Ароматические углеводороды, или арены

Ароматические углеводороды. Арены

План урока

Строение аренов. Классификация и номенклатура
Физические свойства аренов
Химические свойства аренов
Получение аренов
Применение аренов

Цели урока

знать особенности строения бензола и его гомологов
уметь составлять структурные формулы бензола и его гомологов
уметь составлять уравнения химических реакций замещения с участием бензола
знать основные направления применения бензола и его гомологов

Разминка

Чем отличаются сопряжённые алкадиены от других диенов?
Какие вещества относят к непредельным углеводородам?
Укажите способы получения алкинов. Приведите примеры уравнений химических реакций.
Расскажите о применении алкинов.

Строение бензола. Гомологи бензола

Рисунок 1. Майкл Фарадей

Изучение строения бензола является увлекательной страницей в истории химии. Впервые бензол получил Иоганн Глаубер ещё в 1649 году из каменноугольной смолы. Однако состав вещества учёный не смог описать. В 1825 году английский физик Майкл Фарадей выделил бензол из конденсата светильного газа и установил его молекулярную
формулу — $C_{6} H_{6}$ . Это было второе рождение бензола.

Чуть позже в 1833 году немецкий учёный Эйльгард Мичерлих синтезирует бензол из соли бензойной кислоты. Отсюда и пошло название вещества — бензол.

Однако никто из исследователей не смог установить строение вещества. Предлагались различные версии.

Рисунок 2. Фридрих Август Кекуле

Учитывая малое количество атомов водорода по отношению к атомам углерода, бензол должен содержать кратные связи, но он не обесцвечивал бромную воду и раствор перманганата калия. А это качественные реакции на двойные и тройные связи.

Противоречие удалось решить автору теории валентности Фридриху Августу Кекуле в 1865 году.

Учёный предложил замкнуть 6 атомов углерода в шестигранник. Получилась следующая структурная формула бензола.

Структурную формулу учёный вывел во сне. Вот как говорит сам Кекуле о своём научном открытии: «Перед моими глазами прыгали атомы, они сливались в более крупные структуры, похожие на змей. Как заворожённый, я следил за их танцем, как вдруг одна из «змей» схватила себя за хвост и дразняще затанцевала перед моими глазами. Будто пронзенный молнией, я проснулся: структура бензола представляет из себя замкнутое кольцо!»

Рисунок 3. Схема делокализации
π электронов

В итоге в строении молекулы бензола и всех его гомологов мы наблюдаем общее кольцо, названной в честь бензола бензольным.

Кольцо напоминает арену цирка, поэтому данные углеводороды и получили название арены, иными словами, они все содержат бензольное кольцо.

В заданиях можно использовать любую из этих формул, которые теперь стали называться формулой Кекуле.

Радикал на основе бензола будет называться не бензил (как было бы логически), а фенил: $C_{6} H_{5} -$ или структурно:

Гомологи бензола

Бензол является родоначальником гомологического ряда аренов. Достаточно заменить водород на углеводородный радикал, например, на метильный, как мы получим новый арен, гомолог бензола.

Даже название его будет связано с бензолом — метилбензол Исторически его чаще называют толуолом.

Если вместо метильного радикала использовать этильный, получим структурную формулу этилбензола:

Заменив два водорода на метильные радикалы, получаем диметилбензол. В нашем примере это 1,2-диметилбензол или орто-ксилол:

Общая формула аренов $C_{n} H_{2 n - 6}$ , причём $n \geq 6$ .

По расположению радикалов относительно бензольного кольца выделяют орто-положение, когда радикалы расположены рядом. Мета-положение — через один атом углерода. А также пара-положение, если радикалы располагаются напротив друг друга.

Упражнение 1

Составьте структурные формулы всех аренов состава $C_{8} H_{10} .$ Дайте им названия.

Пример 1

Найдите массовую долю углерода в толуоле $(C_{7} H_{8}) .$

Решение

1. Найдем молярную массу формулы $C_{7} H_{8}$ :

$M = 12 * 7 + 1 * 8 = 92 г / м о л ь$

2. Рассчитаем массовую долю углерода по формуле:

$ω (C) = \frac{A r (C) * 7}{M (C_{7} H_{8})} * 100 % = \frac{84}{92} * 100 % = 91, 3 %$ .

Где Ar — относительная атомная масса углерода, М — молярная масса толуола $C_{7} H_{8}$ .

3. $ω (C) = 91, 3 %$ , следовательно, $ω (H) = 100 % - 91, 3 % = 8, 7 %$

Физические свойства аренов

Бензол и его ближайшие гомологи — бесцветные жидкие вещества, нерастворимые в воде, но хорошо растворяющиеся во многих органических жидкостях. Легче воды. Огнеопасны.

Бензол токсичен (вызывает заболевание крови — лейкемию).

Кроме этого, арены обладают запахами, отсюда и пошло их второе название — ароматические!

Химические свойства аренов

Арены, являясь непредельными углеводородами, содержат в составе три двойные связи, объединённые в общее бензольное кольцо.

Оно в свою очередь достаточно прочное, по этой причине реакции присоединения для аренов не типичны. Они протекают с большим трудом при определённых условиях. Гораздо чаще арены вступают в реакции замещения. Протекают они легче чем у алканов. Сходство наблюдается в самих процессах. Это тоже галогенирование и нитрование.

Реакции замещения

1. Галогенирование

Бензол, как и его гомологи, вступает в реакции замещения с галогенами под действием температуры и в присутствии катализаторов (галогениды алюминия или железа).

Причём замещение может происходить у любого атома углерода, так как они равноценны.

2. Нитрование

Арены вступают в реакцию нитрования в присутствии водоотнимающего
средства — концентрированной серной кислоты.

Реакции присоединения

Реакции присоединения не характерны для аренов, так как в результате данного процесса необходимо разрывать всё бензольное кольцо, то есть присоединять шесть атомов, что достаточно трудоёмко.

Бензол вступает в реакцию присоединения с хлором только под действием света. В результате образуется гексахлорциклогексан, ранее используемый как пестицид в сельском хозяйстве.

Окислительно-восстановительные реакции

Рисунок 4. Горение бензола

Все арены горят. Бензол горит коптящим пламенем, как и ацетилен. Чем больше массовые доли углерода в молекуле, тем более коптящее будет пламя в результате горения.

Бензол не обесцвечивает раствор перманганата калия в отличие от своих гомологов.

Упражнение 2

Какое из веществ горит более коптящим пламенем: метан, этилен и бензол? Докажите расчётами. Определите массовые доли углерода у каждого из веществ.

Получение аренов

Бензол и его гомологи выделяют из нефти и нефтепродуктов, а также в результате коксования каменного угля.

Существуют и другие способы синтеза аренов.

1. Тримеризация алкинов

В результате из ацетилена получают бензол. Реакция идёт при высокой температуре и в присутствии катализатора (активированного угля).

2. Дегидроциклизация (дегидрирование и циклизация) алканов в присутствии катализатора:

В нашем случае из гексана получается бензол.

Упражнение 3

Допишите левые части уравнений реакций с участием алкадиенов, укажите условия их протекания.

а) $\to C_{6} H_{5} Br + HBr$

б) $\to C_{6} H_{5} {NO}_{2} + H_{2} O$

в) $\to C_{6} H_{6}$

Применение аренов

Бензол и его гомологи широко применяются человеком.

Арены не растворимы в воде, поэтому их нередко отделяют от слоя воды методом экстракции. Слой арена будет находится выше воды, наподобие растительного масла в воде.

Экстракция — это извлечение вещества из раствора или сухой смеси с помощью растворителя, практически не смешивающегося с исходной смесью. Экстракция может быть разовой или непрерывной.

Арены хорошо растворяются в органических растворителях, что находит применение в хозяйственной деятельности человека. Их применяют для растворения жиров, масляных красок, лаков, смол. В качестве примера можно привести органический растворитель «Сольвент».

Нитробензол и нитротолуол (тротил) применяют как взрывчатые вещества; нитротолуол применяется для синтеза анилиновых красителей; ксилолы входят в состав моторных масел; из изопропилбензола получают ацетон и фенол.

Ещё варианты применения аренов приведены на схеме (рис. 5).

Рисунок 5. Варианты применения аренов

Упражнение 4

Напишите уравнения реакций, с помощью которых можно осуществить следующие превращения:

Этан → ацетилен → бензол → хлорбензол.

Формулы веществ записывайте структурно.

Контрольные вопросы

Расскажите о истории изучения строения бензола.
Какие химические реакции характерны для аренов?
Назовите способы получения аренов.
Расскажите о применении бензола.

Ответы

Упражнение 1

Упражнение 2

$ω (C) в б е н з о л е 92 %$
$ω (C) в м е т а н е 75 %$
$ω (C) в э т и л е н е 86 %$

Вывод: бензол горит более коптящим пламенем.

Упражнение 3

а) $C_{6} H_{6} + {Br}_{2} \to C_{6} H_{5} Br + HBr$

б) $C_{6} H_{6} + {HNO}_{3} \to C_{6} H_{5} {NO}_{2} + H_{2} O$

в) $3 CH \equiv CH \to C_{6} H_{6}$

Упражнение 4

${CH}_{3} - {CH}_{3} \to CH \equiv CH + 2 H_{2}$

$3 CH \equiv CH \to C_{6} H_{6}$

$C_{6} H_{6} + {Cl}_{2} \to C_{6} H_{5} Cl + HCl$

Конспект урока: Ароматические углеводороды, или арены

Непредельные углеводороды