Общая формула и строение бензола

Общая формула углеводородов ряда бензола $\mathrm{C_nH_{2n-6}}$ ( $n \ge 6$ ), простейший представитель — бензол $\mathrm{C_6H_6}$ . Кекуле изобразил бензол в виде кольца с чередующимися одинарными и двойными связями, однако бензол не проявляет свойств веществ с двойными связями.

Молекула бензола — плоский правильный шестиугольник. Все атомы углерода находятся в состоянии $sp^2$ -гибридизации, углы между связями $120^\circ$ . Негибридная $p$ -орбиталь каждого атома углерода перпендикулярна плоскости кольца; шесть $p$ -орбиталей перекрываются и образуют единое шестиэлектронное $\pi$ -облако. Поэтому все связи C–C одинаковы, их длина ( $0{,}140$ нм) лежит между длинами одинарной ( $0{,}154$ нм) и двойной ( $0{,}134$ нм) связей. В молекуле 12 $\sigma$ -связей.

Изомерия и номенклатура гомологов

В гомологах бензола один или несколько атомов водорода кольца замещены алкильными радикалами: толуол (метилбензол) $\mathrm{C_6H_5{-}CH_3}$ , этилбензол $\mathrm{C_6H_5{-}C_2H_5}$ . Радикал $\mathrm{C_6H_5{-}}$ называют фенилом.

Изомерия зависит от строения боковой цепи и от положения заместителей в кольце. При двух заместителях возможны три положения: 1,2 — орто, 1,3 — мета, 1,4 — пара. Атомы кольца нумеруют так, чтобы заместители получили наименьшие номера: 1,2-диметилбензол называют орто-ксилолом, 1,4-диметилбензол — пара-ксилолом.

Получение и физические свойства

Арены выделяют из нефти и из каменноугольной смолы, которая образуется при коксовании каменного угля. Способы синтеза:

тримеризация ацетилена: $\mathrm{3C_2H_2} \xrightarrow{\text{акт. уголь},\ t} \mathrm{C_6H_6}$ ;
дегидрирование циклогексана: $\mathrm{C_6H_{12}} \xrightarrow{\mathrm{Pt},\ t} \mathrm{C_6H_6} + \mathrm{3H_2}$ ;
дегидроциклизация гексана: $\mathrm{C_6H_{14}} \xrightarrow{\text{кат.},\ t} \mathrm{C_6H_6} + \mathrm{4H_2}$ (из гептана так же получают толуол);
алкилирование бензола: $\mathrm{C_6H_6} + \mathrm{CH_3Cl} \xrightarrow{\mathrm{AlCl_3}} \mathrm{C_6H_5{-}CH_3} + \mathrm{HCl}$ .

Бензол — бесцветная ядовитая жидкость с характерным запахом, легче воды, в воде не растворяется, кипит примерно при $80^\circ$ C. Из-за большой массовой доли углерода горит коптящим пламенем. Хороший растворитель.

Химические свойства бензола и применение

Ароматическое кольцо устойчиво, поэтому для бензола характерно замещение, а присоединение идёт с трудом. Бензол не обесцвечивает бромную воду и раствор $\mathrm{KMnO_4}$ .

Бромирование: $\mathrm{C_6H_6} + \mathrm{Br_2} \xrightarrow{\mathrm{FeBr_3}} \mathrm{C_6H_5Br} + \mathrm{HBr}$ (бромбензол).
Нитрование (смесью концентрированных азотной и серной кислот): $\mathrm{C_6H_6} + \mathrm{HNO_3} \xrightarrow{\mathrm{H_2SO_4}} \mathrm{C_6H_5NO_2} + \mathrm{H_2O}$ (нитробензол).
Присоединение: $\mathrm{C_6H_6} + \mathrm{3H_2} \xrightarrow{\mathrm{Ni},\ t} \mathrm{C_6H_{12}}$ ; на свету с хлором $\mathrm{C_6H_6} + \mathrm{3Cl_2} \xrightarrow{h\nu} \mathrm{C_6H_6Cl_6}$ (гексахлорциклогексан).
Горение: $\mathrm{2C_6H_6} + \mathrm{15O_2} \rightarrow \mathrm{12CO_2} + \mathrm{6H_2O}$ .

Из бензола получают нитробензол, анилин, стирол, фенол, красители и лекарства; его используют как растворитель.

Взаимное влияние атомов в толуоле. Стирол

В толуоле метильная группа и бензольное кольцо влияют друг на друга.

Метильная группа влияет на кольцо: атомы водорода в положениях 2, 4, 6 (орто- и пара-) замещаются легче. Толуол нитруется легче бензола и образует 2,4,6-тринитротолуол (тротил): $\mathrm{C_6H_5CH_3} + \mathrm{3HNO_3} \xrightarrow{\mathrm{H_2SO_4}} \mathrm{C_6H_2(NO_2)_3CH_3} + \mathrm{3H_2O}$ .
Кольцо влияет на метильную группу: в отличие от метана, толуол легко окисляется раствором $\mathrm{KMnO_4}$ до бензойной кислоты: $\mathrm{C_6H_5{-}CH_3} \xrightarrow{[\mathrm{O}]} \mathrm{C_6H_5{-}COOH}$ . При нагревании толуол обесцвечивает раствор $\mathrm{KMnO_4}$ , а бензол нет. На свету хлорирование идёт в боковую цепь ( $\mathrm{C_6H_5CH_2Cl}$ ), а в присутствии $\mathrm{FeCl_3}$ — в кольцо (в орто- и пара-положения).

Стирол (винилбензол) $\mathrm{C_6H_5{-}CH{=}CH_2}$ получают дегидрированием этилбензола: $\mathrm{C_6H_5{-}CH_2{-}CH_3} \xrightarrow{\text{кат.},\ t} \mathrm{C_6H_5{-}CH{=}CH_2} + \mathrm{H_2}$ . Это бесцветная жидкость. Из-за двойной связи стирол реагирует как алкен: обесцвечивает бромную воду и раствор $\mathrm{KMnO_4}$ , присоединяет водород, полимеризуется в полистирол.

Запомните

$\mathrm{C_nH_{2n-6}}$ ( $n \ge 6$ ); в бензоле атомы углерода в $sp^2$ -гибридизации, углы $120^\circ$ , единое шестиэлектронное $\pi$ -облако.
Для бензола характерно замещение (бромирование, нитрование, алкилирование); он не обесцвечивает бромную воду и $\mathrm{KMnO_4}$ .
Составу $\mathrm{C_8H_{10}}$ соответствуют 4 ароматических изомера; орто 1,2, мета 1,3, пара 1,4.
В толуоле группа $\mathrm{CH_3}$ активирует кольцо в положениях 2, 4, 6, а кольцо облегчает окисление группы $\mathrm{CH_3}$ .
Стирол из-за двойной связи ведёт себя как алкен и даёт полистирол.

Разобранные примеры

Пример 1
Сколько граммов нитробензола можно получить нитрованием 39 г бензола, если выход составляет 80%?
Решение
1. $M(\mathrm{C_6H_6}) = 78$ г/моль, $n = \frac{39}{78} = 0{,}5$ моль.
2. $\mathrm{C_6H_6} + \mathrm{HNO_3} \rightarrow \mathrm{C_6H_5NO_2} + \mathrm{H_2O}$ : $n(\mathrm{C_6H_5NO_2}) = 0{,}5$ моль.
3. $M(\mathrm{C_6H_5NO_2}) = 72 + 5 + 14 + 32 = 123$ г/моль; теоретическая масса $0{,}5 \cdot 123 = 61{,}5$ г.
4. Практическая масса: $61{,}5 \cdot 0{,}8 = 49{,}2$ г.
Ответ: 49,2 г нитробензола.
Пример 2
Молярная масса углеводорода ряда бензола равна 106 г/моль. Найдите его молекулярную формулу, напишите и назовите ароматические изомеры.
Решение
1. $M(\mathrm{C_nH_{2n-6}}) = 12n + 2n - 6 = 14n - 6 = 106$ , отсюда $n = 8$ : $\mathrm{C_8H_{10}}$ .
2. К кольцу должны быть присоединены 2 атома углерода: либо одна этильная группа, либо две метильные.
3. Изомеры: этилбензол $\mathrm{C_6H_5{-}C_2H_5}$ ; 1,2-диметилбензол (орто-ксилол); 1,3-диметилбензол (мета-ксилол); 1,4-диметилбензол (пара-ксилол).
Ответ: $\mathrm{C_8H_{10}}$ , 4 ароматических изомера.

Проверьте себя

Сначала решите сами, потом откройте ответ.

Какое вещество обесцвечивает бромную воду?
1. бензол
2. толуол
3. стирол
4. циклогексан
5. гексан
Показать ответСкрыть ответ
Правильный ответ: C стирол
В боковой цепи стирола есть двойная связь, к которой присоединяется бром: $\mathrm{C_6H_5{-}CH{=}CH_2} + \mathrm{Br_2} \rightarrow \mathrm{C_6H_5{-}CHBr{-}CH_2Br}$ . Ароматическое кольцо бензола и толуола, а также циклогексан и гексан бромную воду не обесцвечивают.
Какая реакция бензола является реакцией присоединения?
1. получение гексахлорциклогексана с хлором на свету
2. бромирование в присутствии $\mathrm{FeBr_3}$
3. нитрование
4. алкилирование хлорметаном в присутствии $\mathrm{AlCl_3}$
5. горение
Показать ответСкрыть ответ
Правильный ответ: A получение гексахлорциклогексана с хлором на свету
На свету бензол присоединяет 3 молекулы хлора: $\mathrm{C_6H_6} + \mathrm{3Cl_2} \xrightarrow{h\nu} \mathrm{C_6H_6Cl_6}$ . Бромирование, нитрование и алкилирование — реакции замещения, а горение — реакция окисления.
Какой объём (н. у.) водорода нужен для полного гидрирования 15,6 г бензола?
1. 4,48 л
2. 6,72 л
3. 8,96 л
4. 13,44 л
5. 17,92 л
Показать ответСкрыть ответ
Правильный ответ: D 13,44 л
$n(\mathrm{C_6H_6}) = \frac{15{,}6}{78} = 0{,}2$ моль. $\mathrm{C_6H_6} + \mathrm{3H_2} \rightarrow \mathrm{C_6H_{12}}$ : $n(\mathrm{H_2}) = 0{,}6$ моль, $V = 0{,}6 \cdot 22{,}4 = 13{,}44$ л.

Типичные ошибки

Представлять бензол веществом с тремя двойными связями и считать, что он обесцвечивает бромную воду и $\mathrm{KMnO_4}$ .
Путать условия хлорирования толуола: на свету замещается боковая цепь ( $\mathrm{C_6H_5CH_2Cl}$ ), с $\mathrm{FeCl_3}$ — кольцо (орто- и пара-хлортолуол).
При подсчёте изомеров $\mathrm{C_8H_{10}}$ забывать этилбензол или неправильно нумеровать орто-, мета- и пара-положения.

Всё ещё не до конца понятно?

Объяснит тему голосом, как на уроке, запишет всё на доске и проверит вопросами.

Изучить с Живым репетитором Решить задачу по фото