بررسی خواص فیزیکی بنزن. هیدروکربن های معطر

HC های معطر (آرنا)- اینها هیدروکربن هایی هستند که مولکول های آنها حاوی یک یا چند حلقه بنزن است.

نمونه هایی از هیدروکربن های معطر:

عرصه های سری بنزن (ارن های تک حلقه ای)

فرمول کلی:C n H 2n-6، n≥6

ساده ترین نماینده هیدروکربن های معطر، بنزن است، فرمول تجربی آن C 6 H 6 است.

ساختار الکترونیکی مولکول بنزن

فرمول کلی آرن های تک حلقه ای C n H 2 n -6 نشان می دهد که آنها ترکیبات غیر اشباع هستند.

در سال 1856 شیمیدان آلمانی A.F. Kekule یک فرمول حلقوی برای بنزن با پیوندهای مزدوج (پیوندهای منفرد و دوگانه متناوب) - cyclohexatriene-1،3،5 پیشنهاد کرد:

این ساختار مولکول بنزن بسیاری از خواص بنزن را توضیح نمی دهد:

• بنزن با واکنش های جانشینی به جای واکنش های افزودن مشخصه ترکیبات غیراشباع مشخص می شود. واکنش های اضافه ممکن است، اما دشوارتر از برای ;
• بنزن وارد واکنش‌هایی نمی‌شود که واکنش‌های کیفی به هیدروکربن‌های غیراشباع (با آب برم و محلول KMnO4) هستند.

مطالعات بعدی پراش الکترون نشان داد که تمام پیوندهای بین اتم های کربن در مولکول بنزن دارای طول یکسانی 0.140 نانومتر هستند (مقدار متوسط ​​بین طول یک ساده اتصالات S-S 0.154 نانومتر و پیوند دوگانه C=C 0.134 نانومتر). زاویه بین پیوندها در هر اتم کربن 120 درجه است. مولکول یک شش ضلعی مسطح منظم است.

نظریه مدرن برای توضیح ساختار مولکول C 6 H 6 از ایده هیبریداسیون اوربیتال های اتمی استفاده می کند.

اتم های کربن در بنزن در حالت هیبریداسیون sp 2 قرار دارند. هر اتم "C" سه پیوند σ (دو با اتم کربن و یکی با اتم هیدروژن) تشکیل می دهد. همه پیوندهای σ در یک صفحه هستند:

هر اتم کربن دارای یک الکترون p است که در هیبریداسیون شرکت نمی کند. اوربیتال‌های p هیبرید نشده اتم‌های کربن در صفحه‌ای عمود بر صفحه پیوند σ قرار دارند. هر p-ابر با دو p-ابر مجاور همپوشانی دارد و در نتیجه یک سیستم π مزدوج منفرد تشکیل می شود (اثر همجوشی الکترون های p در مولکول 1,3-butadiene را به یاد بیاورید که در مبحث "هیدروکربن های دی ان" بحث شده است. ”):

ترکیب شش پیوند σ با یک سیستم π واحد نامیده می شود اتصال معطر

حلقه ای متشکل از شش اتم کربن که توسط یک پیوند معطر به هم متصل شده اند نامیده می شود حلقه بنزنیا حلقه بنزن.

مطابق با ایده های مدرن در مورد ساختار الکترونیکیمولکول بنزن C 6 H 6 به صورت زیر نشان داده شده است:

خواص فیزیکی بنزن

بنزن در شرایط عادی یک مایع بی رنگ است. t o pl = 5.5 o C; تی کیپ = 80 درجه سانتیگراد؛ بوی مشخصی دارد؛ با آب مخلوط نمی شود، حلال خوب، بسیار سمی است.

خواص شیمیایی بنزن

پیوند آروماتیک خواص شیمیایی بنزن و سایر هیدروکربن های معطر را تعیین می کند.

سیستم 6π-الکترونی پایدارتر از پیوندهای π-الکترونی معمولی است. بنابراین، واکنش‌های افزودن برای هیدروکربن‌های آروماتیک کمتر از هیدروکربن‌های غیراشباع است. مشخص ترین واکنش ها برای آرن ها واکنش های جانشینی است.

من. واکنش های جایگزینی

1. هالوژناسیون

2. نیتراسیون

واکنش با مخلوطی از اسیدها (مخلوط نیترات کننده) انجام می شود:

3. سولفوناسیون

4. آلکیلاسیون (جایگزینی اتم "H" با یک گروه آلکیل) - واکنش های Friedel-Crafts، همولوگ های بنزن تشکیل می شوند:

به جای هالوآلکان ها می توان از آلکن ها استفاده کرد (در حضور کاتالیزور - AlCl 3 یا اسید معدنی):

II. واکنش های افزایشی

1-هیدروژناسیون

2.افزودن کلر

III.واکنش های اکسیداسیون

1. احتراق

2C 6 H 6 + 15O 2 → 12CO 2 + 6H 2 O

2. اکسیداسیون ناقص (KMnO 4 یا K 2 Cr 2 O 7 در محیط اسیدی). حلقه بنزن در برابر عوامل اکسید کننده مقاوم است. هیچ واکنشی رخ نمی دهد.

به دست آوردن بنزن

در صنعت:

1) فرآوری نفت و زغال سنگ؛

2) هیدروژن زدایی سیکلوهگزان:

3) چرخه زدایی (آروماتیزاسیون) هگزان:

در آزمایشگاه:

ادغام نمک های اسید بنزوئیک با:

ایزومریسم و ​​نامگذاری همولوگ های بنزن

هر همولوگ بنزن دارای یک زنجیره جانبی است. رادیکال های آلکیل به یک حلقه بنزن متصل می شوند. اولین همولوگ بنزن یک حلقه بنزن است که به رادیکال متیل متصل شده است:

تولوئن هیچ ایزومری ندارد، زیرا تمام موقعیت ها در حلقه بنزن معادل هستند.

برای همولوگ های بعدی بنزن، یک نوع ایزومر امکان پذیر است - ایزومریسم زنجیره جانبی، که می تواند دو نوع باشد:

1) ایزومری تعداد و ساختار جایگزین ها.

2) ایزومری موقعیت جانشین ها.

خواص فیزیکی تولوئن

تولوئن- مایعی بی رنگ با بوی مشخص، نامحلول در آب، محلول در حلال های آلی. سمیت تولوئن کمتر از بنزن است.

خواص شیمیایی تولوئن

من. واکنش های جایگزینی

1-واکنش های مربوط به حلقه بنزن

متیل بنزن وارد تمام واکنش‌های جایگزینی می‌شود که بنزن در آن نقش دارد و در عین حال واکنش‌پذیری بالاتری از خود نشان می‌دهد، واکنش‌ها با سرعت بیشتری پیش می‌روند.

رادیکال متیل موجود در مولکول تولوئن یک جانشین از این نوع است، بنابراین در نتیجه واکنش های جانشینی در حلقه بنزن، مشتقات ارتو و پارا مشتقات تولوئن به دست می آید یا در صورت وجود بیش از حد معرف، سه -مشتقات فرمول کلی:

الف) هالوژناسیون

با کلرزنی بیشتر می توان دی کلرو متیل بنزن و تری کلرومتیل بنزن را بدست آورد:

II. واکنش های افزایشی

هیدروژناسیون

III.واکنش های اکسیداسیون

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

2. اکسیداسیون ناقص

بر خلاف بنزن، همولوگ های آن توسط عوامل اکسید کننده خاصی اکسید می شوند. در این مورد، زنجیره جانبی در معرض اکسیداسیون است، در مورد تولوئن، گروه متیل. عوامل اکسید کننده ملایم مانند MnO 2 آن را به یک گروه آلدئیدی اکسید می کنند، عوامل اکسید کننده قوی تر (KMnO 4) باعث اکسیداسیون بیشتر به اسید می شوند:

هر همولوگ بنزن با یک زنجیره جانبی توسط یک عامل اکسید کننده قوی مانند KMnO4 به اسید بنزوئیک اکسید می شود. زنجیره جانبی با اکسیداسیون قسمت جدا شده به CO2 می شکند. مثلا:

اگر چندین زنجیره جانبی وجود داشته باشد، هر یک از آنها به یک گروه کربوکسیل اکسید می شوند و در نتیجه اسیدهای پلی بازیک تشکیل می شوند، به عنوان مثال:

بدست آوردن تولوئن:

در صنعت:

1) فرآوری نفت و زغال سنگ؛

2) هیدروژن زدایی متیل سیکلوهگزان:

3) چرخه زدایی از هپتان:

در آزمایشگاه:

1) آلکیلاسیون Friedel-Crafts.

2) واکنش ورتز فیتیگ(واکنش سدیم با مخلوط هالوبنزن و هالوآلکان).

هیدروکربن های معطر بخش مهمی از سری حلقوی ترکیبات آلی را تشکیل می دهند. ساده ترین نماینده چنین هیدروکربنی ها بنزن است. فرمول این ماده نه تنها آن را از تعدادی دیگر از هیدروکربن ها متمایز کرد، بلکه انگیزه ای برای توسعه یک جهت جدید در شیمی آلی ایجاد کرد.

کشف هیدروکربن های معطر

هیدروکربن های معطر در اوایل قرن نوزدهم کشف شدند. در آن زمان رایج ترین سوخت برای روشنایی خیابانگاز را روشن می کرد مایکل فارادی فیزیکدان بزرگ انگلیسی در سال 1825 سه گرم از یک ماده روغنی را از میعانات آن جدا کرد و خواص آن را به تفصیل توصیف کرد و نام آن را: هیدروژن کربوره دار گذاشت. در سال 1834، دانشمند آلمانی، شیمیدان Mitscherlich، اسید بنزوئیک را با آهک گرم کرد و بنزن به دست آورد. فرمول این واکنش در زیر ارائه شده است:

ترکیب C6 H5 COOH + CaO از C6 H6 + CaCO3.

در آن زمان اسید بنزوئیک کمیاب از رزین بنزوئیک اسید بدست می آمد که می تواند توسط برخی از گیاهان گرمسیری ترشح شود. در سال 1845، ترکیب جدیدی در قطران زغال سنگ کشف شد که یک ماده خام کاملاً در دسترس برای تولید یک ماده جدید در مقیاس صنعتی بود. یکی دیگر از منابع بنزن نفتی است که از برخی میادین به دست می آید. برای پاسخگویی به نیاز شرکت های صنعتی به بنزن، آن را با معطر کردن گروه های خاصی از هیدروکربن های غیر حلقوی نفت نیز به دست می آورند.

نسخه مدرن این نام توسط دانشمند آلمانی لیبیگ پیشنهاد شد. ریشه کلمه "بنزن" را باید در زبان های عربی- در آنجا به عنوان "بخور" ترجمه شده است.

خواص فیزیکی بنزن

بنزن مایعی بی رنگ با بوی خاص است. این ماده در دمای 80.1 درجه سانتی گراد می جوشد، در 5.5 درجه سانتی گراد سخت می شود و به پودر کریستالی سفید تبدیل می شود. بنزن عملاً گرما و الکتریسیته را هدایت نمی کند، در آب ضعیف حل می شود و در روغن های مختلف به خوبی حل می شود. خواص معطر بنزن منعکس کننده ماهیت ساختار آن است ساختار داخلی: حلقه بنزن نسبتاً پایدار و ترکیب نامشخص.

طبقه بندی شیمیایی بنزن

بنزن و همولوگ های آن - تولوئن و اتیل بنزن - مجموعه ای معطر از هیدروکربن های حلقوی هستند. ساختار هر یک از این مواد دارای ساختار مشترکی به نام حلقه بنزن است. ساختار هر یک از مواد فوق حاوی یک گروه حلقوی خاص است که توسط شش اتم کربن ایجاد شده است. به آن حلقه معطر بنزن می گویند.

تاریخچه کشف

ایجاد ساختار داخلی بنزن چندین دهه طول کشید. اصول اولیه ساختار (مدل حلقه) در سال 1865 توسط شیمیدان A. Kekule پیشنهاد شد. همانطور که افسانه می گوید، یک دانشمند آلمانی فرمول این عنصر را در خواب دید. بعدها، املای ساده شده ساختار ماده ای به نام بنزن پیشنهاد شد. فرمول این ماده شش ضلعی است. نمادهای کربن و هیدروژن، که باید در گوشه های شش ضلعی قرار گیرند، حذف شده اند. این یک شش ضلعی منظم ساده با خطوط تک و دوتایی متناوب در طرفین ایجاد می کند. فرمول کلی بنزن در شکل زیر نشان داده شده است.

هیدروکربن های معطر و بنزن

فرمول شیمیایی این عنصر نشان می دهد که واکنش های افزودن برای بنزن معمولی نیست. برای آن، مانند سایر عناصر سری آروماتیک، واکنش های جایگزینی اتم های هیدروژن در حلقه بنزن معمولی است.

واکنش سولفوناسیون

با اطمینان از برهمکنش اسید سولفوریک غلیظ و بنزن، افزایش دمای واکنش، اسید بنزو سولفونیک و آب به دست می آید. فرمول ساختاری بنزن در این واکنش به شرح زیر است:

واکنش هالوژناسیون

برم یا کروم در حضور کاتالیزور با بنزن واکنش می دهد. این باعث تولید مشتقات هالوژن می شود. اما واکنش نیتراسیون با استفاده از اسید نیتریک غلیظ صورت می گیرد. نتیجه نهایی واکنش یک ترکیب نیتروژنی است:

با استفاده از نیتریدینگ، یک ماده منفجره شناخته شده تولید می شود - TNT یا trinitotoluene. تعداد کمی از مردم می دانند که تول بر پایه بنزن است. بسیاری دیگر از ترکیبات نیترو بر پایه حلقه بنزن نیز می توانند به عنوان مواد منفجره استفاده شوند

فرمول الکترونیکی بنزن

فرمول استاندارد حلقه بنزن به طور دقیق ساختار داخلی بنزن را منعکس نمی کند. بر اساس آن، بنزن باید دارای سه پیوند p موضعی باشد که هر کدام باید با دو اتم کربن برهم کنش داشته باشند. اما، همانطور که تجربه نشان می دهد، بنزن دارای پیوندهای دوگانه معمولی نیست. فرمول مولکولی بنزن به شما این امکان را می دهد که ببینید همه پیوندهای موجود در حلقه بنزن معادل هستند. هر یک از آنها دارای طولی در حدود 0.140 نانومتر است که حد واسط بین طول یک پیوند واحد استاندارد (0.154 نانومتر) و یک پیوند دوگانه اتیلن (0.134 نانومتر) است. فرمول ساختاری بنزن، که با پیوندهای متناوب نشان داده شده است، ناقص است. یک مدل سه بعدی قابل قبول تر از بنزن مانند تصویر زیر است.

هر یک از اتم های حلقه بنزن در حالت هیبریداسیون sp 2 قرار دارند. سه الکترون ظرفیتی را صرف تشکیل پیوندهای سیگما می کند. این الکترون ها دو اتم کربوهیدرات مجاور و یک اتم هیدروژن را می پوشانند. در این حالت، هر دو الکترون و پیوندهای C-C، H-H در یک صفحه قرار دارند.

الکترون چهارم ظرفیت ابری را به شکل یک شکل سه بعدی هشت تشکیل می دهد که عمود بر صفحه حلقه بنزن قرار دارد. هر یک از این ابرهای الکترونی در بالای صفحه حلقه بنزن و مستقیماً در زیر آن با ابرهای دو اتم کربن همسایه همپوشانی دارند.

چگالی ابرهای n-الکترونی این ماده به طور مساوی بین همه پیوندهای کربنی توزیع شده است. به این ترتیب یک ابر الکترونی تک حلقه ای تشکیل می شود. که در شیمی عمومیبه این ساختار سکست الکترون آروماتیک می گویند.

هم ارزی پیوندهای داخلی بنزن

هم ارزی تمام وجوه شش ضلعی است که یکنواختی پیوندهای معطر را توضیح می دهد که مشخصه های شیمیایی و فیزیکی بنزن را مشخص می کند. فرمول توزیع یکنواخت ابر n-الکترون و هم ارزی تمام اتصالات داخلی آن در زیر نشان داده شده است.

همانطور که می بینید، به جای متناوب خطوط تک و دوتایی، ساختار داخلی به صورت دایره ای به تصویر کشیده شده است.

ماهیت ساختار داخلی بنزن کلید درک ساختار داخلی هیدروکربن های حلقوی را فراهم می کند و احتمالات را گسترش می دهد. کاربرد عملیاین مواد

هیدروکربن های معطر- ترکیبات کربن و هیدروژن که مولکول آنها دارای یک حلقه بنزن است. مهمترین نمایندگان هیدروکربن های معطر، بنزن و همولوگ های آن هستند - محصولات جایگزینی یک یا چند اتم هیدروژن در یک مولکول بنزن با بقایای هیدروکربن.

ساختار مولکول بنزن

اولین ترکیب معطر، بنزن، در سال 1825 توسط M. Faraday کشف شد. فرمول مولکولی آن ایجاد شد - C6H6. اگر ترکیب آن را با ترکیب یک هیدروکربن اشباع حاوی همان تعداد اتم کربن - هگزان (C 6 H 14) مقایسه کنیم، می بینیم که بنزن حاوی هشت اتم هیدروژن کمتر است. همانطور که مشخص است، ظهور پیوندها و چرخه های متعدد منجر به کاهش تعداد اتم های هیدروژن در یک مولکول هیدروکربن می شود. در سال 1865، F. Kekule فرمول ساختاری خود را به عنوان cyclohexanthriene-1،3،5 پیشنهاد کرد.

بنابراین، یک مولکول مربوط به فرمول Kekulé حاوی پیوندهای دوگانه است، بنابراین، بنزن باید غیر اشباع باشد، یعنی به راحتی تحت واکنش های افزودن قرار گیرد: هیدروژناسیون، برم، هیدراتاسیون و غیره

با این حال، داده های آزمایش های متعدد نشان داده است که بنزن تنها در شرایط سخت تحت واکنش های افزایشی قرار می گیرد(در دما و نور بالا)، مقاوم در برابر اکسیداسیون. مشخص ترین واکنش برای آن واکنش های جانشینی استبنابراین، بنزن از نظر خصوصیات به هیدروکربن های اشباع نزدیکتر است.

در تلاش برای توضیح این اختلافات، بسیاری از دانشمندان گزینه های مختلفی را برای ساختار بنزن پیشنهاد کرده اند. ساختار مولکول بنزن در نهایت با واکنش تشکیل آن از استیلن تأیید شد. در واقع، پیوندهای کربن-کربن در بنزن معادل هستند و خواص آنها مشابه پیوندهای تک یا دوگانه نیست.

در حال حاضر، بنزن را یا با فرمول Kekule یا با یک شش ضلعی که در آن یک دایره به تصویر کشیده می شود نشان می دهند.

بنابراین ساختار بنزن چه ویژگی خاصی دارد؟

بر اساس داده ها و محاسبات تحقیقاتی، به این نتیجه رسیدیم که هر شش اتم کربن در حالت هیبریداسیون sp 2 هستند و در یک صفحه قرار دارند. اوربیتال‌های p هیبرید نشده اتم‌های کربن که پیوندهای دوگانه را تشکیل می‌دهند (فرمول Kekule) عمود بر صفحه حلقه و موازی با یکدیگر هستند.

آنها روی یکدیگر همپوشانی دارند و یک سیستم π واحد را تشکیل می دهند. بنابراین، سیستم پیوندهای دوگانه متناوب که در فرمول Kekulé نشان داده شده است، یک سیستم چرخه ای از پیوندهای π مزدوج و همپوشانی است. این سیستم شامل دو ناحیه حلقوی (دونات مانند) با چگالی الکترونی است که در دو طرف حلقه بنزن قرار دارند. بنابراین، منطقی تر است که بنزن را به صورت یک شش ضلعی منظم با دایره ای در مرکز (سیستم π) نشان دهیم تا به صورت سیکلوهگزانترین-1،3،5.

دانشمند آمریکایی L. Pauling پیشنهاد کرد که بنزن را به شکل دو ساختار مرزی نشان دهد که در توزیع چگالی الکترون متفاوت است و دائماً به یکدیگر تبدیل می شوند:

اندازه گیری طول پیوند این فرض را تایید می کند. مشخص شد که تمام پیوندهای C-C در بنزن دارای طول یکسانی (0.139 نانومتر) هستند. آنها کمی کوتاهتر از پیوندهای C-C منفرد (0.154 نانومتر) و طولانی تر از پیوندهای دوگانه (0.132 نانومتر) هستند.

همچنین ترکیباتی وجود دارد که مولکول های آنها دارای چندین ساختار حلقوی هستند، به عنوان مثال:

ایزومر و نامگذاری هیدروکربن های آروماتیک

برای همولوگ های بنزنایزومری موقعیت چندین جانشین مشخص است. ساده ترین همولوگ بنزن است تولوئن(متیل بنزن) - چنین ایزومرهایی ندارد. همولوگ زیر به صورت چهار ایزومر ارائه می شود:

اساس نام یک هیدروکربن آروماتیک با جایگزین های کوچک کلمه بنزن است. اتم های موجود در حلقه معطر شماره گذاری شده اند، از معاون ارشد تا جوان:

اگر جانشین ها یکسان باشند، پس شماره گذاری بر اساس میانبر : برای مثال، ماده:

1،3-دی متیل بنزن نامیده می شود، نه 1،5-دی متیل بنزن.

با توجه به نامگذاری قدیمی، موقعیت های 2 و 6 را ارتوپوزیون، 4 - موقعیت های پارا، 3 و 5 - موقعیت های متا نامیده می شود.

خواص فیزیکی هیدروکربن های آروماتیک

بنزن و ساده ترین همولوگ های آن در شرایط عادی - مایعات بسیار سمیبا بوی نامطبوع مشخص. آنها در آب ضعیف حل می شوند، اما در حلال های آلی به خوبی حل می شوند.

خواص شیمیایی هیدروکربن های آروماتیک

واکنش های جایگزینیهیدروکربن های آروماتیک تحت واکنش های جایگزینی قرار می گیرند.

1. بروماسیون.هنگام واکنش با برم در حضور یک کاتالیزور، برمید آهن (III)، یکی از اتم های هیدروژن در حلقه بنزن می تواند با یک اتم برم جایگزین شود:

2. نیتراسیون بنزن و همولوگ های آن. هنگامی که یک هیدروکربن معطر با اسید نیتریک در حضور اسید سولفوریک (مخلوطی از سولفوریک و اسیدهای نیتریککه مخلوط نیترات نامیده می شود)، اتم هیدروژن با یک گروه نیترو جایگزین می شود - NO 2:

با کاهش نیتروبنزن بدست می آوریم آنیلین- ماده ای که برای به دست آوردن رنگ های آنیلین استفاده می شود:

این واکنش به نام شیمیدان روسی زینین نامگذاری شده است.

واکنش های افزایشیترکیبات معطر نیز می توانند تحت واکنش های افزودن به حلقه بنزن قرار گیرند. در این حالت سیکلوهگزان و مشتقات آن تشکیل می شود.

1. هیدروژناسیونهیدروژناسیون کاتالیستی بنزن در دمای بالاتر از هیدروژنه شدن آلکن ها اتفاق می افتد:

2. کلرزنیاین واکنش زمانی رخ می دهد که با نور ماوراء بنفش روشن شود و رادیکال آزاد باشد:

خواص شیمیایی هیدروکربن های آروماتیک - خلاصه

همولوگ های بنزن

ترکیب مولکول های آنها با فرمول مطابقت دارد سیnاچ2n-6. نزدیکترین همولوگهای بنزن عبارتند از:

همه همولوگ های بنزن زیر تولوئن دارند ایزومرها. ایزومر می تواند هم با تعداد و ساختار جانشین (1، 2)، و هم با موقعیت جانشین در حلقه بنزن (2، 3، 4) مرتبط باشد. ترکیبات فرمول عمومی سی 8 اچ 10 :

با توجه به نامگذاری قدیمی که برای نشان دادن محل نسبی دو جایگزین یکسان یا متفاوت بر روی حلقه بنزن استفاده می شود، از پیشوندها استفاده می شود. ارتو-(به اختصار o-) - جایگزین ها روی اتم های کربن همسایه قرار دارند، متا(m-) - از طریق یک اتم کربن و جفت-(n-) - جایگزین های مقابل یکدیگر.

اولین اعضای سری همولوگ بنزن مایعاتی با بوی خاص هستند. آنها سبکتر از آب هستند. آنها حلال های خوبی هستند. همولوگ های بنزن تحت واکنش های جایگزینی قرار می گیرند:

برم زایی:

نیتراسیون:

تولوئن با گرم شدن توسط پرمنگنات اکسید می شود:

مواد مرجع برای شرکت در آزمون:

جدول مندلیف

جدول حلالیت

در میان زرادخانه عظیم مواد آلیترکیبات متعددی را می توان شناسایی کرد که کشف و مطالعه آنها با سالها مجادله علمی همراه بود. بنزن به حق متعلق به آنهاست. ساختار بنزن در شیمی سرانجام تنها در آغاز قرن بیستم پذیرفته شد، در حالی که ترکیب عنصری این ماده در سال 1825 تعیین شد و آن را از قطران زغال سنگ جدا کرد که به عنوان محصول جانبی زغال سنگ کک به دست می آمد.

بنزن همراه با تولوئن، آنتراسن، فنل و نفتالین در حال حاضر به عنوان هیدروکربن های معطر طبقه بندی می شوند. در مقاله ما به این خواهیم پرداخت که این هیدروکربن چیست، خواص فیزیکی، به عنوان مثال، مانند حلالیت، نقطه جوش و چگالی بنزن را دریابیم، و همچنین زمینه های کاربرد این ترکیب را در صنعت و نیز تشریح خواهیم کرد. کشاورزی.

عرصه ها چیست؟

شیمی ترکیبات آلی همه مواد شناخته شده را به چند گروه طبقه بندی می کند، به عنوان مثال، آلکان ها، آلکین ها، الکل ها، آلدئیدها و غیره. صفحه اصلی ویژگی متمایزهر دسته از مواد وجود انواع خاصی از پیوندها است. مولکول های هیدروکربن های اشباع فقط حاوی یک پیوند سیگما، مواد سری اتیلن حاوی یک پیوند دوگانه و آلکین ها حاوی یک پیوند سه گانه هستند. بنزن متعلق به چه کلاسی است؟

ساختار بنزن نشان دهنده وجود یک حلقه معطر در مولکول آن به نام حلقه بنزن است. تمام ترکیبات آلی حاوی یک یا چند حلقه از این دست در مولکول های خود به عنوان آرن (هیدروکربن های معطر) طبقه بندی می شوند. علاوه بر بنزن که اکنون در حال بررسی آن هستیم، این گروه شامل می شود تعداد زیادی ازمواد بسیار مهمی مانند تولوئن، آنیلین، فنل و غیره.

چگونه مشکل ساختار یک مولکول هیدروکربن آروماتیک را حل کنیم

ابتدا دانشمندان آن را با بیان آن با فرمول C 6 H 6 ایجاد کردند که بر اساس آن وزن مولکولی نسبی بنزن برابر با 78 است. سپس چندین گزینه برای فرمول های ساختاری ارائه شد، اما هیچ کدام از آنها با خواص فیزیکی و شیمیایی واقعی مطابقت نداشتند. بنزن که توسط شیمیدانان در آزمایشات آزمایشگاهی مشاهده شد.

حدود چهل سال گذشت تا اینکه محقق آلمانی A. Kekule نسخه خود را از فرمول ساختاری مولکول بنزن ارائه کرد. این شامل سه پیوند دوگانه بود که نشان دهنده یک ویژگی غیراشباع احتمالی است خواص شیمیاییهیدروکربن این با ماهیت واقعی موجود تعاملات ترکیب با فرمول C 6 H 6 با سایر مواد، به عنوان مثال، با برم، اسید نیترات و کلر در تضاد بود.

تنها پس از تعیین پیکربندی الکترونیکی مولکول بنزن در آن فرمول ساختارینام هسته بنزن (حلقه) ظاهر شد و خود هنوز در دوره های شیمی آلی استفاده می شود.

پیکربندی الکترونیکی مولکول C6H6

چه نوع ساختار فضاییآیا بنزن دارد؟ ساختار بنزن در نهایت از طریق دو واکنش تایید شد: تریمریزاسیون استیلن برای تشکیل بنزن و احیای آن با هیدروژن به سیکلوهگزان. معلوم شد که اتم‌های کربن، با اتصال به یکدیگر، شش ضلعی مسطح را تشکیل می‌دهند و در حالت هیبریداسیون sp 2 قرار دارند و از سه الکترون از چهار الکترون ظرفیت خود در ارتباط با اتم‌های دیگر استفاده می‌کنند.

شش الکترون آزاد p باقیمانده عمود بر صفحه مولکول قرار دارند. آنها با همپوشانی با یکدیگر، یک ابر الکترونی مشترک به نام هسته بنزن را تشکیل می دهند.

ماهیت پیوندهای شیمیایی یک و نیم

به خوبی شناخته شده است که خواص فیزیکی و شیمیایی ترکیبات قبل از هر چیز به ساختار داخلی آنها و انواع پیوندهای شیمیایی که بین اتم ها ایجاد می شود بستگی دارد. با بررسی ساختار الکترونیکی بنزن، می‌توان به این نتیجه رسید که مولکول آن دارای پیوندهای منفرد و دوگانه نیست، که در فرمول ککوله قابل مشاهده است. برعکس، بین اتم های کربن همه چیز پیوندهای شیمیاییمعادل هستند. علاوه بر این، ابر الکترونی π مشترک (از هر شش اتم C) نوعی پیوند شیمیایی به نام sesquicentral یا معطر را تشکیل می دهد. این واقعیت است که ویژگی های خاص حلقه بنزن و در نتیجه شخصیت را تعیین می کند فعل و انفعالات شیمیاییهیدروکربن های معطر با مواد دیگر.

مشخصات فیزیکی

با کاهش دما، مایع تبدیل می شود فاز جامد، و بنزن به یک توده کریستالی سفید تبدیل می شود. در دمای 5.5 درجه سانتی گراد به راحتی ذوب می شود. در شرایط عادی، این ماده یک مایع بی رنگ با بوی خاص است. نقطه جوش آن 80.1 درجه سانتی گراد است.

چگالی بنزن با تغییر دما تغییر می کند. هر چه دما بیشتر باشد، چگالی کمتر است. بیایید چند مثال بزنیم. در دمای 10 درجه، چگالی 0.8884 گرم در میلی لیتر و در 20 درجه - 0.8786 گرم در میلی لیتر است. مولکول های بنزن غیر قطبی هستند، بنابراین این ماده در آب نامحلول است. اما خود این ترکیب برای مثال برای چربی ها خوب است.

ویژگی های خواص شیمیایی بنزن

به طور تجربی ثابت شده است که حلقه بنزن معطر پایدار است، یعنی. با مقاومت بالا در برابر پارگی مشخص می شود. این واقعیت تمایل یک ماده را برای انجام واکنش های نوع جایگزینی، به عنوان مثال، با کلر در شرایط عادی، با برم، با اسید نیترات در حضور یک کاتالیزور توضیح می دهد. لازم به ذکر است که بنزن در برابر عوامل اکسید کننده مانند پرمنگنات پتاسیم و آب برم بسیار مقاوم است. این یک بار دیگر عدم وجود پیوندهای دوگانه در مولکول آرن را تأیید می کند. اکسیداسیون شدید، که در غیر این صورت احتراق نامیده می شود، مشخصه تمام هیدروکربن های آروماتیک است. از آنجایی که درصد کربن در مولکول C 6 H 6 زیاد است، احتراق بنزن با شعله دودی همراه با تشکیل ذرات دوده همراه است. در نتیجه واکنش، دی اکسید کربن و آب تشکیل می شود. یک سوال جالب این است: آیا یک هیدروکربن آروماتیک می تواند تحت واکنش های افزودن قرار گیرد؟ بیایید آن را با جزئیات بیشتر در نظر بگیریم.

پارگی حلقه بنزن به چه چیزی منجر می شود؟

بیایید به یاد بیاوریم که مولکول های آرن حاوی یک و نیم پیوند هستند که در نتیجه همپوشانی شش الکترون p از اتم های کربن ایجاد می شود. اساس هسته بنزن است. برای از بین بردن آن و انجام واکنش افزودن، تعدادی شرایط خاص لازم است، به عنوان مثال، تابش نور، دما و فشار بالا و کاتالیزورها. مخلوطی از بنزن و کلر تحت تأثیر اشعه ماوراء بنفش تحت یک واکنش اضافه قرار می گیرد. محصول این فعل و انفعال هگزاکلروسیکلو هگزان خواهد بود، یک ماده کریستالی سمی که در کشاورزی به عنوان حشره کش استفاده می شود. دیگر حلقه بنزن در مولکول هگزاکلران وجود ندارد، شش اتم کلر به محل شکسته شدن آن اضافه شده است.

زمینه های کاربرد عملی بنزن

در صنایع مختلف، این ماده به طور گسترده ای به عنوان حلال و همچنین به عنوان ماده اولیه برای تولید بیشتر لاک ها، پلاستیک ها، رنگ ها و به عنوان یک افزودنی به سوخت موتور استفاده می شود. مشتقات بنزن و همولوگ های آن دارای طیف وسیع تری از کاربردها هستند. به عنوان مثال، نیتروبنزن C 6 H 5 NO 2 معرف اصلی برای تولید آنیلین است. در نتیجه هگزا کلروبنزن با کلر در حضور کلرید آلومینیوم به عنوان کاتالیزور به دست می آید. برای درمان پیش از کاشت بذر استفاده می شود و همچنین در صنعت نجاری برای محافظت از چوب در برابر آفات استفاده می شود. نیتراسیون یک همولوگ بنزن (تولوئن) ماده منفجره ای به نام TNT یا tol تولید می کند.

در این مقاله به بررسی خواص یک ترکیب معطر مانند واکنش های افزودن و جایگزینی، احتراق بنزن و همچنین شناسایی زمینه های کاربرد آن در صنعت و کشاورزی پرداختیم.

بنزن. فرمول 1)

بنزن - ترکیب آلی C 6 H 6، ساده ترین هیدروکربن معطر. مایع فرار بی رنگ متحرک با بوی ملایم عجیب و غریب.

• tnl = 5.5 درجه سانتیگراد;
• t kip = 80.1 درجه سانتی گراد;
• چگالی 879.1 کیلوگرم بر متر مکعب (0.8791 گرم بر سانتی متر مکعب) در 20 درجه سانتی گراد.

با هوا در غلظت حجمی 1.5-8٪، بنزن مخلوط های انفجاری را تشکیل می دهد. بنزن به هر نسبت با اتر، بنزین و سایر حلال های آلی مخلوط می شود. 0.054 گرم آب در 100 گرم بنزن در دمای 26 درجه سانتیگراد حل می شود. با آب یک مخلوط آزئوتروپیک (به طور مداوم در حال جوش) (91.2 درصد وزنی بنزن) با t kip = 69.25 درجه سانتیگراد تشکیل می دهد.

داستان

بنزن توسط M. Faraday کشف شد. (1825)، که آن را از میعانات مایع گاز روشن کننده جدا کرد. بنزن به شکل خالص در سال 1833 توسط E. Mitscherlich با تقطیر خشک نمک کلسیم اسید بنزوئیک (از این رو نام آن) بدست آمد.

در سال 1865، F.A. Kekule یک فرمول ساختاری برای بنزن مربوط به سیکلوهگزاترین پیشنهاد کرد - یک زنجیره بسته از 6 اتم کربن با پیوندهای متناوب منفرد و دوگانه. فرمول Kekule به طور گسترده مورد استفاده قرار می گیرد، اگرچه حقایق زیادی جمع آوری شده است که نشان می دهد بنزن ساختار سیکلوهگزاترین را ندارد. بنابراین، مدت‌ها ثابت شده است که بنزن‌های ارتو-دی‌جایگزین‌شده تنها به یک شکل وجود دارند، در حالی که فرمول Kekule ایزومریسم چنین ترکیباتی (جایگزین‌های روی اتم‌های کربن متصل به یک پیوند منفرد یا دوگانه) را امکان‌پذیر می‌کند. در سال 1872، Kekule علاوه بر این، این فرضیه را مطرح کرد که پیوندهای بنزن به طور مداوم و بسیار سریع حرکت و نوسان می کنند. فرمول های دیگری برای ساختار بنزن پیشنهاد شد، اما آنها به رسمیت شناخته نشدند.

خواص شیمیایی

بنزن. فرمول (2)

خواص شیمیایی بنزن به طور رسمی تا حدودی با فرمول (1) مطابقت دارد. بنابراین، تحت شرایط خاص، 3 مولکول کلر یا 3 مولکول هیدروژن به یک مولکول بنزن اضافه می شود. بنزن از تراکم 3 مولکول استیلن تشکیل می شود. با این حال، بنزن عمدتا با واکنش های افزودن معمولی ترکیبات غیراشباع مشخص نمی شود، بلکه با واکنش های جایگزینی الکتروفیلیک مشخص می شود. علاوه بر این، حلقه بنزن در برابر عوامل اکسید کننده مانند پرمنگنات پتاسیم بسیار مقاوم است که با وجود پیوندهای مضاعف موضعی در بنزن نیز تناقض دارد. خاص، به اصطلاح خواص معطر بنزن با این واقعیت توضیح داده می شود که همه پیوندهای موجود در مولکول آن در یک راستا قرار دارند، یعنی فاصله بین اتم های کربن همسایه یکسان و برابر با 0.14 نانومتر است، طول یک پیوند C-C منفرد 0.154 نانومتر و یک C دو برابر است. پیوند =C 0.132 نانومتر است. مولکول بنزن دارای یک محور تقارن شش مرتبه است. بنزن به عنوان یک ترکیب معطر با حضور یک گروه از الکترون‌های p مشخص می‌شود که یک سیستم الکترونیکی پایدار و بسته را تشکیل می‌دهند. با این حال، هنوز هیچ فرمول پذیرفته شده ای وجود ندارد که ساختار آن را منعکس کند. فرمول (2) اغلب استفاده می شود.

تاثیر بر بدن

بنزن می تواند باعث مسمومیت حاد و مزمن شود. به طور عمده از طریق سیستم تنفسی به بدن نفوذ می کند، اما می تواند از طریق پوست دست نخورده نیز جذب شود. حداکثر غلظت مجاز بخار بنزن در هوای محل کار 20 میلی گرم بر متر مکعب است. از طریق ریه ها و از طریق ادرار دفع می شود. مسمومیت حاد معمولاً در هنگام تصادفات رخ می دهد. بیشتر آنها ویژگی های مشخصه: سردرد، سرگیجه، حالت تهوع، استفراغ، بی قراری و به دنبال آن حالت افسرده، نبض سریع، افت فشار خون، در موارد شدید - تشنج، از دست دادن هوشیاری. مسمومیت مزمن با بنزن با تغییر در خون (اختلال مغز استخوان)، سرگیجه، ضعف عمومی، اختلال خواب، خستگی آشکار می شود. در زنان - اختلال در عملکرد قاعدگی. یک اقدام مطمئن در برابر مسمومیت با بخار بنزن، تهویه مناسب اماکن صنعتی است.

درمان مسمومیت حاد:استراحت، گرما، داروهای برمید، داروهای قلبی عروقی؛ برای مسمومیت های مزمن با کم خونی شدید: انتقال گلبول های قرمز، ویتامین B12، مکمل های آهن.

منابع

• Omelyanenko L. M.، Senkevich N. A.، کلینیک و پیشگیری از مسمومیت با بنزن، م.، 1957;