Лабораторная работа № 17 Ароматические углеводороды (арены)

Цель работы

Изучить способы получения и физико-химические свойства бензола, его гомологов и полиядерных ароматических соединений.

Оборудование и реактивы

Пробирки, пробка с газоотводной трубкой, лучинка, пробиркодержатель, спички, спиртовка, стакан, ступка с пестиком, стеклянные папочки, штатив, фарфоровые чашки, холодильники, водяная баня.

Гидроксид натрия NaOH (к), оксид кальция CaO (к), хлористый алюминий AlCl₃ (к), бензойная кислота С₆Н₅–СООН (к), бензол С₆Н₆ (ж), толуол С₆Н₅–СН₃ (ж), нафталин (к), хлорбензол (ж), хлороформ (ж), дифенил (ж), хлористый бензил (ж), этиловый спирт C₂H₅OH, диэтиловый эфир; растворы: серная кислота H₂SO₄ (разб. и конц.), азотная кислота HNO₃ (конц.), перманганат калия KMnO₄ (2%), бромная вода (Br₂/H₂O); лед или снег, дистиллированная вода; лакмусовая бумага.

Экспериментальная часть¹⁸

Опыт 1. Получение бензола из бензойной кислоты

В ступке тщательно разотрите смесь из 1 г бензойной кислоты и 2 г натронной извести (NaOH + CaO). Смесь пересыпьте в сухую пробирку, закройте пробкой с газоотводной трубкой и закрепите пробирку в штативе с наклоном в сторону пробки (!). Конец газоотводной трубки опустите в сухую пробирку-приемник, охлаждаемую водой со льдом (или снегом). Нагрейте пробирку, в пробирке-приемнике собирается бензол. Его обнаруживают по характерному запаху и горючести – для этого стеклянную палочку смачите образовавшимся дистиллятом и поднесите к пламени спиртовки. Наблюдаем: _______________________________

________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________________

Опыт 2. Горение бензола

В фарфоровую чашку внесите 1–2 капли бензола и подожгите.

________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________________

Опыт 3. Растворимость бензола

В три пробирки налейте по 0,5 мл бензола, затем в первую добавьте 1 мл воды, во вторую – 1 мл этанола, в третью – 1 мл диэтилового эфира. Встряхните содержимое пробирок и наблюдайте растворимость бензола в данных растворителях. Запишите результаты в таблицу.

Растворитель	Растворимость
вода
этанол
диэтиловый эфир

Опыт 4. Нитрование бензола (тяга!)

В пробирку с пробкой и воздушным холодильником налейте 1 мл конц. H₂SO₄ и 1 мл конц. HNO₃. Ох­ладите смесь и прилейте к ней небольшими порциями 0,5 мл бензола, постоянно встряхивая пробирку. Закройте пробирку пробкой с воздушным холодильником и поставьте на водяную баню, нагретую до 60°С на 10 мин., периодически встряхивая. После этого реакционную смесь охладите и вылейте в стакан с 20 мл ледяной воды. Кислоты растворяются в воде, а полу­ченный нитробензол (с запахом горького миндаля) выделяется на дне в виде маслянистых капель.

________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________________

Опыт 5. Нитрование нафталина

В сухую пробирку насыпьте 0,5 г нафталина и прилейте 2–3 мл конц. азотной кислоты. Смесь размешайте и нагрейте на кипящей водяной бане 5 мин. Затем содержимое пробирки вылейте в стакан с 50 мл холодной водой. При охлаждении α-нитронафталин кристаллизуется в виде ___________________ кристаллов.

+ HNO₃ →

Опыт 6. Действие окислителей на бензол и толуол

В две пробирки налейте по 1 мл в одну бензола, в другую толуола и в обе добавьте по 1 мл раствора KMnO₄, слегка подкис­ленного разб. H₂SO₄. Смеси перемешайте, закройте пробирки воздушным хо­лодильником и нагрейте на водяной бане.

5C₆H₅–CH₃ + 6KMnO₄ + 9H₂SO₄ → 5C₆H₅–COOH + 3K₂SO₄ + 6MnSO₄ + 14H₂O

(бензойная кислота)

C₆H₆ + KMnO₄ + H₂SO₄ →

Опыт 7. Сульфирование ароматических соединений (тяга!)

В две пробирки поместите по 3 капли бензола и толуола, в третью – несколько кристаллов нафталина и добавьте в них по 4–5 капель конц. серной кислоты, нагрейте на кипящей водяной бане 10–15 мин. при постоянном встряхивании. Нафталин частично возгоняется и кристаллизуются на стенках пробирки выше уровня жидкости, его необходимо повторно расплавить, прогревая всю пробирку.

Бензол в данных условиях ____________ (не реагирует / реагирует) с серной кислотой.

После охлаждения пробирок в холодной воде добавьте в них по 0,5 мл воды, если сульфирование прошло полностью, образуется прозрачный раствор, так как сульфокислоты хорошо растворимы в воде. Объясните, как алкильный радикал влияет на скорость сульфирования в ароматичеком кольце.

________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________________

Вывод: _________________________________________________________________________

________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________________

Контрольные задания

1. Объясните влияние природы заместителей на скорость и направление электрофильного замещения соединений: С₆Н₅СН₃; С₆Н₅ОСН₃; С₆Н₅Сl; С₆Н₅NН₂; С₆Н₅NО₂.

2. Напишите продукты нитрования следующих веществ: бензойной кислоты, этилбензола, хлорбензола, аминобензола.

3. Используя углерод и другие неорганические вещества, получите двумя способами бензол.

4. Какой продукт получится при нитровании анилина азотной кислотой в конц. серной кислоте? Напишите уравнения реакций, назовите вещества.

5. Какое соединение образуется при нагревании бензолсульфокислоты с водой: а) бензол; б) фенол? Напишите уравнения реакций, назовите вещества.

6. Какие из перечисленных ниже реагентов следует избрать в качестве алкилирующих агентов для получения изопропилбензола из бензола: а) пропанол-1; б) 2-хлорпропан; в) пропен; г) пропан? Напишите уравнения реакций, назовите вещества.

7. Какой реагент следует взять для превращения м-динитробензола в 2,4-динитроанилин: а) амид натрия; б) аммиак; в) гидроксиламин; д) гидразин? Напишите уравнения реакций, назовите вещества.

8. Смесь толуола и н-гексана, защищенную от света, обработали бромом при нагревании в присутствии бромида железа(III). При этом образовалось 1,7 г смеси монобромпроизводных. Такое же количество исходной смеси обработали бромом при освещении. При этом получилось 3,3 г смеси других монобромпроизводных. Определите состав исходной смеси углеводородов.

9. Смесь бензола с циклогексаном массой 4,39 г обесцвечивает бромную воду массой 125 г с массовой долей брома 3,2%. Определите процентное содержание бензола в смеси.

10. Газ, выделившийся при действии 16 г брома на 25 мл бензола (плотность 0,78 г/см³), в присутствии соли железа(III) введен в реакцию с 2,24 л 1,3-бутадиена (н.у.). Какое количество бромбензола было получено в результате реакции?

11. Этилбензол массой 4,24 г дегидрировали, а продукт, полученный с выходом 75%, пропустили через раствор брома в тетрахлориде углерода. Какая масса этого раствора брома обесцветится, если массовая доля брома в растворе составляет 4%?

12. Смесь бензола и циклогексена обесцвечивает 75 г бромной воды с массовой долей брома 3,2%. Продукты, образовавшиеся при сжигании такого же количества исходной смеси в избытке кислорода, пропустили через известковую воду (взятую в избытке) и получили 21 г осадка. Определите состав исходной смеси в % по массе.

13. Написать схему хлорирования о-нитротолуола в присутствии катализатора.

14. Какое из двух соединений толуол или нитробензол легче вступает в реакцию нитрования и почему? Привести схемы реакций.

15. Написать структурные формулы ароматических углеводородов состава С₈Н₁₀ и назвать их.

16. Как получить бензол из этина? Этин из бензола?

17. Какое соединение образуется при хлорировании этилбензола на свету? Привести уравнение реакции.

18. Установить строение углеводорода C₈H₆, обесцвечивающего бромную воду, образующего белый осадок с аммиачным раствором окиси серебра, а при окислении дающего бензойную кислоту.

19. Этилбензол массой 6,21 г дегидрировали, а продукт, полученный с выходом 75%, пропустили через раствор брома в тетрахлориде углерода. Какая масса этого раствора брома обесцветится,

20. Смесь бензола с циклогексаном массой 4,39 г обесцвечивает бромную воду массой 125 г с массовой долей брома 3,2%. Определите процентное содержание бензола в смеси.

Пример. В лабораторной установке из 120 л ацетилена (н.у.) получили 60 г бензола. Найдите практический выход бензола.

Решение

Дано: m(C6Н6) = 60 г V(C2Н2) =120 л η(C6H6) – ?

Решение: t, К 3C2H2  C6H6 n(C2H2) = V(C2H2)/ VM = 120 л / 22,4 л/моль = 5,35 моль n(C6H6)теор = 1/3 • n(C2H2) = 1/3 • 5,35 моль = 1,785 моль n(C6H6)практ = m(C6H6)/ M(C6H6) = 60 г / 78 г/моль = 0,77 моль η(C6H6) = (nпракт / nтеор) • 100% = (0,77 / 1,785) • 100% = 43% Ответ: η(C6H6) = 43%

________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________________