Бензол: технологии производства. Ароматические углеводороды. Бензол, структурная формула, свойства и получение. Применение бензола и его гомологов

Ароматические углеводороды составляют важную часть циклического ряда органических соединений. Простейшим представителем таких углеводородов является бензол. Формула этого вещества не только выделила его из ряда остальных углеводородов, но и дала толчок в развитии нового направления органической химии.

Открытие ароматических углеводородов

Ароматические углеводороды были открыты в начале 19 века. В те времена наиболее распространенным топливом для уличного освещения являлся светильный газ. Из его конденсата великий английский физик Майкл Фарадей выделил в 1825 году три грамма маслянистого вещества, подробно описал его свойства и назвал так: карбюрированный водород. В 1834 году немецкий ученый, химик Митчерлих, нагревая бензойную кислоту с известью, получил бензол. Формула, по которой протекала данная реакция, представлена ниже:

C6 H5 COOH + CaO сплавление C6 H6 + CaCO3.

В то время редкую бензойную кислоту получали из смолы бензое, которую могут выделять некоторые тропические растения. В 1845 году новое соединение было обнаружено в каменноугольной смоле, которая являлась вполне доступным сырьем для получения нового вещества в промышленных масштабах. Другим источником бензола является нефть, полученная в некоторых месторождениях. Чтобы обеспечить потребность промышленных предприятий в бензоле, его получают также путем ароматизации некоторых групп ациклических углеводородов нефти.

Современный вариант названия предложил немецких ученый Либих. Корень слова «бензол» следует искать в арабских языках - там оно переводится как «ладан».

Физические свойства бензола

Бензол является бесцветной жидкостью со специфическим запахом. Это вещество кипит при температуре 80,1 о С, отвердевает при 5,5 о С и превращается при этом в белый кристаллический порошок. Бензол практически не проводит тепло и электричество, плохо растворяется в воде и хорошо - в различных маслах. Ароматические свойства бензола отражают суть структуры его внутреннего строения: относительно устойчивое бензольное ядро и неопределенный состав.

Химическая классификация бензола

Бензол и его гомологи - толуол и этилбензол - представляют собой ароматический ряд циклических углеводородов. Строение каждого из этих веществ содержит распространенную структуру, названную бензоловым кольцом. Структура каждого из вышеперечисленных веществ содержит особую циклическую группировку, созданную шестью атомами углерода. Она получила название бензольного ароматического ядра.

История открытия

Установление внутреннего строения бензола растянулось на несколько десятилетий. Основные принципы строения (кольцевая модель) были предложены в 1865 году химиком А. Кекуле. Как рассказывает легенда, немецкий ученый увидел формулу этого элемента во сне. Позднее было предложено упрощенное написание структуры вещества, называемого так: бензол. Формула этого вещества представляет собой шестиугольник. Символы углерода и водорода, которые должны быть расположены в углах шестиугольника, опускаются. Таким образом, получается простой правильный шестиугольник с чередующимися одинарными и двойными линиями на сторонах. Общая формула бензола представлена на рисунке ниже.

Ароматические углеводороды и бензол

Химическая формула этого элемента позволяет утверждать, что для бензола реакции присоединения нехарактерны. Для него, как и для других элементов ароматического ряда, типичны реакции замещения атомов водорода в бензольном кольце.

Реакция сульфирования

При обеспечения взаимодействия концентрированной серной кислоты и бензола, повышая температуру реакции, можно получить бензосульфокислоту и воду. Структурная формула бензола в этой реакции выглядит следующим образом:

Реакция галогенирования

Бром или хром в присутствии катализатора взаимодействует с бензолом. При этом получаются галогенопроизводные. А вот реакция нитрирования проходит с использованием концентрированной азотной кислоты. Конечным итогом реакции является азотистое соединение:

С помощью нитрирования получают известное всем взрывчатое вещество - тротил, или тринитотолуол. Мало кто знает, что в основе тола лежит бензол. Многие другие нитросоединения на основе бензольного кольца также могут быть использованы как взрывчатые вещества

Электронная формула бензола

Стандартная формула бензольного кольца не совсем точно отражает внутренне строение бензола. Согласно ей, бензол должен обладать тремя локализованными п-связями, каждая из которых должна взаимодействовать с двумя атомами углерода. Но, как показывает опыт, бензол не обладает обычными двойными связями. Молекулярная формула бензола позволяет увидеть, что все связи в бензольном кольце равноценны. Каждая из них имеет длину около 0,140 нм, что является промежуточным значением между длиной стандартной простой связи (0,154 нм) и двойной этиленовой связи (0,134 нм). Структурная формула бензола, изображенная с чередованием связей, несовершенна. Более правдоподобна трехмерная модель бензола, которая выглядит так, как показано на картинке ниже.

Каждый из атомов бензольного кольца находится в состоянии sp 2 -гибридизации. Он затрачивает на образование сигма-связей по три валентных электрона. Эти электроны охватывают два соседних атома углевода и один атом водорода. При этом и электроны, и связи С-С, Н-Н находятся в одной плоскости.

Четвертый валентный электрон образует облако в форме объемной восьмерки, расположенное перпендикулярно плоскости бензольного кольца. Каждое такое электронное облако перекрывается над плоскостью бензольного кольца и непосредственно под ней с облаками двух соседних атомов углерода.

Плотность облаков п-электронов этого вещества равномерно распределена между всеми углеродными связями. Таким путем образуется единое кольцевое электронное облако. В общей химии такая структура получила название ароматического электронного секстета.

Равноценность внутренних связей бензола

Именно равноценностью всех граней шестиугольника объясняется выравненность ароматических связей, обуславливающих характерные химические и физические свойства, которыми обладает бензол. Формула равномерного распределения п-электронного облака и равноценность всех его внутренних связей показана ниже.

Как видно, вместо чередующихся одинарных и двойных черт внутреннюю структуру изображают в виде окружности.

Сущность внутренней структуры бензола дает ключ к пониманию внутреннего строения циклических углеводородов и расширяет возможности практического применения этих веществ.

Применение бензола.

1. Бензол служит исходным веществом для синтеза очень многих органических соединений.

2. Реакцией нитрования получают нитробензол C 6 H 5 NO 2 , хлорированием бензола – хлорбензол С 6 Н 5 Сi (растворитель) и другие хлорпроизводные.

3. Бензол используется как исходный продукт при синтезе лекарственных и душистых веществ, разнообразных красителей, мономеров для синтеза высокомолекулярных соединений и т. д.

4. Он применяется также в качестве растворителя и как добавка к моторному топливу в целях улучшения его свойств.

5. Хлорпроизводные бензола и других углеводородов используются в сельском хозяйстве в качестве химических средств защиты растений.

6. Так, продукт замещения в бензоле атомов водорода хлором – гексахлорбензол C 6 Cl 6 применяется для сухого протравливания семян пшеницы и ржи против твердой головни.

7. Из галогенопроизводных других углеводородов можно назвать гексахлорбутадиен С 4 Сl 6 , аналогичный по строению бутадиену-1,3, необходимый для борьбы с филлоксерой на виноградниках.

8. В сельском хозяйстве используется много других ядохимикатов для борьбы с насекомыми.

9. Также бензол используется для уничтожения сорняков, защиты растений от болезней и т. д.

10. Применение ядохимикатов требует хорошего знания их свойств и строгого следования установленным правилам их использования, так как при неправильном обращении они небезопасны для человека и могут нанести большой ущерб окружающей природе.

Получение бензола.

1. Важный источник получения бензола – коксование каменного угля.

2. В процессе коксования – сильного нагревания угля без доступа воздуха – образуется много летучих продуктов, из которых наряду с другими веществами извлекается бензол.

3. Н.Д. Зелинский показал, что бензол легко образуется из циклогексана при каталитическом воздействии платины или палладия и температуре около 300 °C.

4. Было установлено также, что при соответствующих катализаторах и нагревании гексан может превращаться в бензол.

5. Реакции получения бензола из предельных углеводородов и циклопарафинов приобрели сейчас в связи с возрастающей потребностью в этом веществе большое практическое значение.

Особенности теории электронного строения.

1. Все атомы углерода в молекуле бензола находятся в состоянии sp 2 -гибридизации.

2. Три гибридных электронных облака каждого атома углерода, имеющие форму вытянутых объемных восьмерок, образуют в плоскости кольца две δ-связи с соседними атомами углерода и одну π-связь с атомом водорода; углы между этими тремя связями равны 120°. Негибридная p-орбиталь располагается перпендикулярно плоскости кольца.

30. Гомологи бензола

Строение гомологов бензола:

1) бензол, как и другие углеводороды, начинает соответствующий гомологический ряд;

2) его гомологи рассматриваются как продукты замещения одного или нескольких атомов водорода в молекуле бензола на различные углеводородные радикалы;

3) атомы углерода в формулах нумеруются и при помощи цифр, в название вещества указывается положение замещающих групп.

Химические свойства гомологов бензола:

1) при нитровании в жестких условиях в молекулу бензола и толуола С 6 Н 5 -СН 3 можно ввести три нитрогруппы;

2) толуол нитрируется несколько легче, чем бензол;

3) при этом образуется 2,4,6-тринитротолуол – взрывчатое вещество, которое называется толом или тротилом;

4) большая реакционная способность бензольного ядра в положениях 2,4,6 объясняется влиянием на него радикала – СН 3 .

Толуол можно рассматривать не только как бензол, в молекуле которого атом водорода замещен на метильную группу, но и как метан, в молекуле которого атом водорода заменен ароматическим радикалом фенилом С 6 Н 5 .

Метан очень устойчив к действию окислителей.

Если же раствор перманганата калия мы добавим к толуолу и смесь нагреем, то заметим, что фиолетовый раствор постепенно обесцвечивается. Это происходит потому, что группа – СН 3 в толуоле подвергается окислению;

5) при действии раствора перманганата калия на толуол метильная группа окисляется в карбоксильную, образуется бензойная кислота.

На опытах можно убедиться, что: а) в толуоле метильная группа влияет на бензольное ядро, облегчая течение реакций замещения (в положениях 2, 4, 6); б) бензольное ядро влияет на метильную группу, обусловливая меньшую устойчивость ее к действию окислителей.

В основе этого явления лежит влияние друг на друга электронных структур атомов;

6) повышение реакционной способности бензольного ядра в самом общем виде можно объяснить так.

Метильная группа, находясь в соединении, смещает от себя электроны связи. Смещая в толуоле электронную пару к бензольному ядру, она нарушает равномерное расположение в нем р-электронного облака;

7) в положениях 2,4,6 возрастает электронная плотность, эти места и подвергаются «атаке» реагентами;

8) они могут реагировать, например, с галогенами (по месту атомов водорода в бензольном ядре и в боковой цепи), присоединять водород и т. п.

Применение и получение гомологов бензола.

1. Гомологи бензола используются в качестве растворителей.

2. Также гомологи бензола используются для производства красителей, лекарств, взрывчатых, душистых веществ и т. д.

Таким соединением, как бензол, госпожа Химия в своем хозяйстве окончательно и бесповоротно обзавелась только в 1833 году. Бензол - это соединение, которое имеет вспыльчивый, можно сказать, даже взрывной характер. Как это выяснили?

История

Иоган Глаубер в 1649 году обратил свое внимание на соединение, которое благополучно образовалось, когда химик занимался обработкой каменноугольной смолы. Но оно пожелало остаться инкогнито.

Спустя около 170 лет, а если быть гораздо более точным, в середине двадцатых годов XIX века, по воле случая из светильного газа, а именно из выделившегося конденсата, извлекли бензол. Таким стараниям человечество обязано Майклу Фарадею, ученому из Англии.

Эстафету по приобретению бензола перехватил немец Эйльгард Мичерлих. Это случилось, когда проходил процесс обработки безводных солей кальция бензойной кислоты. Возможно, поэтому соединению дали такое наименование - бензол. Еще, как вариант, ученый называл его бензином. Благовоние, если в переводе с арабского.

Бензол красиво и ярко горит, в связи с этими наблюдениями Огюст Лоран посоветовал назвать его «фен» или «бензен». Яркий, блистающий - если перевести с греческого языка.

Опираясь на мнение понятие о природе электронной связи, о качествах бензола, ученый предоставил молекулу соединения в виде следующего образа. Это шестиугольник. В него вписана окружность. Вышесказанное говорит о том, что у бензола целостное электронное облако, которое благополучно заключает шесть (без исключения) атомов углерода цикла. Скрепленных бинарных связей не наблюдается.

С бензолом раньше работали как с растворителем. А в основном, как говорится, не состоял, не участвовал, не привлекался. Но это в XIX веке. В XX произошли существенные перемены. Свойства бензола выражают ценнейшие качества, которые помогли ему стать более популярным. Октановое число, которое оказалось высоким, предоставило возможность применять его в качестве элемента топлива для заправки автомобилей. Сие действо послужило толчком обширного изъятия бензола, добыча оного осуществляется как вторичный продукт коксования изготовления стали.

К сороковым годам в химической сфере бензол начал потребляться в изготовлении веществ, которые быстро взрываются. XX век увенчал себя тем, что нефтеперерабатывающая промышленность выработала бензола столько, что стала снабжать химическую индустрию.

Характеристика бензола

Ненасыщенные углеводороды очень схожи с бензолом. Например, углеводородный ряд этилена характеризует себя как ненасыщенный углеводород. Ему свойственна реакция присоединения. Бензол охотно вступает в Все это благодаря атомам, которые находятся в одной плоскости. И как факт - сопряженное электронное облако.

Если в формуле присутствует бензольное кольцо, значит, можно прийти к элементарному выводу, что это - бензол, структурная формула которого выглядит именно так.

Физические свойства

Бензол - это жидкость которая не имеет цвета, зато имеет достойный сожаления запах. Плавится бензол, когда температура достигает 5,52 градусов по Цельсию. Кипит при 80,1. Плотность составляет 0,879 г/см 3 , масса молярная равна 78,11 г/моль. При горении сильно коптит. Формирует взрывоопасные соединения, когда проникает воздух. породы (бензин, эфир и прочие) с описываемым веществом соединяются без проблем. Азеотропное соединение создает с водой. Нагрев до начала парообразования происходит при 69,25 градусов (91 % бензола). При 25 градусах по Цельсию может растворяться в воде 1,79 г/л.

Химические свойства

Бензол реагирует с серной и азотной кислотой. А также с алкенами, галогенами, хлоралканами. Реакция замещения - вот что ему свойственно. Температура давления влияет на прорыв кольца бензола, которое проходит в достаточно резких условиях.

Каждое уравнение реакции бензола мы можем рассмотреть более детально.

1. Электрофильное замещение. Бром, при наличии катализатора, взаимодействует с хлором. В результате получаем хлоробензол:

С6H6+3Cl2 → C6H5Cl + HCl

2. Реакция Фриделя-Крафтса, или алкилирование бензола. Появление алкилбензолов происходит благодаря соединению с алканами, которые являются галогенопроизводными:

C6H6 + C2H5Br → C6H5C2H5 + HBr

3. Электрофильное замещение. Здесь идет реакция нитрования и сульфирования. Выглядеть уравнение бензола будет следующим образом:

C6H6 + H2SO4 → C6H5SO3H + H2O

C6H6 + HNO3 → C6H5NO2 + H2O

4. Бензол при горении:

2C6H6 + 15O2 → 12CO2 + 6H2O

При определенных условиях проявляет характер, свойственный насыщенным углеводородам. П-электронное облако, которое находится в строении рассматриваемого вещества, объясняет эти реакции.

От спецтехнологии зависят различные виды бензола. Отсюда происходит маркировка нефтяного бензола. Например, очищенный и высшей очистки, для синтеза. Хотелось бы отдельно отметить гомологи бензола, а если конкретнее - их химические свойства. Это алкилбензолы.

Гомологи бензола гораздо охотнее реагируют. Но вышесказанные реакции бензола, а именно гомологов, проходят с некоторым отличием.

Галогенирование алкилбензолов

Вид уравнения следующий:

С6H5-CH3 + Br = C6H5-CH2Br + HBr.

Стремление брома в кольцо бензола не наблюдается. Он выходит в цепочку сбоку. Зато благодаря катализатору соли Al(+3) бром смело идет в кольцо.

Нитрование алкилбензолов

Благодаря серной и азотной кислотам нитрируются бензолы и алкилбензолы. Реакционноспособные алкилбензолы. Получаются два продукта из представленных трех - это пара- и орто-изомеры. Можно записать одну из формул:

C6H5 - CH3 + 3HNO3 → C6H2CH3 (NO2)3.

Окисление

Для бензола это неприемлемо. Зато алкилбензолы реагируют охотно. Например, бензойная кислота. Формула приведена ниже:

C6H5CH3 + [O] → C6H5COOH.

Алкилбензол и бензол, их гидрирование

В присутствии усилителя водород начинает реагировать с бензолом, вследствие чего образуется циклогексан, как об этом говорилось выше. Подобным образом алкибензолы без проблем преобразуются в алкилциклогексаны. Для получения алкилциклогексана требуется подвергнуть гидрированию нужный алкилбензол. В основном это необходимая процедура для производства беспримесного продукта. И это далеко не все реакции бензола и алкилбензола.

Производство бензола. Промышленность

Фундамент такого производства зиждется на том, чтобы переработать составляющие: толуола, нафты, смолы, которая выделяется при крекинге угля, и прочих. Посему бензол производится на нефтехимических, металлургических предприятиях. Важно знать, как получить бензол разной степени очистки, ведь от принципа изготовления и предназначения следует прямая зависимость марки данного вещества.

Львиную долю изготавливают термокаталитическим реформингом каустобиолитной части, выкипающей при 65 градусах, обладающей эффектом экстракта, дистилляции с диметилформамидом.

При выработке этилена и пропилена получают жидкие продукты, которые образуются в ходе распада неорганических и органических соединений под воздействием тепла. Из них и выделяют бензол. Но, к сожалению, исходного материала для этого варианта добычи бензола не так уж и много. Потому интересующее нас вещество добывают риформингом. Посредством такого способа объем бензола увеличивается.

Путем деалкилирования при температуре 610-830 градусов со знаком плюс, при наличии пара, образующегося при кипении воды и водорода, из толуола получают бензол. Есть еще вариант - каталитический. Когда наблюдается наличие цеолитов, или, как вариант, катализаторов оксидных, при соблюдении температурного режима 227-627 градусов.

Существует еще один, более старый, способ разработки бензола. С помощью абсорбции поглотителями органического происхождения его выделяют из конечного результата коксования каменного угля. Продукт парогазовый и заранее подвергся охлаждению. Например, в ход пускается масло, источником которого является нефть или каменный уголь. Когда перегонка осуществляется с водяным паром, поглотитель отделяется. Гидроочистка помогает сырой бензол освободить от лишних веществ.

Каменноугольное сырье

В металлургии при использовании каменного угля, а если уточнить - его сухой перегонки, получают кокс. Во время этой процедуры ограничивается поступление воздуха. Не стоит забывать и то, что до температуры 1200-1500 по Цельсию нагревается уголь.

Углехимический бензол нуждается в доскональном очищении. Нужно избавиться в обязательном порядке от метила циклогексана и его товарища н-гептана. тоже должны быть изъяты. Бензолу предстоит процесс разделения, очищения, который будет осуществляться не один раз.

Метод, описанный выше, самый старый, но по истечении времени он теряет свои высокие позиции.

Нефтяные фракции

0,3-1,2 % - такие показатели состава нашего героя в необработанной нефти. Мизерные показатели, чтобы вкладывать финансы и силы. Лучше всего задействовать промышленную процедуру по переработке нефтяных фракций. То есть каталитический риформинг. При наличии алюмо-платино-рениевого усилителя растет процент вмещения ароматических углеводов, и возрастает показатель, определяющий возможности топлива не самовозгораться при его сжатии.

Смолы пиролиза

Если добывать наш нефтепродукт из не твердого сырья, а именно путем пиролиза возникающих при изготовлении пропилена и этилена, то сей подход окажется наиболее приемлемым. Если быть точным, бензол выделяется из пироконденсата. Разложение определенных долей нуждается в гидроочистке. При очистке отстраняются сернистые и непредельные смеси. В исходном результате замечено содержание ксилола, толуола, бензола. С помощью перегона, который является экстактивным, БТК-группа разделяется и получается бензол.

Гидродеалкилирование толуола

Главные герои процесса, коктейль из водородного потока и толуола, подаются нагретыми в реактор. Толуол проходит через пласт катализатора. Во время этого процесса метильная группа отделяется с формированием бензола. Здесь уместен определенный способ очищения. Результатом становится высокочистое вещество (для нитрования).

Диспропорционирование толуола

В следствии отторжения метильного класса совершается созидание до бензола, окисляется ксилол. В данном процессе было замечено переалкилирование. Действие катализации происходит благодаря палладию, платине и неодиму, которые находятся на оксиде алюминия.

В реактор со стойким пластом катализатора подается талуол и водород. Его цель - удержать оседание на плоскость катализатора углеводородов. Поток, который выходит из реактора, подвергается охлаждению, а на рецикл благополучно извлекается водород. То, что осталось, перегоняется трижды. На начальной стадии изымаются соединения, которые являются неароматическими. Вторым добывается бензол, и последний шаг - это выделение ксилолов.

Ацетилена тримеризация

Благодаря трудам французского физико-химика Марселена Бертло из ацетилена стали изготавливать бензол. Но при этом выделялся тяжелый коктейль из многих других элементов. Стоял вопрос, как понизить температуру реакции. Ответ был получен лишь в конце сороковых годов XX века. В. Реппе нашёл соответствующий катализатор, им оказался никель. Тримеризация - это единственный вариант обрести из ацетилена бензол.

Образование бензола происходит с помощью активированного угля. При больших показателях теплоты над углем проходит ацетилен. Бензол выделяется, если температура составляет не менее 410 градусов. При этом еще рождаются разнообразные ароматические углеводороды. Поэтому необходима хорошая аппаратура, которая способна качественно очистить ацетилен. При таком трудоемком способе, как тримеризация, ацетилена расходуется очень много. Чтобы получить 15 мл бензола, берется 20 литров ацетилена. Можно просмотреть, как это выглядит в реакция не заставит себя долго ждать.

3C2H2 → C6H6 (уравнение Зелинского).

3CH → CH = (t, kat) = C6H6.

Где используется бензол

Бензол — это достаточно популярное детище химии. Особенно часто было замечено, как бензол принимали на вооружение в изготовлении кумола, циклогексана, этилбензола. Для создания стирола без этилбензола не обойтись. Исходным материалом для того, чтобы выработать капролактам, служит циклогексан. Изготавливая термопластичную смолу, применяют именно капролактам. Описываемое вещество незаменимо при изготовлении разных красок, лаков.

Насколько опасен бензол

Бензол - это токсичное вещество. Проявление ощущения недомогания, которое сопровождается тошнотой и сильным головокружением - это признак отравления. Не исключается даже летальный исход. Чувство неописуемого восторга - это не менее тревожные звоночки при отравлении бензолом.

Бензол в жидком состоянии вызывает раздражение кожи. Бензольные пары с легкостью проникают даже через неповрежденный кожный покров. При самых недолгосрочных контактах с веществом в небольшой дозе, но на регулярной основе, неприятные последствия не заставят себя долго ждать. Это может быть поражение костного мозга и лейкозы острого характера разного вида.

Ко всему прочему, вещество вызывает зависимость у человека. Бензол действует как дурман. Из табачного дыма получается дегтеобразный продукт. Кода его изучили, то пришли к выводу, что содержание последнего небезопасно для человека. Обнаружилось помимо присутствия никотина еще и наличие ароматических углеводов вида бензпирена. Отличительной чертой бензпирена являются канцерогенные вещества. Действие они оказывают очень вредное. Например, вызывают онкологические заболевания.

Несмотря на вышесказанное, бензол является стартовым сырьем для производства разнообразных лекарственных препаратов, пластмасс, резины синтетического происхождения и, конечно же, красителей. Это самое распространённое детище химии и ароматическое соединение.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Бензол (циклогексатриен – 1,3,5) – органическое вещество, простейший представитель ряда ароматических углеводородов.

Формула – С 6 Н 6 (структурная формула – рис. 1). Молекулярная масса – 78, 11.

Рис. 1. Структурные и пространственная формулы бензола.

Все шесть атомов углерода в молекуле бензола находятся в sp 2 гибридном состоянии. Каждый атом углерода образует 3σ-связи с двумя другими атомами углерода и одним атомом водорода, лежащие в одной плоскости. Шесть атомов углерода образуют правильный шестиугольник (σ-скелет молекулы бензола). Каждый атом углерода имеет одну негибридизованную р-орбиталь, на которой находится один электрон. Шесть р-электронов образуют единое π-электронное облако (ароматическую систему), которое изображают кружочком внутри шестичленного цикла. Углеводородный радикал, полученный от бензола носит название C 6 H 5 – — фенил (Ph-).

Химические свойства бензола

Для бензола характерны реакции замещения, протекающие по электрофильному механизму:

— галогенирование (бензол взаимодействует с хлором и бромом в присутствии катализаторов – безводных AlCl 3 , FeCl 3 , AlBr 3)

C 6 H 6 + Cl 2 = C 6 H 5 -Cl + HCl;

— нитрование (бензол легко реагирует с нитрующей смесью – смесь концентрированных азотной и серной кислот)

— алкилирование алкенами

C 6 H 6 + CH 2 = CH-CH 3 → C 6 H 5 -CH(CH 3) 2 ;

Реакции присоединения к бензолу приводят к разрушению ароматической системы и протекают только в жестких условиях:

— гидрирование (реакция протекает при нагревании, катализатор – Pt)

— присоединение хлора (протекает под действием УФ-излучения с образованием твердого продукта – гексахлорциклогексана (гексахлорана) – C 6 H 6 Cl 6)

Как и любое органическое соединение бензол вступает в реакцию горения с образованием в качестве продуктов реакции углекислого газа и воды (горит коптящим пламенем):

2C 6 H 6 +15O 2 → 12CO 2 + 6H 2 O.

Физические свойства бензола

Бензол – жидкость без цвета, но обладающая специфическим резким запахом. Образует с водой азеотропную смесь, хорошо смешивается с эфирами, бензином и различными органическими растворителями. Температура кипения – 80,1С, плавления – 5,5С. Токсичен, канцероген (т.е. способствует развитию онкологических заболеваний).

Получение и применение бензола

Основные способы получения бензола:

— дегидроциклизация гексана (катализаторы – Pt, Cr 3 O 2)

CH 3 –(CH 2) 4 -CH 3 → С 6 Н 6 + 4H 2 ;

— дегидрирование циклогексана (реакция протекает при нагревании, катализатор – Pt)

С 6 Н 12 → С 6 Н 6 + 4H 2 ;

— тримеризация ацетилена (реакция протекает при нагревании до 600С, катализатор – активированный уголь)

3HC≡CH → C 6 H 6 .

Бензол служит сырьем для производства гомологов (этилбензола, кумола), циклогексана, нитробензола, хлорбензола и др. веществ. Ранее бензол использовали в качестве присадки к бензину для повышения его октанового числа, однако, сейчас, в связи с его высокой токсичностью содержание бензола в топливе строго нормируется. Иногда бензол используют в качестве растворителя.

Примеры решения задач

ПРИМЕР 1

Задание

Запишите уравнения, с помощью которых можно осуществить следующие превращения: CH 4 → C 2 H 2 → C 6 H 6 → C 6 H 5 Cl.

Решение

Для получения ацетилена из метана используют следующую реакцию: 2CH 4 → C 2 H 2 + 3Н 2 (t = 1400C). Получение бензола из ацетилена возможно по реакции тримеризации ацетилена, протекающей при нагревании (t = 600C) и в присутствии активированного угля: 3C 2 H 2 → C 6 H 6 . Реакция хлорирования бензола с получением в качестве продукта хлорбензола осуществляется в присутствии хлорида железа (III): C 6 H 6 + Cl 2 → C 6 H 5 Cl + HCl.

ПРИМЕР 2

Задание	К 39 г бензола в присутствии хлорида железа (III) добавили 1 моль бромной воды. Какое количество вещества и сколько граммов каких продуктов при этом получилось?
Решение	Запишем уравнение реакции бромирования бензола в присутствии хлорида железа (III): C 6 H 6 + Br 2 → C 6 H 5 Br + HBr. Продуктами реакции являются бромбензол и бромоводород. Молярная масса бензола, рассчитанная с использованием таблицы химических элементов Д.И. Менделеева – 78 г/моль. Найдем количество вещества бензола: n(C 6 H 6) = m(C 6 H 6) / M(C 6 H 6); n(C 6 H 6) = 39 / 78 = 0,5 моль. По условию задачи бензол вступил в реакцию с 1 моль брома. Следовательно, бензол находится в недостатке и дальнейшие расчеты будем производить по бензолу. Согласно уравнению реакции n(C 6 H 6): n(C 6 H 5 Br) : n(HBr) = 1:1:1, следовательно n(C 6 H 6) = n(C 6 H 5 Br) = : n(HBr) = 0,5 моль. Тогда, массы бромбензола и бромоводорода будут равны: m(C 6 H 5 Br) = n(C 6 H 5 Br)×M(C 6 H 5 Br); m(HBr) = n(HBr)×M(HBr). Молярные массы бромбензола и бромоводорода, рассчитанные с использованием таблицы химических элементов Д.И. Менделеева – 157 и 81 г/моль, соответственно. m(C 6 H 5 Br) = 0,5×157 = 78,5 г; m(HBr) = 0,5×81 = 40,5 г.
Ответ	Продуктами реакции являются бромбензол и бромоводород. Массы бромбензола и бромоводорода – 78,5 и 40,5 г, соответственно.

БЕНЗОЛ, простейший представитель ароматических углеводородов, С 6 Н 6 . Был открыт в 1825 М. Фарадеем, который выделил бензол из жидкого конденсата светильного газа; в чистом виде получен в 1833 году Э. Митчерлихом пиролизом кальциевой соли бензойной кислоты. В 1865 году Ф. А. Кекуле предложил формулу строения бензола с чередующимися простыми и двойными связями.

Бензол - бесцветная жидкость с нерезким запахом; t пл 5,53 °С, t кип 80,1 °С. Практически нерастворим в воде, смешивается во всех соотношениях с большинством неполярных органических растворителей; растворяет жиры, каучуки, смолы; с водой и спиртами образует азеотропные смеси. В молекуле бензола атомы углерода, находящиеся в состоянии sp 2 -гибридизации, образуют плоский, правильный шестиугольник с расстоянием между атомами углерода 139 пм, причём все атомы цикла участвуют в образовании единой π-электронной системы. Молекула бензола удовлетворяет всем критериям ароматичности.

Бензол обладает химическими свойствами ароматических соединений. При нитровании бензола смесью концентрированной HNO 3 и Н 2 SO 4 образуется нитробензол, который может быть восстановлен в анилин. Бензол сульфируют концентрированной Н 2 SO 4 до бензолсульфокислот; алкилируют алкилгалогенидами до алкилбензолов и ацилируют (в присутствии катализатора AlСl 3) хлорангидридами карбоновых кислот до жирноароматических кетонов (смотри в статье Фриделя - Крафтса реакция). При алкилировании бензола этиленом образуется этилбензол, из которого в промышленности получают стирол; аналогично из бензола и пропилена образуется кумол - исходный продукт для получения фенола и ацетона. При окислении бензола кислородом воздуха при нагревании в присутствии катализатора получают малеиновый ангидрид. Бензол с трудом вступает в реакции присоединения. Так, только при фотохимическом хлорировании бензола образуется гексахлорциклогексан, используемый в качестве инсектицида. При каталитическом гидрировании бензол превращается в циклогексан - исходный продукт в производстве ε-капролактама.

Бензол содержится в коксовом газе, образующемся при пиролизе каменного угля. Основное количество бензола получают риформингом при 470-540 °С нефтяной фракции, выкипающей при 62-85 °С. Бензол - важнейшее сырьё химической промышленности, его применяют в производстве взрывчатых, душистых, лекарственных веществ, пестицидов, красителей, полимерных материалов, а также как растворитель и экстрагент в производстве лаков, красок и др.

Смеси бензола с воздухом (1,5-8% бензола по объёму) взрывоопасны. Бензол токсичен, может вызывать острые и хронические отравления.

Лит.: Соколов В. 3., Харлампович Г. Д. Производство и использование ароматических углеводородов. М., 1980; Общая органическая химия. М., 1981. Т. 1; Лебедев Н. Н. Химия и технология основного органического и нефтехимического синтеза. 4-е изд. М., 1988.