БЕНЗОЛ: ИСТОРИЯ, СТРУКТУРА, СВОЙСТВА, ПРОИЗВОДНЫЕ, ПРИМЕНЕНИЕ - ХИМИЯ - 2026

Бензол представляет собой органическое соединение , состоящее из одного из наиболее простых из всех ароматических углеводородов. Его химическая формула - C ₆ H ₆ , из которой известно, что отношение углерода к водороду равно 1; это означает, что с каждым углеродом связан водород.

Хотя по внешнему виду он представляет собой бесцветную жидкость, он естественным образом содержится в нефти и нефтепродуктах. Запах у него очень характерный, так как он напоминает смесь клея, битума и бензина; с другой стороны, это летучая и легковоспламеняющаяся жидкость.

Бутылка с бензолом. Источник: Air1404

На изображении выше показан контейнер или бутылка с бензолом, предположительно неаналитической чистоты. Если его не накрыть, пары бензола немедленно распространятся по лаборатории. По этой причине с этой жидкостью, обычно используемой в качестве простого растворителя, обращаются внутри вытяжного шкафа.

Имея формулу C ₆ H ₆ , химики XIX века выделили множество возможных структур, которые соответствовали бы упомянутому отношению C / H, равному 1. Не только это, но и молекула бензола должна иметь особые связи, чтобы ее можно было объяснить. его необычная устойчивость к реакциям присоединения; типичен для алкенов и полиенов.

Таким образом, их связи представляли собой загадку для химиков того времени; пока не появилось свойство, называемое ароматичностью. Прежде чем рассматривать гексациклотриен (с тремя связями C = C), бензол представляет собой нечто большее, чем это, и это еще один из многих примеров синергии в химии.

В органической химии бензол - классический символ, структурная основа множества полиароматических соединений. Из его шестиугольника бесконечные производные получают ароматическим электрофильным замещением; кольцо, из краев которого соткана структура, определяющая новые соединения.

Фактически, его производные связаны с обширным промышленным использованием, для которого бензол необходим в качестве сырья. От производства клеев и текстильных волокон до пластмасс, каучуков, пигментов, лекарств и взрывчатых веществ. С другой стороны, бензол естественным образом содержится в вулканах, лесных пожарах, бензине и сигаретном дыме.

история

Открытие и имена

Его открытие датируется 1825 годом и обычно приписывается Майклу Фарадею, когда он собирал и проводил эксперименты с оставшимся нефтепродуктом газа, используемого для освещения. Эта жидкость имела отношение C / H, близкое к 1, поэтому он назвал ее «карбюраторным водородом».

Химик Огюст Лоран назвал странный углеводород «фено», производным от греческого слова «пайнеин», что означает «яркий» (потому что он был получен после сгорания газа). Однако это название не было принято научным сообществом и использовалось только как «фенил» для обозначения радикала, производного от бензола.

Из бензоиновой камеди химик Эйльхард Митчерлих девять лет спустя сумел получить такое же соединение; Следовательно, был другой источник того же углеводорода, который он окрестил «бензином». Однако они также не посчитали подходящим названием, чтобы предположить, что это был алкалоид, такой как хинин.

Таким образом, они заменили название «бензин» на «бензол». Однако снова возникли противоречия и разночтения из-за того, что термин «бензол» путает углеводород со спиртом. Именно тогда родилось название «бензол», которое впервые использовали во Франции и Англии.

Промышленное производство

Ни осветительный газ, ни бензоиновая камедь не подходили для производства бензола в больших масштабах. Чарльз Мэнсфилд, работая с Августом Вильгельмом фон Хофманном, в 1845 году сумел выделить бензол (через двадцать лет после его открытия) из каменноугольной смолы, побочного продукта производства кокса.

Так началось промышленное производство бензола из каменноугольной смолы. Наличие бензола в огромных количествах облегчило изучение его химических свойств и позволило сопоставить его с другими соединениями с аналогичной реакционной способностью. Сам Август Вильгельм фон Хофманн придумал слово «ароматический» для бензола и родственных ему соединений.

Исторические сооружения

Мечта Августа Кекуле

Фридриху Августу Кекуле приписывают гексагональную и циклическую структуру бензола около 1865 года, возникшую в результате странного сна с Уроборосом, змеей, которая кусает свой собственный хвост, рисуя круг. Таким образом, он считал, что бензол можно рассматривать как гексагональное кольцо, и другие химики выделили возможные структуры, которые показаны ниже:

Структуры бензольного кольца предлагались на протяжении всей истории. Источник: Jü

Некоторые из высших структур могут объяснить стабильность бензола.

Книга, кольца и призма

Обратите внимание, что третья структура представляет собой даже не кольцо, а треугольную призму, предложенную Альбертом Ладенбургом в 1869 году; слева от него одна в форме раскрытой книги, предложенная сэром Джеймсом Дьюаром в 1867 году; а справа - тот, все водороды которого направлены к центру кольца, предложенный Генри Эдвардом Армстронгом в 1887 году.

Первая структура, предложенная Адольфом Карлом Людвигом Клаусом в 1867 году, также весьма своеобразна, поскольку звенья СС пересекаются. И последним было «змеевидное» кольцо Кекуле, о котором мечтали в 1865 году.

Что было «победителем»? Пятая конструкция (слева направо), предложенная в 1899 году Иоганнесом Тиле.

В этом исследовании впервые был рассмотрен резонансный гибрид, который объединил две структуры Кекуле (поверните первое кольцо справа, чтобы увидеть его) и необычайно объяснил делокализацию электронов и, как следствие, необычную до того момента стабильность бензол.

Структура бензола

Ароматическое бензольное кольцо. Источник: Benjah-bmm27

Выше представлена ​​конструкция, предложенная Тиле с использованием модели сфер и стержней.

Молекула бензола плоская, с атомами водорода, направленными наружу по бокам кольца. Все атомы углерода имеют sp ² -гибридизацию с доступной p-орбиталью для образования ароматической системы, в которой шесть электронов делокализуются.

Эти зр ² атома углерода больше , чем электроотрицательным водородов, и , следовательно, бывший вывести электронную плотность к последней (С _sp2 ^δ- -H ^{δ +} ). Следовательно, в центре кольца концентрация электронов выше, чем на его сторонах.

Точнее, ароматическую систему можно представить в виде облака или электронной подушечки, расширенной с обеих сторон шестиугольного кольца; а в середине, по бокам или краям, электронный дефицит, состоящий из атомов водорода с положительным частичным зарядом.

Благодаря такому распределению электрических зарядов молекулы бензола могут взаимодействовать друг с другом посредством диполь-дипольных сил; Атомы H ^{δ +} притягиваются к ароматическому центру соседнего кольца (это будет представлено ниже).

Кроме того, ароматические центры могут быть наложены друг на друга, чтобы способствовать индукции мгновенных диполей.

Резонанс

Структуры и резонансный гибрид бензола. Источник: Edgar181 из Википедии.

Две структуры Кекуле показаны вверху изображения, а под ними - резонансный гибрид. Поскольку две структуры возникают снова и снова в одно и то же время, гибрид представлен кружком, нарисованным посередине (похожим на «шестиугольный бублик»).

Гибридный круг важен, потому что он указывает на ароматический характер бензола (и многих других соединений). Кроме того, он указывает, что звенья не такие длинные, как CC, и не такие короткие, как C = C; скорее, их длина находится между двумя крайностями. Таким образом, бензол не считается полиеном.

Это было продемонстрировано путем измерения длины связей CC (139 пм) бензола, которые немного более удлинены, чем связи CH (109 пм).

Кристаллы

Орторомбическая кристаллическая структура бензола. Источник: Бен Миллс

Бензол представляет собой жидкость при комнатной температуре. Его межмолекулярные силы означают, что, несмотря на отсутствие столь выраженного дипольного момента, он может удерживать свои молекулы вместе в жидкости, которая кипит при 80ºC. Когда температура опускается ниже 5ºC, бензол начинает замерзать: и таким образом получаются соответствующие ему кристаллы.

Бензольные кольца могут принимать определенные структурные модели в своем твердом теле. Их диполи заставляют их «наклоняться» влево или вправо, образуя ряды, которые могут быть воспроизведены орторомбической элементарной ячейкой. Таким образом, кристаллы бензола орторомбические.

Обратите внимание на верхнее изображение, что наклон колец благоприятствует взаимодействиям между H ^{δ +} и ароматическими центрами, упомянутыми в предыдущих подразделах.

свойства

Молекулярная масса

78,114 г / моль.

Внешность

Бесцветная жидкость с запахом бензина.

Точка кипения

80 ° С.

Температура плавления

5,5 ° С.

точка воспламенения

-11ºC (закрытая чашка).

Температура самовоспламенения

497,78 ° С.

плотность

0,8765 г / мл при 20 ° С.

Растворимость

В одном литре кипятка едва растворяется 3,94 г бензола. Его неполярный характер делает его практически не смешиваемым с водой. Однако он смешивается с другими растворителями, такими как этанол, простые эфиры, ацетон, масла, хлороформ, четыреххлористый углерод и т. Д.

Плотность паров

2,8 относительно воздуха (то есть почти в три раза плотнее).

Давление газа

94,8 мм рт. Ст. При 25 ° C.

Теплота сгорания

-3267,6 кДж / моль (для жидкого бензола).

Теплота испарения

33,83 кДж / моль.

Поверхностное натяжение

28,22 мН / м при 25 ° С.

Показатель преломления

1,5011 при 20 ° С.

производные

Водороды бензола могут быть заменены другими группами или атомами. Могут быть одно или несколько замен, увеличивающих степень замещения до тех пор, пока не останется ни один из исходных шести атомов водорода.

Например, представьте бензол как Ph-H, где H - любой из шести атомов водорода. Помня, что центр кольца имеет более высокую электронную плотность, он привлекает электрофилов, которые атакуют кольцо, чтобы заменить H в реакции, называемой электрофильным ароматическим замещением (SEAr).

Если этот H заменить на OH, у нас будет Ph-OH, фенол; заменяется на CH ₃ , Ph-CH ₃ , толуол; если это NH ₂ , Ph-NH ₂ , анилин; или если это CH ₂ CH ₃ , Ph-CH ₂ CH ₃ , этилбензол.

Производные могут быть такими же или более токсичными, чем бензол, или, наоборот, они могут стать настолько сложными, что окажут желаемый фармакологический эффект.

Приложения

Это хороший растворитель для самых разных соединений, например, в красках, лаках, клеях и покрытиях.

Точно так же он может растворять масла, жиры или воски, поэтому его использовали в качестве экстрагирующего растворителя для эссенций. Это свойство было использовано Людвигом Розелиусом в 1903 году для декофеинирования кофе, операция уже не использовалась из-за токсичности бензола. Точно так же его использовали в прошлом для обезжиривания металлов.

В одном из классических применений он действует не как растворитель, а как присадка: увеличивает октановое число бензина, заменяя для этой цели свинец.

Производные бензола могут иметь различное применение; некоторые служат в качестве пестицидов, смазок, моющих средств, пластмасс, взрывчатых веществ, парфюмерии, красителей, клея, лекарств и т. д. Если в его структуре наблюдается бензольное кольцо, вполне вероятно, что его синтез начался с бензола.

Среди его наиболее важных производных: кумол, ксилол, анилин, фенол (для синтеза фенольных смол), бензойная кислота (консервант), циклогексан (для синтеза нейлона), нитробензол, резорцин и этилбензол.

Номенклатура

Номенклатура производных бензола варьируется в зависимости от степени замещения, групп заместителей и их относительного положения. Таким образом, бензол может подвергаться моно-, ди, три, тетра и т. Д. Замещениям.

Когда две группы присоединены к соседним атомам углерода, используется обозначение «орто»; если между ними есть углерод, «мета»; и если атомы углерода находятся в противоположных положениях, «параграф».

На изображениях ниже показаны примеры производных бензола с соответствующими названиями, регулируемыми IUPAC. Они также сопровождаются общими или традиционными названиями.

Монопроизводные бензола. Источник: Габриэль Боливар.

Другие производные бензола. Источник: Габриэль Боливар.

Обратите внимание, что в тризамещенном бензоле орто-, пара- и мета-индикаторы больше не используются.

токсичность

Бензол - это соединение, с которым необходимо обращаться осторожно. Учитывая его особый запах, непосредственными отрицательными эффектами могут быть удушье, головокружение, головные боли, тремор, сонливость, тошнота и даже смерть (при сильном воздействии). При проглатывании, помимо вышеперечисленного, он может вызвать сильную боль в животе и судороги.

Кроме того, долгосрочные эффекты при постоянном контакте с этой жидкостью являются канцерогенными; увеличивает вероятность того, что человек будет страдать от какого-либо типа рака, особенно рака крови: лейкемии.

В крови он может снижать концентрацию эритроцитов, вызывая анемию, а также влиять на костный мозг и печень, где он ассимилируется организмом с образованием еще более токсичных производных бензола; например, гидроксихинон. Он также накапливается в почках, сердце, легких и головном мозге.

Ссылки

1. Моррисон, Р. Т. и Бойд, Р. Н. (1987). Органическая химия. (5-е издание). Аддисон-Уэсли Ибероамерикана.
2. Кэри, Ф.А. (2008). Органическая химия. (6-е издание). McGraw-Hill, Interamerica, Editores SA
3. Грэм Соломонс Т.В., Крейг Б. Фрайл. (2011). Органическая химия. Амины. (10-е изд.). Wiley Plus.
4. Национальный центр биотехнологической информации. (2019). Бензол. База данных PubChem. CID = 241, получено с: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov
5. Wikipedia. (2019). Бензол. Получено с: en.wikipedia.org
6. Гарсия Нисса. (2019). Что такое бензол? - Использование, структура и формула. Учиться. Получено с: study.com
7. Центры по контролю и профилактике заболеваний. (4 апреля 2018 г.). Факты о бензоле. Получено с: Emergency.cdc.gov.
8. Всемирная организация здравоохранения. (2010). Воздействие бензола: серьезная проблема общественного здравоохранения. , Получено с: who.int
9. Фернандес Херман. (SF). Проблемы номенклатуры бензола. Органическая химия. Получено с: quimicaorganica.org