Бензол: физические и химические свойства, получение и применение

I. Физические свойства

Видео-опыт: “Изучение физических свойств бензола”

Бензол и его ближайшие гомологи – бесцветные жидкости со специфическим запахом. Ароматические углеводороды легче воды и в ней не растворяются, однако легко растворяются в органических растворителях – спирте, эфире, ацетоне.

Бензол и его гомологи сами являются хорошими растворителями для многих органических веществ. Все арены горят коптящим пламенем ввиду высокого содержания углерода в их молекулах.

Таблица. Физические свойства некоторых аренов

Название	Формула	t°.пл., °C	t°.кип., °C
Бензол	C₆H₆	+5,5	80,1
Толуол (метилбензол)	С₆Н₅СH₃	-95,0	110,6
Этилбензол	С₆Н₅С₂H₅	-95,0	136,2
Ксилол (диметилбензол)	С₆Н₄(СH₃)₂
орто-		-25,18	144,41
мета-		-47,87	139,10
пара-		13,26	138,35
Пропилбензол	С₆Н₅(CH₂)₂CH₃	-99,0	159,20
Кумол (изопропилбензол)	C₆H₅CH(CH₃)₂	-96,0	152,39
Стирол (винилбензол)	С₆Н₅CH=СН₂	-30,6	145,2

Бензол – легкокипящая (t_кип= 80,1°С), бесцветная жидкость, не растворяется в воде

Внимание! Бензол – яд, действует на почки, изменяет формулу крови (при длительном воздействии), может нарушать структуру хромосом.

Большинство ароматических углеводородов опасны для жизни, токсичны.

II. Получение аренов (бензола и его гомологов)

1. В лаборатории

1. Сплавление солей бензойной кислоты с твёрдыми щелочами

C₆H₅-COONa + NaOH ^t→ C₆H₆ + Na₂CO₃

бензоат натрия

2. Реакция Вюрца-Фиттинга: (здесь Г – галоген)

С₆H₅-Г + 2Na + R-Г → C₆H₅-R + 2NaГ

С₆H₅-Cl + 2Na + CH₃-Cl → C₆H₅-CH₃ + 2NaCl

2. В промышленности

выделяют из нефти и угля методом фракционной перегонки, риформингом;
из каменноугольной смолы и коксового газа

1. Дегидроциклизацией алканов с числом атомов углерода больше 6:

C₆H₁₄ ^t^,^kat→ C₆H₆ + 4H₂

2. Тримеризация ацетилена (только для бензола) – реакция Зелинского

3С₂H₂ ^600°^C^{, акт. уголь} → C₆H₆

3. Дегидрированием циклогексана и его гомологов

Советский академик Николай Дмитриевич Зелинский установил, что бензол образуется из циклогексана (дегидрирование циклоалканов)

C₆H₁₂^{t, kat}→ C₆H₆+ 3H₂

C₆H₁₁-CH₃ ^t^,^kat→ C₆H₅-CH₃ + 3H₂

метилциклогексан толуол

4. Алкилирование бензола (получение гомологов бензола) – реакция Фриделя-Крафтса

C₆H₆ + C₂H₅-Cl ^{t, AlCl3}→ C₆H₅-C₂H₅ + HCl

хлорэтан этилбензол

III. Химические свойства аренов

I. Реакции окисления

1. Горение (коптящее пламя):

Видео-опыт: “Горение бензола”

2C₆H₆ + 15O₂ ^t → 12CO₂ + 6H₂O + Q

2. Бензол при обычных условиях не обесцвечивает бромную воду и водный раствор марганцовки

Видео-опыт: “Изучение отношения бензола к бромной воде и раствору перманганата калия”

3. Гомологи бензола окисляются перманганатом калия (обесцвечивают марганцовку):

а) в кислой среде до бензойной кислоты

При действии на гомологи бензола перманганата калия и других сильных окислителей боковые цепи окисляются. Какой бы сложной ни была цепь заместителя, она разрушается, за исключением a -атома углерода, который окисляется в карбоксильную группу.

Гомологи бензола с одной боковой цепью дают бензойную кислоту:

Гомологи, содержащие две боковые цепи, дают двухосновные кислоты:

5C₆H₅-C₂H₅+ 12KMnO₄+ 18H₂SO₄ → 5C₆H₅COOH + 5CO₂ + 6K₂SO₄ + 12MnSO₄+28H₂O

5C₆H₅-CH₃+ 6KMnO₄+ 9H₂SO₄ → 5C₆H₅COOH + 3K₂SO₄ + 6MnSO₄ +14H₂O

Упрощённо:

C₆H₅-CH₃+ 3O ^KMnO4 → C₆H₅COOH + H₂O

б) в нейтральной и слабощелочной до солей бензойной кислоты

C₆H₅-CH₃+ 2KMnO₄→ C₆H₅COOК + KОН + 2MnO₂ + H₂O

II. Реакции присоединения (труднее, чем у алкенов)

1. Галогенирование

C₆H₆ +3Cl₂ ^h^ν→ C₆H₆Cl₆ (гексахлорциклогексан - гексахлоран)

Видео-опыт: “Хлорирование бензола (получение гексахлорана)”

2. Гидрирование

C₆H₆ + 3H₂^t^,^Pt^или^Ni → C₆H₁₂(циклогексан)

3. Полимеризация

III. Реакции замещения – ионный механизм (легче, чем у алканов)

1. Галогенирование

a) бензола

C₆H₆ + Cl₂ ^AlCl³→ C₆H₅-Cl + HCl (хлорбензол)

C₆H₆ + 6Cl₂ ^{t ,AlCl3}→ C₆Cl₆ + 6HCl (гексахлорбензол)

C₆H₆ + Br₂ ^t,FeCl3→ C₆H₅-Br + HBr (бромбензол)

Видео-опыт: “Бромирование бензола”

б) гомологов бензола при облучении или нагревании

По химическим свойствам алкильные радикалы подобны алканам. Атомы водорода в них замещаются на галоген по свободно-радикальному механизму. Поэтому в отсутствие катализатора при нагревании или УФ-облучении идет радикальная реакция замещения в боковой цепи. Влияние бензольного кольца на алкильные заместители приводит к тому, что замещается всегда атом водорода у атома углерода, непосредственно связанного с бензольным кольцом (a -атома углерода).

1) C₆H₅-CH₃ + Cl₂ ^h^ν→ C₆H₅-CH₂-Cl + HCl

в) гомологов бензола в присутствии катализатора

C₆H₅-CH₃ + Cl₂ ^AlCl³→ (смесь орта, пара производных) + HCl

2. Нитрование (с азотной кислотой)

C₆H₆ + HO-NO₂ ^{t, H2SO4}→ C₆H₅-NO₂ + H₂O

нитробензол - запах миндаля!

Видео-опыт: “Нитрование бензола”

C₆H₅-CH₃ + 3HO-NO₂ ^{t, H2SO4}→ СH₃-C₆H₂(NO₂)₃ + 3H₂O

2,4,6-тринитротолуол (тол, тротил)

IV. Применение бензола и его гомологов

Бензол C₆H₆ – хороший растворитель. Бензол в качестве добавки улучшает качество моторного топлива. Служит сырьем для получения многих ароматических органических соединений – нитробензола C₆H₅NO₂ (растворитель, из него получают анилин), хлорбензола C₆H₅Cl, фенола C₆H₅OH, стирола и т.д.

Толуол C₆H₅–CH₃– растворитель, используется при производстве красителей, лекарственных и взрывчатых веществ (тротил (тол), или 2,4,6-тринитротолуол ТНТ).

Ксилолы C₆H₄(CH₃)₂. Технический ксилол – смесь трех изомеров (орто-, мета- и пара-ксилолов) – применяется в качестве растворителя и исходного продукта для синтеза многих органических соединений.

Изопропилбензол C₆H₅–CH(CH₃)₂ служит для получения фенола и ацетона.

Хлорпроизводные бензола используют для защиты растений. Так, продукт замещения в бензоле атомов Н атомами хлора – гексахлорбензол С₆Сl₆ – фунгицид; его применяют для сухого протравливания семян пшеницы и ржи против твердой головни. Продукт присоединения хлора к бензолу – гексахлорциклогексан (гексахлоран) С₆Н₆Сl₆– инсектицид; его используют для борьбы с вредными насекомыми. Упомянутые вещества относятся к пестицидам – химическим средствам борьбы с микроорганизмами, растениями и животными.

Стирол C₆H₅ – CH = CH₂ очень легко полимеризуется, образуя полистирол, а сополимеризуясь с бутадиеном – бутадиенстирольные каучуки.

Применение бензола

Применение бензола: анилин

Применение бензола: полистирол

Применение толуола: тол

V. Тренажеры

Тренажер №1: “Способы получения гомологов бензола”

Тренажер №2: “Уравнения реакций, иллюстрирующие химические свойства бензола”

Тренажер №3: “Физические свойства бензола”

Тренажер №4: “Химические свойства гомологов бензола”

ЦОРы

Видео-опыт: “Изучение физических свойств бензола”