Бензол горит. Расчет параметров продуктов горения бензола в воздухе

ПОСОБИЕ-РЕПЕТИТОР ПО ХИМИИ.

Арены. Бензол .

Статья посвящена ароматическим углеводородам (аренам) и самому простому их представителю – бензолу. Материал содержит
теоретическую часть в объеме, необходимом для подготовки к сдаче ЕГЭ, тест и задачи. Приведены также ответы и,

к некоторым задачам, – решения.

И.В.ТРИГУБЧАК

Ароматические углеводороды (арены). Бензол

П л а н 1. Определение, общая форму ла гомологического ряда, строение молекулы (на примере бензола). 2. Физические свойства бензола. 3. Химические свойства бензола: а) реакции замещения (галоге нирование, нитрование, суль фирование, алкилирование); б) реакции присоединения (ги дрирование, хлорирование); в) реакции окисления (горе ние). 4. Получение бензола (в про мышленности – переработкой нефти и угля, дегидрированием циклогексана, ароматизацией гексана, тримеризацией ацетиле на; в лаборатории – сплавлением солей бензойной кислоты со ще лочами).

Арены – это углеводороды, молекулы которых содержат одно или несколько бензольных колец. Под бензольным кольцом под разумевается кольцевая система атомов углерода с делокализован ными π-электронами. В 1931 г. Э.Хюккель сформулировал пра вило, гласящее, что соединение должно проявлять ароматические свойства, если в его молекуле со держится плоское кольцо с (4n + 2) обобщенными электронами, где n может проявлять значения целых чисел от 1 и далее (правило Хюк келя). Согласно этому правилу системы, содержащие 6, 10, 14 и т.д. обобщенных электронов, явля ются ароматическими. Различают три группы аренов по количеству и взаимному расположению бен зольных колец.

Моноциклические арены.

Изобразите структурные фор мулы бензола, толуола, о-ксилола, кумола. Назовите эти вещества по систематической номенклатуре.

Полициклические арены с изолированными ядрами.

Изобразите структурные фор мулы дифенила, дифенилметана, стильбена.

Полициклические арены с конденсированными ядрами.

Изобразите структурные фор мулы нафталина, антрацена.

Общая формула моноциклических аренов ряда бензола – С6Н2n–6, где n ≥ 6. Простейший представитель – бензол (С6Н6). Предложенная в 1865 г. немецким химиком
Ф.А.Кекуле циклическая формула бензола с сопряженными связями (циклогексатриен-1,3,5) не объясняла многие свойства бензола.
Для бензола характерны реакции замещения, а не реакции присоединения, как для непредельных углеводородов. Реакции присоединения возможны, но протекают
они труднее, чем у алкенов.
Бензол не вступает в реакции, являющиеся качественными на непредельные углеводороды (с бромной водой и раствором перманганата калия).
Проведенные позже исследования показали, что все связи между атомами углерода в молекуле бензола имеют одинаковую длину – 0,140 нм (среднее значение между длиной простой связи С–С 0,154 нм и двойной связи С=С 0,134 нм). Угол между связями у каждого атома углерода равен 120 °. Молекула бензола представляет собой правильный плоский шестиугольник.
Современная теория строения молекулы бензола базируется на представлении о гибридизации орбиталей атома углерода. Согласно этой теории, атомы углерода в бензоле находятся в состоянии sp2-гибридизации. Каждый атом углерода образует три σ-связи (две с атомами углерода и одну – с атомом водорода). Все σ-связи находятся в одной плоскости. У каждого атома углерода остается еще по одному р-электрону, не участвующему в гибридизации. Негибридизированные р-орбитали атомов углерода находятся в плоскости, перпендикулярной плоскости σ-связей. Каждое р-облако перекрывается с двумя соседними р-облаками, в результате чего образуется единая сопряженная π-система. Единое π-электронное облако расположено над и под бензольным кольцом, причем р-электроны не связаны с каким-либо атомом углерода и могут перемещаться относительно них в том или ином направлении. Полная симметричность бензольного ядра, обусловленная сопряжением, придает ему особую устойчивость.
Таким образом, наряду с формулой Кекуле используется формула бензола, где обобщенное электронное облако изображают замкнутой линией внутри кольца.
Изобразите формулу Кекуле и формулу, показывающую сопряженную π-систему.

Радикал, образованный от бензола, имеет тривиальное название фенил.
Изобразите его структурную формулу.

Физические свойства

При обычных условиях бензол представляет собой бесцветную жидкость с температурой плавления 5,5 °С, температурой кипения 80 °С; имеет характерный запах; легче воды и с ней не смешивается; хороший органический растворитель; токсичен.

Химические свойства

Химические свойства бензола и его гомологов определяются спецификой ароматической связи. Наиболее характерными для аренов являются реакции замещения (для бензола они протекают тяжелее, чем для его гомологов).

Галогенирование.
Напишите реакцию хлорирования бензола.

Нитрование.
Напишите реакцию взаимодействия бензола с азотной кислотой.

Сульфирование.
Напишите реакцию взаимодействия бензола с серной кислотой.

Алкилирование (реакция Фри деля–Крафтса).

Напишите реак ции получения этилбензола при взаимодействии бензола с хлор этаном и с этиленом.

Cистема из 6 π-электронов является более устойчивой, чем 2π-электронная, поэтому реакции присоединения для аренов менее характерны, чем для алкенов; они возможны, но при более жестких условиях.

Гидрирование.

Напишите реакцию гидрирования бензола до циклогексана.

Присоединение хлора.

Напишите реакцию хлорирования бензола до гексахлорана.

Реакции окисления для бензола возможна только в виде горения, т.к. к действию окислителей бензольное кольцо устойчиво.
Напишите реакцию горения бензола. Объясните, почему ароматические углеводороды горят коптящим пламенем.

Получение аренов

У углеводородов этого гомологического ряда исторически сложившееся название - ароматические, которое они получили из – за того, что представители имеют характерный запах(иногда приятный, иногда- нет.)

В современной жизни это производные бензола: показ благовоний, дихлофоса, ванилина, красителей, нафталина, освежителя воздуха.

Строение бензола. Учебник: Стр.66-68.

В 1681 г нагреванием каменного угля без доступа воздуха был получен светильный газ, в 1792 г начала работать промышленная установка по производству светильного газа. В 1814 г в Лондоне был уже целый квартал, освящаемый газовыми фонарями. В холодное время года газовые фонари по какой-то причине давали тусклое освещение. Этот вопрос исследовал М. Фарадей. На дне железных баллонов, в которых под давлением хранили светильный газ, он обнаружил жидкость и вывел ее состав.
Состав оказался С 6 Н 6 . Фарадей назвал вещество карбюрированным водородом. Это было в 1825 г.
А. Кекуле в 1865 г предложил его структурную формулу. (Учитель записывает структурную формулу бензола на доске)
-К какому классу соединений можно отнести это вещество?
-Непредельным.
- Как проверить вещества на наличие двойной связи экспериментальным путем?
- Провести качественные реакции с бромной водой и раствором перманганата калия.
- Когда ученые стали проверять на практике наличие двойных связей в строении этого вещества, то обнаружили что:
1) при взбалтывании бромной воды с бензолом (после некоторого отстаивания) появляется интенсивная окраска бензольного слоя, так как бензол извлекает из бромной воды бром, потому что бром лучше растворим в бензоле, чем в воде, это явление физическое.
2) обнаружили, что при приливании бензола в раствор перманганата калия не произошло обесцвечивание раствора.
- Какой можно сделать вывод о строении бензола?
-По результатам химического эксперимента получается, что у бензола нет двойных связей.
-Каково химическое строение молекулы бензола (проблемный вопрос)?
Физические свойства. Учебник: Химия 10 класс: учеб. для общеобразоват. организаций с прил. на электрон. Носителе (DVD) / Г.Е. Рудзитис, Ф.Г. Фельдман. – М.:Просвещение, 2014. -208 с.: ил. Стр. 71.

Бензол- бесцветная жидкость, практически нерастворима в воде, с ароматным запахом, но пары бензола ядовиты, температура кипения=+80,10С, температура плавления=+5,50С, легче воды, поэтому не смешивается с ней, перегоняется при кипячении

(на доске вывешивается карточки: +80,10С, +5,50С )

- Биологическое действие

При непродолжительном вдыхании паров бензола не возникает немедленного отравления, поэтому до недавнего времени порядок работ с бензолом особо не регламентировался.

В больших дозах бензол вызывает тошноту и головокружение, а в некоторых тяжёлых случаях отравление может повлечь смертельный исход. Первым признаком отравления бензолом нередко бывает эйфория. Пары бензола могут проникать через неповрежденную кожу. Если организм человека подвергается длительному воздействию бензола в малых количествах, последствия также могут быть очень серьёзными. В этом случае хроническое отравление бензолом может стать причиной лейкемии и анемии. Сильный канцероген.

Получение. Учебник: Химия 10 класс: учеб. для общеобразоват. организаций с прил. на электрон. Носителе (DVD) / Г.Е. Рудзитис, Ф.Г. Фельдман. – М.:Просвещение, 2014. -208 с.: ил. Стр. 69.

¾ Какие способы получения вы можете предложить?

(Ученики пишут на доске реакцию тримеризации ацетилена и ароматизацию гексана.)

Очень интересна история открытия бензола

Химические свойства. Учебник: Химия 10 класс: учеб. для общеобразоват. организаций с прил. на электрон. Носителе (DVD) / Г.Е. Рудзитис, Ф.Г. Фельдман. – М.:Просвещение, 2014. -208 с.: ил. Стр. 71 – 74.

Какой тип реакций будет характерен для бензола? (предположения учащихся)

Действительно, бензол вступает и в реакции присоединения, и в реакции замещения, но

1)Реакции замещения протекают легче, чем у предельных углеводородов (демонстрация видеосюжета из виртуальной лаборатории с пояснениями)

2)Реакции присоединения протекают труднее, чем у непредельных углеводородов

(демонстрация видеосюжетаиз виртуальной лаборатории с пояснениями)

Запомните:

Если в молекуле бензола один из атомов водорода замещен на углеводородный радикал, то в дальнейшем в первую очередь будут замещаться атомы водорода при втором, четвертом и шестом атомах углерода.

Вопрос классу: В чем причина?

Оказывается, 6 р-электронов создают настолько прочную единую систему п- связей, что разорвать её труднее, чем разорвать связь между атомом углерода и водорода(требуется больше энергии).

Изомерия. Стр. 68.

Для аренов характерна изомерия положения нескольких заместителей.

Физические свойства

Бензол и его ближайшие гомологи – бесцветные жидкости со специфическим запахом. Ароматические углеводороды легче воды и в ней не растворяются, однако легко растворяются в органических растворителях – спирте, эфире, ацетоне.

Бензол и его гомологи сами являются хорошими растворителями для многих органических веществ. Все арены горят коптящим пламенем ввиду высокого содержания углерода вих молекулах.

Физические свойства некоторых аренов представлены в таблице.

Таблица. Физические свойства некоторых аренов

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

Бензол – легкокипящая ( t кип = 80,1°С), бесцветная жидкость, не растворяется в воде

Внимание! Бензол – яд, действует на почки, изменяет формулу крови (при длительном воздействии), может нарушать структуру хромосом.

Большинство ароматических углеводородов опасны для жизни, токсичны.

Получение аренов (бензола и его гомологов)

В лаборатории

1. Сплавление солей бензойной кислоты с твёрдыми щелочами

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

бензоат натрия

2. Реакция Вюрца-Фиттинга : (здесь Г – галоген)

С 6 H 5 -Г + 2 Na + R -Г → C 6 H 5 - R + 2 Na Г

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

В промышленности

выделяют из нефти и угля методом фракционной перегонки, риформингом;
из каменноугольной смолы и коксового газа

1. Дегидроциклизацией алканов с числом атомов углерода больше 6:

C 6 H 14 t , kat →C 6 H 6 + 4H 2

2. Тримеризация ацетилена (только для бензола) – р. Зелинского :

3С 2 H 2 600° C , акт. уголь →C 6 H 6

3. Дегидрированием циклогексана и его гомологов:

Советский академик Николай Дмитриевич Зелинский установил, что бензол образуется из циклогексана (дегидрирование циклоалканов

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. Алкилирование бензола (получение гомологов бензола) – р Фриделя-Крафтса .

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

хлорэтан этилбензол

Химические свойства аренов

I . РЕАКЦИИ ОКИСЛЕНИЯ

1. Горение (коптящее пламя):

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

2. Бензол при обычных условиях не обесцвечивает бромную воду и водный раствор марганцовки

3. Гомологи бензола окисляются перманганатом калия (обесцвечивают марганцовку):

А) в кислой среде до бензойной кислоты

При действии на гомологи бензола перманганата калия и других сильных окислителей боковые цепи окисляются. Какой бы сложной ни была цепь заместителя, она разрушается, за исключением a -атома углерода, который окисляется в карбоксильную группу.

Гомологи бензола с одной боковой цепью дают бензойную кислоту:

Гомологи, содержащие две боковые цепи, дают двухосновные кислоты:

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

Упрощённо:

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

Б) в нейтральной и слабощелочной до солей бензойной кислоты

C 6 H 5 -CH 3 + 2KMnO 4 → C 6 H 5 COO К + K ОН + 2MnO 2 + H 2 O

II . РЕАКЦИИ ПРИСОЕДИНЕНИЯ (труднее, чем у алкенов)

1. Галогенирование

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

2. Гидрирование

C 6 H 6 + 3H 2 t , Pt или Ni →C 6 H 12 (циклогексан)

3. Полимеризация

III . РЕАКЦИИ ЗАМЕЩЕНИЯ – ионный механизм(легче, чем у алканов)

1. Галогенирование -

a ) бензола

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) гомологов бензола при облучении или нагревании

По химическим свойствам алкильные радикалы подобны алканам. Атомы водорода в них замещаются на галоген по свободно-радикальному механизму. Поэтому в отсутствие катализатора при нагревании или УФ-облучении идет радикальная реакция замещения в боковой цепи. Влияние бензольного кольца на алкильные заместители приводит к тому, что замещается всегда атом водорода у атома углерода, непосредственно связанного с бензольным кольцом (a -атома углерода).

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

в) гомологов бензола в присутствии катализатора

C 6 H 5 -CH 3 + Cl 2 AlCl 3 → (смесь орта, пара производных) +HCl

2. Нитрование (с азотной кислотой)

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

нитробензол - запах миндаля !

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

2,4,6-тринитротолуол (тол, тротил)

Применение бензола и его гомологов

Бензол C 6 H 6 – хороший растворитель. Бензол в качестве добавки улучшает качество моторного топлива. Служит сырьем для получения многих ароматических органических соединений – нитробензола C 6 H 5 NO 2 (растворитель, из него получают анилин), хлорбензола C 6 H 5 Cl, фенола C 6 H 5 OH, стирола и т.д.

Толуол C 6 H 5 –CH 3 – растворитель, используется при производстве красителей, лекарственных и взрывчатых веществ (тротил (тол), или 2,4,6-тринитротолуол ТНТ).

Ксилолы C 6 H 4 (CH 3) 2 . Технический ксилол – смесь трех изомеров (орто -, мета - и пара -ксилолов) – применяется в качестве растворителя и исходного продукта для синтеза многих органических соединений.

Изопропилбензол C 6 H 5 –CH(CH 3) 2 служит для получения фенола и ацетона.

Хлорпроизводные бензола используют для защиты растений. Так, продукт замещения в бензоле атомов Н атомами хлора – гексахлорбензол С 6 Сl 6 – фунгицид; его применяют для сухого протравливания семян пшеницы и ржи против твердой головни. Продукт присоединения хлора к бензолу – гексахлорциклогексан (гексахлоран) С 6 Н 6 Сl 6 – инсектицид; его используют для борьбы с вредными насекомыми. Упомянутые вещества относятся к пестицидам – химическим средствам борьбы с микроорганизмами, растениями и животными.

Стирол C 6 H 5 – CH = CH 2 очень легко полимеризуется, образуя полистирол, а сополимеризуясь с бутадиеном – бутадиенстирольные каучуки.

ВИДЕО-ОПЫТЫ

Продолжение. Начало см. в № 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22/2004

Урок 14.
Получение, химические свойства
и применение бензола

Получение. Важнейшими источниками ароматических углеводородов служат:

каменный уголь , точнее, образующиеся при пиролизе угля каменноугольная смола и коксовый газ; так, из 1 т угля получают 1 кг бензола, 200 г толуола, 50 г ксилолов, 200 г фенола, 1 кг крезолов, 2,5 кг нафталина;
нефть , вернее сказать, продукты перегонки и пиролиза нефти.

Химические реакции, протекающие при пиролизе нефти с целью получения ароматических углеводородов, объединяет общее понятие риформинг или ароматизация нефти . Главные процессы при риформинге:
Дегидрирование циклогексанов и алкилциклопентанов в бензол, толуол и ксилолы:

Риформинг этилциклопентана происходит с расширением цикла из пятичленного в шестичленный:

Циклизация предельных и непредельных углеводородов в арены (отщепление водорода с замыканием цикла):

Химические свойства. Бензол – родоначальник аренов – относится к ненасыщенным соединениям. Однако из-за особенности строения бензольного ядра его структура очень устойчивая (сопряжение трех -связей).
Реакции замещения атомов водорода в ароматическом кольце.
Галогенирование бензола в присутствии катализатора FeBr 3 при умеренном нагревании:

Нитрование бензола при действии концентрированной азотной кислоты в присутствии водоотнимающего средства Н 2 SO 4 (конц.) и при нагревании:

Реакции присоединения по -связям в бензольном кольце.
Гидрирование бензола (присоединение водорода) протекает при нагревании в присутствии катализатора платины, продукт реакции – циклогексан:

Хлорирование бензола протекает с трудом при ультрафиолетовом или ярком солнечном освещении. В реакции происходит полное хлорирование, т.е. присоединение трех молекул Сl 2 к одной молекуле бензола:

Горение . Бензол горит на воздухе коптящим пламенем:

2С 6 Н 6 + 15О 2 12СО 2 + 6Н 2 О.

Применение. Бензол служит растворителем многих органических веществ. Его используют как исходное вещество в синтезе нитробензола С 6 Н 5 NO 2 и хлорбензола С 6 Н 5 Сl. Эти соединения являются растворителями. Кроме того, из них получают анилин С 6 Н 5 NH 2 и фенол С 6 Н 5 ОН:

Алкилированием бензола этиленом в присутствии катализатора АlСl 3 получают этилбензол, который превращают в стирол, а затем в полистирол и другие полимеры (с бутадиеном-1,3 – бутадиенстирольный каучук):

Некоторые хлорпроизводные бензола являются пестицидами – средствами борьбы с вредными организмами. Так, гексахлорбензол С 6 Сl 6 используют для обработки семян зерновых перед посадкой (протравливания) против грибкового заболевания – твердой головни. Вещества, препятствующие развитию грибковых заболеваний, называют фунгицидами.
Производное бензола с двумя атомами хлора в кольце (торговое название – «2,4-Д») служит гербицидом – веществом, уничтожающим сорняки:

УПРАЖНЕНИЯ.

1. Напишите уравнения реакций дегидрирования (ароматизации): а) метилциклогексана;
б) метилциклопентана.

2. Толуол бромируется и нитруется подобно бензолу, но при меньшем нагревании (30 °С). Причем входящие заместители направляются в орто- и параположения относительно метильной группы кольца. Составьте уравнения реакций монобромирования и мононитрования толуола.

3. Реакция хлорирования толуола в парах (при температуре кипения толуола 110 °С и освещении электрической лампой 500 Вт) дает преимущественно продукт монохлорирования в группе СН 3 боковой цепи, т.е. вещество С 6 Н 5 СН 2 Сl. Составьте уравнение этой реакции.

4. Составьте уравнения реакций горения толуола и ксилола.

5. Действием брома на 78 г бензола получено столько же (78 г) бромбензола. Какой выход (в %) бромбензола в реакции?