Бензол и арены
В 1825 году Майкл Фарадей выделил из конденсата светильного газа, которым тогда освещали города, бесцветную летучую жидкость с характерным запахом, и анализ показал, что атомов углерода и водорода в ней поровну. Позже установили её формулу C6H6, и химики оказались в тупике. На шесть атомов углерода всего шесть атомов водорода, у гексана их четырнадцать. По составу вещество выглядело сильно непредельным, но бромную воду не обесцвечивало.
В 1865 году Август Кекуле предложил циклическую формулу: шесть атомов углерода замкнуты в кольцо с чередованием одинарных и двойных связей. Кольцо объясняло состав и то, что у бензола всего одно монобромпроизводное C6H5Br. Но три двойные связи должны были обесцвечивать бромную воду, а этого не происходило. Ответ дала только квантовая химия XX века.
В бензольном кольце все связи одинаковые
Все шесть атомов углерода в бензоле находятся в sp2-гибридизации. Кольцо плоское, это правильный шестиугольник с углами 120°. У каждого атома остаётся одна негибридная p-орбиталь, перпендикулярная плоскости кольца, и шесть p-электронов сливаются в общее π-облако, которое лежит над кольцом и под ним, как два бублика. Поэтому все связи C–C одинаковы: они не одинарные и не двойные, а промежуточные. Такую систему называют ароматической, а в формуле рисуют шестиугольник с кружком внутри.
Бензол — первый член ряда аренов с общей формулой CnH2n−6. Следующий гомолог — толуол, или метилбензол, C6H5–CH3. У состава C8H10 уже есть изомеры по положению заместителей в кольце: 1,2-, 1,3- и 1,4-диметилбензол, в старой номенклатуре орто-, мета- и пара-ксилол.
Бензол кипит при 80 °C, в воде не растворяется и сам хорошо растворяет жиры и лаки. Он ядовит: пары при долгом вдыхании поражают кроветворение. Горит бензол коптящим пламенем: 2C6H6 + 15O2 → 12CO2 + 6H2O.
Бензол охотнее замещает водород, чем присоединяет
Разрушать общее π-облако невыгодно, поэтому бензол охотнее отдаёт атом водорода в реакции замещения, чем присоединяет реагент по кратным связям, как это делают алкены. С жидким бромом при катализаторе идёт бромирование: C6H6 + Br2 → C6H5Br + HBr (FeBr3). Бромная вода на бензол не действует, раствор KMnO4 тоже.
Смесь концентрированных азотной и серной кислот нитрует бензол: C6H6 + HNO3 → C6H5NO2 + H2O (H2SO4 конц., t). Из нитробензола в 1842 году Николай Николаевич Зинин получил анилин, а в 1856 году Уильям Перкин получил из анилина мовеин, первый синтетический краситель. С хлорэтаном при катализаторе AlCl3 бензол алкилируется: C6H6 + C2H5Cl → C6H5–C2H5 + HCl.
Присоединение тоже возможно, но в жёстких условиях. С водородом на никеле при нагревании получается циклогексан: C6H6 + 3H2 → C6H12 (t, Ni). С хлором на свету — гексахлорциклогексан: C6H6 + 3Cl2 → C6H6Cl6 (свет).
Задача 1. Вычисли объём водорода (н. у.), который нужен для превращения 15,6 г бензола в циклогексан.
Молярная масса бензола 78 г/моль, n(C6H6) = 15,6 / 78 = 0,2 моль.
На 1 моль бензола уходит 3 моль водорода: n(H2) = 0,2 · 3 = 0,6 моль.
V(H2) = 0,6 · 22,4 = 13,44 л.
Ответ: 13,44 л.
Метильная группа меняет поведение кольца
Взаимное влияние атомов, о котором писал Бутлеров, в толуоле видно в двух реакциях. Кольцо делает метильную группу уязвимой: при нагревании с подкисленным KMnO4 толуол окисляется до бензойной кислоты C6H5–COOH, и раствор обесцвечивается. Бензол так не реагирует.
Метильная группа, в свою очередь, облегчает замещение в кольце у атомов 2, 4 и 6. Толуол нитруется легче бензола, а с избытком азотной кислоты замещаются три атома водорода: C6H5–CH3 + 3HNO3 → C6H2(NO2)3–CH3 + 3H2O (H2SO4 конц., t). Продукт — 2,4,6-тринитротолуол, взрывчатка тротил.
Разобрать тему с учителем
Реакции замещения в бензольном кольце и цепочки с аренами разбираем на живых онлайн-уроках химии в малых группах. «Моя школа LS» готовит к контрольным и ЕГЭ с 1 по 11 класс.
Задача 2. При полном сгорании 0,1 моль гомолога бензола образовалось 17,92 л углекислого газа (н. у.). Выведи формулу арена и составь формулы всех его изомеров ряда бензола.
n(CO2) = 17,92 / 22,4 = 0,8 моль.
В одной молекуле арена 0,8 / 0,1 = 8 атомов углерода.
По формуле CnH2n−6 водорода 2 · 8 − 6 = 10 атомов, формула C8H10.
Изомеры: этилбензол C6H5–C2H5 и три диметилбензола — 1,2-, 1,3- и 1,4-.
Ответ: C8H10, четыре изомера.
Четыре ловушки ЕГЭ с бензолом и толуолом
❌ В бензоле три двойные связи, значит, он обесцвечивает бромную воду. ✅ Связи выровнены, бромную воду бензол не обесцвечивает.
❌ Бромбензол получают из бензола и бромной воды. ✅ Нужен жидкий бром и катализатор FeBr3.
❌ C6H6Cl6 — продукт замещения. ✅ Это присоединение хлора на свету, замещение дало бы C6H5Cl.
❌ Толуол с KMnO4 не реагирует так же, как бензол. ✅ При нагревании он окисляется до бензойной кислоты.
Бензол берут из угля и нефти
В промышленности его выделяют из каменноугольной смолы, которая остаётся после коксования угля, и получают из нефти, где подходящие углеводороды превращают в арены на катализаторах. Гексан на платиновом катализаторе теряет водород и замыкается в кольцо: C6H14 → C6H6 + 4H2 (t, Pt). Третий путь — тримеризация ацетилена над активированным углём. Из бензола делают этилбензол, из него стирол и полистирол для одноразовой посуды и упаковки, а толуол идёт на растворители красок и на тротил.
Задача 3. Составь уравнения реакций по схеме CaC2 → C2H2 → C6H6 → C6H5NO2 и укажи условия.
CaC2 + 2H2O → C2H2 + Ca(OH)2.
3C2H2 → C6H6 (C акт., t).
C6H6 + HNO3 → C6H5NO2 + H2O (H2SO4 конц., t).
Ответ: гидролиз карбида, тримеризация ацетилена, нитрование бензола; конечный продукт — нитробензол.
Шесть p-электронов кольца образуют единую π-систему, отдельных двойных связей в молекуле нет. Такое кольцо устойчиво. С жидким бромом бензол реагирует только при катализаторе FeBr3, и это замещение, а бромная вода на него не действует.
n(CO2) = 13,44 / 22,4 = 0,6 моль. Из 1 моль C6H6 выходит 6 моль CO2, значит, бензола 0,1 моль. m = 0,1 · 78 = 7,8 г.
Нагреть каждую жидкость с подкисленным раствором KMnO4. Толуол окисляется до бензойной кислоты, и фиолетовая окраска исчезает. С бензолом раствор остаётся фиолетовым.
Оцените урок:
