БЕНЗОЛ: ІСТОРІЯ, СТРУКТУРА, ВЛАСТИВОСТІ, ПОХІДНІ, ВИКОРИСТАННЯ - ХІМІЯ - 2025

Бензол являє собою органічне з'єднання , що складається з одного з найбільш простих з усіх ароматичних вуглеводнів. Його хімічна формула - C ₆ H ₆ , з яких відомо, що співвідношення між вуглецем і воднем дорівнює 1; це означає, що для кожного вуглецю є зв'язаний з ним водень.

Хоча фізичний вигляд має безбарвну рідину, вона природно міститься в нафті та нафтопродуктах. Його запах дуже характерний, оскільки нагадує суміш клею, бітуму та бензину; з іншого боку, це летюча і легкозаймиста рідина.

Пляшка з бензолом. Джерело: Air1404

На зображенні вище зображено ємність або пляшка з бензолом, імовірно, не аналітичної чистоти. Якщо їх не виявити, пари бензолу негайно поширюватимуться по всій лабораторії. З цієї причини ця рідина, яка зазвичай використовується як простий розчинник, обробляється всередині витяжки.

Хіміки XIX століття, будучи його формулою C ₆ H ₆ , підняли численні можливі структури, які відповідали б вказаному співвідношенню C / H, рівному 1. Не тільки це, але молекула бензолу повинна була мати спеціальні зв'язки таким чином, щоб це можна було пояснити його незвичайна стійкість проти реакцій приєднання; характерні для алкенів і полієнів.

Таким чином, їх зв'язки представляли загадку для хіміків того часу; до тих пір, поки не була введена властивість під назвою ароматичність. До того, як розглядати гексациклотріен (з трьома С = С зв’язками), бензол набагато більше, ніж це, і є ще одним із багатьох прикладів синергії в хімії.

В органічній хімії бензол є класичним символом, структурною основою для багатьох поліароматичних сполук. З його шестикутника отримують нескінченні похідні за допомогою ароматичної електрофільної заміни; кільце, з країв якого виткана структура, яка визначає нові сполуки.

Насправді його похідні зумовлені величезним промисловим використанням, для якого їм потрібен бензол як сировина. Від приготування клеїв та текстильних волокон, до пластмас, каучуків, пігментів, наркотиків та вибухових речовин. З іншого боку, бензол природним чином міститься у вулканах, диких пожежах, бензині та сигаретному димі.

Історія

Відкриття та назви

Його відкриття припадає на 1825 рік, як правило, приписують Майклу Фарадею, коли він збирав і робив експерименти з залишком нафтопродукту газу, що використовується для освітлення. Ця рідина містила співвідношення C / H, близьке до 1, і тому він назвав це "водень з карбюратором".

Хімік Огюст Лоран назвав дивний вуглеводень «фено», що походить від грецького слова «фаїнеїн», що означає яскравий (тому що він був отриманий після спалювання газу). Однак ця назва науковою спільнотою не була прийнята і переважала лише як "феніл", щоб позначати радикал, що походить від бензолу.

Із бензоїнової камеді хіміку Ейларду Мітчерліху через дев'ять років вдалося отримати ту саму сполуку; Тому було ще одне джерело для того ж вуглеводню, яке він охрестив як «бензин». Однак вони також не вважали відповідною назвою припускати, що це алкалоїд, такий як хінін.

Таким чином, вони замінили назву "бензин" на "бензол". Однак знову виникли суперечності та розбіжності через те, що термін «бензол» плутав вуглеводень у спирті. Саме тоді народилася назва «бензол», вперше використовується у Франції та Англії.

Промислове виробництво

Ні освітлювальний газ, ні бензоїнова камедь не були належними джерелами для генерації бензолу у великих масштабах. Чарльзу Менсфілду, працюючи з Августом Вільгельмом фон Гофманом, вдалося в 1845 р. Виділити бензол (через двадцять років після його відкриття) з вугільного дьогтю, побічного продукту виробництва коксу.

Так розпочалося промислове виробництво бензолу з вугільного дьогтю. Наявність бензолу в масових кількостях полегшило вивчення його хімічних властивостей і дозволило пов'язати його з іншими сполуками з подібною реакційною здатністю. Август Вільгельм фон Хофманн сам створив слово "ароматичний" для бензолу та пов'язаних з ним сполук.

Історичні структури

Сон Августа Кекуле

Фрідріху Августу Кекуле приписують шестикутну та циклічну структуру бензолу близько 1865 року, що виникає із дивного сну з Уроборосом, змією, що кусає власний хвіст, малюючи коло. Таким чином, він вважав, що бензол може розглядатися як гексагональне кільце, а інші хіміки піднімають можливі структури, які показані нижче:

Структури для бензольного кільця пропонували впродовж історії. Джерело: Jü

Деякі вищі структури можуть пояснювати стабільність бензолу.

Книга, каблучка та призма

Зауважимо, що третя структура - це навіть не кільце, а трикутна призма, запропонована Альбертом Ладенбургом у 1869 році; ліворуч - одна у формі відкритої книги, запропонована сером Джеймсом Деваром у 1867 році; а праворуч - один із усіма водородами, спрямованими до центру кільця, запропонованими Генрі Едвардом Армстронгом у 1887 році.

Перша структура, запропонована Адольфом Карлом Людвігом Клаусом у 1867 році, також є досить своєрідною, оскільки зв'язки ЦК перехрещені. І останнє - «змійний» кільце Кекуле, про яке мріяли у 1865 році.

Яким був "переможець"? П'ята структура (зліва направо), запропонована в 1899 році Йоханнесом Тіле.

У цьому дослідженні вперше було розглянуто резонансний гібрид, який поєднав дві структури Кекуле (поверніть перше кільце праворуч, щоб спостерігати за ним) і надзвичайно пояснив делокалізацію електронів, а разом з цим і незвичну стабільність бензол.

Структура бензолу

Ароматичне бензольне кільце. Джерело: Benjah-bmm27

Вище наведена структура, запропонована Тілем, використовуючи модель сфер і брусків.

Молекула бензолу плоска, атоми водню спрямовані назовні з боків кільця. Усі атоми вуглецю мають гібридизацію sp ² з наявною р-орбіталлю для створення ароматичної системи, в якій шість електронів ділокалізуються.

Ці вуглецю sp ² є більш електронегативними, ніж гідрогени, і тому перші виводять електронну щільність до другої (C _sp2 ^δ- -H ^{δ +} ). Отже, центр кільця має більш високу концентрацію електронів, ніж його сторони.

Точніше, ароматична система може бути представлена ​​у вигляді хмари або електронного майданчика, розширеного по обидва боки гексагонального кільця; а в середині, з боків або країв, електронний дефіцит, що складається з водню з позитивним частковим зарядом.

Завдяки такому розподілу електричних зарядів молекули бензолу можуть взаємодіяти між собою за допомогою диполь-дипольних сил; H ^{δ +} атоми притягуються до ароматичного центру сусіднього кільця (це буде представлено нижче).

Також ароматичні центри можуть бути укладені один над одним для сприяння індукції миттєвих диполей.

Резонанс

Структури та резонансний гібрид бензолу. Джерело: Edgar181 з Вікіпедії.

Дві структури Кекуле зображені вгорі зображення, а під ними - резонансний гібрид. Оскільки обидві структури виникають знову і знову одночасно, гібрид представлений колом, намальованим посередині (подібним до «шестикутного пончика»).

Гібридне коло є важливим, оскільки воно вказує на ароматичний характер бензолу (і багатьох інших сполук). Крім того, він вказує, що зв'язки не такі довгі, як CC, і вони не короткі, ніж C = C; швидше, їх довжина знаходиться між обома крайнощами. Таким чином, бензол не вважається поліеном.

Вищезазначене було продемонстровано за допомогою вимірювання довжин зв'язків СС (139 пм) бензолу, які є трохи більш витягнутими, ніж зв'язки СН (109 пм).

Кристали

Орторомбічна кристалічна структура бензолу. Джерело: Ben Mills

Бензол - це рідина кімнатної температури. Її міжмолекулярні сили означають, що, не маючи такого вираженого дипольного моменту, він може утримувати свої молекули разом у рідині, яка кипить при 80ºС. Коли температура опускається нижче 5 ° C, бензол починає замерзати: і таким чином отримуються відповідні йому кристали.

Бензольні кільця можуть приймати визначені структурні структури в їх твердому тілі. Їх диполі призводять до того, що вони «нахиляються» вліво або вправо, утворюючи ряди, здатні відтворюватися орторомбічною осередком одиниці. Таким чином, кристали бензолу є орторомбічними.

Зверніть увагу на верхньому зображенні, що нахил кілець сприяє взаємодії між H ^{δ +} та ароматичними центрами, про які було сказано у попередніх підрозділах.

Властивості

Молекулярна маса

78.114 г / моль.

Зовнішність

Безбарвна рідина з бензиновим запахом.

Точка кипіння

80 ° С.

Точка плавлення

5,5 ° C.

точка займання

-11ºC (закрита чашка).

Температура автоматичного займання

497,78 ° C.

Щільність

0,8765 г / мл при 20 ° С.

Розчинність

В одному літрі окропу ледь можна розчинити 3,94 г бензолу. Його неполярний характер робить його практично не змішуваним з водою. Однак його можна змішувати з іншими розчинниками, такими як етанол, ефіри, ацетон, олія, хлороформ, чотирихлористий вуглець тощо.

Щільність пари

2,8 щодо повітря (тобто майже втричі щільніший).

Тиск пари

94,8 мм рт.ст. при 25 ° С.

Теплота горіння

-3267,6 кДж / моль (для рідкого бензолу).

Тепло випаровування

33,83 кДж / моль.

Поверхневе натягнення

28,22 мН / м при 25 ° С.

Показник заломлення

1,5011 при 20 ° С.

Похідні

Водневі бензолу можна замінити іншими групами або атомами. Можлива одна або кілька замін, збільшуючи ступінь заміщення, поки не залишиться жоден з початкових шести водню.

Наприклад, припустимо бензол як Ph-H, де Н - будь-який із шести водню. Пам’ятаючи, що центр кільця має більшу електронну щільність, він притягує електрофілів, які атакують кільце, щоб замінити Н у реакції, званій електрофільною ароматичною заміною (SEAr).

Якщо цю Н замінити на ОН, у нас буде Ph-OH, фенол; заміщений СН ₃ , Ph-CH ₃ , толуолом; якщо це NH ₂ , Ph-NH ₂ , анілін; або якщо це CH ₂ CH ₃ , Ph-CH ₂ CH ₃ , етилбензол.

Похідні можуть бути такими ж або більш токсичними, ніж бензол, або навпаки, вони можуть стати настільки складними, що надають бажаний фармакологічний ефект.

Програми

Це хороший розчинник для найрізноманітніших сполук, наприклад, у фарбах, лаках, клеях та покриттях.

Так само він може розчиняти олії, жири або воски, саме тому його використовували як екстрагуючий розчинник для есенцій. Ця властивість стала використовуватись Людвігом Розеліусом у 1903 р. Для безкофеїнової кави - операції, яка вже не використовується через токсичність бензолу. Так само його використовували в минулому для знежирення металів.

В одному зі своїх класичних застосувань він виступає не як розчинник, а як добавка: збільшуючи октанове число бензину, замінюючи для цього свинцю.

Похідні бензолу можуть мати різне використання; деякі служать пестицидами, мастилами, миючими засобами, пластмасою, вибуховими речовинами, парфумами, барвниками, клеями, наркотиками тощо. Якщо в його структурі спостерігається бензольне кільце, цілком ймовірно, що його синтез почався з бензолу.

Серед його найважливіших похідних є: кумен, ксилол, анілін, фенол (для синтезу фенольних смол), бензойна кислота (консервант), циклогексан (для синтезу нейлону), нітробензол, резорцинол та етилбензол.

Номенклатура

Номенклатура похідних бензолу змінюється залежно від ступеня заміщення, того, що є групами замісників, та їх відносного положення. Таким чином, бензол може зазнавати заміщення моно, ді, три, тетра тощо

Коли дві групи приєднані до суміжних вуглеців, використовується позначення «орто»; якщо між їх розділенням є вуглець, 'мета'; а якщо вуглець знаходиться в протилежних положеннях, 'пара'.

На малюнках нижче представлені приклади похідних бензолу з відповідними назвами, якими керується IUPAC. Вони також супроводжуються загальними або традиційними назвами.

Монодеривати бензолу. Джерело: Габріель Болівар.

Інші похідні бензолу. Джерело: Габріель Болівар.

Зауважте, що у тризаміщеному бензолі орто, пара та метапоказники вже не корисні.

Токсичність

Бензол - це сполука, з якою слід поводитися обережно. Зважаючи на його особливий запах, негайними негативними наслідками можуть бути задуха, запаморочення, головні болі, тремор, сонливість, нудота і навіть смерть (при сильному впливі). Якщо приймати всередину, крім вищезгаданого, це може викликати сильний біль у шлунку та судоми.

Крім того, довготривалі ефекти при постійному впливі цієї рідини є канцерогенними; збільшує шанси на те, що індивід буде страждати від якогось типу раку, особливо раку крові: лейкемії.

У крові він може знижувати концентрацію еритроцитів, викликаючи анемію, а також впливати на кістковий мозок та печінку, де організм засвоюється для отримання ще більш токсичних похідних бензолу; наприклад, гідроксихінон. Він також накопичується в нирках, серці, легенях, мозку.

Список літератури

1. Моррісон, RT та Бойд, Р.Н. (1987). Органічна хімія. (5-е видання). Аддісон-Уеслі Ібероамерикана.
2. Кері, ФА (2008). Органічна хімія. (6-е видання). McGraw-Hill, Interamerica, Editores SA
3. Грем Соломон TW, Крейг Б. Фріхле. (2011 р.). Органічна хімія. Аміни. (10-е видання.). Wiley Plus.
4. Національний центр інформації про біотехнології. (2019). Бензол. PubChem База даних. CID = 241, відновлено з: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov
5. Вікіпедія. (2019). Бензол. Відновлено з: en.wikipedia.org
6. Гарсія Нісса. (2019). Що таке бензол? - Використання, структура та формула. Вивчення. Відновлено з: study.com
7. Центри контролю та профілактики захворювань. (4 квітня 2018 р.). Факти про бензол. Відновлено з: Emergency.cdc.gov
8. Всесвітня організація охорони здоров'я. (2010). Вплив бензолу: головне питання охорони здоров'я. . Відновлено з: who.int
9. Феррандес Герман. (sf). Проблеми номенклатури бензолу. Органічна хімія. Відновлено з сайту: quimicaorganica.org