uabooks.top

Материал параграфа поможет вам:

• узнать о составе и строении молекулы бензена;
• получить сведения о свойствах бензена;
• выяснить, какие соединения называют аренами.

Существует большая группа соединений Карбона с Гидрогеном, имеющая довольно необычное название — ароматические углеводороды. Оно связано с тем, что ранее эти вещества получали из природных душистых смол. Однако общим признаком таких соединений является не запах, а особое строение молекул.

Бензен. Простейшим ароматическим углеводородом является бензен C₆H₆ (тривиальное название — бензол). Это вещество открыл в 1825 г. английский ученый М. Фарадей; оно в виде жидкости накапливалось в емкостях со светильным газом, который использовали в уличных фонарях.

Строение молекулы. Свойства бензена, обнаруженные химиками, не позволяли однозначно описать строение его молекулы. Атомов Гидрогена в молекуле бензена C₆H₆ значительно меньше, чем в молекуле насыщенного углеводорода гексана C₆H₁₄. Это указывало на наличие в молекуле бензена двойных или даже тройных связей (т. е. бензен должен быть ненасыщенным углеводородом). Однако вещество оказалось химически пассивным (как насыщенные углеводороды), в отличие от алкенов и алкинов не обесцвечивало бромную воду, раствор калий перманганата. Правда, в особых условиях молекула C₆H₆ все же присоединяла три молекулы водорода или хлора.

Также было выяснено, что производные бензена с одним атомом галогена в молекулах не имели изомеров (в случае открытой карбоновой цепи существование изомеров является очевидным). Это свидетельствовало о равноценности размещения атомов Карбона в молекуле C₆H₆, что возможно лишь при их соединении в замкнутую цепь.

Учитывая совокупность обнаруженных фактов, ученые предложили несколько структурных формул молекулы бензена.

C большинством фактов лучше всего согласовывалась формула немецкого химика Ф. A. Ke-куле (1865 г.)

Фридрих Август Кекуле (1829—1896)

Выдающийся немецкий химик, президент Немецкого химического общества, профессор Гентского и Боннского университетов, иностранный член-корреспондент Петербургской академии наук. Внес значительный вклад в теорию строения органических веществ и учение о валентности. Предвидел значение валентности Карбона, равное четырем, и соединение атомов этого элемента в цепи. Предложил циклическую формулу молекулы бензе-на. Впервые синтезировал ряд органических веществ. Автор учебника по органической химии, в котором определил эту область науки как химию соединений Карбона. Один из организаторов I Международного конгресса химиков. Основал научную школу. Среди учеников Кекуле — химики Л. Мейер, нобелевские лауреаты А. Байер, Я. Вант-Гэфф, Э. Фишер.

Однако и она не объясняла, почему бензен, имея кратные связи, в обычных условиях не вступал в реакции присоединения.

Позднее Ф. А. Кекуле предположил, что двойные связи не закреплены в молекуле C₆H₆, а постоянно перемещаются от одного атома Карбона к другому.

Результаты дальнейших исследований подтвердили равноценность атомов Карбона в молекуле бензена, а также их расположение в одной плоскости, в углах правильного шестиугольника (рис. 15).

Рис. 15.

Модели молекулы бензена: а — шаростержневая;

б — масштабная

Согласно современным представлениям, между атомами Карбона в молекуле бензена нет обычных простых и двойных связей. Орбитали одного 2s- и двух 2р-электронов каждого атома Карбона при образовании химических связей изменяют свою форму на одинаковую и размещаются под углами 120°. Они перекрываются с соответствующими орбиталями соседних атомов Карбона и атома Гидрогена (рис. 16, а). Орбиталь третьего р-электрона сохраняет свою форму и ориентируется перпендикулярно к плоскости молекулы:

Вследствие перекрывания шести таких

орбиталей (рис. 16, б) электронная плотность равномерно распределяется по карбоновому циклу, сосредоточиваясь над и под его плоскостью (рис. 17).

Рис. 16.

Перекрывание измененных по форме орбиталей (а) и р-орбиталей (б) атомов Карбона в молекуле бензена

Таким образом, в молекуле бензена существует замкнутая электронная система, образо-

ванная ^-электронами¹. Поэтому структурную формулу молекулы C₆H₆ часто изображают так:

Молекула бензена является симметричной и поэтому неполярна.

Рис. 17.

Замкнутая

электронная

система

в молекуле

бензена,

образованная

р-электронами

Физические свойства. Бензен — бесцветная летучая жидкость со своеобразным запахом, которая легче воды (плотность этого углеводорода — 0,88 г/см³). Температура плавления бензена +5,5 ⁰C, кипения +80,1 °С. Вещество плохо растворяется в воде, но хорошо — в органических растворителях. Этот углеводород растворяет иод (рис. 18), серу, белый фосфор, жиры, другие органические вещества.

Рис. 18.

Растворение

иода

в бензене

¹ Так называемая π-электронная система.

Бензен — одно из наиболее устойчивых органических соединений; его пары не разлагаются до 600 °С.

Химические свойства. Бензен, хоть и сходен с ненасыщенными углеводородами, однако проявляет достаточную химическую пассивность. Характерными для вещества являются реакции замещения, при которых сохраняется электронная система молекулы, а следовательно, и бензеновое кольцо. Реакции присоединения и окисления с участием бензена приводят к разрушению этой системы; они протекают при высокой температуре, действии ультрафиолетового излучения, наличии катализаторов.

Реакции замещения. Атомы Гидрогена в молекуле бензена могут замещаться на атомы галогенов. C хлором и бромом углеводород взаимодействует при наличии катализаторов¹. Легче всего происходит первая стадия — замещение одного атома Гидрогена в молекуле бензена:

Реакции присоединения. Бензен, как и ненасыщенные углеводороды, может вступать в реакции присоединения. Они протекают в жестких условиях:

¹ C иодом бензен реагирует в особых условиях.

Рис. 19.

Горение

бензена

Реакция окисления. Бензен, как и другие углеводороды — горючее вещество. При горении этого соединения на воздухе, кроме углекислого газа и воды, образуется небольшое количество углерода, частицы которого раскаляются в пламени (оно становится ярким), а затем сгорают. Горение бензена сопровождается появлением копоти (рис. 19).

Напишите уравнение реакции горения бензена в избытке кислорода.

Вследствие особой устойчивости молекулы бензен инертен к веществам-окислителям. В частности, он не взаимодействует с калий перманганатом. Этим бензен отличается от алке-нов и алкинов.

Арены. Кроме бензена, известно много углеводородов со схожей замкнутой электронной системой в молекулах, образованной р-элек-тронами.

Углеводороды, в молекулах которых имеется одно или несколько бензеновых колец, называют аренами, или ароматическими углеводородами.

Бензен C₆H₆ является первым веществом в гомологическом ряду аренов с одним бензено-вым кольцом в молекуле.

Существуют арены с несколькими бензеновы-ми кольцами в молекулах. Структурные формулы молекул важнейших аренов этого типа:

ВЫВОДЫ

Бензен C₆H₆ — простейший ароматический углеводород.

В молекуле бензена все атомы Карбона размещены в одной плоскости в вершинах правильного шестиугольника. Замкнутая электронная система в молекуле бензена, образованная р-электронами, обуславливает его химическую устойчивость.

Бензен — бесцветная летучая жидкость со своеобразным запахом, которая легче воды, растворяется в органических растворителях. Вещество вступает в реакции замещения, присоединения и окисления.

Углеводороды с одним или несколькими бен-зеновыми кольцами в молекулах называют аренами, или ароматическими углеводородами.

72. Почему ученые многие годы не могли определить строение молекулы бензена?

73. В чем заключается особенность строения молекулы бензена?

74. Как влияют условия на взаимодействие бензена с хлором?

75. Укажите вещество (смесь веществ), с которым (которой) реагирует бензен с сохранением электронной системы бензенового кольца:

а) водород;

б) бром при наличии катализатора FeBr₃;

в) хлор на свету;

г) кислород.

76. Какова относительная плотность по водороду паров бензена? (Устно.)

77. Определите массовую долю Карбона в бензене и сравните ее с массовой долей этого элемента в этине.

78. Вычислите массу продукта реакции гидрирования бензена, взятого объемом 17,7 мл. Плотность ароматического углеводорода приведена в тексте параграфа.

79. Найдите формулу углеводорода, если после его сгорания образовалось 0,6 моль углекислого газа и 0,3 моль воды. Относительная плотность паров вещества по воздуху равна 2,69.

80. Смесь ацетилена и паров бензена имеет относительную плотность по водороду 23,4. Вычислите объемные доли веществ в газовой смеси.

 

Это материал учебника Химия 10 класс Попель, Крикля