27. Бензол и его строение
Физические свойства: 1) бензол – легкокипящая, бесцветная, не растворимая в воде жидкость; 2) он имеет своеобразный запах; 3) при охлаждении бензол легко застывает в белую кристаллическую массу; 4) температура его плавления 5,5 °C; 5) формула бензола С6Н6; 6) это сильно ненасыщенное соединение: в молекуле его недостает восемь атомов водорода до состава, отвечающего формуле предельных углеводородов; 7) при этом если взболтать бензол с бромной водой или раствором перманганата калия, то не обнаружится характерных реакций непредельных соединений.
Проблема строения бензола.
1. Бензол может быть получен при пропускании ацетилена через трубку с активированным углем, нагретым до 650 °C.
2. Сравнивая состав молекул ацетилена С2Н2 и бензола С6Н6, можно прийти к выводу, что из каждых трех молекул ацетилена образуется одна молекула бензола, т. е. идет реакция полимеризации (тримеризации).
3. Если смесь паров бензола с водородом пропускать через нагретую трубку с катализатором, то оказывается, что: а) к каждой молекуле бензола присоединяются три молекулы водорода; б) в результате реакции образуется циклогексан, строение которого хорошо известно.
4. Присоединение к молекуле бензола трех молекул водорода с образованием циклогексана можно понять только в том случае, если признать, что исходный продукт имеет циклическое строение.
То есть если бы бензол имел незамкнутую цепь углеродных атомов, то молекула его до полного насыщения присоединяла бы не три, а четыре молекулы водорода: C6H6 + 4H2 – > C6H, что противоречит опыту.
Образование циклической молекулы бензола из трех молекул ацетилена можно представить следующим образом:
Так можно прийти к выводу о циклической структурной формуле бензола.
Приведенная структурная формула бензола была предложена впервые немецким ученым А. Кекуле (1865 г.).
Более столетия химики пользовались этой формулой, хотя она их и не вполне удовлетворяла.
Электронное строение бензола.
1. Современными физическими методами было установлено, что молекула бензола имеет циклическое строение и что все шесть атомов углерода лежат в одной плоскости.
2. Было подтверждено, что порядок соединения атомов правильно отображается формулой Кекуле.
28. Химические свойства бензола
1. Подобно всем углеводородам, бензол горит.
2. При его горении образуется очень много копоти, что легко объяснить, так как массовая доля углеводорода в нем та же, что и в ацетилене.
Особенности опыта.
1. В колбу с длинной вертикальной трубкой в качестве холодильника необходимо поместить бензол с небольшим количеством брома и железными стружками (железо необходимо для образования катализатора FeBr3).
Будет заметно, что у отводной трубки прибора появляется «дымок».
2. Растворив выделяющийся газ в воде и прибавив к этому раствору раствор нитрата серебра, можно убедиться, что при реакции брома с бензолом образуется бромоводород НВr.
3. В колбе после реакции остается тяжелая жидкость – бромбензол С6Н5Вr.
Следовательно, бром в этих условиях не присоединяется к бензолу, а вступает в реакцию замещения.
4. По внутренней сущности эта реакция отличается от реакций замещения у предельных углеводородов.
5. Она идет не через образование свободных радикалов и не имеет цепного характера.
6. Под влиянием бромида железа FeBr3 молекула брома поляризуется: Вrδ+ – Вrδ-.
7. Положительно заряженный бром притягивается шестиэлектронным облаком молекулы бензола и устанавливает ковалентную связь с одним из атомов углерода, вытесняя водород в виде протона, который с отрицательно заряженным ионом брома Вr – образует молекулу бромоводорода.
8. Характерна для бензола реакция с азотной кислотой.
Если к смеси концентрированных азотной и серной кислот прибавить бензол и слегка ее подогреть, происходит реакция, в результате которой образуется тяжелая желтоватая жидкость с запахом горького миндаля – нитробензол С6Н5-NO2.
Здесь группа атомов – NO2, называемая нитрогруппой, встает на место атома водорода, подобно брому в предыдущей реакции.
9. По своему свойству вступать в реакцию замещения бензол несколько сходен с предельными углеводородами, несмотря на непредельность своего состава.
10. В определенных условиях бензол может вступать и в реакции присоединения.
11. К бензолу может присоединяться хлор, если смесь этих веществ подвергнуть освещению.
Так получается гексахлорциклогексан – кристаллическое вещество, известное под названием гексахлорана.
12. Реакции присоединения водорода и хлора показывают, что бензол имеет некоторое сходство и с непредельными углеводородами.
13. По химическим свойствам бензол занимает как бы промежуточное положение между предельными и непредельными углеводородами.