Фізичні та хімічні властивості бензолу. Фізичні та хімічні властивості бензолу Бензол cl2 світло

Фізичні властивості

Бензол та його найближчі гомологи – безбарвні рідини зі специфічним запахом. Ароматичні вуглеводні легші за воду і в ній не розчиняються, проте легко розчиняються в органічних розчинниках – спирті, ефірі, ацетоні.

Бензол та його гомологи самі є добрими розчинниками для багатьох органічних речовин. Всі арени горять коптючим полум'ям через високий вміст вуглецю в їх молекулах.

Фізичні властивості деяких аренів представлені у таблиці.

Таблиця. Фізичні властивості деяких аренів

Назва	Формула	t°.пл., °C	t°.кип., °C
Бензол	C 6 H 6	5,5	80,1
Толуол (метилбензол)	З 6 Н 5 СH 3	95,0	110,6
Етилбензол	З 6 Н 5 З 2 H 5	95,0	136,2
Ксилол (диметилбензол)	З 6 Н 4 (СH 3) 2
орто-		25,18	144,41
мета-		47,87	139,10
пара-		13,26	138,35
Пропілбензол	З 6 Н 5 (CH 2) 2 CH 3	99,0	159,20
Кумол (ізопропілбензол)	C 6 H 5 CH(CH 3) 2	96,0	152,39
Стирол (вінілбензол)	З 6 Н 5 CH=СН 2	30,6	145,2

Бензол - легкокипляча ( tстос= 80,1°С), безбарвна рідина, що не розчиняється у воді

Увага! Бензол – отрута, діє нирки, змінює формулу крові (при тривалому впливі), може порушувати структуру хромосом.

Більшість ароматичних вуглеводнів небезпечні для життя, токсичні.

Одержання аренів (бензолу та його гомологів)

В лабораторії

1. Сплавлення солей бензойної кислоти із твердими лугами

C 6 H 5 -COONa + NaOH t → C 6 H 6 + Na 2 CO 3

бензоат натрію

2. Реакція Вюрца-Фіттінга: (тут Г - галоген)

З 6H 5 -Г+2Na + R-Г →C 6 H 5 - R + 2 NaГ

З 6 H 5 -Cl + 2Na + CH 3 -Cl → C 6 H 5 -CH 3 + 2NaCl

У промисловості

• виділяють з нафти та вугілля методом фракційної перегонки, риформінгом;
• з кам'яновугільної смоли та коксового газу

1. Дегідроциклізацією алканівз числом атомів вуглецю більше 6:

C 6 H 14 t , kat→C 6 H 6 + 4H 2

2. Тримеризація ацетилену(тільки для бензолу) – нар. Зелінського:

3С 2 H 2 600°C, Акт. вугілля→C 6 H 6

3. Дегідруваннямциклогексану та його гомологів:

Радянський академік Микола Дмитрович Зелінський встановив, що бензол утворюється із циклогексану (дегідрування циклоалканів

C 6 H 12 t, kat→C 6 H 6 + 3H 2

C 6 H 11 -CH 3 t , kat→C 6 H 5 -CH 3 + 3H 2

метилциклогексантолуол

4. Алкілювання бензолу(Отримання гомологів бензолу) – р Фріделя-Крафтса.

C 6 H 6 + C 2 H 5 -Cl t, AlCl3→C 6 H 5 -C 2 H 5 + HCl

хлоретан етилбензол

Хімічні властивості аренів

I. РЕАКЦІЇ ОКИСЛЕННЯ

1. Горіння (копче полум'я):

2C 6 H 6 + 15O 2 t→12CO 2 + 6H 2 O + Q

2. Бензол за звичайних умов не знебарвлює бромну воду та водний розчинмарганцівки

3. Гомологи бензолу окислюються перманганатом калію (знебарвлюють марганцівку):

а) в кислому середовищідо бензойної кислоти

При впливі на гомологи бензолу перманганату калію та інших сильних окислювачів бічні ланцюги окислюються. Яким би складним не був ланцюг заступника, він руйнується, за винятком a-атома вуглецю, який окислюється в карбоксильну групу.

Гомологи бензолу з одним боковим ланцюгом дають бензойну кислоту:

Гомологи, що містять два бічні ланцюги, дають двоосновні кислоти:

5C 6 H 5 -C 2 H 5 + 12KMnO 4 + 18H 2 SO 4 → 5C 6 H 5 COOH + 5CO 2 + 6K 2 SO 4 + 12MnSO 4 +28H 2 O

5C 6 H 5 -CH 3 + 6KMnO 4 + 9H 2 SO 4 → 5C 6 H 5 COOH + 3K 2 SO 4 + 6MnSO 4 +14H 2 O

Спрощено :

C 6 H 5 -CH 3 + 3O KMnO4→C 6 H 5 COOH + H 2 O

Б) у нейтральній та слаболужній до солей бензойної кислоти

C 6 H 5 -CH 3 + 2KMnO 4 → C 6 H 5 COOК + K ВІН + 2MnO 2 + H 2 O

II. РЕАКЦІЇ ПРИЄДНАННЯ (важче, ніж у алкенів)

1. Галогенування

C 6 H 6 +3Cl 2 h ν → C 6 H 6 Cl 6 (гексахлорциклогексан – гексахлоран)

2. Гідрування

C 6 H 6 + 3H 2 t , PtабоNi→C 6 H 12 (циклогексан)

3. Полімеризація

III. РЕАКЦІЇ ЗАМІЩЕННЯ - Іонний механізм (легше, ніж у алканів)

1. Галогенування -

a ) бензолу

C 6 H 6 + Cl 2 AlCl 3 → C 6 H 5 -Cl + HCl (хлорбензол)

C 6 H 6 + 6Cl 2 t ,AlCl3→C 6 Cl 6 + 6HCl( гексахлорбензол)

C 6 H 6 + Br 2 t,FeCl3→ C 6 H 5 -Br + HBr( бромбензол)

б) гомологів бензолу при опроміненні або нагріванні

За хімічними властивостями алкільні радикали подібні до алканів. Атоми водню у яких заміщаються на галоген по свободно-радикальному механізму. Тому відсутність каталізатора при нагріванні або УФ-опроміненні йде радикальна реакція заміщення в бічному ланцюгу. Вплив бензольного кільця на алкільні заступники призводить до того, що завжди заміщається атом водню у атома вуглецю, безпосередньо пов'язаного з бензольним кільцем (a -атома вуглецю).

1) C 6 H 5 -CH 3 + Cl 2 h ν → C 6 H 5 -CH 2 -Cl + HCl

в) гомологів бензолу у присутності каталізатора

C 6 H 5 -CH 3 + Cl 2 AlCl 3 → (суміш орту, пара похідних) +HCl

2. Нітрування (з азотною кислотою)

C 6 H 6 + HO-NO 2 t, H2SO4→C 6 H 5 -NO 2 + H 2 O

нітробензол - запах мигдалю!

C 6 H 5 -CH 3 + 3HO-NO 2 t, H2SO4→ З H 3 -C 6 H 2 (NO 2) 3 + 3H 2 O

2,4,6-тринітротолуол (тол, тротил)

Застосування бензолу та його гомологів

Бензол C 6 H 6 – добрий розчинник. Бензол як добавка покращує якість моторного палива. Служить сировиною для отримання багатьох ароматичних органічних сполук - нітробензолу C 6 H 5 NO 2 (розчинник, з нього одержують анілін), хлорбензолу C 6 H 5 Cl, фенолу C 6 H 5 OH, стиролу і т.д.

Толуол C 6 H 5 -CH 3 - розчинник, використовується при виробництві барвників, лікарських та вибухових речовин (тротил (тол), або 2,4,6-тринітротолуол ТНТ).

Ксилоли C 6 H 4 (CH 3) 2 . Технічний ксилол – суміш трьох ізомерів ( орто-, мета- І пара-ксилолів) – застосовується як розчинник і вихідний продукт для синтезу багатьох органічних сполук.

Ізопропілбензол C 6 H 5 -CH(CH 3) 2 служить для отримання фенолу та ацетону.

Хлорпохідні бензолувикористовують для захисту рослин. Так, продукт заміщення в бензол атомів Н атомами хлору - гексахлорбензол С 6 Сl 6 - фунгіцид; його застосовують для сухого протруювання насіння пшениці та жита проти твердої сажки. Продукт приєднання хлору до бензолу – гексахлорциклогексан (гексахлоран) С6Н6Сl6 – інсектицид; його використовують для боротьби зі шкідливими комахами. Згадані речовини відносяться до пестицидів – хімічних засобів боротьби з мікроорганізмами, рослинами та тваринами.

Стирол C 6 H 5 – CH = CH 2 дуже легко полімеризується, утворюючи полістирол, а співполімеризуючись з бутадієном – бутадієнстирольні каучуки.

ВІДЕО-ДОСВІТИ

ВИЗНАЧЕННЯ

Бензол(циклогексатрієн – 1,3,5) – органічна речовина, Найпростіший представник ряду ароматичних вуглеводнів.

Формула - С 6 Н 6 ( структурна формула- Рис. 1). Молекулярна вага – 78, 11.

Рис. 1. Структурні та просторові формули бензолу.

Всі шість атомів вуглецю в молекулі бензолу знаходяться у sp 2 гібридному стані. Кожен атом вуглецю утворює 3σ-зв'язку з двома іншими атомами вуглецю та одним атомом водню, що лежать в одній площині. Шість атомів вуглецю утворюють правильний шестикутник (?-скелет молекули бензолу). Кожен атом вуглецю має одну негібридизовану р-орбіталь, на якій знаходиться один електрон. Шість р-електронів утворюють єдину π-електронну хмару (ароматичну систему), яку зображають кружечком усередині шестичленного циклу. Вуглеводневий радикал, отриманий від бензолу носить назву C 6 H 5 - феніл (Ph-).

Хімічні властивості бензолу

Для бензолу характерні реакції заміщення, що протікають по електрофільному механізму:

— галогенування (бензол взаємодіє з хлором та бромом у присутності каталізаторів – безводних AlCl 3 , FeCl 3 , AlBr 3)

C 6 H 6 + Cl 2 = C 6 H 5 -Cl + HCl;

- нітрування (бензол легко реагує з нітруючої сумішшю - суміш концентрованих азотної та сірчаної кислот)

- Алкілювання алкенами

C 6 H 6 + CH 2 = CH-CH 3 → C 6 H 5 -CH(CH 3) 2;

Реакції приєднання до бензолу призводять до руйнування ароматичної системи та протікають лише за жорстких умов:

- гідрування (реакція протікає при нагріванні, каталізатор - Pt)

- приєднання хлору (протікає під дією УФ-випромінювання з утворенням твердого продукту – гексахлорциклогексану (гексахлорану) – C 6 H 6 Cl 6)

Як і будь-яке органічне з'єднаннябензол вступає в реакцію горіння з утворенням як продукт реакції Вуглекислий газі води (горить полум'ям, що коптить):

2C 6 H 6 +15O 2 → 12CO 2 + 6H 2 O.

Фізичні властивості бензолу

Бензол – рідина без кольору, але має специфічний різкий запах. Утворює з водою азеотропну суміш, добре змішується з ефірами, бензином та різними органічними розчинниками. Температура кипіння – 80,1С, плавлення – 5,5С. Токсичний, канцероген (тобто сприяє розвитку онкологічних захворювань).

Одержання та застосування бензолу

Основні способи одержання бензолу:

— дегідроциклізація гексану (каталізатори – Pt, Cr 3 O 2)

CH 3 -(CH 2) 4 -CH 3 → З 6 Н 6 + 4H 2;

- дегідрування циклогексану (реакція протікає при нагріванні, каталізатор - Pt)

З 6 Н 12 → З 6 Н 6 + 4H 2;

- Тримеризація ацетилену (реакція протікає при нагріванні до 600С, каталізатор - активоване вугілля)

3HC≡CH → C 6 H 6 .

Бензол служить сировиною для виробництва гомологів (етилбензолу, кумолу), циклогексану, нітробензолу, хлорбензолу та інших речовин. Раніше бензол використовували як присадку до бензину для підвищення його октанового числа, однак зараз у зв'язку з його високою токсичністю вміст бензолу в паливі строго нормується. Іноді бензол використовують як розчинник.

Приклади розв'язання задач

ПРИКЛАД 1

Завдання

Запишіть рівняння, за допомогою яких можна здійснити такі перетворення: CH 4 → C 2 H 2 → C 6 H 6 → C 6 H 5 Cl.

Рішення

Для отримання ацетилену з метану використовують наступну реакцію: 2CH 4 → C 2 H 2 + 3Н 2 (t = 1400C). Одержання бензолу з ацетилену можливе за реакцією тримеризації ацетилену, що протікає при нагріванні (t = 600C) та у присутності активованого вугілля: 3C 2 H 2 → C 6 H 6 . Реакція хлорування бензолу з отриманням продукту хлорбензолу здійснюється в присутності хлориду заліза (III): C 6 H 6 + Cl 2 → C 6 H 5 Cl + HCl.

ПРИКЛАД 2

Завдання	До 39 г бензолу у присутності хлориду заліза (III) додали 1 моль бромної води. Яка кількість речовини та скільки грамів яких продуктів при цьому вийшло?
Рішення	Запишемо рівняння реакції бромування бензолу у присутності хлориду заліза (III): C 6 H 6 + Br 2 → C 6 H 5 Br + HBr. Продуктами реакції є бромбензол та бромоводень. Молярна масабензолу, розрахована з використанням таблиці хімічних елементівД.І. Менделєєва – 78 г/моль. Знайдемо кількість речовини бензолу: n(C 6 H 6) = m(C 6 H 6) / M(C 6 H 6); n(C 6 H 6) = 39/78 = 0,5 моль. За умовою завдання бензол вступив у реакцію з 1 моль брому. Отже, бензол перебуває в нестачі і подальші розрахунки будемо робити за бензолом. Відповідно до рівняння реакції n(C 6 H 6): n(C 6 H 5 Br) : n(HBr) = 1:1:1, отже n(C 6 H 6) = n(C 6 H 5 Br) = : n(HBr) = 0,5 моль. Тоді, маси бромбензолу та бромоводню будуть рівні: m(C 6 H 5 Br) = n(C 6 H 5 Br)×M(C 6 H 5 Br); m(HBr) = n(HBr)×M(HBr). Молярні маси бромбензолу та бромоводню, розраховані з використанням таблиці хімічних елементів Д.І. Менделєєва – 157 та 81 г/моль, відповідно. m(C6H5Br) = 0,5×157 = 78,5 г; m(HBr) = 0,5×81 = 40,5г.
Відповідь	Продуктами реакції є бромбензол та бромоводень. Маси бромбензолу та бромоводню – 78,5 та 40,5 г, відповідно.

C6H6 + Cl2 → C6H6Cl + HCl

Каталізатором при цьому є хлорид або бромід заліза (ІІІ). В якості каталізаторів можуть бути використані хлориди інших металів, такі, як AlCl3, SbCl3, SbCl5, а також йод.

Роль каталізатора полягає в активації (поляризації) галогену, який здійснює електрофільне заміщення у бензольному ядрі. У присутності FeCl3

хлорування йде, наприклад, за схемою:

FeCl3 + :Cl::Cl: ↔ FeCl-4 + Cl:+

۠۠۠ ۠ ۠۠۠۠۠ ۠ ۠ ۠۠

C6H6 + Cl+ → C6H5Cl + H+;

H+ + Cl2 → HCl + Cl+ тощо.

У бічну ланцюг можна ввести галоген без каталізаторів на світлі або при нагріванні. Механізм заміщення у разі радикальний. Для толуолу ці перетворення можуть бути виражені схемою:

Галогени відносяться до заступників першого роду, і тому при галогенуванні бензолу другий атом галогену вступає переважно в n-положення до першого. Проте галогени на відміну інших заступників першого роду ускладнюють заміщення (проти бензолом).

При хлоруванні n-фторхлорбензолу третій атом галогену вступає в положення до хлору, а не до фтору. Отже, вирішальний вплив на порядок заміщення має індукційний ефект галогену (о-положення до атома фтору має великий позитивний заряд, тому що –IF > -ICl): AAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAA

2. Заміна аміногрупи галогеном через проміжне утворення діазосполук. Цей спосіб дозволяє отримувати будь-які галогенпохідні, у тому числі і фторпохідні:

───→ C6H5Cl + N2

C6H5NH2───→ C6H5N2Cl ────→ C6H5I + KCl +N2

───→ C6H5Br + Cu2Cl2 + N2

BF4 → C6H5F + N2 + BF3

2.2 Адамантан

Структурні особливості адамантану визначають його незвичайні фізичні та Хімічні властивості. Адамантан має найвищу для вуглеводнів температуру плавлення, що дорівнює 269°С, і щільність, що дорівнює 1,07 г/см3. Він термічно стійкий без кисню при нагріванні до 660°С. При тиску 20 кілобар і температурі 480°З вище він поступово графітизується. Адамантан виключно стійкий до агресивних хімічних середовищ і не взаємодіє з перманганатом калію, хромовою та концентрованою азотною кислотою навіть за підвищеної температури.

У Таблиці 1 показана залежність виходу адамантану від каталізатора, що застосовується.

Таблиця 1. Результати рідкофазної ізомеризації ТМНБ в адамантан

Умови реакції	Вихід адамантану, %
BF3, HF, 23 ат Н2, 50°С
SbF5, HF, 120°C, 5 год
А1С13, НС1,40 ат Н2, 120°С
А1С13, НС1, трет-С4Н9Сl
А1Вr3, трет-С4Н9Вг

Ізомеризація ТМНБ в адамантан проводиться за схемою:

До подальшого перегрупування в адамантан з просторових міркувань здатний тільки ендо-ізомер, яке рівноважна концентрація становить близько 0,5 мас. %.

У кінетичному відношенні ізомеризація ендо-ТМНБ – одна з найповільніших перегрупувань насичених вуглеводнів у цих умовах: геометрична ізомеризація ТМНБ (перегрупування Вагнера-Меєрвейну) протікає швидше приблизно в 10000 разів.

Цей метод синтезу став основою для промислової технології адамантана. Легкість такого перегрупування пояснюється високою термодинамічною стабільністю адамантану, тому обробка всіх відомих ізомерів C10H16 кислотами Льюїса неминуче призводить до цього поліциклічного каркасного вуглеводню.

Синтез адамантан карбонових кислот

Для отримання кислот ряду адамантану широко застосовують реакцію Коха-Хаафа. Як вихідні речовини використовують адамантан, 1-бром-, 1-гідроксиадамантан, а також нітрат 1-гідроксиадамантану.

Адамантан -1-карбонова кислота отримана при взаємодії 1-бром- або 1-гідроксіадамантану з мурашиною кислотою в сірчаній кислоті або адамантану з мурашиною або сірчаною кислотою в присутності третбутилового спирту.

Показано, що максимальний вихід адамантан-1-карбонової кислоти досягається за співвідношенням AdOH:HCOOH:H2SO4 = 1:1:24. Вихід зменшується при нестачі мурашиної кислоти.

Адамантан-1-карбонова кислота може бути отримана з адамантану в 20% олеумі. Припускають, що реакція протікає через утворення адамантильного катіону

Для отримання карбонових кислот з адамантану використовують його реакцію з СО2в сірчаній кислоті або олеумі (автоклав,90-160ºС) . При цьому утворюється суміш адамантан-1-карбонової та адамантан-1,3-дикарбонової кислоти у співвідношенні 1:6.

Синтез (1-адамантил)оцтової кислоти з 1-бром або 1-гідроксиадамантану та дихлоретилену здійснюють у 80-100%-ній H2SO4в присутності BF3при 0-15ºС.

При взаємодії адамантану та його похідних з трихлоретиленом у присутності 90% сірчаної кислоти утворюються відповідні α-хлороцтові кислоти.

3-алкіладамантан-1-карбонові кислоти отримують з алкіладамантанів у сірчаній кислоті в присутності третбутилового спирту та 95%-ної мурашиної кислоти.

Нітрати адамантану.

Реакція адамантану з надлишком 96-98%-ної азотної кислоти призводить до 1-нітроксиадамантану як основний продукт реакції 1. 3-динитроксиадамантану.

Адамантан із сумішшю азотної та оцтової кислот взаємодіє з меншою швидкістю, ніж із азотною кислотою, і максимальний вихід нітрату 80 % досягається за 3 години. Єдиним побічним продуктом реакції є адамантол-1.