Березан О.В. Органічна хімія

Орієнтувальна дія замісників, наявних у молекулі бензену

50

§24. Отримання бензену та його гомологів

1. Дегідрогенізація циклоалканів над підігрітою платиною:

2. Дегідроциклізація8 алканів над оксидними каталізаторами (Cr2O3, Al2O3):

3. Циклічна тримеризація етину:

4. Реакція Фріделя – Крафтса: унаслідок алкілювання бензену утворюються алкілбензени. Реакцію можна здійснювати з алкенами, галогеноалканами і спиртами (відбувається за наявності кислот Льюїса9):

етилбензен

5. Реакція Вюрца – Фіттіга:

6.Природні джерела — продукти коксування кам’яного вугілля (коксовий газ містить пари бензену та толуену, а кам’яновугільна смола — бензен, толуен, ксилени та феноли). Бензен і толуен можуть міститися в нафті. Гомологи бензену одержують також каталітичним крекінгом нафтопродуктів.

7.Стирен у промисловості отримують дегідрогенізацією етилбензену над цинк оксидом за температури 600 °С:

8Дегідроциклізація — відщеплення Гідрогену з одночасною циклізацією.

9Кислота Льюїса — молекула або йон, що є акцептором електронної пари (див. §26).

51

§25. Поняття про гетероциклічні сполуки

Гетероциклі́чними називають сполуки циклічної будови, циклічні молекули яких, окрім атомів Карбону, містять атоми інших елементів. Ці атоми називають ге́теро-

атомами, найчастіше — Сульфур, Нітроген і Оксиген. У гетероциклі може бути один, два або більше гетероатомів. Найбільше значення мають п’яти- і шестичленні гетероцикли. Так, до п’ятичленних гетероциклів з одним гетероатомом належать:

Ці гетероцикли мають плоску будову і єдину π-систему із шести електронів (по одному від чотирьох атомів Карбону і два електрона від гетероатома); саме в цьому виявляється їхня подібність до бензену. П’ятичленні гетероциклічні сполуки мають ароматичний характер і схильні до реакцій приєднання і заміщення:

У зв’язку із впливом гетероатома Нітрогену атоми Гідрогену пірольного циклу активніше вступають у реакції заміщення, ніж у бензені:

+ 4Br2 → + 4НВr

тетрабромопірол

Слабокислотні властивості піролу виявляються в реакціях з лужними металами:

2К + 2 → 2 + Н2↑

Із шестичленних гетероциклів найбільше значення має піридин С5Н5N.

Неподілена електронна пара атома Нітрогену в молекулі піридину, на відміну від піролу, не бере участі в утворенні єдиної електронної системи, а тому піридин виявляє доволі виражені основні властивості й утворює солі з кислотами:

Піридин багато в чому подібний до бензену: він стійкий до дії окисників, але горить:

4 + 25О2 → 20СО2 + 10Н2O + 2N2

Піридин приєднує водень:

52

+ 2Н2 →

Піридин також вступає в реакції заміщення із бромом, нітратною кислотою, які відбуваються важче, ніж у бензену:

3-нітропіридин

Хімія гетероциклічних сполук розвивається останнім часом доволі швидко. Це пояснюється тим, що до цього класу відносять низку цінних лікарських препаратів, барвників, багато природних речовин: гетероцикли входять до складу молекул вітамінів, білків, ферментів, які відіграють вагому роль у метаболізмі живих організмів; пірольне ядро входить до складу хлорофілу, а похідні пурину і піримідину — до складу нуклеїнових кислот.

§26. Використання ароматичних вуглеводнів

1.Бензен використовують для виготовлення барвників, лікарських препаратів, полімерних матеріалів (полістирену), розчинників, отрутохімікатів (пестицидів).

2.Толуен застосовують для виробництва лаків, вибухових речовин (тринітротолуену), лікарських препаратів, бензойної кислоти, а також як розчинник для полімерів.

§27. Природні джерела та переробка вуглеводнів

1.Приро́дний газ — суміш газоподібних алканів: метан (близько 90 %), а також етан, пропан, бутан.

2.Супу́тній на́фтовий газ містить метану менше, ніж у природному газі, але більше етану, пропану та інших вуглеводнів.

3.Кам’яне́вугілля́ . Внаслідок його сухої перегонки (за 1000 ºС без доступу кисню) отримують леткі продукти (амоніак, воду і коксовий газ (60 % Н2; 25 % СН4; 5 % СО; 4 % N2; 2 % NO2; 2 % С2Н4, 2 % інших газів) та кам’яновугільну смолу — складну суміш органічних речовин (з яких ідентифіковано понад 500 сполук — лише близько 60 %). Унаслідок її фракціонування одержують кілька фракцій:

легку (бензен, толуен, ароматичні кислоти),

середню (фенол, нафтален),

важку (нафталін і його гомологи),

антраценову (антрацен, фенантрен),

залишок — пек і пековий кокс.

Значну частину вугілля піддають процесам газифікації та гідрогенізації.

Газифікація — перетворення вугілля за допомогою хімічних реакцій на горючі гази

(СО, Н2, СН4). Вони утворюються внаслідок окиснення вугілля недостатньою кількістю кисню, водяною парою, а також вуглекислим газом. Відбувається низка реакцій:

53

Гідрогенізáція — перетворення вугілля на газоподібні та рідкі вуглеводні під дією водню за 400–600 °С, певного тиску і наявності каталізатора. Так отримують рідке синтетичне пальне:

nС + ( n + 1)Н2 → СnН2n +2

4. На́фта — суміш рідких, газоподібних та твердих вуглеводнів (парафіни, циклопарафіни, арени):

а) первинна переробка нафти, унаслідок якої отримують такі фракції:

та нафтових смол);

б) вторинна переробка нафтопродуктів:

вторинна фракційна перегонка бензину і гасу;

високотемпературний піро́ліз (дегідрогенізація циклоалканів і дегідроциклізація алканів (ароматизація) на платиновому каталізаторі за температури 600–700 °С);

термічний кре́кінг вуглеводнів, що містяться в мазу́ті й газо́йлі (розщеплення більших молекул на менші);

рифо́рмінг (каталітичний риформінг) — промисловий процес пререробки бензинових і лігроїнових фракцій нафти з метою одержання висосоякісних бензинів і ароматичних вуглеводнів.

Окремі вуглеводні виділяють двома методами:

методом низькотемпературного фракціонування;

методом абсорбування газів розчинниками з наступним фракціонуванням.

§28. Найважливіші поняття, терміни та правила

Алкілюва́ння — введення алкільного замісника (–СН3, –С2Н5...) до складу молекули органічної сполук.

Ароматиза́ція — процес перетворення шестичленних циклоалканів, циклоалкенів чи циклодієнів, а також насичених вуглеводнів, що містять не менше шести атомів Карбону, на ароматичні сполуки.

Ацилюва́ння — взаємодія ацилхлоридів (R–CO–Cl) з бензеном і його гомологами з утворенням арилкетонів.

Вю́рца – Фі́ттіга реакція— метод введення алкільних замісників у бензенове ядро взаємодією суміші ароматичного й аліфатичного галогенопохідних з натрієм.

Дегідроцикліза́ція — процес перетворення алканів чи алкенів на ароматичні сполуки.

Кре́кінг (англ. сracking — розщеплення) — високотемпературна переробка нафти та її фракцій для отримання, зазвичай, продуктів меншої молекулярної маси (моторного палива, мастил, сировини для хімічної та нафтохімічної промисловості).

Лью́їса кислоти — сполуки, здатні зв’язувати вільну електронну пару: АlCl3, BF3, ZnCl2, FeCl3, йони металічних елементів. У таких сполуках чи йонах зовнішня електронна обо-

54

лонка містить незаповнену електронну орбіталь, здатну до насичення за допомогою фіксації пари електронів. Наприклад:

основа кислота

Ме́та-положення (м-) — в бензеновому ядрі розміщення через один атом Карбону від місця відліку (1,3-положення).

Нітру́вальна суміш — суміш концентрованих нітратної та сульфатної кислот. У відношенні мас 1 : 2 використовують для проведення реакції нітрування бензену.

Окта́нове число — величина, яка визначає антидетонаційну характеристику пального для двигунів внутрішнього згоряння. За умовною шкалою антидетонаційні властивості ізооктану С(СН3)3–CH2–CH(CH3)2 прийнято за 100 одиниць, а гептану — за 0. Октанове число — один із найважливіших показників якості бензину.

О́рто-положення (о-) — положення в бензеновому ядрі, сусіднє з атомом Карбону від місця відліку (1,2-положення).

Па́ра-положення (п-) — в бензеновому ядрі розміщення через два атоми Карбону від місця відліку (1,4-положення).

Рифо́рмінг (від англ. to reform — переробляти, покращувати) — ароматизація насичених вуглеводнів: унаслідок нагрівання бензину за наявності каталізатора насичені вуглеводні перетворюються на ароматичні.

Фені́л(Ph) — найпростіший одновалентний ароматичний замісник –С6Н5.

Фріде́ля – Кра́фтса реакція — метод уведення алкільних замісників в ароматичне ядро взаємодією ароматичної сполуки з галогенопохідними, спиртами, алкенами або галогеноангідридами за наявності кислот Льюїса.

§29. Це варто знати та вміти

Розуміти будову молекули бензену. Уміти пояснити причину його стійкості.

Знати особливості хімічних властивостей бензену (реакції заміщення та приєднання), умови їхнього перебігу.

Уміти порівнювати хімічну активність вуглеводнів різних груп.

Знати види ізомерії гомологів бензену. Вміти писати формули орто-, пара-, мета- ізомерів та знати їхні назви, використовуючи тривіальні назви та систематичну номенклатуру.

Пояснювати особливості хімічних властивостей гомологів бензену на підставі розуміння суті взаємного впливу атомів у молекулах аренів.

Знати основні методи отримання бензену та його гомологів.

Наводити приклади синтезу ароматичних сполук з неорганічних речовин (вуглецю, вапняку, алюміній карбіду).

Знаючи будову хімічних речовин, передбачати їхні хімічні властивості.

Розв’язувати задачі на:

написання стехіометричних схем (уміння використовувати їх для розв’язування задач);

знаходження відносного виходу речовин;

розрахунок маси чи об’єму продукту реакції, якщо відомий вихід продукту;

розрахунок маси чи об’єму вихідної речовини, необхідної для отримання певної кількості продукту, якщо відома масова частка втрат або вихід речовини.

55

Практичні завдання

212.Назвіть речовини, напівструктурні формули яких мають вигляд:

213.Напишіть напівструктурні формули ароматичних вуглеводнів, що є ізомерами для речовини складу: С8Н10 та С9Н12.

214.Як одержати не менше чотирьох ароматичних сполук, маючи вапняк, кам’яне вугілля, воду, кухонну сіль і повітря? Напишіть відповідні рівняння реакцій.

215.Напишіть рівняння реакцій, за якими можна здійснити такі перетворення (укажіть умови перебігу):

а) метан → етин → бензен → циклогексан → бензен; б) етан → етен → етин → бензен → хлоробензен.

216.Які продукти можна одержати внаслідок ароматизації н-нонану? Напишіть їх напівструктурні формули та назвіть утворені при цьому речовини.

217.Запропонуйте кілька методів отримання етилбензену з неорганічних речовин. Напишіть відповідні рівняння реакцій.

218.Як з алюміній карбіду отримати стирен? Напишіть рівняння реакцій.

219.Напишіть рівняння хімічних реакцій, за якими можна здійснити такі перетворення (для кожного випадку встановіть невідомі речовини Х, Х1 та Х2):

а) вапняк → Х → Х1→ етин → Х2→ хлоробензен → метилбензен → бензойна кислота б) вуглець → Х → етин → бензен → Х1 → 2,4,6-тринітротолуен

г)

220.Як експериментальним шляхом виявити кожну з рідин у наведених групах речовин:

56

222.Розгляньте наведену схему зв’язку насичених, ненасичених та ароматичних вуглеводнів, наведіть приклади рівнянь реакцій для здійснення наведених перетворень:

Укажіть умови перебігу кожної реакції.

223.Установіть невідомі речовини, вкажіть їхні назви та напишіть рівняння реакцій, за якими можна здійснити такі перетворення:

а) Al4C3 → X → X1 → X2 → X3 → тротил;

224.Напишіть рівняння хімічних реакцій, за якими можна здійснити такі перетворення:

225.Які хімічні реакції можна передбачити для речовини, що має будову:

Як називають цю речовину? Напишіть рівняння реакції: а) з воднем; б) з водою; в) із бромною водою.

226.Напишіть рівняння хімічних реакцій, за якими можна здійснити такі перетворення:

а) нафта → пентан → ізопентан → ізопрен → ізопреновий каучук

гексан → етен → етин → хлоровініл → поліхлоровініл

поліетилен б) кам’яне вугілля → метан → етин → етанол → бута-1,3-дієн

кокс → кальцій карбід → етин → бензен → толуен → тринітротолуен

сажа, водень (виробництво нітратних мінеральних добрив) в) природний газ → етин → поліхлоровініл

синтез-газ (для отримання оксигеновмісних органічних сполук) 227.Наведіть приклади речовин, які задовольняють таким схемам перетворень:

57

228.Напишіть рівняння реакцій, за якими можна здійснити такі перетворення:

CaCO3 → CaO → CaC2 → C2H2 → C6H6 → C6H5Cl

229.Яку масу технічного кальцій карбіду з масовою часткою домішок 10 % потрібно використати для одержання 31,2 г бензену?

230.Напишіть рівняння реакцій, за якими можна здійснити такі перетворення: C → CH4 → C2H2 → C6H6 → C6H12

231.Унаслідок нітрування 2 моль бензену одержали 200 г нітробензену. Який вихід нітробензену?

232.Яку масу вапняку потрібно використати для отримання 15,6 г бензену, якщо масова частка кальцій карбонату у вапняку становить 85 %?

233.Напишіть рівняння реакцій, за якими можна здійснити такі перетворення:

CH4 → C2H2 → C6H6 → C6H6Cl6

CO2

234.Яку кількість речовини бензену можна одержати з етину, отриманого з 18,49 г технічного кальцій карбіду, масова частка домішок у якому 10 %?

235.Унаслідок бромування бензену за присутності каталізатора, утворився газ, який пропустили крізь надлишок розчину аргентум(І) нітрату. Внаслідок взаємодії утворилось 4,7 г осаду. Обчисліть масу бензену, який прореагував.

236.Напишіть рівняння реакцій, за якими можна здійснити такі перетворення:

CaCO3 → CaO → CaC2 → C2H2 → C6H6 → C6H5NO2

237.Унаслідок гідрогенізації 7,8 г бензену одержали 4,2 г циклогексану. Обчисліть вихід циклогексану.

238.Яку масу бензену можна одержати з 25 л етину (н. у.), якщо його вихід становить 70 %? 239.Із 8,67 г бензену одержали 7,38 г нітробензену. Установіть вихід продукту.

240.Діючи бромом на 7,8 г бензену, отримали таку ж масу бромобензену. Обчисліть вихід бромобензену.

241.Який об’єм хлору (н. у.) потрібно витратити для перетворення 390 кг бензену на гексахлоран (1,2,3,4,5,6-гексахлороциклогексан)?

242.Який об’єм повітря (н. у.) потрібно витратити на спалювання 32,5 г толуену, що містить негорючі домішки, масова частка яких 4 %?

243.Унаслідок бромування бензену за наявності каталізатора одержали 47,1 г бромобензену, вихід якого становив 75 %. Яку кількість речовини бромобензену пробромували?

244.Напишіть рівняння реакцій, за якими можна здійснити такі перетворення: н-гексан → бензен → циклогексан → бензен → хлоробензен

245.Пронітрували 390 г бензену. Установіть масу одержаного нітробензену, вихід якого становить 75 %.

246.Унаслідок каталітичної гідрогенізації 384,6 г бензену одержали 258,5 г циклогексану (вихід — 80 %). Який відсоток загальної маси бензену прореагував?

247.Унаслідок нагрівання бензену із бромом за наявності каталізатора, виділився газ, який прореагував зі стехіометричною кількістю речовини натрій гідроксиду, що містився у 200 мл розчину із масовою часткою NaOH 10 % (густина — 1,11 г/мл). Яка маса бензену прореагувала?

58

248.З технічного бензену, маса якого 12,138 г, одержали 10,332 г нітробензену з виходом 60 %. Установіть масову частку домішок у технічному бензені.

249.Установіть невідомі речовини і напишіть рівняння реакцій, за якими можна здійснити такі перетворення:

250.Установіть невідомі речовини і напишіть рівняння реакцій, за якими можна здійснити

251.Установіть невідомі речовини і напишіть рівняння реакцій, за якими можна здійснити такі перетворення:

252.Які маси бензену і нітратної кислоти потрібно використати для одержання 319,8 г нітробензену, вихід якого — 95 %?

253.Масова частка Карбону в молекулі ароматичного вуглеводня становить 90 %. Установіть молекулярну формулу вуглеводня. Наведіть не менше шести прикладів ізомерів, які мають таку формулу, укажіть їхні напівструктурні формули і назви.

254.Який об’єм етину (н. у.) потрібно використати для одержання 16 т бензену, вихід яко-

го — 95 %?

255.Водню, який виділився унаслідок одержання толуену з гептану нормальної будови, вистачило для повної гідрогенізації 5,6 л етину (н. у.). Яку масу гептану витратили?

256.Унаслідок спалювання 36 г гомолога бензену одержали 60,48 л карбон(IV) оксиду (н. у.). Установіть молекулярну формулу вуглеводню.

257.Тепловий ефект реакції горіння бензену становить –6502,8 кДж. Обчисліть кількість теплоти, яка виділиться внаслідок спалювання 4 л бензену (ρ = 0,874 г/мл).

258.Унаслідок спалювання 24,8 г суміші бензену і толуену одержали карбон(IV) оксид, який пропустили крізь надлишок вапняної води. Випав осад масою 190 г. Обчисліть масову частку толуену в суміші.

259.Яку масу бензену можна одержати з етину, що виділився внаслідок взаємодії 55,64 г кальцій карбіду СаС2 з достатньою кількістю води? Масова частка домішок у кальцій карбіді — 18,4 %, а вихід бензену — 15 %.

260.Яку масу толуену потрібно використати для отримання 147,55 г тротилу за умови його виходу 80 %?

261.Змішали 20,28 г бензену і 130 мл розчину нітратної кислоти (ρ = 1,373 г/мл). Масова частка кислоти в розчині — 60 %. Установіть масу нітробензену, який утвориться внаслідок взаємодії?

262.Який об’єм розчину натрій гідроксиду з масовою часткою лугу 10% (ρ = 1,1 г/мл) потрібно використати для реакції з газом, що виділиться унаслідок перетворення 30,42 г бензену на бромобензен?

263.Який об’єм повітря (н. у.) потрібно використати для згоряння 19,5 кг бензену?

264.Як, маючи лише неорганічні речовини, отримати нітробензен? Напишіть рівняння реакцій.

59