 91,3 \%$, следовательно, $\omega ( H ) = 100 \% - 91,3 \% = 8,7 \%$
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:
$\omega ( \text{п}p\text{им} . ) = \frac{m ( \text{п}p\text{им} . )}{m ( o\text{б}p . )} \cdot 100 \% = \frac{12 \text{г}}{150 \text{г}} \cdot 100 \% = 8 \%$.
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:
$C_{6} H_{6} + CH_{2} = CH_{2} \rightarrow C_{6} H_{5} - CH_{2} - CH_{3}$,
$C_{6} H_{6} + Cl - CH_{2} - CH_{3} \rightarrow C_{6} H_{5} - CH_{2} - CH_{3} + HCl$.
Упражнение 3
Допишите левые части уравнений реакций с участием аренов, укажите условия их протекания:
а) $\rightarrow C_{6} H_{5} Br + HBr$
б) $\rightarrow C_{6} H_{5} NO_{2} + H_{2} O$
в) $\rightarrow C_{6} H_{6}$
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.
Упражнение 1
Упражнение 2
- $\omega ( C ) \text{вб} \text{енз} \text{ол} e 92 \%$
- $\omega ( C ) \text{вм} \text{ет} \text{ан} e 75 \%$
- $\omega ( C ) \text{вэтил} \text{ен} e 86 \%$
Вывод: бензол горит более коптящим пламенем.
Упражнение 3
а) $C_{6} H_{6} + Br_{2} \rightarrow C_{6} H_{5} Br + HBr$
б) $C_{6} H_{6} + HNO_{3} \rightarrow C_{6} H_{5} NO_{2} + H_{2} O$
в) $3 CH \equiv CH \rightarrow C_{6} H_{6}$
Упражнение 4
$CH_{3} - CH_{3} \rightarrow CH \equiv CH + 2 H_{2}$
$3 CH \equiv CH \rightarrow C_{6} H_{6}$
$C_{6} H_{6} + Cl_{2} \rightarrow C_{6} H_{5} Cl + HCl$
