Підручник з Хімії. 10 клас. Попель - Нова програма

11. Бензен. Арени

Матеріал параграфа допоможе вам:

• дізнатися про склад і будову молекули бензену;

• отримати відомості про властивості бензену;

• з'ясувати, які сполуки називають аренами.

Існує велика група сполук Карбону з Гідрогеном, назва якої доволі незвичайна — ароматичні вуглеводні. Вона пов’язана з тим, що раніше ці сполуки добували з природних духмяних смол. Проте спільна ознака таких сполук — не запах, а особлива будова молекул.

Бензен. Найпростішим ароматичним вуглеводнем є бензен С6Н6 (тривіальна назва — бензол). Цю сполуку відкрив у 1825 р. англійський учений М. Фарадей; вона у вигляді рідини накопичувалася в ємностях зі світильним газом, який використовували у вуличних ліхтарях.

Будова молекули. Властивості бензену, виявлені хіміками, не давали змоги однозначно описати будову його молекули. Атомів Гідрогену в молекулі бензену С6Н6значно менше, ніж у молекулі насиченого вуглеводню гексану С6Н14. Це вказувало на наявність у молекулі бензену подвійних або навіть потрійних зв’язків (тобто бензен мав бути ненасиченим вуглеводнем). Однак сполука виявилася хімічно пасивною (як і насичені вуглеводні), на відміну від алкенів і алкінів не знебарвлювала бромної води, розчину калій перманганату. Щоправда, за особливих умов молекула С6Н6 усе ж приєднувала три молекули водню або хлору.

Фрідріх-Август Кекуле (1829—1896)

Видатний німецький хімік, президент Німецького хімічного товариства, професор Гентського та Боннського університетів, іноземний член-кореспондент Петербурзької академії наук. Зробив вагомий внесок у теорію будови органічних сполук і вчення про валентність. Спрогнозував чотиривалентність Карбону і сполучення атомів Карбону в ланцюги. Запропонував циклічну формулу молекули бензену. Вперше синтезував низку органічних сполук. Автор підручника з органічної хімії, в якому визначив цю галузь науки як хімію сполук Карбону. Один з організаторів І Міжнародного конгресу хіміків. Заснував наукову школу. Серед учнів Кекуле — хіміки Л. Мейєр, нобелівські лауреати А. Байєр, Я. Вант-Гофф, Е. Фішер.

Також було з’ясовано, що похідні бензену з одним атомом галогену в молекулах не мали ізомерів (у разі відкритого карбонового ланцюга існування ізомерів є очевидним). Це свідчило про рівноцінність розміщення атомів Карбону в молекулі С6Н6, що можливо лише при їх сполученні в замкнений ланцюг.

Ураховуючи сукупність виявлених фактів, учені запропонували кілька структурних формул молекули бензену. Із більшістю фактів найкраще узгоджувалася формула німецького хіміка Ф.-А. Кекуле (1865 р.):

Однак і вона не пояснювала, чому бензен, маючи кратні зв’язки, за звичайних умов не вступав у реакції приєднання.

Пізніше Ф.-А. Кекуле припустив, що подвійні зв’язки не закріплені в молекулі С6Н6, а постійно переміщуються від одного атома Карбону до іншого.

Результати подальших досліджень підтвердили рівноцінність атомів Карбону в молекулі бензену, а також їх розміщення в одній площині, в кутах правильного шестикутника (мал. 15).

Мал. 15. Моделі молекули бензену: а — кулестержнева; б — масштабна

Згідно із сучасними уявленнями, між атомами Карбону в молекулі бензену немає звичайних простих і подвійних зв’язків. Орбіталі одного 2s-електрона і двох 2p-електронів кожного атома Карбону при утворенні хімічних зв’язків змінюють форму на однакову й розміщуються під кутами 120°. Вони перекриваються з відповідними орбіталями сусідніх атомів Карбону й атома Гідрогену (мал. 16, а).

Мал. 16. Перекривання змінених за формою орбіталей (а) і р-орбіталей (б) атомів Карбону в молекулі бензену

Мал. 17. Замкнена електронна система в молекулі бензену, утворена р-електронами

Отже, в молекулі бензену існує замкнена електронна система, утворена p-електронами1. Тому структурну формулу молекули С6Н6 часто зображують так:

Молекула бензену завдяки своїй симетричності неполярна.

1 Так звана π-електронна система.

Фізичні властивості. Бензен — безбарвна летка рідина зі своєрідним запахом, легша за воду (густина 0,88 г/см3). Температура плавлення бензену +5,5 °С, кипіння +80,1 °С. Сполука погано розчиняється у воді, але добре — в органічних розчинниках. Цей вуглеводень розчиняє йод (мал. 18), сірку, білий фосфор, жири, інші органічні речовини.

Мал. 18. Розчинення йоду в бензені

Бензен — одна з найстійкіших органічних сполук; його пара не розкладається до 600 °С.

Хімічні властивості. Бензен хоч і є подібним до ненасичених вуглеводнів, проте виявляє достатню хімічну пасивність. Характерними для сполуки є реакції заміщення, під час яких зберігається електронна система бензенового кільця. Реакції приєднання й окиснення за участю бензену призводять до руйнування цієї системи; вони відбуваються за високої температури, дії ультрафіолетового випромінювання, наявності каталізаторів.

Реакції заміщення. Атоми Гідрогену в молекулі бензену можуть заміщуватись на атоми галогенів. Із хлором і бромом сполука взаємодіє за наявності каталізаторів1. Найлегше відбувається перша стадія — заміщення одного атома Гідрогену в молекулі бензену:

1 З йодом бензен реагує за особливих умов.

Реакції приєднання. Бензен, як і ненасичені вуглеводні, може вступати в реакції приєднання. Вони відбуваються за жорстких умов:

Реакція окиснення. Бензен, як і інші вуглеводні, є горючою речовиною. Під час горіння сполуки на повітрі, крім вуглекислого газу і води, утворюється невелика кількість вуглецю. Його часточки розжарюються в полум’ї (воно стає яскравим), а потім згоряють. Горіння бензену супроводжується появою кіптяви (мал. 19).

Мал. 19. Горіння бензену

Напишіть рівняння реакції горіння бензену в надлишку кисню.

Через особливу стійкість молекули бензен інертний щодо речовин-окисників. Зокрема, він не взаємодіє з калій перманганатом. Цим бензен відрізняється від алкенів і алкінів.

Арени. Крім бензену, відомо багато вуглеводнів із подібною замкненою електронною системою в молекулах, утвореною р-електронами.

Вуглеводні, у молекулах яких є одне чи кілька бензенових кілець, називають аренами, або ароматичними вуглеводнями.

Бензен С6Н6 є першою сполукою в гомологічному ряду аренів з одним бензеновим кільцем у молекулі.

Існують арени з кількома бензеновими кільцями в молекулах. Структурні формули молекул найважливіших аренів цього типу:

ВИСНОВКИ

Бензен С6Н6 — найпростіший ароматичний вуглеводень.

У молекулі бензену всі атоми Карбону розміщені в одній площині у вершинах правильного шестикутника. Замкнена електронна система в молекулі бензену, утворена р-електронами, зумовлює хімічну стійкість сполуки.

Бензен — безбарвна летка рідина зі своєрідним запахом, легша за воду, добре розчиняється в органічних розчинниках. Сполука вступає в реакції заміщення, приєднання й окиснення.

Вуглеводні з одним або кількома бензеновими кільцями в молекулах називають аренами, або ароматичними вуглеводнями.

72. Чому вчені протягом довгого часу не могли визначити будову молекули бензену?

73. У чому полягає особливість будови молекули бензену?

74. Як впливають умови на взаємодію бензену з хлором?

75. Укажіть речовину або суміш речовин, з якою реагує бензен зі збереженням бензенового кільця:

а) водень;

б) бром за наявності каталізатора FeBr3;

в) хлор при освітленні;

г) кисень.

76. Яка відносна густина за воднем пари бензену? (Усно.)

77. Визначте масову частку Карбону в бензені й зіставте її з масовою часткою цього елемента в етині.

78. Обчисліть масу продукту реакції гідрування бензену, взятого об'ємом 17,7 мл. Густину ароматичного вуглеводню наведено в тексті параграфа.

79. Знайдіть формулу вуглеводню, якщо після його згоряння утворилося 0,6 моль вуглекислого газу і 0,3 моль води. Відносна густина пари сполуки за повітрям становить 2,69.

80. Суміш ацетилену і парів бензену має відносну густину за воднем 23,4. Обчисліть об'ємні частки сполук у газовій суміші.