БЕНЗЕН: ИСТОРИЯ, СТРУКТУРА, СВОЙСТВА, ПРОИЗВОДНИ, УПОТРЕБИ - ХИМИЯ - 2025

На бензола е органично съединение, състоящо се от един от най-простите на всички ароматни въглеводороди. Неговата химична формула е C ₆ H ₆, за което е известно, че съотношението между въглерод и водород е равно на 1; това означава, че за всеки въглерод има водород, свързан с него.

Въпреки че физическият му вид е този на безцветна течност, той естествено се намира в нефта и нефтопродуктите. Миризмата му е много характерна, тъй като наподобява смес от лепило, битум и бензин; от друга страна, това е летлива и запалима течност.

Бутилка с бензен. Източник: Air1404

Изображението по-горе показва контейнер или бутилка с бензен, вероятно с аналитична чистота. Ако бъдат открити, бензолните пари веднага биха се разпространили в цялата лаборатория. Поради тази причина тази течност, която обикновено се използва като обикновен разтворител, се обработва вътре в качулка.

Със своята формула C ₆ H ₆, химиците от XIX век издигнаха множество възможни структури, които биха съответствали на споменатото съотношение C / H, равно на 1. Не само това, но бензолната молекула трябваше да има специални връзки по такъв начин, че да може да се обясни необичайната му стабилност срещу реакции на добавяне; типично за алкени и полиени.

Така връзките им представляват загадка за химиците от онова време; докато не се въведе свойството, наречено ароматност. Преди да се счита за хексациклотриен (с три С = С връзки), бензолът е много повече от това и е друг от много примери за синергия в химията.

В органичната химия бензолът е класически символ, структурна основа за множество полиароматични съединения. От шестоъгълника му се получават безкрайни производни чрез ароматно електрофилно заместване; пръстен, от чиито ръбове е изтъкана структурата, която определя нови съединения.

Всъщност неговите производни се дължат на огромната индустриална употреба, за която се нуждаят от бензол като своя суровина. От приготвянето на лепила и текстилни влакна, до пластмаси, каучуци, пигменти, наркотици и експлозиви. От друга страна, бензолът се среща естествено във вулкани, горски пожари, бензин и цигарен дим.

история

Откритие и имена

Откритието му датира от 1825 г., обикновено се приписва на Майкъл Фарадей, когато той събира и прави експерименти с остатъчен нефтен продукт от газа, използван за осветление. Тази течност съдържа съотношение С / Н, близко до 1, поради което го нарича „карбуриран водород“.

Химикът Огюст Лоран нарече странния въглеводород „фено“, произлизащ от гръцката дума „фанейн“, което означава светъл (защото е получен след изгарянето на газа). Това наименование обаче не беше прието от научната общност и преобладаваше само като „фенил“, за да се отнася до радикала, произведен от бензола.

От бензоената гума химикът Ейлард Митчерлих девет години по-късно успява да произведе същото съединение; Следователно, съществуваше друг източник за същия въглеводород, който той кръсти като "бензин". Въпреки това те също не считат подходящото име, за да приемат, че става въпрос за алкалоид, като хинин.

Така те замениха името „бензин“ с „бензол“. Въпреки това, отново имаше противоречия и несъответствия поради факта, че терминът „бензол“ обърка въглеводорода за алкохол. Тогава се роди името „бензен“, използвано първо във Франция и Англия.

Индустриално производство

Нито газовете за осветяване, нито бензоената гума бяха подходящи източници за генериране на бензен в голям мащаб. Чарлз Менсфийлд, работещ с Август Вилхелм фон Хофман, успява през 1845 г. да изолира бензола (двадесет години след откриването му) от въглен катран, страничен продукт от производството на кокс.

Така започна индустриалното производство на бензол от въглен катран. Наличието на бензол в огромни количества улесни изследването на неговите химични свойства и му позволи да бъде свързано с други съединения с подобна реактивност. Самият Август Вилхелм фон Хофман измисли думата „ароматен“ за бензола и свързаните с него съединения.

Исторически структури

Мечтата на Август Кекуле

Фридрих Август Кекуле му приписва шестоъгълната и циклична структура на бензола около 1865 г., възникнал от странен сън с Уроборос, змията, която захапва собствената си опашка, като начертава кръг. По този начин той вярва, че бензолът може да се счита за шестоъгълен пръстен, а други химици повдигат възможни структури, които са показани по-долу:

Структури за бензолния пръстен, предложени през цялата история. Източник: Ю

Някои от по-високите структури биха могли да отчитат стабилността на бензола.

Книга, пръстени и призма

Обърнете внимание, че третата структура дори не е пръстен, а триъгълна призма, предложена от Алберт Ладенбург през 1869 г.; отляво, една във формата на отворена книга, предложена от сър Джеймс Девар през 1867 г.; и отдясно, един с всички водородни насоки към центъра на пръстена, предложен от Хенри Едуард Армстронг през 1887г.

Първата структура, предложена от Адолф Карл Лудвиг Клаус през 1867 г., също е доста особена, тъй като връзките на ЦК са пресечени. И последният беше „змийският“ пръстен на Кекуле, за който мечтаеше през 1865 година.

Какъв беше „победителят“? Петата структура (отляво надясно), предложена през 1899 г. от Йоханес Тиле.

При това за първи път беше разгледан резонансният хибрид, който комбинира двете структури на Kekulé (завъртете първия пръстен вдясно, за да го наблюдавате) и необикновено обясни делокализацията на електроните и с него необичайната стабилност на бензол.

Структура на бензола

Ароматен бензолен пръстен. Източник: Benjah-bmm27

По-горе е структурата, предложена от Thiele, използвайки модел от сфери и пръти.

Молекулата на бензола е плоска, като водородните атоми са насочени навън от страните на пръстена. Всички въглеродни атоми имат SP ² хибридизация с р орбитала на разположение за установяване на ароматна система, в която шест електрони делокализират.

Тези SP ² въглеродни атоми са по електроотрицателните от водородите и следователно бившия оттегли електронната плътност на последния (С _sp2 ^δ- -Н ^{δ +}). Следователно центърът на пръстена има по-висока концентрация на електрони от неговите страни.

По-точно, ароматната система може да бъде представена като облак или електронна подложка, разширена от двете страни на шестоъгълния пръстен; и в средата, отстрани или ръбове, електронен дефицит, съставен от водород с положителен частичен заряд.

Благодарение на това разпределение на електрическите заряди, бензоловите молекули могат да взаимодействат помежду си чрез дипол-диполни сили; H ^{δ +} атомите са привлечени в ароматния център на съседен пръстен (това ще бъде представено по-долу).

Също така, ароматните центрове могат да бъдат подредени един върху друг, за да благоприятстват индуцирането на моменталните диполи.

резонанс

Структури и резонансен хибрид на бензол. Източник: Edgar181 от Wikipedia.

Двете структури на Kekulé са показани в горната част на изображението, а под тях - резонансният хибрид. Тъй като двете структури се появяват отново и отново в едно и също време, хибридът е представен от кръг, начертан в средата (подобен на този на „шестоъгълна поничка“).

Хибридният кръг е важен, тъй като показва ароматния характер на бензола (и този на много други съединения). Освен това той изтъква, че връзките не са толкова дълги като CC, нито са къси като C = C; по-скоро дължината им е между двете крайности. По този начин бензолът не се счита за полиен.

Това е доказано чрез измерване на дължините на СС (139 pm) връзки на бензен, които са малко по-удължени от връзките на СН (109 pm).

кристали

Орторомбична кристална структура на бензола. Източник: Бен Милс

Бензолът е течност при стайна температура. Междумолекулните му сили означават, че макар да няма толкова ясно изразен диполен момент, той може да държи молекулите си заедно в течност, която кипи при 80 ° С. Когато температурата падне под 5 ° С, бензолът започва да замръзва: и по този начин се получават съответните му кристали.

Бензоловите пръстени могат да приемат определени структурни модели в своето твърдо вещество. Диполите им водят до „наклоняване“ вляво или вдясно, образувайки редове, способни да бъдат възпроизведени от орторомбична единична клетка. По този начин бензолните кристали са орторомбични.

Обърнете внимание на горното изображение, че накланянето на пръстените благоприятства взаимодействията между H ^{δ +} и ароматните центрове, споменати в предишни подраздели.

Имоти

Молекулярна маса

78.114 g / mol.

Външен вид

Безцветна течност с миризма, наподобяваща бензин.

Точка на кипене

80 ° С.

Точка на топене

5,5 ° C.

точка на запалване

-11ºC (затворена чаша).

Температура на автоматично запалване

497,78 ° C.

плътност

0.8765 g / mL при 20 ° С.

разтворимост

Един литър вряла вода едва може да разтвори 3,94 g бензол. Неговият аполарен характер го прави практически несмесваем с вода. Въпреки това, тя е смесима с други разтворители, като етанол, етери, ацетон, масла, хлороформ, тетрахлорид на въглерода и др.

Плътност на парата

2.8 спрямо въздуха (тоест почти три пъти по-плътен).

Парно налягане

94,8 mm Hg при 25 ° C.

Топлина на горене

-3267.6 kJ / mol (за течен бензен).

Топлина от изпаряване

33,83 kJ / mol.

Повърхностно напрежение

28,22 mN / m при 25 ° C.

Рефракционен индекс

1,5011 при 20 ° С.

Дериватите

Водородите на бензола могат да бъдат заменени от други групи или атоми. Може да има една или повече замествания, повишаващи степента на заместване, докато не остане нито един от първоначалните шест водорода.

Например, приемете бензола като Ph-H, където Н е всеки от шестте му водорода. Спомняйки си, че центърът на пръстена има по-висока плътност на електрон, той привлича електрофили, които атакуват пръстена, за да заменят Н в реакция, наречена електрофилно ароматно заместване (SEAr).

Ако този Н бъде заменен с OH, ще имаме Ph-OH, фенол; се заменя с СН ₃, фенил-СН ₃, толуен; ако е NH ₂, Ph-NH ₂, анилин; или ако е СН ₂ СН ₃, фенил-СН ₂ СН ₃, етилбензен.

Производните могат да бъдат същите или по-токсични от бензола, или напротив, могат да станат толкова сложни, че имат желано фармакологично действие.

Приложения

Той е добър разтворител за голямо разнообразие от съединения, присъстващи например в бои, лакове, лепила и покрития.

По същия начин той може да разтваря масла, мазнини или восъци, поради което е използван като екстрахиращ разтворител за есенции. Този имот се използва от Лудвиг Розелиус през 1903 г. за безкофеиново кафе, операция, която вече се използва за употреба поради токсичността на бензола. По същия начин в миналото се е използвал за обезмасляване на металите.

При едно от класическите си приложения той не действа като разтворител, а като добавка: увеличава октановото количество бензин, замествайки оловото за тази цел.

Производните на бензола могат да имат различни приложения; някои служат като пестициди, смазочни материали, перилни препарати, пластмаси, експлозиви, парфюми, багрила, лепила, лекарства и др. Ако в структурата му се наблюдава бензолен пръстен, е много вероятно неговият синтез да е започнал от бензола.

Сред най-важните му производни са: кумен, ксилол, анилин, фенол (за синтеза на фенолни смоли), бензоена киселина (консервант), циклохексан (за синтеза на найлон), нитробензен, резорцинол и етилбензен.

номенклатура

Номенклатурата на бензолните производни варира в зависимост от степента на заместване, какви са групите заместители и техните относителни позиции. По този начин бензолът може да се подложи на моно, ди, три, тетра и др

Когато двете групи са прикрепени към съседни въглероди, се използва обозначението „орто“; ако има въглерод между отделянето им, „мета“; и ако въглеродните е в противоположни позиции, 'пара'.

Изображенията по-долу показват примери на бензолни производни със съответните им имена, управлявани от IUPAC. Те също са придружени от общи или традиционни имена.

Монопроизводни на бензола. Източник: Габриел Боливар.

Други производни на бензол. Източник: Габриел Боливар.

Обърнете внимание, че в тризаместения бензен орто, пара и мета индикаторите вече не са полезни.

токсичност

Бензолът е съединение, с което трябва да се работи внимателно. Като се има предвид специфичната му миризма, непосредствените негативни ефекти могат да бъдат задушаване, замаяност, главоболие, тремор, сънливост, гадене и дори смърт (с висока експозиция). При поглъщане, в допълнение към гореспоменатото, това може да причини силна стомашна болка и припадъци.

В допълнение, дългосрочните ефекти при постоянно излагане на тази течност са канцерогенни; увеличава шансовете, че индивидът ще страда от някакъв вид рак, особено рак на кръвта: левкемия.

В кръвта може да намали концентрацията на червените кръвни клетки, причинявайки анемия, а също така да повлияе на костния мозък и черния дроб, където той се асимилира от тялото, за да генерира още по-токсични бензолни производни; например, хидроксихинон. Освен това се натрупва в бъбреците, сърцето, белите дробове и мозъка.

Препратки

1. Morrison, RT и Boyd, RN (1987). Органична химия. (5-то издание). Адисон-Уесли Ибероамерикана.
2. Кери, ФА (2008). Органична химия. (6-то издание). McGraw-Hill, Interamerica, Editores SA
3. Греъм Соломон TW, Craig B. Fryhle. (2011 г.). Органична химия. Амини. (10-то издание.) Wiley Plus.
4. Национален център за информация за биотехнологиите. (2019). Бензен. PubChem база данни. CID = 241, Възстановена от: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov
5. Wikipedia. (2019). Бензен. Възстановено от: en.wikipedia.org
6. Гарсия Ниса. (2019). Какво е бензен? - Използване, структура и формула. Изследване. Възстановено от: study.com
7. Центрове за контрол и профилактика на заболяванията. (4 април 2018 г.). Факти за бензола. Възстановени от: emergency.cdc.gov
8. Световна здравна организация. (2010 г.). Излагане на бензол: основен проблем за общественото здраве., Възстановени от: who.int
9. Фернандес Герман. (SF). Проблеми с номенклатурата на бензен. Органична химия. Възстановено от: quimicaorganica.org