Какие из перечисленных свойств соответствуют бензолу
Физические свойства
Бензол и его ближайшие гомологи – бесцветные жидкости
со специфическим запахом. Ароматические углеводороды легче воды и в ней не
растворяются, однако легко растворяются в органических растворителях – спирте,
эфире, ацетоне.
Бензол и его гомологи сами являются хорошими
растворителями для многих органических веществ. Все арены горят коптящим
пламенем ввиду высокого содержания углерода вих молекулах.
Физические свойства некоторых аренов представлены
в таблице.
Таблица.
Физические свойства некоторых аренов
Название | Формула | t°.пл., | t°.кип., |
Бензол | C6H6 | +5,5 | 80,1 |
Толуол | С6Н5СH3 | -95,0 | 110,6 |
Этилбензол | С6Н5С2H5 | -95,0 | 136,2 |
Ксилол | С6Н4(СH3)2 | ||
орто- | -25,18 | 144,41 | |
мета- | -47,87 | 139,10 | |
пара- | 13,26 | 138,35 | |
Пропилбензол | С6Н5(CH2)2CH3 | -99,0 | 159,20 |
Кумол | C6H5CH(CH3)2 | -96,0 | 152,39 |
Стирол | С6Н5CH=СН2 | -30,6 | 145,2 |
Бензол – легкокипящая (tкип = 80,1°С), бесцветная жидкость, не растворяется в воде
Внимание! Бензол – яд, действует на почки, изменяет формулу крови (при
длительном воздействии), может нарушать структуру хромосом.
Большинство ароматических углеводородов опасны для
жизни, токсичны.
Получение
аренов (бензола и его гомологов)
В лаборатории
1. Сплавление солей
бензойной кислоты с твёрдыми щелочами
C6H5-COONa
+ NaOH t → C6H6 + Na2CO3
бензоат натрия
2. Реакция Вюрца-Фиттинга:
(здесь
Г – галоген)
С6H5-Г
+ 2Na + R-Г → C6H5—R + 2NaГ
С6H5-Cl
+ 2Na + CH3-Cl → C6H5-CH3 + 2NaCl
В промышленности
- выделяют
из нефти и угля методом фракционной перегонки, риформингом; - из
каменноугольной смолы и коксового газа
1. Дегидроциклизацией
алканов с числом атомов углерода больше 6:
C6H14 t, kat→ C6H6 + 4H2
2. Тримеризация ацетилена
(только для бензола) – р. Зелинского:
3С2H2 600°C, акт. уголь →
C6H6
3. Дегидрированием
циклогексана и его гомологов:
Советский
академик Николай Дмитриевич Зелинский установил, что бензол образуется из
циклогексана (дегидрирование циклоалканов
C6H12 t,
kat→ C6H6 +
3H2
C6H11-CH3
t, kat→ C6H5-CH3 + 3H2
метилциклогексан толуол
4. Алкилирование бензола
(получение гомологов бензола) – р
Фриделя-Крафтса.
C6H6 +
C2H5-Cl t, AlCl3→ C6H5-C2H5
+ HCl
хлорэтан этилбензол
Химические
свойства аренов
I. РЕАКЦИИ
ОКИСЛЕНИЯ
1. Горение (коптящее пламя):
2C6H6 + 15O2t →
12CO2 + 6H2O + Q
2. Бензол при обычных условиях не обесцвечивает
бромную воду и водный раствор марганцовки
3. Гомологи бензола окисляются перманганатом калия
(обесцвечивают марганцовку):
А) в кислой среде до
бензойной кислоты
При действии на гомологи бензола перманганата калия и
других сильных окислителей боковые цепи окисляются. Какой бы сложной ни была
цепь заместителя, она разрушается, за исключением a -атома углерода, который окисляется в карбоксильную группу.
Гомологи бензола с одной боковой цепью дают бензойную
кислоту:
Гомологи, содержащие две боковые цепи, дают
двухосновные кислоты:
5C6H5-C2H5
+ 12KMnO4 + 18H2SO4 → 5C6H5COOH
+ 5CO2 + 6K2SO4 + 12MnSO4+28H2O
5C6H5-CH3
+ 6KMnO4 + 9H2SO4 → 5C6H5COOH
+ 3K2SO4 + 6MnSO4 +14H2O
Упрощённо:
C6H5-CH3
+ 3O KMnO4 → C6H5COOH
+ H2O
Б) в нейтральной и
слабощелочной до солей бензойной кислоты
C6H5-CH3
+ 2KMnO4 → C6H5COOК + KОН + 2MnO2 + H2O
II. РЕАКЦИИ
ПРИСОЕДИНЕНИЯ (труднее, чем у алкенов)
1. Галогенирование
C6H6 +3Cl2hν → C6H6Cl6(гексахлорциклогексан —
гексахлоран)
2. Гидрирование
C6H6 + 3H2 t,Pt или Ni → C6H12 (циклогексан)
3. Полимеризация
III. РЕАКЦИИ
ЗАМЕЩЕНИЯ – ионный механизм (легче, чем у алканов)
1. Галогенирование —
a) бензола
C6H6 + Cl2 AlCl3→ C6H5-Cl + HCl (хлорбензол)
C6H6
+ 6Cl2 t ,AlCl3→ C6Cl6
+ 6HCl (гексахлорбензол)
C6H6
+ Br2 t,FeCl3→ C6H5-Br + HBr (бромбензол)
б) гомологов бензола при облучении
или нагревании
По химическим свойствам алкильные радикалы подобны
алканам. Атомы водорода в них замещаются на галоген по свободно-радикальному
механизму. Поэтому в отсутствие катализатора при нагревании или УФ-облучении
идет радикальная реакция замещения в боковой цепи. Влияние бензольного кольца
на алкильные заместители приводит к тому, что замещается всегда атом водорода у атома углерода, непосредственно
связанного с бензольным кольцом (a -атома углерода).
1) C6H5-CH3
+ Cl2hν→ C6H5-CH2-Cl +
HCl
2)
в) гомологов бензола в
присутствии катализатора
C6H5-CH3 + Cl2 AlCl3→ (смесь орта, пара производных) + HCl
2. Нитрование (с азотной кислотой)
C6H6
+ HO-NO2 t, H2SO4→ C6H5-NO2 +
H2O
нитробензол — запахминдаля!
C6H5-CH3
+ 3HO-NO2 t, H2SO4→ СH3-C6H2(NO2)3
+ 3H2O
2,4,6-тринитротолуол (тол, тротил)
Применение бензола и его гомологов
Бензол C6H6 – хороший
растворитель. Бензол в качестве добавки улучшает качество моторного топлива.
Служит сырьем для получения многих ароматических органических соединений –
нитробензола C6H5NO2 (растворитель, из него
получают анилин), хлорбензола C6H5Cl, фенола C6H5OH,
стирола и т.д.
Толуол C6H5–CH3 – растворитель,
используется при производстве красителей, лекарственных и взрывчатых веществ
(тротил (тол), или 2,4,6-тринитротолуол ТНТ).
Ксилолы C6H4(CH3)2.
Технический ксилол – смесь трех изомеров (орто-, мета— и пара-ксилолов) –
применяется в качестве растворителя и исходного продукта для синтеза многих
органических соединений.
Изопропилбензол C6H5–CH(CH3)2
служит для получения фенола и ацетона.
Хлорпроизводные
бензола используют для защиты
растений. Так, продукт замещения в бензоле атомов Н атомами хлора –
гексахлорбензол С6Сl6 – фунгицид; его применяют для
сухого протравливания семян пшеницы и ржи против твердой головни. Продукт
присоединения хлора к бензолу – гексахлорциклогексан (гексахлоран) С6Н6Сl6 –
инсектицид; его используют для борьбы с вредными насекомыми. Упомянутые
вещества относятся к пестицидам – химическим средствам борьбы с
микроорганизмами, растениями и животными.
Стирол C6H5 – CH = CH2
очень легко полимеризуется, образуя полистирол, а сополимеризуясь с
бутадиеном – бутадиенстирольные каучуки.
ВИДЕО-ОПЫТЫ
Изучение физических свойств бензола
Горениебензола
Изучениеотношения бензола к бромной воде и раствору перманганата калия
Бромирование бензола
Нитрование бензола
Хлорированиебензола (получение гексахлорана)
Арены (ароматические углеводороды) – это непредельные (ненасыщенные) циклические углеводороды, молекулы которых содержат устойчивые циклические группы атомов (бензольные ядра) с замкнутой системой сопряженных связей.
Общая формула: CnH2n–6при n ≥ 6.
Строение, номенклатура и изомерия ароматических углеводородов
Способы получения ароматических углеводородов
Химические свойства ароматических углеводородов
Арены – непредельные углеводороды, молекулы которых содержат три двойных связи и цикл. Но из-за эффекта сопряжения свойства аренов отличаются от свойств других непредельных углеводородов.
Для ароматических углеводородов характерны реакции:
- присоединения,
- замещения,
- окисления (для гомологов бензола).
Из-за наличия сопряженной π-электронной системы молекулы ароматических углеводородов вступают в реакции присоединения очень тяжело, только в жестких условиях — на свету или при сильном нагревании, как правило, по радикальному механизму
Бензольное кольцо представляет из себя скопление π-электронов, которое притягивает электрофилы. Поэтому для ароматических углеводородов характерны реакции электрофильного замещения атома водорода у бензольного кольца.
Ароматическая система бензола устойчива к действию окислителей. Однако гомологи бензола окисляются под действием перманганата калия и других окислителей.
1. Реакции присоединения
Бензол присоединяет хлор на свету и водород при нагревании в присутствии катализатора.
1.1. Гидрирование
Бензол присоединяет водород при нагревании и под давлением в присутствии металлических катализаторов (Ni, Pt и др.).
При гидрировании бензола образуется циклогексан:
При гидрировании гомологов образуются производные циклоалканы. При нагревании толуола с водородом под давлением и в присутствии катализатора образуется метилциклогексан:
1.2. Хлорирование аренов
Присоединение хлора к бензолу протекает по радикальному механизму при высокой температуре, под действием ультрафиолетового излучения.
При хлорировании бензола на свету образуется 1,2,3,4,5,6-гексахлорциклогексан (гексахлоран).
Гексахлоран – пестицид, использовался для борьбы с вредными насекомыми. В настоящее время использование гексахлорана запрещено.
Гомологи бензола не присоединяют хлор. Если гомолог бензола реагирует с хлором или бромом на свету или при высокой температуре (300°C), то происходит замещение атомов водорода в боковом алкильном заместителе, а не в ароматическом кольце.
Например, при хлорировании толуола на свету образуется бензилхлорид
Если у гомолога бензола боковая цепь содержит несколько атомов углерода – замещение происходит у атома, ближайшему к бензольному кольцу («альфа-положение»).
Например, этилбензол реагирует с хлором на свету
2. Реакции замещения
Реакции замещения у ароматических углеводородов протекают по ионному механизму (электрофильное замещение). При этом атом водорода замещается на другую группу (галоген, нитро, алкил и др.).
2.1. Галогенирование
Бензол и его гомологи вступают в реакции замещения с галогенами (хлор, бром) в присутствии катализаторов (AlCl3, FeBr3).
При взаимодействии с хлором на катализаторе AlCl3 образуется хлорбензол:
Ароматические углеводороды взаимодействуют с бромом при нагревании и в присутствии катализатора – FeBr3 . Также в качестве катализатора можно использовать металлическое железо.
Бром реагирует с железом с образованием бромида железа (III), который катализирует процесс бромирования бензола:
На нём возникает избыток электронной плотности, который далее передается на бензольное кольцо.
Поэтому гомологи бензола легче вступают в реакции замещения в бензольном кольце. При этом гомологи бензола вступают в реакции замещения преимущественно в орто— и пара-положения
Например, при взаимодействии толуола с хлором образуется смесь продуктов, которая преимущественно состоит из орто-хлортолуола и пара-хлортолуола
Мета-хлортолуол образуется в незначительном количестве.
При взаимодействии гомологов бензола с галогенами на свету или при высокой температуре (300оС) происходит замещение водорода не в бензольном кольце, а в боковом углеводородном радикале.
Если у гомолога бензола боковая цепь содержит несколько атомов углерода – замещение происходит у атома, ближайшему к бензольному кольцу («альфа-положение»).
Например, при хлорировании этилбензола:
2.2. Нитрование
Бензол реагирует с концентрированной азотной кислотой в присутствии концентрированной серной кислоты (нитрующая смесь).
При этом образуется нитробензол:
Серная кислота способствует образованию электрофила NO2+:
Толуол реагирует с концентрированной азотной кислотой в присутствии концентрированной серной кислоты.
В продуктах реакции мы указываем либо о-нитротолуол:
либо п-нитротолуол:
Нитрование толуола может протекать и с замещением трех атомов водорода. При этом образуется 2,4,6-тринитротолуол (тротил, тол):
2.3. Алкилирование ароматических углеводородов
- Арены взаимодействуют с галогеналканами в присутствии катализаторов (AlCl3, FeBr3 и др.) с образованием гомологов бензола.
Например, бензол реагирует с хлорэтаном с образованием этилбензола
- Ароматические углеводороды взаимодействуют с алкенами в присутствии хлорида алюминия, бромида железа (III), фосфорной кислоты и др.
Например, бензол реагирует с этиленом с образованием этилбензола
Например, бензол реагирует с пропиленом с образованием изопропилбензола (кумола)
- Алкилирование спиртами протекает в присутствии концентрированной серной кислоты.
Например, бензол реагирует с этанолом с образованием этилбензола и воды
2.4. Сульфирование ароматических углеводородов
Бензол реагирует при нагревании с концентрированной серной кислотой или раствором SO3 в серной кислоте (олеум) с образованием бензолсульфокислоты:
3. Окисление аренов
Бензол устойчив к действию даже сильных окислителей. Но гомологи бензола окисляются под действием сильных окислителей. Бензол и его гомологи горят.
3.1. Полное окисление – горение
При горении бензола и его гомологов образуются углекислый газ и вода. Реакция горения аренов сопровождается выделением большого количества теплоты.
2C6H6 + 15O2 → 12CO2 + 6H2O + Q
Уравнение сгорания аренов в общем виде:
CnH2n–6 + (3n – 3)/2 O2 → nCO2 + (n – 3)H2O + Q
При горении ароматических углеводородов в недостатке кислорода может образоваться угарный газ СО или сажа С.
Бензол и его гомологи горят на воздухе коптящим пламенем. Бензол и его гомологи образуют с воздухом и кислородом взрывоопасные смеси.
3.2. Окисление гомологов бензола
Гомологи бензола легко окисляются перманганатом и дихроматом калия в кислой или нейтральной среде при нагревании.
При этом происходит окисление всех связей у атома углерода, соседнего с бензольным кольцом, кроме связи этого атома углерода с бензольным кольцом.
Толуол окисляется перманганатом калия в серной кислоте с образованием бензойной кислоты:
Если окисление толуола идёт в нейтральном растворе при нагревании, то образуется соль бензойной кислоты – бензоат калия:
Таким образом, толуол обесцвечивает подкисленный раствор перманганата калия при нагревании.
При окислении других гомологов бензола всегда остаётся только один атом С в виде карбоксильной группы (одной или нескольких, если заместителей несколько), а все остальные атомы углерода радикала окисляются до углекислого газа или карбоновой кислоты.
Например, при окислении этилбензола перманганатом калия в серной кислоте образуются бензойная кислота и углекислый газ
Например, при окислении этилбензола перманганатом калия в нейтральной кислоте образуются соль бензойной кислоты и карбонат
Более длинные радикалы окисляются до бензойной кислоты и карбоновой кислоты:
При окислении пропилбензола образуются бензойная и уксусная кислоты:
Изопропилбензол окисляется перманганатом калия в кислой среде до бензойной кислоты и углекислого газа:
4. Ориентирующее действие заместителей в бензольном кольце
Если в бензольном кольце имеются заместители, не только алкильные, но и содержащие другие атомы (гидроксил, аминогруппа, нитрогруппа и т.п.), то реакции замещения атомов водорода в ароматической системе протекают строго определенным образом, в соответствии с характером влияния заместителя на ароматическую π-систему.
Заместители подразделяют на две группы в зависимости от их влияния на электронную плотность ароматической системы: электронодонорные (первого рода) и электроноакцепторные (второго рода).
Типы заместителей в бензольном кольце
| Заместители первого рода | Заместители второго рода |
| Дальнейшее замещение происходит преимущественно в орто— и пара-положение | Дальнейшее замещение происходит преимущественно в мета-положение |
| Электронодонорные, повышают электронную плотность в бензольном кольце | Электроноакцепторные, снижают электронную плотность в сопряженной системе. |
|
|
Например, толуол реагирует с хлором в присутствии катализатора с образованием смеси продуктов, в которой преимущественно содержатся орто-хлортолуол и пара-хлортолуол. Метильный радикал — заместитель первого рода.
В уравнении реакции в качестве продукта записывается либо орто-толуол, либо пара-толуол.
Например, при бромировании нитробензола в присутствии катализатора преимущественно образуется мета-хлортолуол. Нитро-группа — заместитель второго рода
5. Особенности свойств стирола
Стирол (винилбензол, фенилэтилен) – это производное бензола, которое имеет в своем составе двойную связь в боковом заместителе.
Общая формула гомологического ряда стирола: CnH2n-8.
Молекула стирола содержит заместитель с кратной связью у бензольного кольца, поэтому стирол проявляет все свойства, характерные для алкенов – вступает в реакции присоединения, окисления, полимеризации.
Стирол присоединяет водород, кислород, галогены, галогеноводороды и воду в соответствии с правилом Марковникова.
Например, при гидратации стирола образуется спирт:
Стирол присоединяет бром при обычных условиях, то есть обесцвечивает бромную воду
При полимеризации стирола образуется полистирол:
Как и алкены, стирол окисляется водным раствором перманганата калия при обычных условиях. Обесцвечивание водного раствора перманганата калия — качественная реакция на стирол:
При жестком окислении стирола перманганатом калия в кислой среде (серная кислота) разрывается двойная связь и образуется бензойная кислота и углекислый газ:
При окислении стирола перманганатом калия в нейтральной среде при нагревании также разрывается двойная связь и образуется соль бензойной кислоты и карбонат:
Арены (ароматические углеводороды) – это непредельные (ненасыщенные) циклические углеводороды, молекулы которых содержат устойчивые циклические группы атомов (бензольные ядра) с замкнутой системой сопряженных связей.
Общая формула: CnH2n–6при n ≥ 6.
Строение, номенклатура и изомерия ароматических углеводородов
Способы получения ароматических углеводородов
Химические свойства ароматических углеводородов
Рассмотрим подробно строение молекулы бензола. В ней присутствуют три двойные связи С=С, три одинарные связи С–C и шесть одинарных связей С–Н.
Структурная формула бензола:
Сокращенная структурная формула бензола:
Каждый из шести атомов углерода в молекуле бензола находится в состоянии sp2-гибридизации.
Каждый атом углерода в молекуле бензола связан с двумя соседними атомами углерода и атомом водорода тремя σ-связями. Валентные углы равны 1200:
Атомы углерода и водорода в молекуле бензола, соединенные σ-связями, образуют правильный шестиугольник, в котором все атомы углерода и все σ-связи С–С и С–Н лежат в одной плоскости.
Негибридные р-орбитали атомов углерода образуют единую циклическую (ароматическую) π-систему – единое электронное облако над и под плоскостью кольца.
Соответственно, на самом деле все связи между атомами углерода в молекуле бензола одинаковой длины (0,140 нм), что соответствует промежуточному значению между одинарной и двойной (полуторная связь).
Соответственно, в молекуле бензола между углеродными атомами нет обычных одинарных и двойных связей, а все они выравнены (делокализованы).
Поэтому структурную формулу бензола изображают в виде правильного шестиугольника и кружка внутри него, который обозначает делокализованные π-связи:
Простейший представитель гомологического ряда аренов — бензол: