Хімія. 10 клас
§ 20. Хімічні властивості, отримання та застосування бензолу
Хімічні властивості бензолу
Як ви вже знаєте, у молекулі бензолу є стійка сполучена система π-зв'язків. Тому для бензолу характерні реакції заміщення, оскільки у цих реакціях сполучена система зберігається. Навпаки, реакції приєднання бензолу малохарактерны. Так, бензол не знебарвлює бромну воду, але в присутності каталізатора він вступає з бромом у реакцію заміщення.
1. Галогенування
Для здійснення цієї реакції бензол змішують з бромом у колбі та додають каталізатор FeBr3. При цьому відбувається реакція заміщення одного атома водню на бром:
Про протікання реакції можна судити щодо виділення бромоводню, що змінює колір вологого індикаторного папірця, поміщеного у верхню частину колби. Продукт бромування бензолу називається бромбензол.
Як бачимо, у цій реакції єдина система π-електронів зберігається. Подібним чином проводять і хлорування бензолу:
2. Нітрування
Так називаються реакції, внаслідок яких в молекулу органічної сполуки вводиться група — NO2, звана нітрогрупою.
Якщо до суміші концентрованих азотної та сірчаної кислот додати бензол, відбувається реакція нітрування бензолу, в результаті якої утворюється важка жовтувата рідина із запахом гіркого мигдалю – нітробензол:
Ця реакція так само, як і галогенування, відноситься до реакцій заміщення - один атом водню в молекулі бензолу заміщається на групу — NO2.
Суміш концентрованих азотної та сірчаної кислот називається нітруною сумішшю. У нітруючій суміші азотна кислота виконує роль нітруючого реагенту, а сірчана кислота є каталізатором.
З нітруванням гомолога бензолу - толуолу, продуктом якого є вибухова речовина, ви можете познайомитися, перейшовши за посиланням QR-коду.
3. Гідрування
У жорстких умовах бензол може вступати у реакції приєднання. Прикладом реакції приєднання за участю бензолу є його гідрування, яке протікає при температурі близько 200 °С під тиском у присутності каталізаторів гідрування (нікель або платина). При цьому одна молекула бензолу приєднує відразу три молекули водню і перетворюється на циклогексан:
Реакція гідрування бензолу протікає в жорсткіших умовах, ніж гідрування алкенів, так як в молекулі бензолу в ході гідрування руйнується сполучна система π-зв'язків.
З реакцією приєднання хлору до бензолу можна познайомитися, перейшовши за посиланням в QR-коді.
4. Горіння
Подібно до всіх вуглеводнів, бензол горить. Рівняння реакції горіння бензолу:
Хімічні властивості
Перша група реакцій реакції заміщення. Ми говорили, що арени не мають кратних зв'язків у структурі молекули, а містять сполучену систему із шести електронів, яка дуже стабільна і надає додаткової міцності бензольному кільцю. Тому в хімічних реакціях відбувається насамперед заміщення атомів водню, а чи не руйнація бензольного кільця.
З реакціями заміщення ми вже стикалися при розмові про алкани, але для них ці реакції йшли радикальним механізмом, а для аренів характерний іонний механізм реакцій заміщення.
Перше хімічна властивість - галогенування. Заміщення атома водню на атом галогену хлору або брому.
Реакція йде при нагріванні та обов'язково за участю каталізатора. У разі хлору це може бути хлорид алюмінію або хлорид заліза три. Каталізатор поляризує молекулу галогену, внаслідок чого відбувається гетеролітичний розрив зв'язку та виходять іони.
Позитивно заряджений іон хлору і входить у реакцію з бензолом.
Якщо реакція відбувається з бромом, каталізатором виступає бромід заліза три або бромід алюмінію.
Важливо, що реакція відбувається з молекулярним бромом, а чи не з бромною водою. З бромною водою бензол не реагує.
У галогенування гомологів бензол є свої особливості. У молекулі толуолу метильна група полегшує заміщення в кільці, реакційна здатність підвищується, і реакція йде в м'якіших умовах, тобто вже за кімнатної температури.
Важливо, що заміщення завжди відбувається в орто-і пара-положеннях, тому виходить суміш ізомерів.
Друге властивість нітрування бензолу, введення нітрогрупи в бензольне кільце.
Утворюється важка жовтувата рідина із запахом гіркого мигдалю - нітробензол, тому реакція може бути якісною на бензол. Для нітрування використовується нітруюча суміш концентрованої азотної та сірчаної кислот. Реакція проводиться під час нагрівання.
Нагадаю, що для нітрування алканів у реакції Коновалова використовувалася розбавлена азотна кислота без додавання сірчаної.
При нітруванні толуолу, як і при галогенуванні, утворюється суміш орто- і параізомерів.
Третє властивість алкілування бензолу галогеналканами.
Ця реакція дозволяє ввести вуглеводневий радикал у бензольне кільце і може вважатися способом отримання гомологів бензолу.Як каталізатор використовується хлорид алюмінію, що сприяє розпаду молекули галогеналкану на іони. Також необхідне нагрівання.
Четверте властивість алкілування бензолу алкенами.
Таким способом можна отримати, наприклад, кумол або етилбензол. Каталізатор - хлорид алюмінію.
2. Реакції приєднання до бензолу
Друга група реакцій реакції приєднання. Ми говорили, що ці реакції не характерні, але вони можливі за досить жорстких умов із руйнуванням пі-електронної хмари та утворенням шести сигма-зв'язків.
П'яте властивість у загальному списку - гідрування, приєднання водню.
Температура, тиск, нікель каталізатор або платина. Так само здатний реагувати толуол.
Шосте властивість хлорування. Зверніть увагу, що йдеться саме про взаємодію із хлором, оскільки бром у цю реакцію не вступає.
Реакція протікає при твердому ультрафіолетовому опроміненні. Утворюється гексахлорциклогексан, інша назва гексахлоран, тверда речовина.
Важливо пам'ятати, що для бензолу не можливі реакції приєднання галогеноводородів (гідрогалогенування) та приєднання води (гідратація).
3. Заміщення у бічному ланцюгу гомологів бензолу
Третя група реакцій стосується лише гомологів бензолу – це заміщення у боковому ланцюзі.
Сьоме властивість у загальному списку - галогенування по альфа-атому вуглецю в бічній ланцюгу.
Реакція відбувається при нагріванні або опроміненні і завжди тільки альфа-вуглецю. При продовженні галогенування, другий атом галогену знову стане в альфа-положення.
4. Окислення гомологів бензолу
Четверта група реакцій - окислення.
Бензольне кільце занадто міцне, тому бензол не окислюється перманганатом калію не знебарвлює його розчин. Це дуже важливо пам'ятати.
Проте гомологи бензолу окислюються підкисленим розчином перманганату калію при нагріванні. І це восьма хімічна властивість.
Виходить бензойна кислота. Спостерігається знебарвлення розчину. При цьому, яким би довгим не був вуглецевий ланцюг заступника, завжди відбувається його розрив після першого атома вуглецю і альфа-атом окислюється до карбоксильної групи з утворенням бензойної кислоти. Частина молекули, що залишилася, окислюється до відповідної кислоти або, якщо це тільки один атом вуглецю, до вуглекислого газу.
Якщо гомолог бензолу має більше одного вуглеводневого заступника у ароматичного кільця, то окислення відбувається за тими ж правилами окислюється вуглець, що знаходиться в альфа-положенні.
У цьому прикладі виходить двоосновна ароматична кислота, яка називається фталева кислота.
Особливо відзначу окислення кумолу, ізопропілбензолу, киснем повітря в присутності сірчаної кислоти.
Це так званий кумольний спосіб отримання фенолу. Як правило, стикатися з цією реакцією доводиться у питаннях, що стосуються отримання фенолу. Це промисловий метод.
Дев'яте властивість горіння, повне окислення киснем. Бензол та його гомологи згоряють до вуглекислого газу та води.
Запишемо рівняння горіння бензолу у загальному вигляді.
За законом збереження маси атомів зліва має бути стільки ж, скільки атомів праворуч. Адже в хімічних реакціях атоми нікуди не подіються, а просто змінюється порядок зв'язків між ними. Отже молекул вуглекислого газу буде стільки ж, скільки і атомів вуглецю в молекулі арена, оскільки до складу молекули входить один атом вуглецю. Тобто n молекул CO2. Молекул води буде вдвічі менше, ніж атомів водню, тобто (2n-6)/2, отже n-3.
Атомів кисню ліворуч і праворуч однакова кількість. Справа їх 2n з вуглекислого газу, тому що в кожній молекулі два атоми кисню, плюс n-3 з води, разом 3n-3. Зліва атомів кисню стільки ж 3n-3, отже молекул вдвічі менше, оскільки у складі молекули входять два атома. Тобто (3n-3)/2 молекул кисню.
Таким чином, ми склали рівняння згоряння гомологів бензолу у загальному вигляді.
