"Химия (базовый уровень)", Рудзитис Г.Е.,Фельдман Ф.Г.
Бензол C₆H₆ — ароматический углеводород с плоским шестичленным кольцом и особой электронной системой. Она делает молекулу устойчивой, поэтому бензол чаще вступает в реакции замещения, хотя формула указывает на ненасыщенность. Гомологи бензола получают заменой атомов водорода в кольце на углеводородные радикалы. Знание их строения помогает объяснить физические свойства, горение, токсичность и применение ароматических соединений.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Бензол — углеводород состава C₆H₆. Его структурную формулу изображают как шестиугольное кольцо с чередующимися связями или кругом внутри. Формула и обозначение сразу показывают циклическое строение вещества.
Ароматические углеводороды — углеводороды, содержащие устойчивую циклическую систему с особым распределением электронов. К ней относится бензольное кольцо и его производные. Термин помогает отличать такие вещества от обычных алкенов и циклоалканов.
Гомологи бензола — вещества, сходные с бензолом по строению и химическим свойствам, но отличающиеся на одну или несколько групп CH₂. Например, толуол C₇H₈ является ближайшим гомологом бензола. Это понятие объединяет вещества в единый гомологический ряд.
Бензольное кольцо — циклическая система из шести атомов углерода с общей электронной системой. Её изображают шестиугольником с кругом или с чередующимися связями. Такое обозначение подчёркивает равенство связей и устойчивость кольца.
Формула бензола C₆H₆ не соответствует общей формуле предельных углеводородов CₙH₂ₙ₊₂: для шести атомов углерода предельная формула была бы C₆H₁₄. Недостаток водорода означает наличие цикла и степени ненасыщенности. Но по одной формуле нельзя заключить, что бензол будет вести себя точно как обычный алкен.
В молекуле бензола шесть атомов углерода образуют плоское кольцо, а каждый атом связан с соседними атомами и водородом. Их p-электроны объединяются в общее облако, расположенное над и под плоскостью кольца. Поэтому электронная плотность распределяется равномерно, длины связей выравниваются, а молекула приобретает особую устойчивость.
Присоединение к алкену разрушает π-связь, а в бензоле при этом пришлось бы нарушить устойчивую общую электронную систему. Замещение сохраняет кольцо: один атом водорода уходит, а его место занимает другая группа. Поэтому для бензола особенно характерны бромирование, нитрование и другие реакции замещения.
Гомолог образуется, если атом водорода в кольце заменить углеводородным радикалом, например CH₃ в толуоле. При добавлении каждой группы CH₂ к ряду число атомов водорода изменяется так, что сохраняется общая формула CₙH₂ₙ₋₆. В этой формуле n — общее число атомов углерода, начиная с n = 6 для бензола.
Кольцо с большим содержанием углерода обусловливает горение коптящим пламенем, а неполярность — плохую растворимость в воде. Бензол и многие его гомологи летучи, имеют характерный запах и токсичны, поэтому их пары нельзя вдыхать. В реакциях свойства кольца сочетаются со свойствами боковой цепи: последняя, например, может окисляться до бензойной кислоты.
В таблице сначала ищите строение и формулу, затем связывайте их с физическими и химическими свойствами. Условия реакции особенно важны: один и тот же реагент при разных условиях может дать разные продукты. Для гомологов отдельно учитывайте поведение боковой цепи.
| Свойство | Бензол | Гомологи бензола |
|---|---|---|
| Общая и молекулярная формула | C₆H₆ | CₙH₂ₙ₋₆; например, толуол C₇H₈ |
| Строение молекулы и обозначение бензольного кольца | Плоское кольцо из шести атомов C; шестиугольник с кругом или чередующимися связями | Бензольное кольцо с одним или несколькими углеводородными радикалами |
| Физическое состояние и растворимость в воде | Летучая жидкость, практически не растворяется в воде | Низшие гомологи — жидкости, высшие могут быть твёрдыми; растворимость в воде мала |
| Горение | Горит коптящим пламенем: 2C₆H₆ + 15O₂ → 12CO₂ + 6H₂O | Горят коптящим пламенем с образованием CO₂ и H₂O |
| Реакции замещения | Бромирование с FeBr₃, нитрование, сульфирование | Идут в кольце; радикалы влияют на направление и скорость замещения |
| Реакции присоединения и условия их протекания | Гидрирование при H₂, Ni, нагревании: образуется циклогексан | Возможны при жёстких условиях, но устойчивость кольца сохраняется до их создания |
| Окисление боковой цепи | Боковой цепи нет | Алкилбензолы с водородом у кольца окисляются до бензойной кислоты или её производных |
| Основные области применения | Сырьё для получения пластмасс, красителей, лекарственных веществ и других соединений | Производство полимеров, растворителей, моющих веществ и промежуточных продуктов |
| Токсичность и меры предосторожности | Токсичен и пожароопасен; работать нужно в вытяжном шкафу | Многие токсичны и огнеопасны; необходимы перчатки, очки и вентиляция |
Запишите молекулярную и структурную формулы бензола, определите его относительную молекулярную массу и массовую долю углерода. Используйте Ar(C) = 12 и Ar(H) = 1. Структурно бензол обозначают шестичленным кольцом с тремя условными двойными связями.
Ответ: C₆H₆; структурная формула — бензольное кольцо; Mr = 78; массовая доля углерода — 92,3%.
Составьте уравнение реакции бромирования бензола и укажите условия её протекания. Бромирование кольца является реакцией замещения, а не присоединения. Катализатором служит FeBr₃ или железо, образующее FeBr₃ в реакционной смеси.
Ответ: C₆H₆ + Br₂ → C₆H₅Br + HBr; условие — катализатор FeBr₃, без освещения.
Относительная плотность паров гомолога бензола по водороду равна 46. Найдите его формулу и составьте уравнение полного сгорания. Относительная плотность по H₂ связана с молярной массой соотношением D = M/2. Затем сравним найденную массу с формулой CₙH₂ₙ₋₆.
Ответ: гомолог — толуол C₇H₈, уравнение полного сгорания: C₇H₈ + 9O₂ → 7CO₂ + 4H₂O.
Ошибка 1. Бензол считают обычным циклическим алкеном и записывают только реакции присоединения. Так происходит из-за чередующихся связей в школьной записи формулы. Проверка: вспомните об общей электронной системе и выберите для бензола прежде всего реакцию замещения.
Ошибка 2. Путают C₆H₆ с общей формулой CₙH₂ₙ₋₆. Первая запись относится к конкретному бензолу, а вторая — ко всему ряду, где n показывает число атомов углерода. Проверка: подставьте n = 6 и убедитесь, что получается C₆H₆.
Ошибка 3. Уравнение замещения записывают без условий или указывают свет. Свет обычно направляет реакцию галогенирования алканов по цепному механизму, тогда как бромирование бензола требует катализатора FeBr₃. Проверка: рядом со стрелкой укажите реагент и необходимый катализатор.
Ошибка 4. Окисление боковой цепи применяют к любому алкилбензолу без проверки строения. Для образования бензойной кислоты у углерода, непосредственно связанного с кольцом, должен быть хотя бы один атом водорода. Проверка: найдите этот атом в структурной формуле перед составлением уравнения.
Для понимания темы нужны строение атома углерода, валентность и ковалентная связь. Также пригодятся гомологические ряды и классификация реакций органических веществ. Эти знания позволяют связать формулу с пространственным строением и типом превращения.
Бензол и его производные используются при изучении ароматических соединений, пластмасс, красителей и лекарственных веществ. Их свойства важны для понимания нефтехимической переработки. Многие промышленные продукты получают именно из ароматического сырья.
Реакции замещения помогают объяснять получение производных бензола. Окисление боковой цепи связывает эту тему с превращениями углеводородов и карбоновых кислот. Позже те же закономерности понадобятся при составлении цепочек органических превращений.
Почему бензол называют ненасыщенным углеводородом, если он чаще вступает в реакции замещения?
В молекуле бензола есть π-электроны, а число атомов водорода меньше, чем в предельном ациклическом углеводороде. Однако эти электроны образуют устойчивую общую систему кольца, поэтому разрушать её присоединением невыгодно и для бензола характернее замещение.
Почему в формуле бензола рисуют круг внутри шестиугольника?
Круг показывает общее электронное облако, распределённое над и под плоскостью кольца. Он подчёркивает, что связи C—C в бензоле равноценны, а не являются простым чередованием одинарных и двойных связей.
Чем гомологи бензола отличаются от изомеров бензола?
Гомологи относятся к одному ряду и отличаются друг от друга на одну или несколько групп CH₂. Изомеры имеют одинаковую молекулярную формулу, но разное строение; например, у самого бензола изомеров по составу C₆H₆ нет.
Почему бензол горит коптящим пламенем?
В молекуле бензола велика доля углерода, поэтому при горении его не всегда хватает для полного окисления. Образуются частицы сажи, которые раскаляются и делают пламя светящимся и коптящим.
Как определить, будет ли реакция бензола идти по механизму замещения или присоединения?
Сначала оценивают условия и реагент. При действии галогенов с катализатором, нитрующей или сульфирующей смеси обычно идёт замещение, а присоединение возможно при жёстких условиях, например под действием водорода на никелевом катализаторе при нагревании.
§ 15. Бензол и его гомологи
