Завдання для самоконтролю

88. Які вуглеводні відносяться до циклічних сполук? Чому циклічні сполуки іноді називають нафтенами?

89. Складіть рівняння реакцій, при допомозі яких можна одержати: а) циклобутан із бутану; б) бутан із циклобутану; в) бензен із гексану.

90. Наведіть рівняння повного згорання циклопропану і циклогексану.

§ 15. Бензен

На ранній стадії розвитку органічної хімії ароматичними називали сполуки, які виділяли з природних запашних речовин – рослинних смол, бальзамів, ладану, ефірних масел. Деякі з них володіли приємним запахом (ванілін). Але, мабуть, жодна зі сполук не викликала такого інтересу дослідників, як бензин – ця проста за складом речовина. У подальшому було встановлено, що багато відомих ароматичних сполук є похідними бензену чи можуть бути утворені з нього. З того часу бензен, його похідні та гомологи називають ароматичними сполуками.

Термін «ароматичний» в сучасному розумінні стосується не запаху, а будови і хімічних властивостей цих речовин.

Ароматичні вуглеводні – це органічні речовини, до складу яких входять одне або декілька бензенових ядер.

Міжнародна назва ароматичних вуглеводнів – арени.

Склад і будова молекули бензену

Найпростіший серед ароматичних вуглеводнів – бензен (застаріла назва – бензол). Молекулярна формула бензену С₆Н₆. Хоча бензин був відкритий М. Фарадеєм у 1825 році, елементний склад сполуки було визначено лише через 20 років, а будова молекули ще впродовж 20 років становила теоретичну проблему, бо жодна з пропонованих ученими структурних формул не відповідала повною мірою властивостям речовини, які вона виявляла.

Для бензену пропонували такі структури:

У 1865 році німецький хімік А. Кекуле запропонував зобразити 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 рівноцінні. Проте і ця формула не повністю відповідає хімічним властивостям бензену. Наприклад, бензен не вступає в типові для ненасичених сполук реакції.

Реальну будову бензену було пояснено на основі електронної теорії. Згідно із сучасними уявленнями, молекула бензену є простим правильним шестикутником, у вершинах якого містяться атоми Карбону (Рис.1), що перебувають у стані sр²-гібридизації. Всі три гібридних орбіталі, прекриваючись, утворюють σ-зв’язки, які знаходяться в одній площині. Дві з них перекриваються одна з одною

Рис.1 молекула бензену

(С-С), а третя – з s-орбіталлю атома Гідрогену (С-Н). В результаті утворюються три σ-зв’язки. Негібридні р-орбіталі кожного атома Карбону (Рис.2), що залишилися перекриваються над і під площиною молекули (оскільки мають форму об’ємної вісімки), утворюючи єдину π-молекулярну орбіталь. Єдина π-молекулярна орбіталь розміщена над

Рис.2 негібридні р-орбіталі кожного атома Карбону

і під площиною шестикутника. За рахунок утворення спільної π-молекулярної орбіталі, всі атоми Карбону рівноцінні.

Д ля зображення структурної формули молекули бензену можна використовувати: або

Добування бензену

Найважливішими джерелами ароматичних вуглеводнів є кам’яновугільна смола та гази, які утворюються при коксуванні вугілля і переробці нафти.

1. Дегідрування (відщеплення водню) циклогексану:

СН₂ CН

Н₂С СН₂

t, kt

НС СН

+ 3Н₂

Н₂С СН₂ НС СН

СН₂ СН

^{циклогексан бензен}

2. Дегідрування гексану:

СН₂ CН

Н₂С СН₃

t, kt

НС СН

+ 4Н₂

Н₂С СН₃ НС СН

СН₂ СН

^{гексан бензен}

3. Полімеризація ацетилену:

С

+

Н СН

НС СН

t, kt

НС СН

+ →

НС

+

СН НС СН

СН СН

t, kt

^бензен

або 3С₂Н₂ → С₆Н₆

Фізичні властивості

Бензен – безбарвна, летка, вогненебезпечна рідина з характерним запахом. Його температура кипіння 80,1 ^оС. При охолодженні він легко перетворюється в білу кристалічну масу з температурою плавлення 5,5 ^оС. У воді бензен практично не розчиняється. Горить дуже кіптявим полум’ям. Пара бензену з повітрям утворює вибухову суміш. Рідкий бензен і пара бензену отруйні. За звичайних умов більшість ароматичних вуглеводнів також являють собою безбарвні рідини, нерозчинні у воді, з характерним запахом.

Хімічні властивості

1. Горіння: (горить кіптявим полум’ям)

2С₆Н₆ + 15О₂ → 12СО₂ + 6Н₂О

2. Реакції заміщення:

а)бромува

FeCl₃, t

ння:

С₆Н₆ + Br₂ С₆Н₅Br + НBr

СН ^{бромбензен} СН

НС С Н

FeCl₃, t

НС СBr

+ Br-Br + НBr

НС СН НС СН

СН СН

^{бензен бромбензен}

б) нітрування

H₂SО₄, t

:

С₆Н₆ + НNO₃ С₆Н₅NO₂ + Н₂О

^{нітробензен}

СН СН

НС СН

H₂SО₄, t

НС СNO₂

+ НО-NO₂ + Н₂О

НС СН НС СН

СН СН

^{бензен нітробензен}

в) повне хл

AlCl₃

орування:

С₆Н₆ + 6Cl₂ С₆Н₆Cl₆ + 6НCl

^{гексахлорбензен}

СН СCl

НС СН

AlCl₃

ClС СCl

+ 6Сl₂ + 6НCl

НС СН ClС СCl

СН СCl

^{бензен гексахлорбензен}

3. Реакції приєднання (проходять при суворіших умовах: при високій температурі, високому тиску та відповідному каталізаторі):

а) Гідрува

t

Ni або Pt

ння:

С₆Н₆ + 3Н₂ С₆Н₁₂

^{бензен циклогексан}

СН СН₂

НС СН

t

Ni або Pt

Н₂С СН₂

+ 3Н₂

НС СН Н₂С СН₂

СН СН₂

^{бензен циклогексан}

б) Хлоруван

hυ

ня:

С₆Н₆ + 3Сl₂ С₆Н₆Cl₆

^{бензен гексахлорциклогексан}

СН СНCl

НС СН

hυ

ClНС СНCl

+ 3Cl₂

НС СН ClНС СНCl

СН СНCl

^{бензен гексахлорциклогексан}

Застосування

Бензен застосовують як хімічна сировина для виробництва ліків, пластмас, барвників, пахучих речовин, полімерів, вибухових речовин. Широко використовують як розчинник. Бензен як добавка поліпшує якість моторного палива.