"Химия (базовый уровень)", Нифантьев Э.Е., Оржековский П.А.
Ароматические углеводороды, или арены, содержат устойчивое бензольное кольцо с общей системой делокализованных π-электронов. Простейший представитель класса — бензол C₆H₆. Особое строение объясняет одинаковую длину связей в кольце, устойчивость молекулы и преобладание реакций замещения. В параграфе важно научиться распознавать арены по формуле, составлять названия их гомологов, записывать уравнения горения и замещения, а также связывать строение с физическими свойствами и применением.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Ароматический углеводород — углеводород, молекула которого содержит устойчивую циклическую сопряжённую систему с делокализованными π-электронами. Сопряжённая система означает чередование участков, где электроны могут взаимодействовать, а делокализация — их распределение по всему кольцу. Это определение помогает отличить арены от соединений с обычными локальными двойными связями.
Бензол — простейший ароматический углеводород состава C6H6 с шестичленным углеродным кольцом. В его молекуле шесть атомов углерода образуют замкнутую плоскую систему, а каждый атом связан с одним атомом водорода. Бензол считают исходным веществом для сравнения всех одноядерных аренов.
Бензольное кольцо — плоская циклическая группировка из шести атомов углерода с единой электронной системой. Его часто изображают шестиугольником с кругом внутри или с тремя условными двойными связями. Такое обозначение показывает не отдельные связи, а общее распределение π-электронов и равенство связей C—C.
Гомологический ряд бензола — ряд ароматических углеводородов, представители которого отличаются друг от друга на группу CH2. Для одноядерных представителей действует общая формула CnH2n−6. По этой формуле можно быстро проверить, соответствует ли состав вещества гомологам бензола, но затем нужно подтвердить наличие бензольного кольца.
Каждый атом углерода в бензольном кольце образует три σ-связи: с двумя соседними атомами углерода и с атомом водорода или заместителем. Оставшаяся p-орбиталь каждого атома участвует в общей π-системе. Поэтому электронная плотность распределяется над и под плоскостью кольца, а все связи C—C становятся одинаковыми и занимают промежуточное положение между одинарной и двойной связью. Такая делокализация снижает энергию молекулы и делает её особенно устойчивой.
Арены выделяют в отдельный класс, потому что их свойства определяются не просто наличием углеродного цикла или кратных связей. В алканах связи в основном одинарные, а в алкенах π-электроны сосредоточены в конкретной двойной связи и легко участвуют в присоединении. В бензоле π-электроны принадлежат всему кольцу, поэтому разрушение этой системы энергетически невыгодно. Именно сочетание цикличности, сопряжения и делокализации отличает ароматическое ядро от обычной цепи или отдельной двойной связи.
При реакции замещения бензольное кольцо сохраняется, а один его атом водорода заменяется другой группой. Такой путь выгоднее присоединения, потому что после него ароматическая электронная система восстанавливается. Например, при нитровании образуется нитробензол, а при хлорировании в присутствии катализатора — хлорбензол. Условия реакции нужны для образования активной частицы, которая временно взаимодействует с кольцом, не разрушая его окончательно.
Небольшие молекулы аренов обычно являются летучими жидкостями, а более тяжёлые представители могут быть твёрдыми веществами. В воде они растворяются плохо, поскольку неполярное углеводородное ядро не образует с водой прочных взаимодействий; зато хорошо растворяются во многих органических растворителях. При горении арены дают углекислый газ и воду, а большое содержание углерода приводит к коптящему пламени при недостатке кислорода. Бензол и многие его производные токсичны, поэтому их нельзя вдыхать или использовать без соблюдения правил безопасности.
| Признак | Бензол | Гомологи бензола | Ароматические углеводороды в целом |
|---|---|---|---|
| Общая и молекулярная формула | C6H6 | CnH2n−6; например, толуол C7H8 | Формулы зависят от числа ароматических ядер и заместителей |
| Строение углеродного скелета | Одно плоское шестичленное кольцо | Бензольное кольцо с углеводородными заместителями | Одно или несколько ароматических ядер, соединённых с углеводородными фрагментами |
| Наличие бензольного кольца | Одно | Одно у одноядерных гомологов | Может быть одно или несколько |
| Характер связей и делокализация электронов | Все связи C—C равны, π-электроны делокализованы | Сохраняется делокализованная система кольца | Свойства определяются ароматическим ядром |
| Физическое состояние и растворимость в воде | Летучая жидкость, плохо растворимая | Обычно жидкости, высшие представители могут быть твёрдыми; растворимость мала | Чаще плохо растворимы в воде |
| Горение | Горит коптящим пламенем | Горят с образованием CO2 и H2O, часто коптят | При недостатке кислорода возможно образование сажи и CO |
| Типичные реакции | Замещение: нитрование, хлорирование | Замещение в кольце и окисление боковой цепи | Преимущественно замещение, иногда реакции по заместителям |
| Примеры и области применения | Растворитель и сырьё органического синтеза | Толуол, этилбензол, ксилолы; сырьё для полимеров и красителей | Производство пластмасс, лекарств, красителей и растворителей |
Таблицу удобно читать по строкам, сравнивая один признак у разных представителей класса. По столбцу бензола можно восстановить свойства исходного вещества, а по столбцу гомологов — увидеть, что добавление заместителей меняет состав, но сохраняет ароматическое ядро. При решении задач сначала определяйте строение, затем используйте соответствующую формулу и тип реакции.
Определите, является ли вещество C8H10 ароматическим углеводородом, и назовите возможные изомеры его строения. Нужно проверить общую формулу одноядерных гомологов и учесть варианты расположения заместителей в кольце. Изомеры имеют одинаковый состав, но различное строение.
Ответ: C8H10 — ароматический углеводород; возможны этилбензол и три изомера диметилбензола.
Запишите уравнение полного сгорания бензола и вычислите объём кислорода для сжигания 5,6 л бензола при одинаковых условиях. Сначала нужно уравнять реакцию по углероду и водороду, а затем найти отношение объёмов газов по коэффициентам. Бензол в условии рассматривается в газообразном состоянии или в виде пара.
Ответ: 2C6H6 + 15O2 → 12CO2 + 6H2O; потребуется 42 л кислорода.
Составьте уравнение нитрования толуола, назовите основные продукты и объясните тип реакции. Метильная группа влияет на электронную плотность кольца и направляет новый заместитель преимущественно в орто- и пара-положения. При нитровании один атом водорода кольца заменяется нитрогруппой NO2.
Ответ: основные продукты — 2- и 4-нитротолуол; реакция относится к замещению.
Ошибка: бензол считают обычным циклическим алкеном и изображают три независимые двойные связи. Так происходит из-за переноса модели алкенов на делокализованную систему. Проверка: вспомните, что все связи C—C одинаковы, а π-электроны принадлежат всему кольцу.
Ошибка: аренам приписывают формулы CnH2n или CnH2n+2. Эти формулы относятся соответственно к алкенам и циклоалканам или к алканам, а не к одноядерным гомологам бензола. Проверяйте формулу CnH2n−6 и наличие бензольного кольца.
Ошибка: нитрование или хлорирование бензола называют присоединением. Ученик видит новую группу у кольца и забывает, что при этом удаляется атом водорода. Проверьте уравнение: если кольцо сохранилось, а H заменён на NO2 или Cl, это замещение.
Ошибка: считают, что все ароматические углеводороды хорошо растворяются в воде, потому что некоторые из них являются жидкостями. Агрегатное состояние не определяет растворимость: неполярные арены обычно плохо смешиваются с водой. Самопроверка — отдельно оцените физическое состояние и способность вещества взаимодействовать с водой.
Для изучения аренов нужны знания о валентности углерода, строении органических молекул, видах углеродных цепей и общих формулах углеводородов. Эти сведения помогают определить, как атомы соединены и к какому классу относится формула.
Реакции замещения опираются на представления о химических связях, горении и свойствах алканов и алкенов. Сравнение с алкенами объясняет, почему бензол не ведёт себя как соединение с обычной двойной связью.
Тема связана с органическим синтезом и производством пластмасс, красителей и лекарственных веществ. Одновременно она нужна для понимания экологической опасности бензола и правил работы с токсичными веществами.
Почему бензол относят к ненасыщенным углеводородам, если в нём нет обычных двойных связей?
В молекуле бензола шесть π-электронов образуют общую делокализованную систему, поэтому его относят к ненасыщенным соединениям. Однако эти электроны не принадлежат отдельным двойным связям, а распределены по всему кольцу.
Почему бензол не обесцвечивает бромную воду так, как алкены?
Присоединение разрушило бы устойчивую ароматическую систему бензольного кольца. Поэтому без специальных условий бензол не присоединяет бром по месту условной двойной связи и обычно вступает с ним в реакцию замещения в присутствии катализатора.
Чем бензольное кольцо отличается от изображения с тремя двойными связями?
Три двойные связи — лишь одна из условных форм записи строения бензола. В действительности все связи C—C одинаковы по длине, а π-электроны делокализованы над всем плоским кольцом.
Как быстро проверить, относится ли формула вещества к гомологам бензола?
Для одноядерного ароматического углеводорода нужно проверить формулу CₙH₂ₙ−₆ и убедиться, что в составе есть бензольное кольцо и только углерод с водородом. Например, при n = 8 получаем C₈H₁₀.
Почему толуол считают гомологом бензола, хотя в его молекуле больше атомов углерода?
Толуол имеет строение бензольного кольца с метильной группой: C₆H₅CH₃. Он отличается от бензола на фрагмент CH₂, поэтому входит в его гомологический ряд.
§ 13. Ароматические углеводороды
