Benseeni füüsikaliste omaduste uurimine. Aromaatsed süsivesinikud

Aromaatsed HC-d (areenid)– need on süsivesinikud, mille molekulid sisaldavad ühte või mitut benseenitsüklit.

Aromaatsete süsivesinike näited:

Benseeni seeria areenid (monotsüklilised areenid)

Üldvalem:CnH 2n-6, n≥6

Aromaatsete süsivesinike lihtsaim esindaja on benseen, selle empiiriline valem on C 6 H 6.

Benseeni molekuli elektrooniline struktuur

Monotsükliliste areenide C n H 2 n -6 üldvalem näitab, et need on küllastumata ühendid.

1856. aastal tegi Saksa keemik A.F. Kekule pakkus välja konjugeeritud sidemetega (vahelduvad üksik- ja kaksiksidemed) benseeni tsüklilise valemi - tsükloheksatrieen-1,3,5:

See benseeni molekuli struktuur ei selgitanud paljusid benseeni omadusi:

• benseeni iseloomustavad pigem asendusreaktsioonid kui küllastumata ühenditele iseloomulikud liitumisreaktsioonid. Lisareaktsioonid on võimalikud, kuid on keerulisemad kui ;
• benseen ei osale reaktsioonides, mis on kvalitatiivsed reaktsioonid küllastumata süsivesinikega (broomvee ja KMnO 4 lahusega).

Hilisemad elektronide difraktsiooniuuringud näitasid, et kõik sidemed süsinikuaatomite vahel benseeni molekulis on sama pikkusega 0,140 nm (keskmine väärtus lihtsa molekuli pikkuse vahel S-S ühendused 0,154 nm ja kaksikside C=C 0,134 nm). Sidemete vaheline nurk iga süsinikuaatomi juures on 120°. Molekul on korrapärane lame kuusnurk.

Kaasaegne teooria C 6 H 6 molekuli struktuuri selgitamiseks kasutab aatomiorbitaalide hübridiseerimise ideed.

Benseeni süsinikuaatomid on sp 2 hübridisatsiooni olekus. Iga "C" aatom moodustab kolm σ-sidet (kaks süsinikuaatomiga ja üks vesinikuaatomiga). Kõik σ sidemed on samal tasapinnal:

Igal süsinikuaatomil on üks p-elektron, mis ei osale hübridisatsioonis. Süsinikuaatomite hübridiseerimata p-orbitaalid asuvad tasapinnal, mis on risti σ sidemete tasandiga. Iga p-pilv kattub kahe naabruses asuva p-pilvega ja selle tulemusena moodustub üks konjugeeritud π-süsteem (meenutagem p-elektronide konjugatsiooni mõju 1,3-butadieeni molekulis, käsitletud teemas “Dieeni süsivesinikud ”):

Kuue σ-sideme kombinatsiooni ühe π-süsteemiga nimetatakse aromaatne side.

Nimetatakse kuuest süsinikuaatomist koosnevat tsüklit, mis on seotud aromaatse sidemega benseeni rõngas või benseeni rõngas.

Kooskõlas tänapäevaste ideedega umbes elektrooniline struktuur benseeni molekul C 6 H 6 on kujutatud järgmiselt:

Benseeni füüsikalised omadused

Benseen on tavatingimustes värvitu vedelik; t o pl = 5,5 o C; t o kip. = 80 o C; on iseloomulik lõhn; ei segune veega, hea lahusti, väga mürgine.

Benseeni keemilised omadused

Aromaatne side määrab benseeni ja teiste aromaatsete süsivesinike keemilised omadused.

6π-elektroni süsteem on stabiilsem kui tavalised kaheelektronilised π-sidemed. Seetõttu on liitumisreaktsioonid aromaatsete süsivesinike jaoks vähem tüüpilised kui küllastumata süsivesinike jaoks. Areenide kõige iseloomulikumad reaktsioonid on asendusreaktsioonid.

I. Asendusreaktsioonid

1.Halogeenimine

2. Nitreerimine

Reaktsioon viiakse läbi hapete seguga (nitreerimissegu):

3.Sulfoneerimine

4.Alküleerimine (H-aatomi asendamine alküülrühmaga) Friedeli-Craftsi reaktsioonid, moodustuvad benseeni homoloogid:

Haloalkaanide asemel võib kasutada alkeene (katalüsaatori - AlCl3 või anorgaanilise happe juuresolekul):

II. Lisamisreaktsioonid

1.Hüdrogeenimine

2.Kloori lisamine

III.Oksüdatsioonireaktsioonid

1. Põlemine

2C6H6 + 15O2 → 12CO2 + 6H2O

2. Mittetäielik oksüdatsioon (KMnO 4 või K 2 Cr 2 O 7 happelises keskkonnas). Benseenitsükkel on vastupidav oksüdeerivatele ainetele. Reaktsiooni ei toimu.

Benseeni saamine

Tööstuses:

1) nafta ja söe töötlemine;

2) tsükloheksaani dehüdrogeenimine:

3) heksaani dehüdrotsüklistamine (aromatiseerimine):

Laboris:

Bensoehappe soolade liitmine:

Benseeni homoloogide isomeeria ja nomenklatuur

Igal benseeni homoloogil on kõrvalahel, st. benseenitsükliga seotud alküülradikaalid. Esimene benseeni homoloog on benseenitsükkel, mis on seotud metüülradikaaliga:

Tolueenil ei ole isomeere, kuna kõik positsioonid benseenitsüklis on samaväärsed.

Järgnevate benseeni homoloogide puhul on võimalik ühte tüüpi isomeeria - külgahela isomeeria, mida võib olla kahte tüüpi:

1) asendajate arvu ja struktuuri isomeeria;

2) asendajate asukoha isomeeria.

Tolueeni füüsikalised omadused

Tolueen- värvitu iseloomuliku lõhnaga vedelik, vees lahustumatu, orgaanilistes lahustites lahustuv. Tolueen on vähem toksiline kui benseen.

Tolueeni keemilised omadused

I. Asendusreaktsioonid

1. Benseenitsükliga seotud reaktsioonid

Metüülbenseen osaleb kõigis asendusreaktsioonides, milles osaleb benseen, ja on samal ajal suurema reaktsioonivõimega, reaktsioonid kulgevad suurema kiirusega.

Tolueeni molekulis sisalduv metüülradikaal on sedalaadi asendaja, mistõttu benseenitsüklis toimuvate asendusreaktsioonide tulemusena saadakse tolueeni orto- ja paraderivaadid või reaktiivi liia korral tri. - derivaadid üldine valem:

a) halogeenimine

Edasisel kloorimisel võib saada diklorometüülbenseeni ja triklorometüülbenseeni:

II. Lisamisreaktsioonid

Hüdrogeenimine

III.Oksüdatsioonireaktsioonid

1.Põlemine
C6H5CH3 + 9O2 → 7CO2 + 4H2O

2. Mittetäielik oksüdatsioon

Erinevalt benseenist oksüdeerivad selle homoloogid teatud oksüdeerivad ained; sel juhul oksüdeerub kõrvalahel, tolueeni puhul metüülrühm. Kerged oksüdeerivad ained nagu MnO 2 oksüdeerivad selle aldehüüdrühmaks, tugevamad oksüdeerivad ained (KMnO 4) põhjustavad edasist oksüdeerumist happeks:

Iga ühe kõrvalahelaga benseeni homoloog oksüdeeritakse tugeva oksüdeeriva ainega nagu KMnO4 bensoehappeks, st. külgahel katkeb katkenud osa oksüdeerumisel CO 2 -ks; Näiteks:

Kui külgahelaid on mitu, oksüdeeritakse igaüks neist karboksüülrühmaks ja selle tulemusena moodustuvad mitmealuselised happed, näiteks:

Tolueeni saamine:

Tööstuses:

1) nafta ja söe töötlemine;

2) metüültsükloheksaani dehüdrogeenimine:

3) heptaani dehüdrotsüklistamine:

Laboris:

1) Friedel-Craftsi alküülimine;

2) Wurtz-Fittigi reaktsioon(naatriumi reaktsioon halobenseeni ja haloalkaani seguga).

Aromaatsed süsivesinikud moodustavad olulise osa orgaaniliste ühendite tsüklilisest sarjast. Selliste süsivesinike lihtsaim esindaja on benseen. Selle aine valem mitte ainult ei eristanud seda paljudest teistest süsivesinikest, vaid andis ka tõuke orgaanilise keemia uue suuna väljatöötamiseks.

Aromaatsete süsivesinike avastamine

Aromaatsed süsivesinikud avastati 19. sajandi alguses. Sel ajal kõige tavalisem kütus tänavavalgustus oli valgustav gaas. Suur inglise füüsik Michael Faraday eraldas selle kondensaadist 1825. aastal kolm grammi õlist ainet, kirjeldas üksikasjalikult selle omadusi ja nimetas selle: karbureeritud vesinik. 1834. aastal kuumutas saksa teadlane, keemik Mitscherlich bensoehapet lubjaga ja sai benseeni. Selle reaktsiooni valem on esitatud allpool:

C6 H5 COOH + CaO C6 H6 + CaCO3 liitmine.

Sel ajal saadi haruldast bensoehapet bensoehappe vaigust, mida võivad eritada mõned troopilised taimed. 1845. aastal avastati kivisöetõrvast uus ühend, mis oli täiesti kättesaadav tooraine uue aine tööstuslikuks tootmiseks. Teine benseeniallikas on mõnelt põldudelt saadav nafta. Tööstusettevõtete vajaduste rahuldamiseks benseeni järele saadakse seda ka teatud õli atsükliliste süsivesinike rühmade aromatiseerimisel.

Nime kaasaegse versiooni pakkus välja saksa teadlane Liebig. Sõna "benseen" tüvi tuleks leida keelest araabia keeled- seal on see tõlgitud kui "viiruk".

Benseeni füüsikalised omadused

Benseen on spetsiifilise lõhnaga värvitu vedelik. See aine keeb temperatuuril 80,1 o C, kivistub 5,5 o C juures ja muutub valgeks kristalseks pulbriks. Benseen praktiliselt ei juhi soojust ja elektrit, lahustub vees halvasti ja lahustub hästi erinevates õlides. Benseeni aromaatsed omadused peegeldavad selle struktuuri olemust sisemine struktuur: suhteliselt stabiilne benseenitsükkel ja ebakindel koostis.

Benseeni keemiline klassifikatsioon

Benseen ja selle homoloogid - tolueen ja etüülbenseen - on tsükliliste süsivesinike aromaatne seeria. Kõigi nende ainete struktuur sisaldab ühist struktuuri, mida nimetatakse benseenitsükliks. Iga ülaltoodud aine struktuur sisaldab spetsiaalset tsüklilist rühma, mille moodustavad kuus süsinikuaatomit. Seda nimetatakse benseeni aromaatseks ringiks.

Avastamise ajalugu

Benseeni sisestruktuuri loomine kestis mitu aastakümmet. Struktuuri (rõngamudeli) põhiprintsiibid pakkus 1865. aastal välja keemik A. Kekule. Nagu legend räägib, nägi saksa teadlane unes selle elemendi valemit. Hiljem pakuti välja aine, mida nimetatakse benseeniks, struktuuri lihtsustatud kirjapilt. Selle aine valem on kuusnurk. Süsiniku ja vesiniku sümbolid, mis peaksid asuma kuusnurga nurkades, on välja jäetud. Nii saadakse lihtne tavaline kuusnurk, mille külgedel on vahelduvad ühe- ja topeltjooned. Benseeni üldvalem on näidatud alloleval joonisel.

Aromaatsed süsivesinikud ja benseen

Selle elemendi keemiline valem viitab sellele, et liitumisreaktsioonid ei ole benseeni jaoks tüüpilised. Sellele, nagu ka teistele aromaatse seeria elementidele, on tüüpilised vesinikuaatomite asendusreaktsioonid benseenitsüklis.

Sulfoonimise reaktsioon

Kontsentreeritud väävelhappe ja benseeni koostoime tagamisel, reaktsioonitemperatuuri tõstmisel on võimalik saada bensosulfoonhapet ja vett. Benseeni struktuurvalem selles reaktsioonis on järgmine:

Halogeenimisreaktsioon

Broom või kroom reageerib katalüsaatori juuresolekul benseeniga. See tekitab halogeeni derivaate. Kuid nitreerimisreaktsioon toimub kontsentreeritud lämmastikhappega. Reaktsiooni lõpptulemus on lämmastikühend:

Nitreerimisel toodetakse tuntud lõhkeainet – TNT ehk trinitotolueeni. Vähesed teavad, et tol põhineb benseenil. Lõhkeainetena saab kasutada ka paljusid teisi benseenitsüklipõhiseid nitroühendeid

Benseeni elektrooniline valem

Benseenitsükli standardvalem ei kajasta täpselt benseeni sisemist struktuuri. Selle kohaselt peab benseenil olema kolm lokaliseeritud p-sidet, millest igaüks peab interakteeruma kahe süsinikuaatomiga. Kuid nagu kogemus näitab, ei ole benseenil tavalisi kaksiksidemeid. Benseeni molekulaarvalem võimaldab teil näha, et kõik benseenitsükli sidemed on samaväärsed. Igaüks neist on umbes 0,140 nm, mis on standardse üksiksideme (0,154 nm) ja etüleeni kaksiksideme (0,134 nm) vahepealne. Vahelduvate sidemetega kujutatud benseeni struktuurvalem on ebatäiuslik. Usutavam benseeni kolmemõõtmeline mudel näeb välja nagu alloleval pildil.

Kõik benseenitsükli aatomid on sp 2 hübridisatsiooni olekus. See kulutab kolm valentselektroni sigma sidemete moodustamiseks. Need elektronid katavad kahte naabruses asuvat süsivesikute aatomit ja ühte vesinikuaatomit. Sel juhul on nii elektronid kui ka C-C, H-H sidemed samal tasapinnal.

Neljas valentselektron moodustab kolmemõõtmelise kaheksakujulise pilve, mis asub benseenitsükli tasapinnaga risti. Iga selline elektronipilv kattub benseenitsükli tasandi kohal ja otse selle all kahe naabersüsinikuaatomi pilvega.

Selle aine n-elektronpilvede tihedus jaotub ühtlaselt kõigi süsiniksidemete vahel. Sel viisil moodustub üksikrõnga elektronpilv. IN üldine keemia Seda struktuuri nimetatakse aromaatsete elektronide sekstetiks.

Benseeni sisemiste sidemete ekvivalentsus

See on kuusnurga kõigi tahkude samaväärsus, mis selgitab aromaatsete sidemete ühtlust, mis määravad benseeni iseloomulikud keemilised ja füüsikalised omadused. Allpool on näidatud n-elektronide pilve ühtlase jaotuse ja kõigi selle sisemiste ühenduste samaväärsuse valem.

Nagu näete, on ühe- ja kahejooneliste joonte asemel sisemine struktuur kujutatud ringina.

Benseeni sisestruktuuri olemus annab võtme tsükliliste süsivesinike sisestruktuuri mõistmiseks ja avardab võimalusi praktilise rakendamise need ained.

Aromaatsed süsivesinikud- süsiniku ja vesiniku ühendid, mille molekul sisaldab benseenitsüklit. Aromaatsete süsivesinike olulisemad esindajad on benseen ja selle homoloogid - ühe või mitme vesinikuaatomi asendamise saadused benseeni molekulis süsivesinike jääkidega.

Benseeni molekuli struktuur

Esimese aromaatse ühendi, benseeni, avastas 1825. aastal M. Faraday. Selle molekulaarne valem loodi - C6H6. Kui võrrelda selle koostist sama arvu süsinikuaatomeid sisaldava küllastunud süsivesiniku - heksaani (C 6 H 14) koostisega, siis näeme, et benseen sisaldab kaheksa vähem vesinikuaatomit. Nagu teada, põhjustab mitmete sidemete ja tsüklite ilmnemine vesinikuaatomite arvu vähenemist süsivesiniku molekulis. 1865. aastal pakkus F. Kekule selle struktuurivalemiks välja tsükloheksantrieen-1,3,5.

Seega sisaldab Kekulé valemile vastav molekul kaksiksidemeid, seetõttu peab benseen olema küllastumata, st kergesti läbima liitumisreaktsioone: hüdrogeenimine, broomimine, hüdratsioon jne.

Paljude katsete andmed on aga seda näidanud benseen läbib liitumisreaktsiooni ainult karmides tingimustes(kõrgetel temperatuuridel ja valgustusel), oksüdatsioonile vastupidav. Selle kõige iseloomulikumad reaktsioonid on asendusreaktsioonid Seetõttu on benseen oma olemuselt lähedasem küllastunud süsivesinikele.

Püüdes neid lahknevusi selgitada, on paljud teadlased pakkunud välja erinevaid benseeni struktuuri võimalusi. Benseeni molekuli struktuuri kinnitas lõpuks selle atsetüleenist moodustumise reaktsioon. Tegelikkuses on benseeni süsinik-süsinik sidemed samaväärsed ja nende omadused ei ole sarnased ei üksik- ega kaksiksidemete omadega.

Praegu tähistatakse benseeni kas Kekule valemiga või kuusnurgaga, millel on kujutatud ring.

Mis on siis benseeni struktuuris erilist?

Uurimisandmete ja arvutuste põhjal jõuti järeldusele, et kõik kuus süsinikuaatomit on sp 2 hübridisatsiooni olekus ja asuvad samal tasapinnal. Kaksiksidemeid moodustavate süsinikuaatomite hübridiseerimata p-orbitaalid (Kekule valem) on risti tsükli tasapinnaga ja üksteisega paralleelsed.

Need kattuvad üksteisega, moodustades ühtse π-süsteemi. Seega on Kekulé valemis kujutatud vahelduvate kaksiksidemete süsteem konjugeeritud, kattuvate π-sidemete tsükliline süsteem. See süsteem koosneb kahest toroidaalsest (sõõrikutaolisest) elektrontiheduse piirkonnast, mis asuvad mõlemal pool benseenitsüklit. Seega on loogilisem kujutada benseeni korrapärase kuusnurgana, mille keskel on ring (π-süsteem), kui tsükloheksantrieen-1,3,5-na.

Ameerika teadlane L. Pauling tegi ettepaneku esindada benseeni kahe piirstruktuuri kujul, mis erinevad elektrontiheduse jaotuse poolest ja muutuvad pidevalt üksteiseks:

Sideme pikkuse mõõtmised kinnitavad seda eeldust. Leiti, et kõik benseeni C-C sidemed on ühepikkused (0,139 nm). Need on veidi lühemad kui üksikud C-C sidemed (0,154 nm) ja pikemad kui kaksiksidemed (0,132 nm).

On ka ühendeid, mille molekulid sisaldavad mitmeid tsüklilisi struktuure, näiteks:

Aromaatsete süsivesinike isomeeria ja nomenklatuur

Sest benseeni homoloogid Iseloomulik on mitme asendaja positsiooni isomeeria. Benseeni lihtsaim homoloog on tolueen(metüülbenseen) - ei sisalda selliseid isomeere; järgmine homoloog on esitatud nelja isomeerina:

Väikeste asendajatega aromaatse süsivesiniku nimetuse aluseks on sõna benseen. Aromaatse ringi aatomid on nummerdatud, alates vanema asetäitjast kuni juuniorini:

Kui asendajad on samad, siis nummerdamine toimub vastavalt otsetee : näiteks aine:

nimetatakse 1,3-dimetüülbenseeniks, mitte 1,5-dimetüülbenseeniks.

Vana nomenklatuuri järgi nimetatakse positsioone 2 ja 6 ortopositsioonideks, 4 - parapositsioonideks, 3 ja 5 - metapositsioonideks.

Aromaatsete süsivesinike füüsikalised omadused

Benseen ja selle lihtsaimad homoloogid tavatingimustes - väga mürgised vedelikud iseloomuliku ebameeldiva lõhnaga. Vees lahustuvad nad halvasti, orgaanilistes lahustites aga hästi.

Aromaatsete süsivesinike keemilised omadused

Asendusreaktsioonid. Aromaatsed süsivesinikud läbivad asendusreaktsioone.

1. Broomimine. Reageerides broomiga katalüsaatori, raud(III)bromiidi juuresolekul, saab ühe benseenitsükli vesinikuaatomi asendada broomiaatomiga:

2. Benseeni ja selle homoloogide nitreerimine. Kui aromaatne süsivesinik reageerib lämmastikhappega väävelhappe (väävel- ja lämmastikhapped nitreerivaks seguks), asendatakse vesinikuaatom nitrorühmaga - NO 2:

Nitrobenseeni redutseerimisel saame aniliin- aine, mida kasutatakse aniliinvärvide saamiseks:

See reaktsioon on nime saanud vene keemiku Zinini järgi.

Lisamisreaktsioonid. Aromaatsed ühendid võivad läbida ka benseenitsükliga liitumisreaktsiooni. Sel juhul moodustub tsükloheksaan ja selle derivaadid.

1. Hüdrogeenimine. Benseeni katalüütiline hüdrogeenimine toimub kõrgemal temperatuuril kui alkeenide hüdrogeenimine:

2. Kloorimine. Reaktsioon toimub ultraviolettvalgusega valgustamisel ja on vaba radikaal:

Aromaatsete süsivesinike keemilised omadused – kokkuvõte

Benseeni homoloogid

Nende molekulide koostis vastab valemile CnH2n-6. Benseeni lähimad homoloogid on:

Kõik tolueenile järgnevad benseeni homoloogid on isomeerid. Isomerismi võib seostada nii asendaja arvu ja struktuuriga (1, 2) kui ka asendaja asukohaga benseenitsüklis (2, 3, 4). Üldvalemiga ühendid C 8 H 10 :

Vastavalt vanale nomenklatuurile, mida kasutati kahe identse või erineva asendaja suhtelise asukoha näitamiseks benseenitsüklis, kasutatakse eesliiteid orto-(lühendatult o-) - asendajad asuvad naabersüsinikuaatomitel, meta-(m-) - ühe süsinikuaatomi kaudu ja paar-(n-) - üksteise vastas olevad asendajad.

Benseeni homoloogse seeria esimesed liikmed on spetsiifilise lõhnaga vedelikud. Need on veest kergemad. Need on head lahustid. Benseeni homoloogid läbivad asendusreaktsioonid:

broomimine:

nitreerimine:

Tolueen oksüdeerub kuumutamisel permanganaadiga:

Võrdlusmaterjal testi sooritamiseks:

Mendelejevi tabel

Lahustuvuse tabel

Tohutu arsenali hulgas orgaaniline aine Võib tuvastada mitmeid ühendeid, mille avastamise ja uurimisega kaasnes aastatepikkune teaduslik vaidlus. Benseen kuulub õigusega neile. Benseeni struktuur keemias võeti lõplikult omaks alles 20. sajandi alguses, samas kui aine elementaarne koostis määrati juba 1825. aastal, eraldades see kivisöetõrvast, mis saadi koksisöe kõrvalsaadusena.

Benseen koos tolueeni, antratseen, fenooli ja naftaleeniga klassifitseeritakse praegu aromaatsete süsivesinike hulka. Meie artiklis vaatleme, mis see süsivesinik on, selgitame välja näiteks füüsikalised omadused, nagu lahustuvus, keemistemperatuur ja benseeni tihedus, ning kirjeldame ka ühendi kasutusalasid tööstuses ja põllumajandus.

Mis on areenid?

Orgaaniliste ühendite keemia klassifitseerib kõik teadaolevad ained mitmesse rühma, näiteks alkaanid, alküünid, alkoholid, aldehüüdid jne. Kodu eristav omadus Iga ainete klass on teatud tüüpi sidemete olemasolu. Küllastunud süsivesinike molekulid sisaldavad ainult sigma sidet, etüleeni seeria ained sisaldavad kaksiksidet ja alküünid kolmiksidet. Millisesse klassi benseen kuulub?

Benseeni struktuur näitab aromaatse tsükli, mida nimetatakse benseenitsükliks, olemasolu selle molekulis. Kõik orgaanilised ühendid, mille molekulis on üks või mitu sellist tsüklit, klassifitseeritakse areeenideks (aromaatsed süsivesinikud). Lisaks benseenile, mida me praegu kaalume, hõlmab see rühm suur hulk väga olulised ained nagu tolueen, aniliin, fenool jt.

Kuidas lahendada aromaatse süsivesiniku molekuli struktuuri probleem

Algul tegid teadlased selle kindlaks, väljendades seda valemiga C 6 H 6, mille järgi benseeni suhteline molekulmass on 78. Seejärel pakuti välja mitmeid struktuurvalemite variante, kuid ükski neist ei vastanud tegelikele füüsikalistele ja keemilistele omadustele. benseeni kohta, mida keemikud laboratoorsetes katsetes täheldasid.

Möödus umbes nelikümmend aastat, enne kui saksa teadlane A. Kekule esitas oma versiooni benseeni molekuli struktuurivalemist. See sisaldas kolme kaksiksidet, mis viitab võimalikule küllastumata iseloomule keemilised omadused süsivesinik. See oli vastuolus ühendi valemiga C6H6 ja teiste ainetega, näiteks broomi, nitraathappe ja klooriga, koostoimete tegeliku olemusega.

Alles pärast benseeni molekuli elektroonilise konfiguratsiooni määramist selles struktuurvalem ilmus benseeni tuuma (rõnga) tähistus ja seda kasutatakse orgaanilise keemia kursustel siiani.

C6H6 molekuli elektrooniline konfiguratsioon

Milline ruumiline struktuur kas selles on benseeni? Benseeni struktuur kinnitati lõpuks kahe reaktsiooniga: atsetüleeni trimeriseerimine benseeni moodustamiseks ja selle redutseerimine vesinikuga tsükloheksaaniks. Selgus, et süsinikuaatomid, ühendades omavahel, moodustavad lameda kuusnurga ja on sp 2 hübridisatsiooni olekus, kasutades kolme oma neljast valentselektronist ühenduses teiste aatomitega.

Ülejäänud kuus vaba p-elektroni paiknevad risti molekuli tasapinnaga. Üksteisega kattudes moodustavad nad ühise elektronpilve, mida nimetatakse benseeni tuumaks.

Pooleteise keemilise sideme olemus

On hästi teada, et ühendite füüsikalised ja keemilised omadused sõltuvad ennekõike nende sisestruktuurist ja aatomite vahel tekkivate keemiliste sidemete tüüpidest. Olles uurinud benseeni elektroonilist struktuuri, võime jõuda järeldusele, et selle molekulil pole ei üksik- ega kaksiksidet, mida võib näha Kekulé valemis. Vastupidi, süsinikuaatomite vahel kõik keemilised sidemed on samaväärsed. Lisaks moodustab tavaline π-elektronipilv (kõigi kuue C-aatomiga) keemilise sideme, mida nimetatakse seskvitsentraalseks või aromaatseks. Just see asjaolu määrab benseenitsükli spetsiifilised omadused ja sellest tulenevalt ka iseloomu keemiline koostoime aromaatsed süsivesinikud koos teiste ainetega.

Füüsikalised omadused

Temperatuuri langedes vedelik muutub tahke faas ja benseen muutub valgeks kristalseks massiks. See sulab kergesti temperatuuril 5,5 °C. Tavatingimustes on aine värvitu vedelik, millel on omapärane lõhn. Selle keemistemperatuur on 80,1 °C.

Benseeni tihedus muutub temperatuuri muutudes. Mida kõrgem on temperatuur, seda väiksem on tihedus. Toome paar näidet. Temperatuuril 10° on tihedus 0,8884 g/ml ja 20° juures - 0,8786 g/ml. Benseeni molekulid on mittepolaarsed, seega on aine vees lahustumatu. Aga ühend ise on hea näiteks rasvadele.

Benseeni keemiliste omaduste tunnused

Eksperimentaalselt on kindlaks tehtud, et aromaatne benseenitsükkel on stabiilne, s.t. mida iseloomustab kõrge rebenemiskindlus. See asjaolu seletab aine kalduvust katalüsaatori juuresolekul läbida asendus-tüüpi reaktsioone, näiteks klooriga normaalsetes tingimustes, broomiga, nitraathappega. Tuleb märkida, et benseen on väga vastupidav oksüdeerivatele ainetele, nagu kaaliumpermanganaat ja broomvesi. See kinnitab veel kord kaksiksideme puudumist areeni molekulis. Tugev oksüdatsioon, mida muidu nimetatakse põlemiseks, on iseloomulik kõigile aromaatsetele süsivesinikele. Kuna süsiniku protsent C 6 H 6 molekulis on kõrge, siis kaasneb benseeni põlemisega suitsune leek koos tahmaosakeste moodustumisega. Reaktsiooni tulemusena moodustub süsinikdioksiid ja vesi. Huvitav küsimus on: kas aromaatne süsivesinik võib läbida liitumisreaktsioone? Vaatleme seda üksikasjalikumalt.

Milleni viib benseenirõnga purunemine?

Meenutagem, et areenimolekulid sisaldavad poolteiselist sidet, mis tekib süsinikuaatomite kuue p-elektroni kattumise tulemusena. See on benseeni tuuma alus. Selle hävitamiseks ja liitumisreaktsiooni läbiviimiseks on vaja mitmeid eritingimusi, näiteks valguskiirgust, kõrget temperatuuri ja rõhku ning katalüsaatoreid. Benseeni ja kloori segu läbib ultraviolettkiirguse mõjul liitumisreaktsiooni. Selle koostoime tulemuseks on heksaklorotsükloheksaan, mürgine kristalne aine, mida kasutatakse põllumajanduses insektitsiidina. Heksakloraani molekulis ei ole enam benseenitsüklit, selle purunemise kohale on lisatud kuus klooriaatomit.

Benseeni praktilise kasutamise valdkonnad

Erinevates tööstusharudes kasutatakse ainet laialdaselt lahustina, samuti lakkide, plastide, värvainete edasise tootmise toorainena ning mootorikütuse lisandina. Benseeni derivaatidel ja selle homoloogidel on veelgi laiem kasutusala. Näiteks nitrobenseen C 6 H 5 NO 2 on aniliini tootmise peamine reagent. Selle tulemusena saadakse heksaklorobenseen klooriga katalüsaatorina alumiiniumkloriidi juuresolekul. Seda kasutatakse seemnete külvieelseks töötlemiseks, samuti kasutatakse puidutööstuses puidu kaitsmiseks kahjurite eest. Benseeni homoloogi (tolueeni) nitreerimisel tekib lõhkeaine, mida tuntakse TNT või tol nime all.

Käesolevas artiklis uurisime aromaatse ühendi selliseid omadusi nagu liitmis- ja asendusreaktsioonid, benseeni põlemine ning tuvastasime ka selle kasutusvaldkonnad tööstuses ja põllumajanduses.

Benseen. Vormel 1)

Benseen - orgaaniline ühend C6H6, lihtsaim aromaatne süsivesinik; liikuv värvitu lenduv vedelik, millel on omapärane mahe lõhn.

• tnl = 5,5 °C;
• t kip = 80,1 °C;
• tihedus 879,1 kg/m 3 (0,8791 g/cm 3) temperatuuril 20 °C.

Õhuga kontsentratsiooniga 1,5-8%, moodustab benseen plahvatusohtlikke segusid. Benseeni segatakse kõigis vahekordades eetri, bensiini ja muude orgaaniliste lahustitega; 100 g benseenis lahustub temperatuuril 26°C 0,054 g vett; veega moodustab see aseotroopse (pidevalt keeva) segu (91,2% benseeni massist), mille t kip = 69,25 °C.

Lugu

Benseeni avastas M. Faraday. (1825), kes eraldas selle valgustusgaasi vedelast kondensaadist; Benseeni sai puhtal kujul 1833. aastal E. Mitscherlich bensoehappe kaltsiumisoola (sellest ka nimetus) kuivdestilleerimise teel.

1865. aastal pakkus F.A.Kekule välja tsükloheksatrieenile vastava benseeni struktuurivalemi – 6 süsinikuaatomist koosneva suletud ahela vahelduvate üksik- ja kaksiksidemetega. Kekule valemit kasutatakse üsna laialdaselt, kuigi on kogunenud palju fakte, mis näitavad, et benseenil ei ole tsükloheksatrieeni struktuuri. Seega on ammu kindlaks tehtud, et orto-diasendatud benseenid eksisteerivad ainult ühel kujul, samas kui Kekule valem võimaldab selliste ühendite isomeeriat (asendajad süsinikuaatomitel, mis on ühendatud üksik- või kaksiksidemega). 1872. aastal tutvustas Kekule lisaks hüpoteesi, et benseenis olevad sidemed liiguvad ja võnguvad pidevalt ja väga kiiresti. Pakuti välja ka teisi benseeni struktuuri valemeid, kuid need ei leidnud tunnustust.

Keemilised omadused

Benseen. Valem (2)

Benseeni keemilised omadused vastavad formaalselt mingil määral valemile (1). Seega lisatakse teatud tingimustel benseeni molekulile 3 molekuli kloori või 3 molekuli vesinikku; benseen tekib 3 atsetüleeni molekuli kondenseerumisel. Benseeni iseloomustavad aga peamiselt mitte küllastumata ühenditele omased liitumisreaktsioonid, vaid elektrofiilsed asendusreaktsioonid. Lisaks on benseenitsükkel väga vastupidav oksüdeerivatele ainetele, nagu kaaliumpermanganaat, mis on samuti vastuolus lokaliseeritud kaksiksidemete olemasoluga benseenis. Eriline, nn Benseeni aromaatsed omadused on seletatavad sellega, et kõik sidemed selle molekulis on joondatud, st naabersüsinikuaatomite vahelised kaugused on samad ja võrdsed 0,14 nm, üksik C-C sideme pikkus on 0,154 nm ja kaksiksideme C. =C side on 0,132 nm. Benseeni molekuli sümmeetriatelg on kuue järku; Benseeni kui aromaatset ühendit iseloomustab p-elektronide seksteti olemasolu, mis moodustab ühtse suletud stabiilse elektroonilise süsteemi. Siiski puudub endiselt üldtunnustatud valem, mis kajastaks selle struktuuri; sageli kasutatakse valemit (2).

Mõju kehale

Benseen võib põhjustada ägedat ja kroonilist mürgistust. Tungib kehasse peamiselt hingamiselundite kaudu, kuid võib imenduda ka läbi terve naha. Maksimaalne lubatud benseeniauru kontsentratsioon tööruumide õhus on 20 mg/m 3 . See eritub kopsude ja uriiniga. Äge mürgistus tekib tavaliselt õnnetuste ajal; enamik neist iseloomulikud tunnused: peavalu, pearinglus, iiveldus, oksendamine, agiteeritus, millele järgneb depressiivne seisund, kiire pulss, vererõhu langus, rasketel juhtudel - krambid, teadvusekaotus. Krooniline benseeni mürgistus väljendub muutustes veres (luuüdi funktsiooni häire), pearingluses, üldises nõrkuses, unehäiretes, väsimuses; naistel - menstruaaltsükli häired. Usaldusväärne abinõu benseeniauru mürgituse vastu on tööstusruumide hea ventilatsioon.

Ägeda mürgistuse ravi: puhkus, soojus, bromiidravimid, kardiovaskulaarsed ravimid; kroonilise mürgistuse korral raske aneemiaga: punaste vereliblede, B12-vitamiini, rauapreparaatide transfusioon.

Allikad

• Omeljanenko L. M., Senkevitš N. A., Benseeni mürgistuse kliinik ja ennetamine, M., 1957;