"Химия (углублённый уровень)", Еремин В.В., Кузьменко Н.Е., Теренин В.И. и др./Под ред. Лунина В.В.
Арены — углеводороды с устойчивой ароматической системой, важное сырьё для химической промышленности. Их получают из нефтяных углеводородов при каталитическом риформинге, превращают в бензол из циклоалканов или ацетилена. При ароматизации алкана углеродная цепь замыкается в кольцо и теряет водород, а из циклогексана бензол образуется только за счёт отщепления водорода. Знание этих превращений помогает понять, откуда берутся вещества для производства пластмасс, красителей и других продуктов.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Ароматизация — превращение неароматического углеводорода в арен с образованием устойчивой ароматической системы. Для алкана это не просто потеря водорода: углеродная цепь сначала замыкается в цикл, а затем формируется ароматическая структура. Такое понятие помогает описывать получение бензола из веществ, которые сами аренами не являются.
Каталитический риформинг — промышленная переработка бензиновых фракций нефти, при которой образуются арены и разветвлённые углеводороды. Катализатор ускоряет превращения, не расходуясь в общей реакции. Риформинг позволяет получать ценные компоненты топлива и сырьё для органического синтеза.
Тримеризация ацетилена — соединение трёх молекул C₂H₂ в одну молекулу бензола при нагревании в присутствии катализатора. Слово «тримеризация» указывает именно на объединение трёх молекул исходного вещества. Это важно учитывать при составлении уравнения: в молекуле бензола шесть атомов углерода.
Кумол — тривиальное название изопропилбензола, одного из производных бензола. В промышленности его используют для получения фенола и ацетона. Знание этого названия помогает связать строение аренов с производством веществ, нужных для дальнейшего химического синтеза.
При ароматизации алкана углеродная цепь замыкается, потому что для образования бензольного кольца шесть атомов углерода должны стать частью циклического скелета. Одновременно молекула теряет водород: это позволяет сформировать ароматическую систему с меньшим числом атомов водорода. Например, из гексана образуется бензол, а оставшиеся атомы водорода выделяются в виде молекул H₂: C₆H₁₄ → C₆H₆ + 4H₂. Уравнение проверяют по числу атомов углерода и водорода с обеих сторон.
При дегидрировании циклоалкана углеродная цепь уже замкнута, поэтому циклизация не нужна. Чтобы получить устойчивую ароматическую систему, от молекулы отщепляется водород. Так циклогексан превращается в бензол: C₆H₁₂ → C₆H₆ + 3H₂. Число атомов углерода остаётся равным шести, а шесть лишних атомов водорода составляют три молекулы H₂.
При тримеризации три молекулы ацетилена объединяются в одну молекулу бензола. В каждой молекуле C₂H₂ два атома углерода, поэтому три молекулы дают нужные шесть атомов углерода; число атомов водорода также сохраняется: 3C₂H₂ → C₆H₆. Нельзя записывать одну молекулу ацетилена слева, поскольку тогда в уравнении не хватит атомов для образования бензола. Реакция идёт при нагревании и в присутствии катализатора.
Каталитический риформинг позволяет получать арены из бензиновых фракций нефти, в которых содержатся разные углеводороды. Под действием катализатора некоторые из них перестраиваются, циклизуются и теряют водород, превращаясь в арены; могут также образовываться разветвлённые углеводороды. Нефтяные фракции разделяют при переработке нефти, а затем используют как сырьё для дальнейших процессов. Так получают смесь ценных продуктов, а не только одно чистое вещество.
Применение аренов определяется их строением и способностью вступать в реакции органического синтеза. Бензол и толуол используют как исходные вещества для получения множества производных, включая компоненты для производства пластмасс и красителей. Этилбензол служит сырьём для получения стирола, из которого производят полистирол. Ксилолы используют для синтеза важных материалов, в том числе полиэфирных волокон и ароматических кислот.
Таблица сопоставляет исходные вещества, способы получения и дальнейшее использование аренов. В строках, посвящённых способам, обращайте внимание на то, меняется ли углеродный скелет или только удаляется водород. В строках с отдельными веществами проследите, какое промышленное сырьё получают из каждого арена.
| Способ или арен | Исходное вещество | Условия или превращение | Продукт | Применение |
|---|---|---|---|---|
| Ароматизация алканов | Алканы, например гексан | Циклизация и отщепление водорода | Арены, например бензол | Сырьё органического синтеза |
| Дегидрирование циклоалканов | Циклогексан | Отщепление водорода | Бензол | Сырьё органического синтеза |
| Тримеризация ацетилена | Ацетилен | Нагревание, катализатор; 3C₂H₂ → C₆H₆ | Бензол | Получение химических продуктов |
| Бензол и толуол | Арены | Использование в органическом синтезе | Производные аренов | Производство пластмасс, красителей и других веществ |
| Этилбензол и ксилолы | Арены | Химическая переработка | Стирол, полиэфирные материалы и ароматические кислоты | Производство полимеров, волокон и других материалов |
| Кумол | Изопропилбензол | Промышленное окисление и последующее разложение | Фенол и ацетон | Получение фенола и ацетона |
Запишите уравнение получения бензола ароматизацией гексана и укажите, какие молекулы образуются помимо бензола. В условии дан алкан C₆H₁₄, а продуктом должен стать арен C₆H₆. Нужно определить, куда переходят атомы водорода, которых в продукте стало меньше.
В реакции помимо бензола образуются молекулы водорода. Это следует не из предположения, а из сохранения числа атомов: водород не исчезает, а выделяется из углеводорода.
Составьте уравнение превращения циклогексана в бензол и найдите объём водорода, получаемого из 1 моль циклогексана при н. у. При нормальных условиях молярный объём газа равен 22,4 л/моль. Сначала нужно определить количество водорода по уравнению, а уже затем перевести его в объём.
Ответ: уравнение реакции C₆H₁₂ → C₆H₆ + 3H₂; объём водорода равен 67,2 л. Три моля газа получаются потому, что в каждой молекуле H₂ два атома водорода, а из циклогексана удаляются шесть атомов.
Из 3 моль ацетилена получили бензол с выходом 80%. Найдите количество вещества и массу бензола. Выход меньше 100%, поэтому фактически полученного продукта будет меньше, чем предсказывает уравнение для полного превращения. Для массы потребуется молярная масса бензола, равная 78 г/моль.
Ответ: количество бензола составляет 0,80 моль, масса — 62,4 г. Проверка хода решения: сначала использовано стехиометрическое соотношение реакции, затем результат умножен на долю выхода, записанную десятичной дробью.
Ошибка: считать ароматизацию алкана простым отщеплением водорода. Так думают, потому что образование бензола действительно сопровождается выделением H₂, но забывают о перестройке углеродного скелета. При превращении ациклического алкана в арен цепь одновременно замыкается в цикл. Проверьте себя: спросите, откуда в открытой цепи появилось кольцо, и изобразите изменение скелета.
Ошибка: неверно уравнивать тримеризацию ацетилена, записывая недостаточное число молекул C₂H₂. Это происходит, если не сверить состав исходного вещества и бензола. В C₆H₆ шесть атомов углерода, а в одной молекуле ацетилена их только два, поэтому необходимы три молекулы: 3C₂H₂ → C₆H₆. Проверяйте отдельно количество атомов каждого элемента.
Ошибка: путать дегидрирование циклоалкана с ароматизацией алкана. Названия кажутся похожими, потому что оба превращения могут приводить к бензолу и сопровождаться выделением водорода. Но у циклоалкана углеродный скелет уже замкнут, тогда как у алкана при ароматизации требуется ещё и циклизация. Сверяйте формулу и строение исходного вещества.
Ошибка: считать арены только растворителями. Такое представление возникает из-за знакомого бытового применения некоторых ароматических веществ, однако в химической промышленности арены часто важнее как сырьё для синтеза. Из них получают пластмассы, красители и другие органические вещества. Чтобы проверить себя, назовите хотя бы один продукт, который получают из бензола, толуола, этилбензола или ксилола.
Для понимания способов получения аренов нужно знать строение бензольного кольца и различать арены и их гомологи. Уравнивание реакций помогает правильно находить количество водорода и продуктов тримеризации. Каталитический риформинг связывает тему с переработкой нефти, а применение аренов — с органическим синтезом.
Этилбензол связан с производством стирола и полимеров, ксилолы — с получением ароматических кислот и материалов. Кумол служит сырьём для фенола и ацетона. Эти примеры показывают, как знания о строении углеводородов переходят к изучению полимеров и других классов органических веществ.
Что называют ароматизацией углеводородов?
Ароматизация — превращение неароматического углеводорода в арен с образованием ароматической системы. Если исходное вещество — алкан, его цепь замыкается в цикл, а часть водорода отщепляется.
Какие арены получают при переработке нефти?
При переработке бензиновых фракций нефти получают бензол, толуол и другие арены. Их образование происходит, в частности, при каталитическом риформинге.
Как из ацетилена получить бензол?
Три молекулы ацетилена соединяют при нагревании в присутствии катализатора. Уравнение реакции: 3C₂H₂ → C₆H₆.
Почему при получении бензола из циклогексана выделяется водород?
В молекуле циклогексана атомов водорода больше, чем в бензоле, а число атомов углерода одинаково. Поэтому при образовании ароматической системы избыток водорода отщепляется: C₆H₁₂ → C₆H₆ + 3H₂.
Для чего используют бензол, толуол и ксилолы?
Бензол и толуол служат сырьём для органического синтеза, в том числе для получения других важных веществ. Ксилолы используют, например, для производства материалов и ароматических кислот.
§ 86. Получение и применение аренов
