Бензен

Бензен
	Бензен
Имена
По IUPAC	бензен
Други	бензол (остаряло)
Свойства
Формула	C6H6
Моларна маса	78,11 g/mol
Външен вид	безцветна течност
Плътност	0,8765 g/cm3
Вискозитет	динамичен: 0,0652 Pl
Точка на топене	5,5 °C, 278,7 K
Точка на кипене	80,1 °C, 353,3 K
Парно налягане	10 000 Pa (20 °C)
Разтворимост във вода	1,8 g/L (15 °C)
λ Max	255 nm
Магнитна възприемчивост	54,8x10-6 cm3/mol
Показател на пречупване	1,4979
Диполен момент	0 D
Термохимия
Стандартна енталпия на образуване	82 930 J/mol (газ)
Стандартна моларна ентропия	172,8 J/(mol·K) (течност)
Специфичен топлинен капацитет	16,157 (течност; 25 °C)
Опасности
ЕС класификация	F T ; Канцероген кат. 1; Мутаген кат. 2
H-фрази	H225, H304, H315, H319, H340, H350, H372
P-фрази	P201, P210, P280, P308+P313, P370+P378, P403+P235
Фрази за риск	R45, R46, R11, R36/38, R48/23/24/25, R65
Фрази за безопасност	S53, S45
NFPA 704	3 2 0 ;
Точка на запалване	-11,63 °C, 262 K
Точка на самозапалване	498 °C, 771 K
LD50	88 mg/kg (заек подземник)
Инхалация	объркване, тахикардия
Контакт с очите	увреждане
Сродни съединения
Други	толуен, боразин
Идентификатори
CAS номер	71-43-2
PubChem	241
ChemSpider	236
Номер на ЕК	200-753-7
Номер на ООН	1114
KEGG	C01407
MeSH	D001554
ChEBI	16716
ChEMBL	CHEMBL277500
RTECS	CY1400000
SMILES	c1ccccc1
InChI	InChI=1S/C6H6/c1-2-4-6-5-3-1/h1-6H
InChI ключ	UHOVQNZJYSORNB-UHFFFAOYSA-N
UNII	J64922108F
Gmelin	1671
	Данните са при стандартно състояние на материалите (25 °C, 100 kPa), освен ако не е указано друго.
	Бензен в Общомедия

Бензенът (ост. бензол, C₆H₆) е най-простият бензоиден ароматен въглеводород, широко използван органичен разтворител, образуващ азеотропна смес с вода. Представлява безцветна, лесно възпламенима течност със сладникав аромат. Той е отровен и канцерогенен. Влиза в състава на бензина и нефта. Mоже да бъде синтезиран чрез тримеризация на ацетилен при нагряване над активен въглен. Основната му употреба е за производството на етилбензен и кумен, чиито годишни добиви достигат милиони тонове.

История

Откриване

Бензенът за първи път е отделен през 1825 г. от Майкъл Фарадей чрез нагряване на китова мас. Тогава Фарадей го нарича „водороден бикарбурет“. През 1845 г. Чарлз Менсфийлд отделя бензен от каменовъглена смола, а четири години по-късно патентова промишлен начин за синтез на бензена.

Циклична формула

Фарадей открива и емпиричната формула на бензена, C₆H₆. Според тогавашните разбирания резултатът е парадоксален, защото противоречи на представата, че в своите съединения въглеродът образува четири единични връзки, а водородът – една. В търсене на правилната структура на бензена, която да обясни необичайната стабилност и химична инертност, много учени, сред които Джеймс Дюар, Адолф Карл Лудвиг Клаус и Алберт Ладенбург, предлагат неправилни структури.

Първият учен, предположил, че бензенът има пръстеновидна структура, е немският химик Фридрих Август Кекуле (1865 г.). Известен анекдот гласи, че една вечер, когато Кекуле мислел върху загадъчната структура на бензена, той заспал и му се присънил уроборос – змия, която е захапала опашката си. Именно този символ, според легендата, навел химика на извода, че бензенът има пръстеновидна структура с алтерниращи 3 двойни връзки.

Цикличната природа на бензена окончателно е потвърдена от кристалографа Катлийн Лонсдейл през 1929 г.^[3]^[4]

Електронна структура

Различни начини за представяне на бензен

Особеностите в структурата на бензена се обясняват от съвременните квантово-механични представи за електронната конфигурация на атомите.^[5]

Атомните орбитали на всеки въглероден атом от бензеновото ядрое в sp²-хибридизация. Така тези атоми имат има три хибридни sp²-АО и една нехибридна p-АО. Трите хибридни sp² орбитали лежат на една равнина и имат правилна плоскотриъгълна конфигуриция. Шестте въглеродни атома образуват плосък пръстен. Всичките шест нехибридни p-АО са разположени перпендикулярно на равнината на шестатомния пръстен. Те частично се припокриват и формират кръгова делокализирана 6π-връзка.^[5] Три от тях са с по-ниска енергия от тази на изходните 2р-атомни орбитали и са свързващи молекулни орбитали. Останалите три са с по-висока енергия от тази на изходните 2р-атомни орбитали и са антисвързващи.

Данните от рентгеноструктурния анализ потвърждават тези представи за структурата на бензена. Установена е еднаква дължина на всички C-C връзки 0,139 nm и C-H връзки 0,109 nm в молекулата. Дължината на C-C връзките по стойност заема междинно положение в сравнение с дължините на една σ-C-C връзка (0,154 nm) и C=C връзка (0,134 nm). Порядъкът на всички C-C връзки в бензена е еднакъв – 1,67.^[5]

Физични свойства

Бензенът е безцветна течност с миризма, подобна на бензиновата. Топи се при 5,5 °С, а кипи на 80,1 °С. Относително високите температури на топене и кипене на бензена в сравнение с тази на хексана (68,8 °С), който има по-голяма молекулна маса, се обяснява с плоската му и стабилна структура, при която Вандерваалсовите сили между молекулите са по-здрави. Бензенът има голям коефициент на пречупване. Разтваря се слабо във вода и добре в много органични разтворители. Бензенът е добър разтворител на органични съединения.^[6]

Химични свойства

В молекулата на бензена има стабилна ароматна 6π-връзка. Химичните му свойства се определят от полученото стабилно бензеново ядро в молекулата, което се стреми да запази структурата си. Затова за бензена са характерни предимно заместителни реакции, които са критерии за ароматния характер, а не толкова присъединителни реакции.

Електрофилни заместителни реакции

Реакциите протичат по общ S_E2-механизъм. Електрофилните заместители могат да бъдат катиони – NO₂⁺, полярни молекули – SO₃, или неполярни молекули като Cl₂ и Br₂, които се поляризират под действие на катализатор.

Халогенирането на бензен протича с катализатор Люисови киселини – AlCl₃, FeCl₃, FeBr₃, ZnCl₂ и др.

Нитрирането на бензен се извършва при слабо нагряване с нитрирна смес – смес от концентрирана HNO₃ и H₂SO₄ в отношение 1:2, в която се образува нитрониевият йон:

${\ce {HNO3 + 2H2SO4 -> NO2+ + H3O+ + 2HSO4-}}$ .

Образува се жълта маслообразна течност с мирис на горчиви бадеми – нитробензен.

Сулфонирането на бензен се осъществява се с концентрирана H₂SO₄при нагряване:

Алкилирането на бензен е метод за получаване на негови производни. Реакцията протича с халогеноалкан или алкен и катализатор Люисова киселина.

При ацилирането на бензен с киселинни хлориди в присъствие на катализатор Люисови киселини се получават мастно-ароматни кетони. При взаимодействието на етаноилхлорид и бензен се получава метилфенилкетон (ацетофенон):

Присъединителни реакции

Протичат трудно поради стабилността на делокализираната 6π-връзка на ароматното ядро, която трудно се разкъсва. Реакциите протичат при по-груби условия. Бензенът не присъединява халогеноводороди, вода и други полярни съединения, за разлика от алкените и алкините.

В присъствие на активни катализатори – Ni или Pd/C, при висока температура и налягане, е възможно пълно хидриране:

${\ce {C6H6 + 3H2 -> C6H12}}$ .

При взаимодействие на бензен с хлор или бром и облъчване с UV лъчи протича заместителна реакция по верижно-радикалов механизъм:

Възможно е фотохимично или термохимично циклоприсъединяване, подобно на реакции на Дилс–Алдер.

Бензенови радикали могат да се получат при взаимодействие с активни метали, които са донори на електрони:

${\ce {K* + C6H6 -> K+[C6H5]^- + H+}}$ .

Окисление

Бензеновото ядро е много устойчиво спрямо окислители, но може да се окисли с кислород от въздуха при нагряване и катализатор V₂O₅ до фенол. Бензенът и хомолозите му горят с пушлив пламък.

Производни

При заместване на един или повече от водородните атоми в бензеновото ядро с друга функционална група се получават множество производни – фенол, толуен и анилин, бифенил, нафтален, антрацен. Краят на свързването на бензеновите ядра се осъществява при безводородната алотропна форма на въглерода – графит.

Основни класове бензенови производни
Толуен
Етилбензен
p-Ксилен
m-Ксилен
Мезитилен
Дурен
2-Фенилхексан
Бифенил
Фенол
Анилин
Нитробензен
Бензоена киселина
Аспирин
Парацетамол
Пикринова киселина
[Os(NH₃)₅(η²-C₆H₆)]²⁺
((C₆H₆)RuCl₂)₂
(C₆H₃(CH₃)₃Au)₆
M(η⁶-C₆H₆)(CO)₃
(CpRh)₃(η²-_C6H₆)

Получаване

Дестилация на каменовъглено масло

Бензенът се получава чрез дестилация на лекото каменовъглено масло, но така получен е замърсен с около 0,5% тиофен, който има близка температура на кипене и се отделя чрез разклащане с концентрирана сярна киселина.^[6]

От калциев бензоат

Бензен се получава чрез нагряване на калциев бензоат с калциев хидроксид или натриев бензоат с натриева основа. Тази реакция е подобна на реакцията на Дюма за получаване на мастни въглеводороди:^[6]

${\ce {Ca(C6H5COO)2 + Ca(OH)2 -> 2C6H6 + 2CaCO3}}$

От фенол

Друг метод е чрез дестилация на фенол с цинков прах:^[6]

${\ce {C6H5OH + Zn -> C6H6 + ZnO}}$

Метод на Бертло (риформинг)

Тримеризация на етин (ацетилен) при прекарването му през нажежена тръба, при което той се полимеризира (Метод на Бертло)^[6]. Процесът се нарича риформинг. Протича в присъствие на платинови катализатори:

Дехидроциклизация и ароматизация на нефт

Употреба

Бензенът се използва главно като суровина за производството на други химикали. Около 80% от него се използва за получаването на етилбензен, кумен и циклохексан. От тях най-масова употреба намира етилбензенът, прекурсор за синтеза на стирен, който от своя страна влиза в състава на полимери и различни видове пластмаси. Куменът е източник за получаването на фенол, необходим за направата на смоли и лепила. Циклохексан е суровина за синтеза на найлони. Малки количества от самия бензен се използват за получаване на някои видове синтетичен каучук, смазки, бои, детергенти, лекарства, експлозиви и пестициди.

В лабораторните изследвания толуенът напълно е заменил бензена като органичен разтворител, най-вече поради по-ниската си токсичност, като свойствата им на разтворители са много сходни.

В бензина се включва като добавка, повишаваща октановото число и стабилизираща горивния процес.

Токсичност

Професионално заболяване от вдишване на бензенови пари, понякога от контакт с кожата е бензеновото отравяне. При тежки случаи се наблюдават смущения на централната нервна система, гърчове, повръщане, безсъние и др. При по-лекото бензеново отравяне – увреждане на кръвотворните органи с промени в количеството и състава на белите кръвни клетки, кръвоизливи в кожата и лигавицата (хеморагична диатеза) и др. При продължително излагане на влиянието на бензена се развиват различни форми на рак.

Вижте също

Електронни ефекти при производните на бензен

Източници

↑ chem.libretexts.org // Посетен на 25 януари 2019 г.
↑ Benzene // Посетен на 11 юни 2018 г. (на английски)
↑ K. Lonsdale. The Structure of the Benzene Ring in Hexamethylbenzene // Proceedings of the Royal Society 123A. 1929. с. 494.
↑ K. Lonsdale. An X-Ray Analysis of the Structure of Hexachlorobenzene, Using the Fourier Method // Proceedings of the Royal Society 133A. 1931. с. 536 – 553.
↑ ^а ^б ^в Петров, Галин. Органична химия. София, Университетско издателство „Св. Климент Охридски“, 2006. ISBN 978-954-07-2382-2. с. 230 – 274.
↑ ^а ^б ^в ^г ^д Николов, М. Учебник по Химия за студенти по медицина и стоматология. София, АРСО, 2012. ISBN 978-954-8967-26-Х.

Литература

Vollhard, K. Peter C.; Schore, Neil C. – Organic Chemistry: structure and function, 4th edition, 2002
Ганка Робова, Лилия Величкова. „Теми по органична химия за ученици и кандидат-студенти“, изд. Абагар

Тази страница частично или изцяло представлява превод на страницата Benzene и страницата „Бензол“ в Уикипедия на английски и руски език. Оригиналните текстове, както и този превод, са защитени от Лиценза „Криейтив Комънс – Признание – Споделяне на споделеното“, а за творби, създадени преди юни 2009 година – от Лиценза за свободна документация на ГНУ. Прегледайте историята на редакциите на оригиналните страници тук и тук, за да видите списъка на техните съавтори.

ВАЖНО: Този шаблон се отнася единствено до авторските права върху съдържанието на статията. Добавянето му не отменя изискването да се посочват конкретни източници на твърденията, които да бъдат благонадеждни.

[wikidata-be342e61d887f720fc1fdc0e450cc824ce3e96da-v6-1] .libretexts.org // Посетен на 25 януари 2019 г.

[wikidata-141adb3557473c5d86cdbebac957842ce8e2d700-v6-2] Benzene // Посетен на 11 юни 2018 г. (на английски)

[3] K. Lonsdale. The Structure of the Benzene Ring in Hexamethylbenzene // Proceedings of the Royal Society 123A. 1929. с. 494.

[4] K. Lonsdale. An X-Ray Analysis of the Structure of Hexachlorobenzene, Using the Fourier Method // Proceedings of the Royal Society 133A. 1931. с. 536 – 553.

[Петров-5] а ^б ^в Петров, Галин. Органична химия. София, Университетско издателство „Св. Климент Охридски“, 2006. ISBN 978-954-07-2382-2. с. 230 – 274.

[:1-6] а ^б ^в ^г ^д Николов, М. Учебник по Химия за студенти по медицина и стоматология. София, АРСО, 2012. ISBN 978-954-8967-26-Х.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]