دراسة الخواص الفيزيائية للبنزين. الهيدروكربونات العطرية

HCs العطرية (الساحات)- هذه هي الهيدروكربونات التي تحتوي جزيئاتها على حلقة بنزين واحدة أو أكثر.

أمثلة على الهيدروكربونات العطرية:

ساحات سلسلة البنزين (أرينات أحادية الحلقة)

الصيغة العامة:ج ن ح 2ن-6، ن≥6

أبسط ممثل للهيدروكربونات العطرية هو البنزين، وصيغته التجريبية هي C6H6.

التركيب الإلكتروني لجزيء البنزين

الصيغة العامة للأرينات أحادية الحلقة C n H 2 n -6 توضح أنها مركبات غير مشبعة.

في عام 1856، اكتشف الكيميائي الألماني أ.ف. اقترح كيكولي صيغة دورية للبنزين مع روابط مترافقة (روابط فردية ومزدوجة بديلة) - سيكلوهيكساترين -1،3،5:

لم يفسر هذا التركيب لجزيء البنزين العديد من خصائص البنزين:

• يتميز البنزين بتفاعلات الاستبدال بدلاً من تفاعلات الإضافة المميزة للمركبات غير المشبعة. تفاعلات الإضافة ممكنة، ولكنها أكثر صعوبة من تفاعلات ;
• ولا يدخل البنزين في تفاعلات هي تفاعلات نوعية مع الهيدروكربونات غير المشبعة (مع ماء البروم ومحلول KMnO4).

أظهرت دراسات حيود الإلكترون اللاحقة أن جميع الروابط بين ذرات الكربون في جزيء البنزين لها نفس الطول وهو 0.140 نانومتر (القيمة المتوسطة بين طول جزيء بسيط) اتصالات SS 0.154 نانومتر والرابطة المزدوجة C = C 0.134 نانومتر). الزاوية بين الروابط عند كل ذرة كربون هي 120 درجة. الجزيء عبارة عن مسدس مسطح منتظم.

تستخدم النظرية الحديثة لشرح بنية جزيء C6H6 فكرة تهجين المدارات الذرية.

تكون ذرات الكربون في البنزين في حالة تهجين sp2. تشكل كل ذرة "C" ثلاث روابط σ (اثنتان مع ذرات الكربون وواحدة مع ذرة الهيدروجين). جميع الروابط σ موجودة في نفس المستوى:

تحتوي كل ذرة كربون على إلكترون واحد، والذي لا يشارك في التهجين. توجد مدارات p غير المهجنة لذرات الكربون في مستوى متعامد مع مستوى الروابط σ. تتداخل كل سحابة p مع سحابتين متجاورتين، ونتيجة لذلك يتم تشكيل نظام π واحد مترافق (تذكر تأثير اقتران إلكترونات p في جزيء 1,3-بوتادين، والذي تمت مناقشته في موضوع "هيدروكربونات ديين" "):

يسمى الجمع بين ستة روابط σ مع نظام π واحد اتصال عطري.

تسمى حلقة مكونة من ست ذرات كربون مرتبطة برابطة عطرية حلقة بنزينأو حلقة بنزين.

وفقا للأفكار الحديثة حول الهيكل الإلكترونييتم تصوير جزيء البنزين C 6 H 6 على النحو التالي:

الخصائص الفيزيائية للبنزين

البنزين في الظروف العادية هو سائل عديم اللون. t o pl = 5.5 o C؛ تو كيب. = 80 درجة مئوية؛ له رائحة مميزة. لا يخلط مع الماء، مذيب جيد، شديد السمية.

الخواص الكيميائية للبنزين

تحدد الرابطة العطرية الخواص الكيميائية للبنزين والهيدروكربونات العطرية الأخرى.

يعتبر نظام 6π-إلكترون أكثر استقرارًا من روابط π العادية ثنائية الإلكترون. لذلك، تكون تفاعلات الإضافة أقل شيوعًا بالنسبة للهيدروكربونات العطرية مقارنة بالهيدروكربونات غير المشبعة. التفاعلات الأكثر تميزًا للأرين هي تفاعلات الاستبدال.

أنا. ردود الفعل الاستبدال

1.الهلجنة

2. نترات

يتم التفاعل بخليط من الأحماض (خليط النترات):

3.الكبريتة

4. الألكلة (استبدال ذرة "H" بمجموعة ألكيل) - ردود فعل فريدل كرافتس، يتم تشكيل متجانسات البنزين:

بدلا من الهالوكانات، يمكن استخدام الألكينات (في وجود محفز - AlCl 3 أو حمض غير عضوي):

ثانيا. تفاعلات الإضافة

1.الهدرجة

2. إضافة الكلور

ثالثا.تفاعلات الأكسدة

1. الاحتراق

2C6H6 + 15O2 → 12CO2 + 6H2O

2. الأكسدة غير الكاملة (KMnO 4 أو K 2 Cr 2 O 7 في بيئة حمضية). حلقة البنزين مقاومة للعوامل المؤكسدة. لا يحدث أي رد فعل.

الحصول على البنزين

في الصناعة:

1) معالجة النفط والفحم.

2) نزع الهيدروجين من الهكسان الحلقي:

3) إزالة التحلل المائي (النكهة) للهكسان:

في المختبر:

اندماج أملاح حمض البنزويك مع:

الأيزومرية وتسميات متجانسات البنزين

أي تماثل للبنزين له سلسلة جانبية، أي. ترتبط جذور الألكيل بحلقة البنزين. أول متجانس للبنزين هو حلقة بنزين مرتبطة بجذر الميثيل:

لا يحتوي التولوين على أيزومرات، لأن جميع المواضع في حلقة البنزين متساوية.

بالنسبة لمتجانسات البنزين اللاحقة، هناك نوع واحد من الأيزومرية ممكن - أيزومرية السلسلة الجانبية، والتي يمكن أن تكون من نوعين:

1) ايزومرية عدد وهيكل البدائل؛

2) ايزومرية موقف البدائل.

الخصائص الفيزيائية للتولوين

التولوين- سائل عديم اللون ذو رائحة مميزة، غير قابل للذوبان في الماء، قابل للذوبان في المذيبات العضوية. التولوين أقل سمية من البنزين.

الخواص الكيميائية للتولوين

أنا. ردود الفعل الاستبدال

1. التفاعلات التي تنطوي على حلقة البنزين

يدخل ميثيل بنزين في جميع تفاعلات الاستبدال التي يشارك فيها البنزين، وفي نفس الوقت يظهر تفاعلية أعلى، وتستمر التفاعلات بمعدل أعلى.

يعد جذر الميثيل الموجود في جزيء التولوين بديلاً من هذا النوع، وبالتالي، نتيجة لتفاعلات الاستبدال في حلقة البنزين، يتم الحصول على مشتقات أورثو وشبه التولوين أو، في حالة وجود فائض من الكاشف، ثلاثي -المشتقات صيغة عامة:

أ) الهلجنة

مع المزيد من الكلورة، يمكن الحصول على ثنائي كلورو ميثيل بنزين وثلاثي كلورو ميثيل بنزين:

ثانيا. تفاعلات الإضافة

الهدرجة

ثالثا.تفاعلات الأكسدة

1. الاحتراق
C 6 H 5 CH 3 + 9O 2 → 7CO 2 + 4H 2 O

2. الأكسدة غير الكاملة

على عكس البنزين، تتأكسد نظائره بواسطة عوامل مؤكسدة معينة؛ في هذه الحالة، السلسلة الجانبية تخضع للأكسدة، في حالة التولوين، مجموعة الميثيل. عوامل مؤكسدة خفيفة مثل MnO 2 تؤكسدها إلى مجموعة ألدهيد، عوامل مؤكسدة أقوى (KMnO 4) تسبب المزيد من الأكسدة إلى الحمض:

أي متماثل للبنزين بسلسلة جانبية واحدة يتأكسد بواسطة عامل مؤكسد قوي مثل KMnO4 إلى حمض البنزويك، أي حمض البنزويك. تنكسر السلسلة الجانبية بأكسدة الجزء المنفصل إلى ثاني أكسيد الكربون؛ على سبيل المثال:

إذا كان هناك عدة سلاسل جانبية فإن كل واحدة منها تتأكسد إلى مجموعة كربوكسيل وينتج عن ذلك أحماض متعددة القاعدة، على سبيل المثال:

الحصول على التولوين:

في الصناعة:

1) معالجة النفط والفحم.

2) نزع الهيدروجين من ميثيل حلقي الهكسان:

3) إزالة هيدروكلية الهيبتان:

في المختبر:

1) ألكلة فريدل كرافتس؛

2) رد فعل فورتز فيتيج(تفاعل الصوديوم مع خليط الهالوبنزين والهالوكان).

تشكل الهيدروكربونات العطرية جزءًا مهمًا من السلسلة الدورية للمركبات العضوية. أبسط ممثل لهذه الهيدروكربونات هو البنزين. إن صيغة هذه المادة لم تميزها عن عدد من الهيدروكربونات الأخرى فحسب، بل أعطت أيضا قوة دافعة لتطوير اتجاه جديد في الكيمياء العضوية.

اكتشاف الهيدروكربونات العطرية

تم اكتشاف الهيدروكربونات العطرية في أوائل القرن التاسع عشر. في ذلك الوقت كان الوقود الأكثر شيوعا ل إضاءة الشوارعكان يضيء الغاز. ومن مكثفاتها، عزل الفيزيائي الإنجليزي الكبير مايكل فاراداي ثلاثة جرامات من مادة زيتية عام 1825، ووصف خصائصها بالتفصيل وأطلق عليها اسم: الهيدروجين المكربن. وفي عام 1834 قام العالم الألماني الكيميائي ميتشرليتش بتسخين حمض البنزويك مع الجير وحصل على البنزين. يتم عرض صيغة رد الفعل هذا أدناه:

C6 H5 COOH + CaO اندماج C6 H6 + CaCO3.

في ذلك الوقت، تم الحصول على حمض البنزويك النادر من راتينج حمض البنزويك، والذي يمكن أن تفرزه بعض النباتات الاستوائية. في عام 1845، تم اكتشاف مركب جديد في قطران الفحم، والذي كان مادة خام يمكن الوصول إليها بالكامل لإنتاج مادة جديدة على نطاق صناعي. مصدر آخر للبنزين هو البترول الذي يتم الحصول عليه من بعض الحقول. ولتلبية احتياجات المؤسسات الصناعية من البنزين، يتم الحصول عليه أيضًا عن طريق تنكيه مجموعات معينة من الهيدروكربونات الحلقية من الزيت.

النسخة الحديثة من الاسم اقترحها العالم الألماني ليبيج. يجب العثور على جذر كلمة "البنزين". اللغات العربية- هناك يتم ترجمته على أنه "بخور".

الخصائص الفيزيائية للبنزين

البنزين سائل عديم اللون ذو رائحة معينة. تغلي هذه المادة عند درجة حرارة 80.1 درجة مئوية، وتتصلب عند درجة 5.5 درجة مئوية وتتحول إلى مسحوق بلوري أبيض. البنزين عمليا لا يوصل الحرارة والكهرباء، وهو ضعيف الذوبان في الماء وقابل للذوبان بشكل جيد في الزيوت المختلفة. تعكس الخصائص العطرية للبنزين جوهر بنيته الهيكل الداخلي: حلقة بنزين مستقرة نسبيا وتركيبها غير مؤكد.

التصنيف الكيميائي للبنزين

البنزين ومماثلاته - التولوين والإيثيل بنزين - عبارة عن سلسلة عطرية من الهيدروكربونات الحلقية. يحتوي هيكل كل من هذه المواد على هيكل مشترك يسمى حلقة البنزين. يحتوي هيكل كل من المواد المذكورة أعلاه على مجموعة دائرية خاصة مكونة من ست ذرات كربون. يطلق عليها حلقة البنزين العطرية.

تاريخ الاكتشاف

استغرق إنشاء الهيكل الداخلي للبنزين عدة عقود. تم اقتراح المبادئ الأساسية للهيكل (النموذج الدائري) في عام 1865 من قبل الكيميائي أ. كيكولي. كما تقول الأسطورة، رأى عالم ألماني صيغة هذا العنصر في المنام. وفي وقت لاحق، تم اقتراح تهجئة مبسطة لبنية مادة تسمى البنزين. صيغة هذه المادة هي مسدس. تم حذف رموز الكربون والهيدروجين، والتي ينبغي أن تكون موجودة في زوايا الشكل السداسي. ينتج عن ذلك شكل سداسي منتظم بسيط مع خطوط مفردة ومزدوجة متناوبة على الجانبين. تظهر الصيغة العامة للبنزين في الشكل أدناه.

الهيدروكربونات العطرية والبنزين

تشير الصيغة الكيميائية لهذا العنصر إلى أن تفاعلات الإضافة ليست نموذجية للبنزين. بالنسبة له، كما هو الحال بالنسبة للعناصر الأخرى في السلسلة العطرية، فإن تفاعلات استبدال ذرات الهيدروجين في حلقة البنزين نموذجية.

رد فعل السلفنة

ومن خلال ضمان تفاعل حمض الكبريتيك المركز والبنزين، وزيادة درجة حرارة التفاعل، يمكن الحصول على حمض البنزوسلفونيك والماء. الصيغة البنائية للبنزين في هذا التفاعل هي كما يلي:

رد فعل الهلجنة

يتفاعل البروم أو الكروم مع البنزين في وجود عامل حفاز. وهذا ينتج مشتقات الهالوجين. لكن تفاعل النترات يحدث باستخدام حمض النيتريك المركز. النتيجة النهائية للتفاعل هي مركب نيتروجيني:

باستخدام النيترة، يتم إنتاج مادة متفجرة معروفة - تي إن تي، أو ترينيتوتولوين. قليل من الناس يعرفون أن التول يعتمد على البنزين. يمكن أيضًا استخدام العديد من مركبات النيترو القائمة على حلقة البنزين كمتفجرات

الصيغة الإلكترونية للبنزين

الصيغة القياسية لحلقة البنزين لا تعكس بدقة البنية الداخلية للبنزين. ووفقا لذلك، يجب أن يحتوي البنزين على ثلاث روابط p موضعية، يجب أن تتفاعل كل منها مع ذرتين من ذرات الكربون. ولكن، كما تظهر التجربة، لا يحتوي البنزين على روابط مزدوجة عادية. تسمح لك الصيغة الجزيئية للبنزين برؤية أن جميع الروابط الموجودة في حلقة البنزين متكافئة. يبلغ طول كل منها حوالي 0.140 نانومتر، وهو متوسط ​​بين طول الرابطة الفردية القياسية (0.154 نانومتر) ورابطة الإيثيلين المزدوجة (0.134 نانومتر). الصيغة البنائية للبنزين، الموضحة بروابط متناوبة، غير كاملة. يبدو النموذج ثلاثي الأبعاد الأكثر منطقية للبنزين كما في الصورة أدناه.

تكون كل ذرة من ذرات حلقة البنزين في حالة تهجين sp2. تنفق ثلاثة إلكترونات التكافؤ على تكوين روابط سيجما. تغطي هذه الإلكترونات ذرتين كربوهيدرات متجاورتين وذرة هيدروجين واحدة. في هذه الحالة، تكون كل من الإلكترونات وروابط CC وH-H في نفس المستوى.

يشكل إلكترون التكافؤ الرابع سحابة على شكل شكل ثمانية ثلاثي الأبعاد، يقع بشكل عمودي على مستوى حلقة البنزين. تتداخل كل سحابة إلكترونية فوق مستوى حلقة البنزين وتحتها مباشرة مع سحب ذرتي الكربون المجاورتين.

يتم توزيع كثافة السحب الإلكترونية لهذه المادة بالتساوي بين جميع روابط الكربون. وبهذه الطريقة، يتم تشكيل سحابة إلكترونية ذات حلقة واحدة. في كيمياء عامةويسمى هذا الهيكل السداسية الإلكترونية العطرية.

معادلة الروابط الداخلية للبنزين

إن تكافؤ جميع وجوه الشكل السداسي هو الذي يفسر تجانس الروابط العطرية، وهو ما يحدد الخصائص الكيميائية والفيزيائية المميزة التي يمتلكها البنزين. تظهر أدناه صيغة التوزيع الموحد للسحابة الإلكترونية n وتكافؤ جميع اتصالاتها الداخلية.

كما ترون، بدلاً من تناوب الخطوط المفردة والمزدوجة، تم تصوير البنية الداخلية على شكل دائرة.

يوفر جوهر البنية الداخلية للبنزين المفتاح لفهم البنية الداخلية للهيدروكربونات الحلقية ويوسع الاحتمالات تطبيق عمليهذه المواد.

الهيدروكربونات العطرية- مركبات الكربون والهيدروجين التي يحتوي جزيئها على حلقة بنزين. أهم ممثلي الهيدروكربونات العطرية هم البنزين ومماثلاته - منتجات استبدال ذرة هيدروجين واحدة أو أكثر في جزيء البنزين بمخلفات الهيدروكربون.

هيكل جزيء البنزين

تم اكتشاف أول مركب عطري، البنزين، في عام 1825 من قبل م. فاراداي. تم إنشاء صيغته الجزيئية - C6H6. إذا قارنا تركيبته بتركيبة الهيدروكربون المشبع الذي يحتوي على نفس العدد من ذرات الكربون - الهكسان (C 6 H 14)، فيمكننا أن نرى أن البنزين يحتوي على ثماني ذرات هيدروجين أقل. وكما هو معروف فإن ظهور روابط ودورات متعددة يؤدي إلى انخفاض عدد ذرات الهيدروجين في جزيء الهيدروكربون. في عام 1865، اقترح ف. كيكولي صيغته البنائية على شكل سيكلوهكسانثرين-1،3،5.

وبالتالي، فإن الجزيء المقابل لصيغة كيكولي يحتوي على روابط مزدوجة، لذلك يجب أن يكون البنزين غير مشبع، أي أنه يخضع بسهولة لتفاعلات الإضافة: الهدرجة ، البرومة ، الترطيب ، إلخ.

ومع ذلك، فقد أظهرت البيانات من العديد من التجارب ذلك يخضع البنزين لتفاعلات الإضافة فقط في ظل ظروف قاسية(في درجات الحرارة العالية والإضاءة)، مقاومة للأكسدة. التفاعلات الأكثر تميزًا لها هي تفاعلات الاستبدالولذلك فإن البنزين أقرب في طبيعته إلى الهيدروكربونات المشبعة.

في محاولة لشرح هذه التناقضات، اقترح العديد من العلماء خيارات مختلفة لبنية البنزين. تم تأكيد بنية جزيء البنزين أخيرًا من خلال تفاعل تكوينه من الأسيتيلين. في الواقع، روابط الكربون-كربون في البنزين متكافئة، وخصائصها لا تشبه خصائص الروابط الفردية أو المزدوجة.

يُشار إلى البنزين حاليًا إما بصيغة Kekule أو بالمسدس الذي تظهر فيه الدائرة.

إذن ما الذي يميز بنية البنزين؟

بناءً على بيانات البحث والحسابات، تم التوصل إلى أن ذرات الكربون الست جميعها في حالة تهجين sp2 وتقع في نفس المستوى. تكون المدارات p غير المهجنة لذرات الكربون التي تشكل الروابط المزدوجة (صيغة كيكولي) متعامدة مع مستوى الحلقة ومتوازية مع بعضها البعض.

أنها تتداخل مع بعضها البعض، وتشكل نظام π واحد. وبالتالي، فإن نظام الروابط المزدوجة المتناوبة الموضح في صيغة كيكولي هو نظام دوري من روابط π المترافقة والمتداخلة. يتكون هذا النظام من منطقتين حلقيتين (تشبهان الدونات) ذات كثافة إلكترونية تقعان على جانبي حلقة البنزين. وبالتالي، فمن المنطقي أكثر تصوير البنزين على أنه مسدس منتظم بدائرة في المركز (نظام π) بدلاً من سيكلوهكسانثرين-1،3،5.

اقترح العالم الأمريكي L. Pauling تمثيل البنزين على شكل هيكلين حدوديين يختلفان في توزيع كثافة الإلكترون ويتحولان باستمرار إلى بعضهما البعض:

تؤكد قياسات طول السندات هذا الافتراض. وقد وجد أن جميع روابط CC في البنزين لها نفس الطول (0.139 نانومتر). وهي أقصر قليلاً من روابط CC المفردة (0.154 نانومتر) وأطول من الروابط المزدوجة (0.132 نانومتر).

كما أن هناك مركبات تحتوي جزيئاتها على عدة هياكل حلقية، على سبيل المثال:

الايزومرية وتسميات الهيدروكربونات العطرية

ل متجانسات البنزينتعتبر الأيزومرية لموضع العديد من البدائل مميزة. أبسط متماثل للبنزين هو التولوين(ميثيل بنزين) - لا يوجد لديه مثل هذه الايزومرات؛ يتم تقديم المتماثل التالي كأربعة أيزومرات:

أساس اسم الهيدروكربون العطري مع بدائل صغيرة هو كلمة البنزين. يتم ترقيم الذرات الموجودة في الحلقة العطرية، بدءا من النائب الأول إلى المبتدئ:

إذا كانت البدائل هي نفسها، ثم يتم الترقيم وفقا ل الاختصار : على سبيل المثال، المادة:

يسمى 1،3-ثنائي ميثيل بنزين، وليس 1،5-ثنائي ميثيل بنزين.

وفقًا للتسمية القديمة، يُطلق على الموضعين 2 و6 اسم المواضع التقويمية، و4 - المواضع شبه، و3 و5 - المواضع الفوقية.

الخصائص الفيزيائية للهيدروكربونات العطرية

البنزين وأبسط متجانساته في الظروف العادية - سوائل سامة للغايةمع رائحة كريهة مميزة. أنها تذوب بشكل سيئ في الماء، ولكن بشكل جيد في المذيبات العضوية.

الخواص الكيميائية للهيدروكربونات العطرية

ردود الفعل الاستبدال.تخضع الهيدروكربونات العطرية لتفاعلات الاستبدال.

1. البرومة.عند التفاعل مع البروم في وجود عامل محفز وهو بروميد الحديد (III)، يمكن استبدال إحدى ذرات الهيدروجين الموجودة في حلقة البنزين بذرة البروم:

2. نترات البنزين ومماثلاته. عندما يتفاعل الهيدروكربون العطري مع حمض النيتريك في وجود حمض الكبريتيك (خليط من الكبريتيك و أحماض النيتريكيسمى خليط النترات)، يتم استبدال ذرة الهيدروجين بمجموعة نيترو - NO 2:

عن طريق الحد من النيتروبنزين نحصل عليها الأنيلين- مادة تستخدم للحصول على أصباغ الأنيلين:

سمي هذا التفاعل على اسم الكيميائي الروسي زينين.

تفاعلات الإضافة.يمكن للمركبات العطرية أيضًا أن تخضع لتفاعلات إضافة إلى حلقة البنزين. في هذه الحالة، يتم تشكيل الهكسان الحلقي ومشتقاته.

1. الهدرجة.تحدث الهدرجة الحفزية للبنزين عند درجة حرارة أعلى من هدرجة الألكينات:

2. الكلورة.يحدث التفاعل عند إضاءته بالأشعة فوق البنفسجية وهو عبارة عن جذر حر:

الخواص الكيميائية للهيدروكربونات العطرية - ملخص

متجانسات البنزين

تكوين جزيئاتها يتوافق مع الصيغة جنح2ن-6. أقرب متجانسات البنزين هي:

جميع متجانسات البنزين التي تلي التولوين لها نظائر. يمكن أن ترتبط الأيزومرية بعدد وبنية البديل (1، 2)، وبموضع البديل في حلقة البنزين (2، 3، 4). مركبات الصيغة العامة ج 8 ح 10 :

وفقًا للتسمية القديمة المستخدمة للإشارة إلى الموقع النسبي لبديلين متطابقين أو مختلفين على حلقة البنزين، يتم استخدام البادئات تقويمي-(مختصر o-) - توجد البدائل على ذرات الكربون المجاورة، ميتا-(م-) - من خلال ذرة كربون واحدة و زوج-(ن-) - البدائل مقابل بعضها البعض.

الأعضاء الأولون في سلسلة البنزين المتجانسة هم سوائل ذات رائحة معينة. فهي أخف من الماء. إنها مذيبات جيدة. تخضع متجانسات البنزين لتفاعلات الاستبدال:

المعالجة بالبروم:

نترات:

يتأكسد التولوين بواسطة برمنجنات عند تسخينه:

المواد المرجعية لإجراء الاختبار:

جدول مندلييف

جدول الذوبان

من بين الترسانة الضخمة المواد العضويةويمكن التعرف على العديد من المركبات، التي صاحب اكتشافها ودراستها سنوات عديدة من الجدل العلمي. البنزين ينتمي إليهم بحق. تم قبول بنية البنزين في الكيمياء أخيرًا فقط في بداية القرن العشرين، في حين تم تحديد التركيب العنصري للمادة في عام 1825، وعزلها عن قطران الفحم، الذي تم الحصول عليه كمنتج ثانوي لفحم الكوك.

يتم تصنيف البنزين مع التولوين والأنثراسين والفينول والنفثالين حاليًا على أنها هيدروكربونات عطرية. في مقالتنا سنلقي نظرة على ماهية هذا الهيدروكربون، ونكتشف الخصائص الفيزيائية، على سبيل المثال، مثل الذوبان ونقطة الغليان وكثافة البنزين، ونحدد أيضًا مجالات تطبيق المركب في الصناعة و زراعة.

ما هي الساحات؟

تصنف كيمياء المركبات العضوية جميع المواد المعروفة إلى عدة مجموعات، على سبيل المثال، الألكانات، الألكينات، الكحولات، الألدهيدات، إلخ. بيت سمة مميزةتتميز كل فئة من المواد بوجود أنواع معينة من الروابط. تحتوي جزيئات الهيدروكربونات المشبعة على رابطة سيجما فقط، وتحتوي مواد سلسلة الإيثيلين على رابطة مزدوجة، وتحتوي الألكينات على رابطة ثلاثية. إلى أي فئة ينتمي البنزين؟

يشير تركيب البنزين إلى وجود حلقة عطرية في جزيئه تسمى حلقة البنزين. يتم تصنيف جميع المركبات العضوية التي تحتوي على واحدة أو أكثر من هذه الحلقات في جزيئاتها على أنها أرينات (هيدروكربونات عطرية). بالإضافة إلى البنزين، الذي ندرسه الآن، تشمل هذه المجموعة عدد كبير منمواد مهمة جداً مثل التولوين والأنيلين والفينول وغيرها.

كيفية حل مشكلة بنية جزيء الهيدروكربون العطري

في البداية، أنشأه العلماء من خلال التعبير عنه بالصيغة C6H6، والتي بموجبها يبلغ الوزن الجزيئي النسبي للبنزين 78. ثم تم اقتراح عدة خيارات للصيغ الهيكلية، لكن لم يتوافق أي منها مع الخواص الفيزيائية والكيميائية الحقيقية البنزين الذي لاحظه الكيميائيون في التجارب المعملية.

لقد مر حوالي أربعين عامًا قبل أن يقدم الباحث الألماني أ. كيكولي نسخته من الصيغة البنائية لجزيء البنزين. كانت تحتوي على ثلاث روابط مزدوجة، مما يشير إلى احتمال وجود شخصية غير مشبعة الخواص الكيميائيةالهيدروكربون. وهذا يتعارض مع طبيعة تفاعلات المركب ذو الصيغة C6H6 مع مواد أخرى مثلا مع البروم وحمض النترات والكلور.

فقط بعد تحديد التكوين الإلكتروني لجزيء البنزين فيه الصيغة الهيكليةوظهرت تسمية نواة البنزين (الحلقة)، وهي نفسها لا تزال تستخدم في مقررات الكيمياء العضوية.

التكوين الإلكتروني لجزيء C6H6

اي نوع البنية المكانيةهل يوجد بها بنزين؟ تم التأكد أخيرًا من بنية البنزين من خلال تفاعلين: تشذيب الأسيتيلين لتكوين البنزين واختزاله بالهيدروجين إلى الهكسان الحلقي. اتضح أن ذرات الكربون، التي ترتبط ببعضها البعض، تشكل مسدسًا مسطحًا وتكون في حالة تهجين sp2، وذلك باستخدام ثلاثة من إلكترونات التكافؤ الأربعة الخاصة بها بالاتصال مع ذرات أخرى.

توجد الإلكترونات الحرة الستة المتبقية بشكل عمودي على مستوى الجزيء. تتداخل مع بعضها البعض، وتشكل سحابة إلكترونية مشتركة تسمى نواة البنزين.

طبيعة الروابط الكيميائية الواحدة والنصف

ومن المعروف أن الخواص الفيزيائية والكيميائية للمركبات تعتمد في المقام الأول على بنيتها الداخلية وأنواع الروابط الكيميائية التي تنشأ بين الذرات. بعد فحص التركيب الإلكتروني للبنزين، يمكننا أن نتوصل إلى استنتاج مفاده أن جزيئه لا يحتوي على روابط مفردة أو مزدوجة، وهو ما يمكن رؤيته في صيغة كيكولي. على العكس من ذلك، بين ذرات الكربون كل شيء الروابط الكيميائيةمتكافئة. علاوة على ذلك، تشكل سحابة الإلكترون المشتركة (من ذرات C الست) نوعًا كيميائيًا من الروابط يسمى sesquicentral، أو العطرية. هذه الحقيقة هي التي تحدد الخصائص المحددة لحلقة البنزين، ونتيجة لذلك، الشخصية التفاعل الكيميائيالهيدروكربونات العطرية مع مواد أخرى.

الخصائص الفيزيائية

مع انخفاض درجة الحرارة، يتحول السائل إلى الحالة الصلبةويتحول البنزين إلى كتلة بلورية بيضاء. يذوب بسهولة عند درجة حرارة 5.5 درجة مئوية. في الظروف العادية، تكون المادة سائلة عديمة اللون ذات رائحة غريبة. درجة غليانه هي 80.1 درجة مئوية.

تتغير كثافة البنزين مع التغيرات في درجة الحرارة. كلما ارتفعت درجة الحرارة، انخفضت الكثافة. دعونا نعطي بعض الأمثلة. عند درجة حرارة 10 درجات، تكون الكثافة 0.8884 جم/مل، وعند 20 درجة - 0.8786 جم/مل. جزيئات البنزين غير قطبية، وبالتالي فإن المادة غير قابلة للذوبان في الماء. لكن المركب نفسه مفيد للدهون على سبيل المثال.

ملامح الخواص الكيميائية للبنزين

لقد ثبت تجريبياً أن حلقة البنزين العطرية مستقرة، أي أنها ثابتة. تتميز بمقاومة عالية للتمزق. تفسر هذه الحقيقة ميل المادة إلى الخضوع لتفاعلات من النوع البديل، على سبيل المثال، مع الكلور في الظروف العادية، مع البروم، مع حمض النترات في وجود عامل محفز. وتجدر الإشارة إلى أن البنزين شديد المقاومة للعوامل المؤكسدة مثل برمنجنات البوتاسيوم وماء البروم. وهذا يؤكد مرة أخرى عدم وجود روابط مزدوجة في جزيء الأرين. الأكسدة الشديدة، والمعروفة أيضًا باسم الاحتراق، هي سمة مميزة لجميع الهيدروكربونات العطرية. وبما أن نسبة الكربون في جزيء C6H6 عالية، فإن احتراق البنزين يصاحبه لهب دخاني مع تكوين جزيئات السخام. ونتيجة للتفاعل، يتم تشكيل ثاني أكسيد الكربون والماء. السؤال المثير للاهتمام هو: هل يمكن للهيدروكربون العطري أن يخضع لتفاعلات إضافة؟ دعونا نفكر في الأمر بمزيد من التفصيل.

إلى ماذا يؤدي تمزق حلقة البنزين؟

لنتذكر أن جزيئات الأرين تحتوي على رابطة ونصف، والتي تنشأ نتيجة تداخل ستة إلكترونات p من ذرات الكربون. وهو أساس نواة البنزين. لتدميره وتنفيذ تفاعل الإضافة، هناك حاجة إلى عدد من الشروط الخاصة، على سبيل المثال، تشعيع الضوء، وارتفاع درجة الحرارة والضغط، والمحفزات. يخضع خليط من البنزين والكلور لتفاعل إضافة تحت تأثير الأشعة فوق البنفسجية. سيكون ناتج هذا التفاعل هو سداسي كلورو حلقي الهكسان، وهي مادة بلورية سامة تستخدم في الزراعة كمبيد حشري. لم تعد هناك حلقة بنزين في جزيء سداسي كلوران، بل تمت إضافة ست ذرات كلور إلى الموقع الذي تنكسر فيه.

مجالات التطبيق العملي للبنزين

في مختلف الصناعات، يتم استخدام المادة على نطاق واسع كمذيب، وكذلك كمادة خام لمزيد من إنتاج الورنيش والبلاستيك والأصباغ وكمادة مضافة لوقود السيارات. تتمتع مشتقات البنزين ونظائرها بنطاق أوسع من التطبيقات. على سبيل المثال، النيتروبنزين C6H5NO2 هو الكاشف الرئيسي لإنتاج الأنيلين. ونتيجة لذلك، يتم الحصول على سداسي كلور البنزين مع الكلور في وجود كلوريد الألومنيوم كمحفز. يتم استخدامه لمعالجة البذور قبل البذر، ويستخدم أيضًا في صناعة النجارة لحماية الخشب من الآفات. تنتج نترجة متجانس البنزين (التولوين) مادة متفجرة تعرف باسم TNT أو تول.

في هذه المقالة، قمنا بدراسة خصائص المركب العطري مثل تفاعلات الإضافة والاستبدال، واحتراق البنزين، كما حددنا مجالات تطبيقه في الصناعة والزراعة.

البنزين. فورمولا 1)

البنزين - مركب عضوي C6H6، أبسط الهيدروكربونات العطرية؛ سائل متطاير عديم اللون متحرك ذو رائحة خفيفة غريبة.

• تنل = 5.5 درجة مئوية؛
• تي كيب = 80.1 درجة مئوية؛
• الكثافة 879.1 كجم / م 3 (0.8791 جم / سم 3) عند 20 درجة مئوية.

مع الهواء بتركيز حجمي يتراوح بين 1.5-8%، يشكل البنزين مخاليط متفجرة. يتم خلط البنزين بجميع النسب مع الأثير والبنزين والمذيبات العضوية الأخرى. يذوب 0.054 جم من الماء في 100 جم من البنزين عند درجة حرارة 26 درجة مئوية؛ مع الماء يشكل خليط أزيوتروبي (يغلي باستمرار) (91.2٪ بنزين بالوزن) مع درجة حرارة t = 69.25 درجة مئوية.

قصة

تم اكتشاف البنزين بواسطة م. فاراداي. (1825) الذي عزله من المكثفات السائلة للغاز المضيء؛ تم الحصول على البنزين في شكله النقي في عام 1833 من قبل E. Mitscherlich عن طريق التقطير الجاف لملح الكالسيوم من حمض البنزويك (ومن هنا الاسم).

في عام 1865، اقترح F. A. كيكولي صيغة هيكلية للبنزين تتوافق مع الهكساترين الحلقي - سلسلة مغلقة مكونة من 6 ذرات كربون مع روابط مفردة ومزدوجة متناوبة. يتم استخدام صيغة Kekule على نطاق واسع جدًا، على الرغم من تراكم العديد من الحقائق التي تشير إلى أن البنزين لا يحتوي على بنية الهكساترين الحلقي. وهكذا، فقد ثبت منذ فترة طويلة أن البنزين المستبدل أورثو موجود فقط في شكل واحد، في حين أن صيغة كيكولي تسمح بتصاوغ مثل هذه المركبات (بدائل على ذرات الكربون المرتبطة برابطة مفردة أو مزدوجة). في عام 1872، قدم كيكولي أيضًا فرضية مفادها أن الروابط في البنزين تتحرك وتتأرجح باستمرار وبسرعة كبيرة. تم اقتراح صيغ أخرى لبنية البنزين، لكنها لم تحظ بالاعتراف.

الخواص الكيميائية

البنزين. صيغة (2)

تتوافق الخصائص الكيميائية للبنزين رسميًا إلى حد ما مع الصيغة (1). لذلك، في ظل ظروف معينة، يتم إضافة 3 جزيئات من الكلور أو 3 جزيئات من الهيدروجين إلى جزيء البنزين؛ يتكون البنزين من تكثيف 3 جزيئات من الأسيتيلين. ومع ذلك، لا يتميز البنزين بشكل رئيسي بتفاعلات الإضافة النموذجية للمركبات غير المشبعة، ولكن بتفاعلات الاستبدال الكهربية. بالإضافة إلى ذلك، فإن حلقة البنزين شديدة المقاومة للعوامل المؤكسدة مثل برمنجنات البوتاسيوم، وهو ما يتعارض أيضًا مع وجود روابط مزدوجة موضعية في البنزين. خاص، ما يسمى يتم تفسير الخصائص العطرية للبنزين من خلال حقيقة أن جميع الروابط في جزيئه متوازية، أي أن المسافات بين ذرات الكربون المتجاورة هي نفسها وتساوي 0.14 نانومتر، وطول رابطة CC واحدة هو 0.154 نانومتر وC مزدوجة = الرابطة C هي 0.132 نانومتر. لجزيء البنزين محور تناظر ذو ستة رتب؛ يتميز البنزين كمركب عطري بوجود مجموعة سداسية من إلكترونات p، مما يشكل نظامًا إلكترونيًا ثابتًا ومغلقًا. ومع ذلك، لا توجد حتى الآن صيغة مقبولة بشكل عام تعكس هيكلها؛ الصيغة (2) غالبا ما تستخدم.

تأثير على الجسم

يمكن أن يسبب البنزين التسمم الحاد والمزمن. يخترق الجسم بشكل رئيسي من خلال الجهاز التنفسي، ولكن يمكن أيضًا امتصاصه من خلال الجلد السليم. الحد الأقصى المسموح به لتركيز بخار البنزين في هواء أماكن العمل هو 20 ملجم/م3. يتم إخراجه عن طريق الرئتين وفي البول. يحدث التسمم الحاد عادةً أثناء الحوادث؛ أغلبهم السمات المميزة: صداع، دوخة، غثيان، قيء، هياج يتبعه حالة اكتئاب، نبض سريع، انخفاض في ضغط الدم، في الحالات الشديدة - تشنجات، فقدان الوعي. يتجلى التسمم المزمن بالبنزين من خلال تغيرات في الدم (خلل في نخاع العظم)، والدوخة، والضعف العام، واضطراب النوم، والتعب. عند النساء - ضعف الدورة الشهرية. من التدابير الموثوقة ضد التسمم ببخار البنزين التهوية الجيدة للمباني الصناعية.

علاج التسمم الحاد :الراحة والدفء وأدوية البروميد وأدوية القلب والأوعية الدموية. للتسمم المزمن مع فقر الدم الوخيم: نقل خلايا الدم الحمراء، فيتامين ب12، مكملات الحديد.

مصادر

• أوميليانينكو إل إم، سينكيفيتش إن إيه.، العيادة والوقاية من التسمم بالبنزين، م، 1957؛