Хімія. Рівень стандарту. 10 клас. Величко

§ 9. Арени. Бензен

СКЛАД І БУДОВА МОЛЕКУЛИ. Молекула бензену має склад C6H6. Сполука належить до групи ароматичних вуглеводнів (аренів). Ця назва, як і багато інших в органічній хімії, склалася історично, оскільки перші з добутих сполук цієї групи справді мали приємний запах.

Будова молекули бензену багато років становила теоретичну проблему, жодна із пропонованих структурних формул не відповідала властивостям речовини, що спостерігалися вченими в лабораторії.

У 1865 р. (через 40 років після визначення елементного складу бензену) німецький учений А. Кекуле запропонував зображати структурну формулу бензену у вигляді шестичленного циклу з атомів Карбону, між якими чергуються прості й подвійні зв’язки:

За такої будови очевидно, що всі атоми Карбону є рівноцінними (мал. 16). Проте й ця формула неповністю відповідає хімічним властивостям бензену. Будучи формально ненасиченим, він виявляє певну хімічну інертність.

Мал. 16. Модель молекули бензену

Щоб показати, що в молекулі бензену немає простих і кратних зв’язків, було запропоновано зображати структурну формулу як правильний шестикутник з кільцем усередині:

ФІЗИЧНІ ВЛАСТИВОСТІ. За стандартних умов бензен — безбарвна рідина з характерним запахом, температурою кипіння 80 °С, практично нерозчинна у воді, але водночас є розчинником багатьох органічних речовин. У цьому можна переконатися на досліді.

В одну пробірку наллємо бензену, в іншу — води. Добавимо в обидві пробірки по кілька краплин жиру і збовтаємо їх. Жир розчиняється у бензені, але спливає над водою.

Бензен — отруйна речовина, вдихати його випари небезпечно, тому працювати з ним слід обов’язково у витяжній шафі.

ХІМІЧНІ ВЛАСТИВОСТІ. Реакції бензену зумовлено наявністю стабільного карбонового кільця.

Реакція окиснення. Бензен стійкий проти дії окисників, він не знебарвлює розчин калій перманганату, якщо суміш цього розчину з бензеном збовтати у пробірці. За жорстких умов (каталізатор, висока температура, дія кисню) його все-таки вдається окиснити. Цим бензен нагадує насичені вуглеводні.

У результаті горіння бензену утворюються вуглекислий газ і вода:

6Н6 + 15О2 —> 12СО2 + 6Н2О; △Н < 0

  • Пригадайте характер горіння метану, етену, етину. В чому полягали відмінності цих реакцій?

Оскільки у складі молекули бензену вміст Карбону є значним, то можна припустити, що горіння бензену на повітрі супроводжуватиметься утворенням кіптяви, як і в разі етину. Переконаємося в цьому на досліді, підпаливши у витяжній шафі в порцеляновій чашці кілька мілілітрів бензену: він справді горить кіптявим полум’ям з утворенням сажі. У кисні бензен згоряє повністю.

Фрідріх Август КЕКУЛЕ

(1829—1896)

Німецький хімік. Праці вченого сприяли становленню теоретичних основ органічної хімії. Висловив думку про чотиривалентність атомів Карбону та їхню здатність сполучатися між собою, утворюючи ланцюги. Запропонував циклічну формулу бензену. Синтезував чимало органічних сполук.

Реакції приєднання. Зважаючи на формальну ненасиченість складу бензену, можна припустити, що йому властиві реакції приєднання, наприклад брому.

У пробірку з бензеном добавимо трохи бромної води і суміш збовтаємо. Бромна вода не знебарвлюється, бром переходить у верхній шар, отже, реакція не відбувається.

На відміну від ненасичених вуглеводнів бензен вступає в реакції приєднання за особливих умов. Наприклад, до молекули бензену, активованої дією ультрафіолетового випромінювання, можуть приєднатися три молекули хлору, при цьому утворюється гексахлороциклогексан, або гексахлоран, відомий як засіб боротьби зі шкідниками сільськогосподарських культур:

Гексахлороциклогексан

Приєднання водню до бензену відбувається за підвищених температури і тиску та наявності каталізатора. У результаті реакції утворюється циклогексан:

Реакції заміщення. Бензен легко вступає в реакції заміщення. До таких реакцій належать реакція галогенування та ін.

Галогенування бензену за типом заміщення відбувається під дією каталізатора:

Микола Дмитрович ЗЕЛІНСЬКИЙ

(1861—1953)

Хімік-органік, академік. Закінчив Новоросійський університет в Одесі, працював там деякий час. Наукові праці стосуються органічного каталізу, хімії амінокислот і білків. Досліджував склад нафти і продуктів її переробки, синтезував чимало органічних сполук, у т. ч. бензен з етину. Винайшов вугільний протигаз.

Можуть заміщуватися усі шість атомів Гідрогену з утворенням гексахлоробензену:

Бензен вступає як у реакції заміщення, так і реакції приєднання, причому заміщення відбувається у бензені легше, ніж у насичених вуглеводнях, а приєднання — важче, ніж у ненасичених. Отже, бензену більше властиві реакції заміщення.

ДОБУВАННЯ. У минулому столітті бензен добували із продуктів переробки кам’яного вугілля; цей метод і досі використовують у промисловості.

Бензен добувають також з нафтопродуктів за допомогою процесів ароматизації, тобто перетворення неароматичних сполук на ароматичні, наприклад дегідруванням гексану за наявності каталізатора. Відбувається процес одночасного дегідрування і циклізації:

Цікавим є спосіб добування бензену, запропонований М. Д. Зелінським, згідно з яким етин пропускають над активованим вугіллям за температури 600 °C:

ЗАСТОСУВАННЯ. Бензен є вихідною речовиною для синтезу величезної кількості органічних речовин, серед яких барвники, лікарські засоби, полімери, пестициди, вибухові речовини. Отже, бензен — базова сировина для промислового органічного синтезу. Використовують сполуку і як розчинник.

Висновки

  • Бензен належить до ароматичних вуглеводнів.
  • Молекула бензену має форму правильного плоского шестикутника.
  • У молекулі бензену зв’язки між атомами Карбону є рівноцінними.
  • Бензену властиві реакції заміщення; за певних умов він вступає в реакції приєднання.
  • Промисловим джерелом добування бензену є кам’яне вугілля. Бензен є сировиною для виробництва барвників, ліків, вибухових речовин, засобів захисту рослин від шкідників тощо.

ЗАВДАННЯ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЮ

  • 1. Чому структуру бензену було з’ясовано лише через 40 років після його відкриття?
  • 2. За хімічними властивостями бензен не належить ні до насичених, ні до ненасичених вуглеводнів. Чому?
  • 3. На мал. 17 зображено полум’я бензену, метану й етену. Яке зображення відповідає кожній з речовин? Відповідь поясніть.
  • 4. Чи знебарвлює бензен бромну воду? Поясніть, чому.
  • 5. Які реакції характерні для бензену? Складіть рівняння реакцій.
  • 6. Які з наведених сполук належать до насичених, ненасичених, ароматичних: С6Н12, С6Н6, С6Н5Сl, С6Н14?

Мал. 17. Полум’я вуглеводнів різного складу

Додаткові завдання

1. Поясніть умовність формули Кекуле для бензену.

2. Поясніть вплив умов на перебіг реакції бензену з хлором.

3. Зробіть висновок про реакційну здатність бензену порівняно з насиченими і ненасиченими вуглеводнями.

4. Складіть рівняння послідовних перетворень: вугілля на бензен; метану на хлоробензен.

5. Для добування 225 г хлоробензену треба затратити хлор об’ємом (н. у.)

  • А 22,4 л
  • Б 67,2 л
  • В 44,8 л
  • Г 11,2 л