Бензен

от Уикипедия, свободната енциклопедия
Направо към: навигация, търсене
Бензен
Benzene-2D-full.svg Benzene-aromatic-3D-balls.png
Benzene circle.svg Benzene-3D-vdW.png
Имена
По IUPAC Бензен
Други Бензол
циклохекса-1,3,5-триен
Идентификатори
Номер на CAS 71-43-2
PubChem 241
ChemSpider 236
Номер на ЕК 200-753-7
KEGG C01407
ChEBI 16716
Номер в RTECS CY1400000
SMILES
c1ccccc1
StdInChI
InChI InChI=1S/C6H6/c1-2-4-6-5-3-1/h1-6H
Качества
Формула C6H6
Моларна маса 78.11 g/mol
Външен вид безцветна течност
Плътност 0.8765 g/cm3
Точка на топене 5.5 oC, 278.7 K
Точка на кипене 80.1 oC, 353.3 K
Разтворимост във вода 1.8 g/L (15 oC)
λ Max 255 nm
Магнитна чувствителност 54.8x10-6 cm3/mol
Индекс на пречупване 1.4979
Структура
Диполен момент 0 D
Опасности
ЕС класификация Запалимо F Отровно T
Канцероген кат. 1
Мутаген кат. 2
H-фрази H225, H304, H315, H319, H340, H350, H372
Фрази за риск R45, R46, R11, R36/38,R48/23/24/25, R65
Фрази за безопасност S53, S45
NFPA 704
NFPA 704.svg
3
2
0
Точка на запалване -11.63 oC, 262 K
Точка на самозапалване 498 oC, 771 K
Инхалация объркване, тахикардия
Контакт с очите увреждане
Сродни съединения
Други толуен, боразин
Данните са при стандартно състояние
на материалите (25°C, 100 kPa)
,
освен където е указано другояче.

Бензол (бензен) е най-простият ароматен въглеводород, широко използван органичен разтворител, образуващ азеотропна смес с вода. По физични свойства това е безцветна, лесно възпламенима течност със сладникав аромат. Формулата му е C6H6.

Бензенът е отровен и канцерогенен, влиза в състава на бензина и нефта, и може да бъде синтезиран чрез тримеризация на ацетилен при нагряване над активен въглен. Основната му употреба е за производството на етилбензен и кумен, чиито годишен добив достига милиони тонове.

История на откриването на бензена[редактиране | редактиране на кода]

Формули на бензена в исторически план (от ляво на дясно) Клаус (1867), Дюар (1867), Ладенберг (1869), Армстронг (1887), Тиле (1899) и Кекуле (1865).

Бензенът за първи път е бил отделен през 1825 г. от Майкъл Фарадей чрез нагряване на китова мас. Тогава Фарадей го нарича „водороден бикарбурет“. През 1845 г. Чарлз Менсфийлд отделя бензен от каменовъглена смола, а четири години по-късно патентова промишлен начин за синтез на бензена.

Фарадей открива и емпиричната формула на бензена, C6H6. Според тогавашните разбирания, резултатът е парадоксален, защото противоречи на представата, че в своите съединения въглеродът образува четири единични връзки, а водородът — една. В търсене на правилната структура на бензена, която да обясни необичайната стабилност и химична инертност, много учени, сред които Джеймс Дюар, Адолф Карл Лудвиг Клаус и Алберт Ладенбург, предлагат неправилни структури.

Първият учен, предположил, че бензенът има пръстеновидна структура, е немският химик Фридрих Август Кекуле (1865 г.). Известен анекдот гласи, че една вечер, когато Кекуле мислел върху загадъчната структура на бензена, той заспал и му се присънил Уроборос, змия, която е захапала опашката си. Именно този символ, според легендата, навел химика на извода, че бензенът има пръстеновидна структура с алтерниращи 3 двойни връзки.

Цикличната природа на бензена окончателно е потвърдена от кристалографът Катлийн Лонсдейл през 1929 г.[1][2]

Електронна структура на бензена[редактиране | редактиране на кода]

Различни начини за представяне на бензен

Особеностите в структурата на бензена сега успешно се обясняват от съвременните квантово-механични представи за електронната конфигурация на атомите и в частност - въглеродните атоми. Строежът на бензенът (както и на всяка друга молекула) може да се разгледа по две направления доразвиващи теорията на Луис за строежа на веществата. Двете направления са метод на валентните връзки и метод на молекулните орбитали.[3]

Според метода на валентните връзки [редактиране | редактиране на кода]

Атомните орбитали (АО) на всеки един от шестте C-атома от бензеновата молекула са в sp2-хибридно състояние. Всеки C-атом има по три хибридни sp2-АО и една нехибридна p-АО. Трите хибридни sp2 орбитали при лежат на една равнина. Те имат плоска тригонална конфигурация като сключват ъгъл 120°. Чрез тези 3 нехибридни орбитали C-атома образува три σ-връзки: две от тях с два съседни C-атома и една с H-атом. При това шестте атома въглерод образуват плосък пръстен - правилен шестоъгълник. По такъв начин се осъществява равнинна σ-скелетна структура на бензена. Но нека не забравяме, че при всеки C-атом остава по една нехибридна p-орбитала. Всичките шест нехибридни p-АО са разположени перпендикулярно на равнината на шестатомният пръстен ("стърчат" отгоре и отдолу на пръстена). Те частично се припокриват и формират кръгова делокализирана π-връзка.[3]

Според метода на молекулните орбитали(МО)[редактиране | редактиране на кода]

Съгласно принципа на Паули, една орбитала - атомна или молекулна - може да бъде заета най-много от два електрона с антипаралелни спинове. От друга страна, при комбинацията на атомните орбитали, броят на образуваните молекулни орбитали е равен на броя на изходните атомни орбитали. Така че комбинацията на шестте 2р-атомни орбитали на бензена води до образуване на 6 π-молекулни орбитали. Те са делокализирани - всяка от тях обхваща ядрата на 6-те въглеродни атома в пръстена. Три от тях π1, π2 и π3 са с по-ниска енергия от тази на изходните 2р-атомни орбитали. Те са свързващи молекулни орбитали. Останалите три орбитали π4*, π5* и π6* са с по-висока енергия от тази на изходните 2р-атомни орбитали и са антисвързващи. Една от свързващите π-МО е с най-ниска енергия, а една антисвързваща π6* противоположно на нея е с най-висока енергия. Между нивата на тези две орбитали са разположени останалите 4 π-молекулни орбитали по двойки с еднаква енергия (изродени). Съгласно правилото на Хунд в основно (невъзбудено) състояние на бензена 6-те π-електрона запълват 3-те свързващи π-МО.

От така представеното разпределение на π-МО и π-електроните на бензена става ясно, че в основно (невъзбудено) състояние той има завършена π-електронна конфигурация - всички свързващи нискоенергетични π-МО са запълнени с електрони и няма електрони на антисвързващи π*-МО. Това определя голямата стабилност на бензена, а голямата енергия на стабилизация се дължи на цикличната (безкрайна) π-електронна делокализация, стигаща до пълно изравняване на връзките С-С по целия пръстен. Тази енергия на стабилизация, изразена в β единици, е 2β, а по термохимични данни -150,5 kJ/mol. От това излиза, че β = -75,25 kJ/mol.

Данните от рентгеноструктурния анализ потвърждават разгледаните по-горе представи за структурата на бензена - установява се еднаква дължина на всички C-C връзки 0.139 nm и C-H връзки 0.109 nm в молекулата. Дължината на C-C връзките по стойност заема междинно положение в сравнение с дължините на една σ-C-C връзка (0.154 nm) и C=C връзка (0.134 nm). Порядъкът на всички C-C връзки в бензена е еднакъв 1.67.[3]

Производни на бензена[редактиране | редактиране на кода]

Известни са и други съединения, които притежават ароматен характер, т.е. те са бензеноподобни, макар някои от тях по състав и структура да се различават от бензена. За да бъде едно съединение ароматно, е необходимо да се спази преди всичко определно изискване, известно като правило на Хюкел - в молекулата на съединението трябва:[3]

  • да се съдържат атоми, свързани в пръстен (освен въглеродни атоми в пръстена могат да участват и други атоми - хетероциклични съединения);
  • общо при всички атоми в пръстена да има (4n+2) π-електрона при n=0, 1, 2, 3 и т.н.;
  • орбиталите на π-електроните да са разположени с успоредни оси и да се реализира следователно ефективното им припокриване.

Множество важни химически съединения са производни на бензена, вследствие на заместване на един или повече от водородните му атоми с друга функционална група. Примери за прости бензенови производни са фенол, толуен и анилин. Бензеновият остатък (радикал), участващ в различни други съединения, се нарича фенил или фенилова група. Свързването на две бензенови ядра дава бифенил C6H5-C6H5. Последваща загуба на водороден атом води до образуването на полициклични ароматни въглеводороди, като нафтален, антрацен. Краят на свързването на бензеновите ядра се осъществява при безводородната алотропна форма на въглерода - графит.

Получаване на бензен[редактиране | редактиране на кода]

  • Тримеризация на етин (ацетилен). Процесът се нарича риформнинг. Протича в присъствие на платинови катализатори:

Тримеризация на ацетилен.png

  • Дехидроцилизация и ароматизация на нефт

Риформинг.png

Химични свойства[редактиране | редактиране на кода]

В молекулата му има сложна връзка (-C=C-), подобно на алкените и алкините. Въпреки това, противно на очакванията, бензенът (наред с останалите арени) неочаквани химични свойства неприсъщи за алкените и алкините. Химичните му свойства се определят от стабилното му бензеново ядро в молекулата. При тях ядрото се стреми да запази структурата си. За това за бензена (и другите арени) са характерни предимно в заместителни реакции, а не толкова присъединителни реакции (характерни за алкените и алкините). Заместителните реакции са химичен критерии за ароматния му характер.

1. Заместителни реакции [редактиране | редактиране на кода]

Нитриране, сулфониране и халогениране протичат по електрофилен механизъм.

Електрофилните заместители могат да бъдат катиони - NO2 + , полярни молекули - SO3 , или молекули Cl2 , Br2 , които се поляризират под действие на катализатор.

  • Халогениране - за катализатор се използват Люисови киселини - АlCl3 , FeCl3 , FeBr3 , ZnCl2 и др.

Халогениране на бензен.png Реакцията протича по електрофилен механизъм.

  • Нитриране - извършва се с нитрирна смес - смес от концентрирана HNO3 и H2SO4 в отношение 1:2 при слабо нагряване

Нитриране на бензен.png

Образува се жълта маслообразна течност с дъх на горчиви бадени - нитробензен.

Електрофилната частица -NO2 (нитрониев катион) се получава по уравнението: HNO3 + 2H2SO4 -> H3О+ + NO2+ + 2HSO4+

  • Сулфониране - осъществява се с концентрирана H2SO4 при нагряване

Сулфониране на бензен.png

2. Алкилиране по Фридел-Крафтс[редактиране | редактиране на кода]

При тази реакция H-атом от бензена се замества с алкилова група. Това е метод за получаване на алкилбензени.

Реакцията може да протече с използване на халогеноалкан в присъствие на катализатор люисова киселина.

Освен халогенопроизводно може да се използват и алкени:

Алкилиране по Фридел-Крафтс.png

Реакцията протича при 0°C в просъствие на катализатор HF. Продукт на реакцията е етилбензен.

По аналогичен метод от пропен може да се получи и 2-фенилпропан (кумен, комол), който е важен за промишлеността защото при окисление дава пропанон и фенол (кумолов метод).

3. Ацилиране (по Фридел-Крафтс)[редактиране | редактиране на кода]

При ацилирането на бензен с киселинни хлориди в присъствие на катализатор люисови киселини се получават мастно ароматни кетони. При взаимодействието на етаноилхлорид и бензен се получава метил-фенилкетон (ацетофенол):

Ацилиране.png

4. Присъединителни реакции[редактиране | редактиране на кода]

Протичат трудно поради стабилността на кръговата делокализирана π-връзка на ароматното ядро, която трудно се разкъсва.

Арените (бензенът) не присъединяват халогеноводороди, вода и други полярни съединения - разлика с алкени и алкини.

  • Хидрогениране (присъединяване на водород)

В присъствие на активни катализатори (напр. Ni), при висока t° и налягане, бензена (арените) може да присъедини H2 :

C6H6 + 3H2 -> C6H12 (циклохексан)

  • Халогениране при облъчване с UV-лъчи

При взаимодействие на бензен с хлор или бром в присъствие на UV-лъчи протича заместителна реакция по верижно-радикалов межанизъм (ВРМ):

Хлоран.gif

Полученият C6H6Cl6 - хексахлороциклохексан (ХХЦХ, линдан, 666) се използвал като инсектицид. Сега употребата му е забранена!

5. Окисление и горене[редактиране | редактиране на кода]

  • Окисление - Стабилната бензенова молекула не се окилява!
  • Горене - Бензенът и арените горят с пушлив пламък. Получават се CO2 и вода:

2C6H6 + 15О2 -> 12CO2 + 6H2O

Употреба[редактиране | редактиране на кода]

Бутилка с бензен

Бензенът се използва главно като суровина за производството на други химикали. Около 80% от него се използва за получаването на: етилбензен, кумен и циклохексан. От тях най-масова употреба намира етилбензена, прекурсор за синтеза на стирен, който пък от своя страна влиза в състава на полимери и различни видове пластмаси. Куменът е източник за получаването на фенол, необходим за направата на смоли и лепила. Циклохексан е суровина за синтеза на найлони. Малки количества от самият бензен се използват за получаване на някои видове гуми, лубриканти, бои, детергенти, лекарства, експлозиви и пестициди.

В лабораторните изследвания, толуенът напълно е заменил бензена като органичен разтворител най-вече поради по-ниската си токсичност, като свойствата им на разтворители са много сходни.

В бензина се включва като добавка, повишаваща октановото число и стабилизираща горивния процес.

Бензолово отравяне[редактиране | редактиране на кода]

Професионално заболяване от вдишване на бензолови пари, понякога от контакт с кожата. При тежко бензолово отравяне се наблюдават смущения на централаната нервна система, гърчове, повръщане, безсъние и др. При по-лекото бензолово отравяне - увреждане на кръвотворните органи с промени в количеството и състава на белите кръвни клетки, кръвоизливи в кожата и лигавицата (хеморагична диатеза) и др. При продължително излагане на влиянието на бензена се развиват различни форми на рак, поради което той е широко известен и мощен канцероген.

Източници[редактиране | редактиране на кода]

  • Vollhard, K. Peter C.; Schore, Neil C. - Organic Chemistry: structure and function, 4th edition, 2002
  • Ганка Робова, Лилия Величкова - Теми по органична химия за ученици и кандидат-студенти - Абагар
  1. K. Lonsdale. The Structure of the Benzene Ring in Hexamethylbenzene. // Proceedings of the Royal Society 123A. 1929. с. 494.
  2. K. Lonsdale. An X-Ray Analysis of the Structure of Hexachlorobenzene, Using the Fourier Method. // Proceedings of the Royal Society 133A. 1931. с. 536–553.
  3. а б в г „Органична химия“, Галин Петров, УИ „Св. Климент Охридски“, София, 2006, ISBN-10: 954-07-2382-5

Вижте също[редактиране | редактиране на кода]

WP-TranslationProject TwoFlags.svgТази статия включва текст, преведен от статията „Benzene“ в Уикипедия на английски (автори).
WP-TranslationProject TwoFlags.svgТази статия включва текст, преведен от статията „Benzene“ в Уикипедия на руски (автори).