"Химия (углублённый уровень)", Пузаков С.А., Машнина Н.В., Попков В.А.
Бензол C₆H₆ — простейший ароматический углеводород с плоским шестичленным кольцом. Его атомы углерода соединены равноценными связями, а π-электроны распределены по всему кольцу, поэтому бензол нельзя описывать как обычную цепь с чередующимися двойными связями. Арены содержат одно или несколько бензольных колец, а их ближайшие представители образуют гомологический ряд. По строению кольца и расположению заместителей можно различать толуол, этилбензол и изомеры ксилола.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Бензол — простейший арен состава C₆H₆. Его молекула имеет замкнутое шестичленное кольцо из атомов углерода, а не открытую цепь. Это исходное соединение для понимания строения всех бензольных производных.
Арены — ароматические углеводороды, в молекулах которых содержится одно или несколько бензольных колец. Слово «углеводороды» означает, что в составе есть только углерод и водород. По наличию ароматического кольца арены выделяют в отдельный класс органических веществ.
Гомологи бензола — арены, состав которых отличается от состава соседнего вещества на одну или несколько групп CH₂. Например, толуол и бензол отличаются на CH₂, если сравнивать их формулы C₇H₈ и C₆H₆. Это понятие помогает увидеть закономерность изменения состава веществ одного ряда.
Бензольное кольцо — плоский цикл из шести атомов углерода с общей делокализованной π-системой. «Делокализованная» означает, что π-электроны распределены не между двумя конкретными атомами, а по всему кольцу. Именно это объясняет особые длины и равенство связей в бензоле.
Каждый атом углерода в бензоле находится в состоянии sp²-гибридизации. Три гибридные орбитали образуют σ-связи с двумя соседними атомами углерода и одним атомом водорода, поэтому все атомы соединяются в кольцо. Направления этих связей лежат в одной плоскости, а углы около каждого атома близки к 120°, поэтому молекула плоская.
У каждого атома углерода остаётся одна негибридная p-орбиталь. Она расположена перпендикулярно плоскости кольца и перекрывается с такими же орбиталями двух соседей. В результате над и под кольцом возникает единая π-система, а не шесть независимых пар электронов.
Делокализация делает электронную плотность в кольце более равномерной. Поэтому нельзя выделить три особые двойные связи и три особые одинарные: все шесть связей C–C равноценны. Их длина занимает промежуточное положение между длиной обычной одинарной и двойной связи, что отражает частичный двойной характер каждой связи.
Если заменить атом водорода в бензоле на алкильную группу, например метильную или этильную, получится гомолог бензола. Для моноциклических аренов действует формула CₙH₂ₙ₋₆, где n — общее число атомов углерода. Так, при n = 7 формула равна C₇H₈, а при n = 8 — C₈H₁₀.
Если в бензольном кольце находятся два заместителя, их взаимное положение задают нумерацией атомов кольца. При положениях 1,2-заместители находятся рядом, при 1,3- между ними есть один атом углерода, а при 1,4- они расположены напротив друг друга. Эти варианты называют соответственно о- (орто-), м- (мета-) и п- (пара-) изомерами.
| Вещество | Молекулярная формула | Заместители в кольце | Особенность строения или обозначения |
|---|---|---|---|
| Бензол | C₆H₆ | Нет | Плоское бензольное кольцо с общей π-системой |
| Толуол (метилбензол) | C₇H₈ | Одна группа CH₃ | Бензольное кольцо с метильным заместителем |
| Этилбензол | C₈H₁₀ | Одна группа C₂H₅ | Бензольное кольцо с этильным заместителем |
| о-, м-, п-ксилол (диметилбензол) | C₈H₁₀ | Две группы CH₃ | Положения заместителей 1,2-, 1,3- или 1,4- |
Сначала по таблице удобно определить число атомов углерода и формулу вещества, а затем — какие группы присоединены к кольцу. Для ксилола одной формулы недостаточно: нужно дополнительно указать взаимное положение двух метильных групп. Обозначения о-, м- и п- позволяют быстро различить три таких варианта.
Толуол содержит бензольное кольцо и одну метильную группу, поэтому в его молекуле семь атомов углерода. Нужно применить формулу CₙH₂ₙ₋₆ и подставить n = 7. После вычисления получим формулу вещества.
Ответ: формула толуола — C₇H₈.
Сначала определим формулы обоих веществ: бензол имеет состав C₆H₆, а этилбензол — C₈H₁₀. Затем сравним разность по атомам углерода и водорода. Если разность выражается одинаковым числом групп CH₂, вещества относятся к одному гомологическому ряду.
Ответ: бензол и этилбензол — гомологи; их состав различается на две группы CH₂.
В диметилбензоле два одинаковых заместителя CH₃ присоединены к одному бензольному кольцу. Один из них условно фиксируем у атома C-1, а положение второго последовательно меняем. Получаются три различных варианта, потому что при симметрии кольца положения 5 и 6 не дают новых изомеров.
Ответ: существуют о-, м- и п-ксилол, соответствующие положениям 1,2-, 1,3- и 1,4-.
Ошибка — изображать в бензоле чередующиеся одинарные и двойные связи как неравноценные. Такую формулу используют условно, но реальное кольцо имеет общую π-систему и одинаковые связи C–C. Проверка: вспомните, что все атомы углерода занимают одинаковое положение в плоском кольце.
Ошибка — считать, что π-электроны принадлежат отдельным парам соседних атомов. Это происходит из-за привычной записи двойных связей в структурной формуле. Проверка: у каждого атома углерода есть p-орбиталь, перекрывающаяся с соседними по обе стороны кольца.
Ошибка — путать гомологи и изомеры. Гомологи отличаются составом на группы CH₂, а изомеры имеют одну и ту же молекулярную формулу, но разное строение. Проверка: сначала сравните формулы, затем расположение атомов и групп.
Ошибка — неверно называть положения заместителей в диметилбензоле. Обозначения о-, м- и п- относятся соответственно к положениям 1,2-, 1,3- и 1,4-. Проверка: зафиксируйте первый заместитель у C-1 и отсчитайте положение второго.
Для понимания строения аренов нужны знания о строении атома углерода, ковалентной связи, σ- и π-связях, sp²-гибридизации, гомологических рядах и изомерии. Эти понятия объясняют форму бензольного кольца и различия между его производными.
Строение аренов связано с их химическими свойствами: позже оно поможет понять реакции замещения и устойчивость бензольного кольца. Знание положений заместителей также необходимо для правильного называния органических веществ.
Почему в бензоле нельзя считать связи одинарными и двойными попеременно?
Такая запись показывает один из способов изображения бензольного кольца, но не отражает его реальное строение. π-электроны делокализованы по всему кольцу, поэтому все связи C–C равноценны.
Что означает круг внутри изображения бензольного кольца?
Круг условно обозначает общую делокализованную π-систему шести атомов углерода. Он показывает, что π-электроны не принадлежат отдельным двойным связям.
Почему все связи между атомами углерода в бензоле одинаковы?
Каждый атом углерода предоставляет в общую систему по одному p-электрону. Перекрывание p-орбиталей над и под плоскостью кольца распределяет электронную плотность равномерно, поэтому связи имеют одинаковую длину.
Как по общей формуле определить состав гомолога бензола?
Для моноциклических аренов используют формулу CₙH₂ₙ₋₆, где n — число атомов углерода. Например, при n = 7 получают C₇H₈, формулу толуола.
Чем отличаются о-, м- и п-ксилол?
Это три изомера диметилбензола, у которых одинаковая формула C₈H₁₀, но разное взаимное положение метильных групп. о-Ксилол имеет положения 1,2-, м-ксилол — 1,3-, а п-ксилол — 1,4-.
9.1. Строение бензола и его гомологов
