เบนซีนบวกกรดไฮโดรคลอริก อะโรมาติก HC

n(C) = ม.(C) / M(C);

n(C) \u003d 6 / 12 \u003d 0.5 โมล

คำนวณปริมาณของสารไฮโดรเจน:

n(H 2) \u003d V (H 2) / V ม.;

n (H 2) \u003d 5.6 / 22.4 \u003d 0.25 โมล

ดังนั้น ปริมาณของสารของอะตอมไฮโดรเจนหนึ่งจะเท่ากับ:

n(H) = 2 × 0.25 = 0.5 โมล

ให้ระบุจำนวนอะตอมของคาร์บอนในโมเลกุลไฮโดรคาร์บอนเป็น "x" และจำนวนอะตอมของไฮโดรเจนเป็น "y" จากนั้นอัตราส่วนของอะตอมเหล่านี้ในโมเลกุล:

x: y \u003d 0.5: 0.5 \u003d 1: 1

จากนั้นสูตรไฮโดรคาร์บอนที่ง่ายที่สุดจะแสดงโดยองค์ประกอบ CH น้ำหนักโมเลกุลของโมเลกุลขององค์ประกอบ CH คือ:

M(CH) = 13 กรัม/โมล

ลองหาน้ำหนักโมเลกุลของไฮโดรคาร์บอนตามเงื่อนไขของปัญหา:

M (C x H y) = ρ × V m ;

M (C x H y) \u003d 3.482 × 22.4 \u003d 78 g / mol

มากำหนดสูตรที่แท้จริงของไฮโดรคาร์บอน:

k \u003d M (C x H y) / M (CH) \u003d 78/13 \u003d 6,

ดังนั้นสัมประสิทธิ์ "x" และ "y" ต้องคูณด้วย 6 จากนั้นสูตรไฮโดรคาร์บอนจะอยู่ในรูปแบบ C 6 H 6 มันคือเบนซิน

โครงสร้างวัฏจักรของเบนซินได้รับการเสนอครั้งแรกโดย F.A. Kekule ใน พ.ศ. 2408

Friedrich August Kekule von Stradonitz เป็นนักเคมีชาวเยอรมันที่โดดเด่นในศตวรรษที่ 19 ในปี ค.ศ. 1854 เขาค้นพบสารประกอบอินทรีย์ชนิดแรกที่มีกรดซัลเฟอร์ - ไทโออะซิติก (กรดไธโอเอทาโนอิก) นอกจากนี้ เขายังได้สร้างโครงสร้างของสารประกอบไดอาโซ อย่างไรก็ตาม ผลงานที่มีชื่อเสียงที่สุดของเขาในการพัฒนาเคมีคือการจัดตั้งโครงสร้างของน้ำมันเบนซิน (1866) Kekule แสดงให้เห็นว่าพันธะคู่ของเบนซินสลับกันรอบวงแหวน (ความคิดนี้เกิดขึ้นกับเขาครั้งแรกในความฝัน) เขาแสดงให้เห็นในภายหลังว่าการจัดเรียงพันธะคู่ที่เป็นไปได้ทั้งสองแบบเหมือนกัน และวงแหวนเบนซินเป็นไฮบริดระหว่างโครงสร้างทั้งสอง ดังนั้น เขาจึงคาดหวังแนวคิดเรื่องการสั่นพ้อง (mesomerism) ซึ่งปรากฏในทฤษฎีพันธะเคมีในช่วงต้นทศวรรษ 1930

ถ้าเบนซีนมีโครงสร้างแบบนี้จริง ๆ แล้วอนุพันธ์แทน 1,2 ตัวของมันควรมีไอโซเมอร์สองตัวแต่ละตัว ตัวอย่างเช่น,

อย่างไรก็ตาม ไม่มีเบนซีนที่ถูกแทนที่ 1,2 ชนิดใดที่สามารถแยกไอโซเมอร์สองชนิดได้

ดังนั้น Kekule จึงแนะนำว่าโมเลกุลของเบนซีนมีอยู่เป็นโครงสร้างสองโครงสร้างที่ผ่านเข้าสู่กันและกันอย่างรวดเร็ว:

โปรดทราบว่าแผนผังดังกล่าวของโมเลกุลเบนซีนและอนุพันธ์ของพวกมันมักจะไม่ได้ระบุอะตอมของไฮโดรเจนที่ติดอยู่กับอะตอมคาร์บอนของวงแหวนเบนซีน

ในเคมีสมัยใหม่ โมเลกุลของเบนซีนถือเป็นลูกผสมที่มีจังหวะจำกัดทั้งสองรูปแบบ (ดูหัวข้อ 2.1) คำอธิบายอีกประการหนึ่งของโมเลกุลเบนซีนขึ้นอยู่กับการพิจารณาออร์บิทัลของโมเลกุล ในวินาที 3.1 มีการบ่งชี้ว่า -อิเล็กตรอนที่อยู่ในออร์บิทัลพันธะถูกแยกออกจากกันระหว่างอะตอมของคาร์บอนทั้งหมดของวงแหวนเบนซีนและก่อตัวเป็นเมฆอิเล็กตรอน ตามการแสดงนี้ โมเลกุลของเบนซีนสามารถอธิบายตามอัตภาพได้ดังนี้:

ข้อมูลการทดลองยืนยันการมีอยู่ของโครงสร้างดังกล่าวในน้ำมันเบนซิน ถ้าเบนซินมีโครงสร้างที่ Kekule เสนอในตอนแรก โดยมีพันธะคู่สามคอนจูเกต เบนซินจะต้องทำปฏิกิริยาเหมือนแอลคีน อย่างไรก็ตาม ตามที่กล่าวไว้ข้างต้น น้ำมันเบนซินไม่ทำปฏิกิริยาเพิ่มเติม นอกจากนี้ น้ำมันเบนซินยังมีความเสถียรมากกว่าน้ำมันที่มีพันธะคู่แบบแยกเดี่ยวสามพันธะ ในวินาที 5.3 พบว่าเอนทาลปีของไฮโดรจิเนชันของเบนซินกับการเกิดไซโคลเฮกเซนมีค่าลบมากกว่า

ตารางที่ 18.3 ความยาวของพันธะคาร์บอน-คาร์บอนต่างๆ

ข้าว. 18.6. โครงสร้างทางเรขาคณิตของโมเลกุลเบนซีน

มีค่ามากกว่าสามเท่าของเอนทาลปีของไฮโดรจิเนชันของไซโคลเฮกซีน ความแตกต่างระหว่างค่าเหล่านี้มักจะเรียกว่าเอนทาลปี delocalization พลังงานพ้อง หรือพลังงานรักษาเสถียรภาพของเบนซิน

พันธะคาร์บอน-คาร์บอนทั้งหมดในวงแหวนเบนซีนมีความยาวเท่ากัน ซึ่งน้อยกว่าความยาวของพันธะ C-C ในอัลเคน แต่ยาวกว่าความยาวของพันธะ C=C ในอัลคีน (ตารางที่ 18.3) สิ่งนี้เป็นการยืนยันว่าพันธะคาร์บอน-คาร์บอนในน้ำมันเบนซินเป็นลูกผสมระหว่างพันธะเดี่ยวและพันธะคู่

โมเลกุลเบนซีนมีโครงสร้างแบน ดังแสดงในรูปที่ 18.6.

คุณสมบัติทางกายภาพ

ภายใต้สภาวะปกติ น้ำมันเบนซินเป็นของเหลวไม่มีสีที่แข็งตัวที่ 5.5 ° C และเดือดที่ 80 ° C มีกลิ่นที่น่าพึงพอใจ แต่ดังที่ได้กล่าวไว้ข้างต้นมีความเป็นพิษสูง น้ำมันเบนซินไม่สามารถผสมกับน้ำได้ และในระบบน้ำมันเบนซิน น้ำจะสร้างชั้นบนสุดของสองชั้น อย่างไรก็ตาม สามารถละลายได้ในตัวทำละลายอินทรีย์ที่ไม่มีขั้ว และเป็นตัวทำละลายที่ดีสำหรับสารประกอบอินทรีย์อื่นๆ

คุณสมบัติทางเคมี

แม้ว่าน้ำมันเบนซินจะเข้าสู่ปฏิกิริยาการเติมบางอย่าง (ดูด้านล่าง) แต่ก็ไม่ได้แสดงปฏิกิริยาตามแบบฉบับของแอลคีนในตัวมัน ตัวอย่างเช่น จะไม่ทำให้น้ำโบรมีนหรือสารละลาย α-ion เปลี่ยนสี นอกจากนี้ เบนซิน

ทำปฏิกิริยาเพิ่มเติมกับกรดแก่ เช่น กรดไฮโดรคลอริกหรือกรดซัลฟิวริก

ในเวลาเดียวกัน น้ำมันเบนซินมีส่วนร่วมในปฏิกิริยาการแทนที่อิเล็กโทรฟิลิกจำนวนหนึ่ง สารประกอบอะโรมาติกเป็นผลผลิตจากปฏิกิริยาประเภทนี้ เนื่องจากระบบอิเลคตรอนแบบแยกส่วน - อิเล็กตรอนของเบนซีนจะคงอยู่ในปฏิกิริยาเหล่านี้ กลไกทั่วไปของการแทนที่อะตอมไฮโดรเจนบนวงแหวนเบนซีนด้วยอิเล็กโทรฟิลบางชนิดได้อธิบายไว้ในข้อ 17.3. ตัวอย่างของการทดแทนน้ำมันเบนซินด้วยไฟฟ้า ได้แก่ ปฏิกิริยาไนเตรต ฮาโลเจน ซัลโฟเนชัน และปฏิกิริยาของ Friedel-Crafts

ไนเตรท เบนซีนสามารถไนเตรตได้ (แนะนำกลุ่มเข้าไป) โดยการบำบัดด้วยส่วนผสมของกรดไนตริกเข้มข้นและกรดซัลฟิวริก:

ไนโตรเบนซีน

สภาวะสำหรับปฏิกิริยานี้และกลไกของปฏิกิริยาได้อธิบายไว้ในข้อ 17.3.

ไนโตรเบนซีนเป็นของเหลวสีเหลืองซีดมีกลิ่นอัลมอนด์ ในระหว่างการไนเตรตของเบนซีนนอกเหนือจากไนโตรเบนซีนจะเกิดผลึก 1,3-dinitrobenzene ซึ่งเป็นผลคูณของปฏิกิริยาต่อไปนี้:

ฮาโลเจน หากคุณผสมเบนซินในที่มืดกับคลอรีนหรือโบรมีน มะเร็งจะไม่เกิดขึ้น อย่างไรก็ตาม เมื่อมีตัวเร่งปฏิกิริยาที่มีคุณสมบัติของกรดลิวอิส ปฏิกิริยาการแทนที่ด้วยไฟฟ้าจะเกิดขึ้นในสารผสมดังกล่าว ตัวเร่งปฏิกิริยาทั่วไปสำหรับปฏิกิริยาเหล่านี้ ได้แก่ โบรไมด์เหล็ก (III) และอะลูมิเนียมคลอไรด์ การกระทำของตัวเร่งปฏิกิริยาเหล่านี้คือพวกมันสร้างโพลาไรเซชันในโมเลกุลของฮาโลเจน ซึ่งจะสร้างสารเชิงซ้อนกับตัวเร่งปฏิกิริยา:

แม้ว่าจะไม่มีหลักฐานโดยตรงว่าในกรณีนี้ไอออนอิสระเกิดขึ้น กลไกของโบรมีนเบนซีนโดยใช้โบรไมด์เหล็ก (III) เป็นพาหะไอออนสามารถแสดงได้ดังนี้:

ซัลโฟเนชั่น เบนซีนสามารถถูกทำให้เป็นซัลโฟเนตได้ (แทนที่อะตอมของไฮโดรเจนในนั้นด้วยกลุ่มซัลโฟ) โดยการรีฟลักซ์ของส่วนผสมด้วยกรดซัลฟิวริกเข้มข้นเป็นเวลาหลายชั่วโมง ในทางกลับกัน น้ำมันเบนซินสามารถให้ความร้อนเบา ๆ ผสมกับกรดซัลฟิวริกที่เป็นควันแทนได้ กรดกำมะถันที่เป็นควันประกอบด้วยซัลเฟอร์ไตรออกไซด์ กลไกของปฏิกิริยานี้สามารถแสดงโดยโครงร่าง

ปฏิกิริยาของ Friedel-Crafts ปฏิกิริยาของ Friedel-Crafts เดิมเรียกว่าปฏิกิริยาควบแน่นระหว่างสารประกอบอะโรมาติกและอัลคิลเฮไลด์ในที่ที่มีตัวเร่งปฏิกิริยาอะลูมิเนียมคลอไรด์ปราศจากน้ำ

ในปฏิกิริยาควบแน่น โมเลกุลของสารตั้งต้นสองโมเลกุล (หรือสารตั้งต้นหนึ่งตัว) จะรวมกันเป็นโมเลกุลของสารประกอบใหม่ ในขณะที่โมเลกุลของสารประกอบธรรมดาบางชนิด เช่น น้ำหรือไฮโดรเจนคลอไรด์ จะถูกแยกออกจากพวกมัน .

ในปัจจุบัน ปฏิกิริยาของ Friedel-Crafts เป็นการแทนที่อิเล็กโทรฟิลิกของสารประกอบอะโรมาติกซึ่งคาร์โบเคชั่นหรือสารเชิงซ้อนที่มีโพลาไรซ์สูงที่มีอะตอมของคาร์บอนที่มีประจุบวกทำหน้าที่เป็นอิเล็กโทรไฟล์ สารอิเล็กโตรฟิลลิกมักจะเป็นอัลคิลเฮไลด์หรือคลอไรด์ของกรดคาร์บอกซิลิก แม้ว่าจะยังสามารถเป็นได้ ตัวอย่างเช่น แอลคีนหรือแอลกอฮอล์ อะลูมิเนียมคลอไรด์ปราศจากน้ำมักใช้เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาสำหรับปฏิกิริยาเหล่านี้ ปฏิกิริยาของ Friedel-Crafts มักจะแบ่งออกเป็นสองประเภท: alkylation และ acylation

อัลคิเลชั่น ในปฏิกิริยาของ Friedel-Crafts ประเภทนี้ อะตอมไฮโดรเจนหนึ่งอะตอมหรือมากกว่าในวงแหวนเบนซีนจะถูกแทนที่ด้วยหมู่อัลคิล ตัวอย่างเช่น เมื่อส่วนผสมของเบนซีนและคลอโรมีเทนถูกทำให้ร้อนอย่างระมัดระวังในที่ที่มีอะลูมิเนียมคลอไรด์ปราศจากน้ำ เมทิลเบนซีนจะก่อตัวขึ้น คลอโรมีเทนมีบทบาทเป็นตัวแทนอิเล็กโทรฟิลิกในปฏิกิริยานี้ มีโพลาไรซ์โดยอะลูมิเนียมคลอไรด์ในลักษณะเดียวกับที่เกิดขึ้นกับโมเลกุลของฮาโลเจน:

กลไกของปฏิกิริยาที่พิจารณาสามารถแสดงได้ดังนี้:

ควรสังเกตว่าในปฏิกิริยาควบแน่นระหว่างเบนซีนและคลอโรมีเทน โมเลกุลของไฮโดรเจนคลอไรด์จะถูกแยกออก นอกจากนี้เรายังทราบด้วยว่าการมีอยู่จริงของ carbocation ของโลหะในรูปของไอออนอิสระนั้นเป็นที่น่าสงสัย

Alkylation ของเบนซินกับคลอโรมีเทนต่อหน้าตัวเร่งปฏิกิริยา - อะลูมิเนียมคลอไรด์ปราศจากน้ำไม่ได้จบลงด้วยการก่อตัวของเมทิลเบนซีน ในปฏิกิริยานี้ อัลคิเลชันเพิ่มเติมของวงแหวนเบนซีนเกิดขึ้น ซึ่งนำไปสู่การก่อตัวของ 1,2-ไดเมทิลเบนซีน:

อะซิเลชั่น ในปฏิกิริยาของ Friedel-Crafts ประเภทนี้ อะตอมของไฮโดรเจนในวงแหวนเบนซีนจะถูกแทนที่ด้วยกลุ่ม acyl ส่งผลให้เกิดอะโรมาติกคีโตน

หมู่อะซิลมีสูตรทั่วไป

ชื่อที่เป็นระบบของสารประกอบ acyl เกิดขึ้นจากการแทนที่คำต่อท้ายและสิ้นสุด -ova ในชื่อของกรดคาร์บอกซิลิกที่สอดคล้องกัน ซึ่งสารประกอบ acyl ที่ให้มานั้นเป็นอนุพันธ์ โดยมีคำต่อท้าย -(o)yl ตัวอย่างเช่น

Acylation ของเบนซินดำเนินการโดยใช้คลอไรด์หรือแอนไฮไดรด์ของกรดคาร์บอกซิลิกต่อหน้าตัวเร่งปฏิกิริยาอะลูมิเนียมคลอไรด์ที่ปราศจากน้ำ ตัวอย่างเช่น

ปฏิกิริยานี้เป็นการควบแน่นที่เกิดการกำจัดโมเลกุลไฮโดรเจนคลอไรด์ โปรดทราบด้วยว่าชื่อ "ฟีนิล" มักใช้เพื่อระบุวงแหวนเบนซีนในสารประกอบที่เบนซินไม่ใช่กลุ่มหลัก:

ปฏิกิริยาการเติม แม้ว่าน้ำมันเบนซินจะเป็นลักษณะเฉพาะส่วนใหญ่ของปฏิกิริยาการแทนที่อิเล็กโตรฟิลลิก แต่ก็เข้าสู่ปฏิกิริยาการเติมบางส่วนด้วย เราได้พบกับหนึ่งในนั้นแล้ว เรากำลังพูดถึงการเติมไฮโดรเจนของน้ำมันเบนซิน (ดูหัวข้อ 5.3) เมื่อส่วนผสมของเบนซินและไฮโดรเจนถูกส่งผ่านบนพื้นผิวของตัวเร่งปฏิกิริยานิกเกิลแบบละเอียดที่อุณหภูมิ 150–160 °C ปฏิกิริยาทั้งหมดจะเกิดขึ้นตามลำดับ ซึ่งจะจบลงด้วยการก่อตัวของไซโคลเฮกเซน สมการปริมาณสัมพันธ์โดยรวมสำหรับปฏิกิริยานี้สามารถแสดงได้ดังนี้:

ภายใต้อิทธิพลของรังสีอัลตราไวโอเลตหรือแสงแดดโดยตรง เบนซินยังทำปฏิกิริยากับคลอรีน ปฏิกิริยานี้ดำเนินการโดยกลไกหัวรุนแรงที่ซับซ้อน ผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้ายคือ 1,2,3,4,5,6-เฮกซะคลอโรไซโคลเฮกเซน:

ปฏิกิริยาที่คล้ายกันเกิดขึ้นระหว่างเบนซีนและโบรมีนภายใต้การกระทำของรังสีอัลตราไวโอเลตหรือแสงแดด

ออกซิเดชัน. เบนซีนและวงแหวนเบนซีนในสารประกอบอะโรมาติกอื่นๆ โดยทั่วไปจะทนต่อการเกิดออกซิเดชันได้ แม้กระทั่งโดยตัวออกซิไดซ์ที่แรงเช่น สารละลายที่เป็นกรดหรือด่างของโพแทสเซียม เปอร์แมงกาเนต อย่างไรก็ตาม น้ำมันเบนซินและอะโรเมติกส์อื่นๆ เผาไหม้ในอากาศหรือออกซิเจนเพื่อสร้างเปลวไฟที่มีควันมาก ซึ่งเป็นลักษณะของไฮโดรคาร์บอนที่มีปริมาณคาร์บอนสัมพัทธ์สูง

คำนิยาม

เบนซิน(cyclohexatriene - 1,3,5) - สารอินทรีย์ซึ่งเป็นตัวแทนที่ง่ายที่สุดของอะโรมาติกไฮโดรคาร์บอนจำนวนหนึ่ง

สูตร - C 6 H 6 (สูตรโครงสร้าง - รูปที่ 1) น้ำหนักโมเลกุล - 78, 11

ข้าว. 1. สูตรโครงสร้างและเชิงพื้นที่ของน้ำมันเบนซิน

อะตอมของคาร์บอนทั้งหกตัวในโมเลกุลเบนซีนอยู่ในสถานะไฮบริด sp 2 อะตอมของคาร์บอนแต่ละอะตอมสร้างพันธะ3σกับอะตอมของคาร์บอนอีกสองอะตอมและอะตอมไฮโดรเจนหนึ่งอะตอมที่อยู่ในระนาบเดียวกัน อะตอมของคาร์บอนหกตัวสร้างรูปหกเหลี่ยมปกติ (σ-โครงกระดูกของโมเลกุลเบนซีน) อะตอมของคาร์บอนแต่ละอะตอมมีออร์บิทัล p-orbital แบบ unhybridized หนึ่งตัว ซึ่งมีอิเล็กตรอนอยู่หนึ่งตัว อิเล็กตรอน p หกตัวสร้างเมฆ π-อิเล็กตรอน (ระบบอะโรมาติก) ก้อนเดียว ซึ่งแสดงเป็นวงกลมภายในวัฏจักรที่มีสมาชิกหกตัว ไฮโดรคาร์บอนเรดิคัลที่ได้จากน้ำมันเบนซินเรียกว่า C 6 H 5 - - phenyl (Ph-)

คุณสมบัติทางเคมีของเบนซิน

เบนซีนมีลักษณะเฉพาะโดยปฏิกิริยาการทดแทนที่ดำเนินการตามกลไกอิเล็กโตรฟิลลิก:

- ฮาโลเจน (เบนซินทำปฏิกิริยากับคลอรีนและโบรมีนต่อหน้าตัวเร่งปฏิกิริยา - ปราศจาก AlCl 3, FeCl 3, AlBr 3)

C 6 H 6 + Cl 2 \u003d C 6 H 5 -Cl + HCl;

- ไนเตรต (เบนซินทำปฏิกิริยากับส่วนผสมของไนเตรตได้ง่าย - ส่วนผสมของกรดไนตริกเข้มข้นและกรดซัลฟิวริก)

- alkylation กับ alkenes

C 6 H 6 + CH 2 \u003d CH-CH 3 → C 6 H 5 -CH (CH 3) 2;

ปฏิกิริยาเพิ่มเติมกับน้ำมันเบนซินทำให้เกิดการทำลายระบบอะโรมาติกและดำเนินการภายใต้สภาวะที่ไม่เอื้ออำนวยเท่านั้น:

- ไฮโดรจิเนชัน (ปฏิกิริยาจะเกิดขึ้นเมื่อถูกความร้อน ตัวเร่งปฏิกิริยาคือ Pt)

- การเติมคลอรีน (เกิดขึ้นภายใต้การกระทำของรังสียูวีด้วยการก่อตัวของผลิตภัณฑ์ที่เป็นของแข็ง - hexachlorocyclohexane (hexachlorane) - C 6 H 6 Cl 6)

เช่นเดียวกับสารประกอบอินทรีย์อื่น ๆ น้ำมันเบนซินเข้าสู่ปฏิกิริยาการเผาไหม้ด้วยการก่อตัวของก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์และน้ำเป็นผลิตภัณฑ์จากปฏิกิริยา (เผาไหม้ด้วยเปลวไฟที่มีควัน):

2C 6 H 6 + 15O 2 → 12CO 2 + 6H 2 O.

คุณสมบัติทางกายภาพของน้ำมันเบนซิน

เบนซินเป็นของเหลวไม่มีสี แต่มีกลิ่นฉุนเฉพาะ สร้างส่วนผสมอะซีโอทรอปิกกับน้ำ ผสมกับอีเทอร์ น้ำมันเบนซิน และตัวทำละลายอินทรีย์ต่างๆ ได้ดี จุดเดือด - 80.1C จุดหลอมเหลว - 5.5C เป็นพิษ สารก่อมะเร็ง (เช่น ก่อให้เกิดการพัฒนาของมะเร็ง)

การรับและการใช้น้ำมันเบนซิน

วิธีการหลักในการรับน้ำมันเบนซิน:

— dehydrocyclization ของเฮกเซน (ตัวเร่งปฏิกิริยา - Pt, Cr 3 O 2)

CH 3 -(CH 2) 4 -CH 3 → C 6 H 6 + 4H 2;

- ดีไฮโดรจีเนชันของไซโคลเฮกเซน (ปฏิกิริยาจะเกิดขึ้นเมื่อถูกความร้อน ตัวเร่งปฏิกิริยาคือ Pt)

C 6 H 12 → C 6 H 6 + 4H 2;

– trimerization ของอะเซทิลีน (ปฏิกิริยาจะเกิดขึ้นเมื่อถูกความร้อนถึง 600C ตัวเร่งปฏิกิริยาคือถ่านกัมมันต์)

3HC≡CH → C 6 H 6 .

เบนซินทำหน้าที่เป็นวัตถุดิบในการผลิตสารคล้ายคลึงกัน (เอทิลเบนซีน คิวมีน) ไซโคลเฮกเซน ไนโตรเบนซีน คลอโรเบนซีน และสารอื่นๆ ก่อนหน้านี้ น้ำมันเบนซินถูกใช้เป็นสารเติมแต่งในน้ำมันเบนซินเพื่อเพิ่มค่าออกเทน แต่ตอนนี้ เนื่องจากมีความเป็นพิษสูง ปริมาณของน้ำมันเบนซินในเชื้อเพลิงจึงถูกควบคุมอย่างเข้มงวด บางครั้งใช้น้ำมันเบนซินเป็นตัวทำละลาย

ตัวอย่างการแก้ปัญหา

ตัวอย่าง 1

ตัวอย่าง 2

อะโรมาติกไฮโดรคาร์บอน

สำหรับสารประกอบอะโรมาติก หรือ arenes หมายถึงสารประกอบกลุ่มใหญ่ที่โมเลกุลประกอบด้วยกลุ่มวัฏจักรที่เสถียร (วงแหวนเบนซีน) ที่มีคุณสมบัติทางกายภาพและทางเคมีพิเศษ

สารประกอบเหล่านี้ส่วนใหญ่ประกอบด้วยเบนซินและอนุพันธ์จำนวนมาก

คำว่า "อะโรมาติก" เดิมใช้เกี่ยวกับผลิตภัณฑ์ที่มาจากธรรมชาติซึ่งมีกลิ่นหอม เนื่องจากในบรรดาสารประกอบเหล่านี้ มีหลายชนิดที่รวมถึงวงแหวนเบนซีน คำว่า "อะโรมาติก" จึงเริ่มนำไปใช้กับสารประกอบใดๆ (รวมทั้งที่มีกลิ่นไม่พึงประสงค์) ที่มีวงแหวนเบนซีน

เบนซิน โครงสร้างอิเล็กทรอนิกส์

ตามสูตรเบนซีน C 6 H 6 สามารถสันนิษฐานได้ว่าเบนซินเป็นสารประกอบที่ไม่อิ่มตัวสูง เช่น กับอะเซทิลีน อย่างไรก็ตาม คุณสมบัติทางเคมีของน้ำมันเบนซินไม่สนับสนุนสมมติฐานนี้ ดังนั้นภายใต้สภาวะปกติ น้ำมันเบนซินจะไม่ทำให้เกิดปฏิกิริยาของไฮโดรคาร์บอนที่ไม่อิ่มตัว: ไม่ทำปฏิกิริยาเพิ่มเติมกับไฮโดรเจนเฮไลด์ ไม่ทำให้สารละลายโพแทสเซียมเปอร์แมงกาเนตเปลี่ยนสี ในเวลาเดียวกัน น้ำมันเบนซินจะเข้าสู่ปฏิกิริยาการทดแทนเช่นเดียวกับไฮโดรคาร์บอนอิ่มตัว

ข้อเท็จจริงเหล่านี้บ่งชี้ว่าน้ำมันเบนซินมีความคล้ายคลึงกันบางส่วนกับความอิ่มตัว ส่วนหนึ่งเป็นไฮโดรคาร์บอนที่ไม่อิ่มตัว และในเวลาเดียวกันก็แตกต่างจากทั้งสองอย่าง จึงมีการอภิปรายอย่างมีชีวิตชีวาระหว่างนักวิทยาศาสตร์เกี่ยวกับคำถามเกี่ยวกับโครงสร้างของน้ำมันเบนซินเป็นเวลานาน

ในยุค 60s. ของศตวรรษที่ผ่านมา นักเคมีส่วนใหญ่ยอมรับทฤษฎีโครงสร้างวัฏจักรของเบนซีนโดยอาศัยข้อเท็จจริงที่ว่าอนุพันธ์เบนซีนแบบโมโนแทนที่ (เช่น โบรโมเบนซีน) ไม่มีไอโซเมอร์

สูตรเบนซีนที่เป็นที่รู้จักมากที่สุดซึ่งเสนอในปี พ.ศ. 2408 โดยนักเคมีชาวเยอรมันชื่อ Kekule ซึ่งพันธะคู่ในวงแหวนของอะตอมคาร์บอนเบนซีนสลับกับพันธะธรรมดา และตามสมมติฐานของ Kekule พันธะธรรมดาและพันธะคู่จะเคลื่อนที่อย่างต่อเนื่อง:

อย่างไรก็ตาม สูตร Kekule ไม่สามารถอธิบายได้ว่าทำไมเบนซินจึงไม่แสดงคุณสมบัติของสารประกอบที่ไม่อิ่มตัว

ตามแนวคิดสมัยใหม่ โมเลกุลของเบนซีนมีโครงสร้างเป็นรูปหกเหลี่ยมแบนซึ่งมีด้านเท่ากันและมีขนาด 0.140 นาโนเมตร ระยะห่างนี้เป็นค่าเฉลี่ยระหว่าง 0.154 นาโนเมตร (ความยาวพันธะเดี่ยว) และ 0.134 นาโนเมตร (ความยาวพันธะคู่) ไม่เพียงแค่อะตอมของคาร์บอนเท่านั้น แต่ยังมีอะตอมของไฮโดรเจนหกอะตอมที่เกี่ยวข้องกับพวกมันอยู่ในระนาบเดียวกันด้วย มุมที่เกิดจากพันธะ H - C - C และ C - C - C คือ 120 °

อะตอมของคาร์บอนในน้ำมันเบนซินอยู่ในการผสมแบบ sp 2 นั่นคือ ของออร์บิทัลทั้งสี่ของอะตอมคาร์บอน มีเพียงสามออร์บิทัลเท่านั้นที่ถูกไฮบริไดซ์ (หนึ่ง 2s- และสอง 2p-) ซึ่งมีส่วนร่วมในการก่อตัวของพันธะ σ ระหว่างอะตอมของคาร์บอน 2 p-orbital คาบเกี่ยวกันด้วย 2 p-orbitals ของอะตอมคาร์บอนที่อยู่ใกล้เคียง 2 อะตอม (ขวาและซ้าย) อิเล็กตรอน π-อิเล็กตรอน 6 ตัวที่แยกตัวออกจากตำแหน่งที่อยู่ในออร์บิทัลรูปดัมเบลล์ แกนซึ่งตั้งฉากกับระนาบของวงแหวนเบนซีน ระบบอิเล็กทรอนิกส์ปิดที่เสถียรเพียงระบบเดียว

อันเป็นผลมาจากการก่อตัวของระบบอิเล็กทรอนิกส์แบบปิดโดยอะตอมของคาร์บอนทั้งหกอะตอม "การจัดตำแหน่ง" ของพันธะเดี่ยวและพันธะคู่เกิดขึ้น กล่าวคือ ในโมเลกุลของน้ำมันเบนซินนั้นไม่มีพันธะคู่และพันธะเดี่ยวแบบคลาสสิก การกระจายตัวสม่ำเสมอของความหนาแน่น π-อิเล็กตรอนระหว่างอะตอมของคาร์บอนทั้งหมดเป็นสาเหตุของความเสถียรสูงของโมเลกุลเบนซีน เพื่อเน้นความสม่ำเสมอของความหนาแน่น π-อิเล็กตรอนในโมเลกุลเบนซีน บุคคลหนึ่งใช้สูตรต่อไปนี้:

ศัพท์เฉพาะและไอโซเมอร์ของอะโรมาติกไฮโดรคาร์บอนของซีรีย์เบนซิน

สูตรทั่วไปสำหรับอนุกรมคล้ายคลึงกันของเบนซิน C n H 2 n -6

สารคล้ายคลึงกันตัวแรกของเบนซีนคือเมทิลเบนซีนหรือ โทลูอีน, C 7 H 8

ไม่มีไอโซเมอร์ตำแหน่ง เช่นเดียวกับอนุพันธ์เดี่ยวอื่น ๆ ทั้งหมด

โฮโมล็อกที่สอง C 8 H 10 สามารถมีอยู่ในรูปแบบไอโซเมอร์สี่รูปแบบ: เอทิลเบนซีน C 6 H 5 -C 2 H 5 และไดเมทิลเบนซีนสามชนิด หรือ ไซลีน, C b H 4 (CH 3) 2 (ออร์โธ-, เมตา-และ คู่-ไซลีน หรือ 1,2-, 1,3- และ 1,4-ไดเมทิลเบนซีน):

อนุมูล (สารตกค้าง) ของเบนซีน C 6 H 5 - เรียกว่า ฟีนิล; ชื่อของอนุมูลของ homologues เบนซินนั้นได้มาจากชื่อของไฮโดรคาร์บอนที่เกี่ยวข้องโดยการเพิ่มส่วนต่อท้ายไปที่ราก -ตะกอน(tolyl, xylyl เป็นต้น) และตัวอักษร (o-, ม-, ป-)หรือตัวเลขตำแหน่งของโซ่ด้านข้าง ชื่อสามัญของอนุมูลอะโรมาติกทั้งหมด arylsคล้ายกับชื่อเรื่อง อัลคิลสำหรับอัลเคนเรดิคัล รากศัพท์ C 6 H 5 -CH 2 - เรียกว่า เบนซิล

เมื่อตั้งชื่ออนุพันธ์เบนซีนที่ซับซ้อนมากขึ้น จากลำดับการนับที่เป็นไปได้ จะมีการเลือกหนึ่งรายการโดยที่ผลรวมของตัวเลขของหมายเลขแทนที่จะน้อยที่สุด ตัวอย่างเช่น ไดเมทิลเอทิลเบนซีนของโครงสร้าง

ควรเรียกว่า 1,4-dimethyl-2-ethylbenzene (ผลรวมของหลักคือ 7) และไม่ใช่ 1,4-dimethyl-6-ethylbenzene (ผลรวมของหลักคือ 11)

ชื่อของน้ำมันเบนซินที่คล้ายคลึงกันที่สูงกว่ามักไม่ได้มาจากชื่อของนิวเคลียสอะโรมาติก แต่จากชื่อของห่วงโซ่ด้านข้างนั่นคือพวกมันถือเป็นอนุพันธ์ของอัลเคน:

คุณสมบัติทางกายภาพของอะโรมาติกไฮโดรคาร์บอนของซีรีย์เบนซิน

สมาชิกส่วนล่างของซีรีย์คล้ายคลึงกันของเบนซีนเป็นของเหลวไม่มีสีที่มีกลิ่นเฉพาะตัว ความหนาแน่นและดัชนีการหักเหของแสงนั้นสูงกว่าของอัลเคนและแอลคีนมาก จุดหลอมเหลวก็สูงขึ้นอย่างเห็นได้ชัดเช่นกัน เนื่องจากมีปริมาณคาร์บอนสูง สารประกอบอะโรมาติกทั้งหมดจึงเผาไหม้ด้วยเปลวไฟที่มีควันมาก อะโรมาติกไฮโดรคาร์บอนทั้งหมดไม่ละลายในน้ำและสามารถละลายได้ดีในตัวทำละลายอินทรีย์ส่วนใหญ่ โดยส่วนใหญ่สามารถกลั่นด้วยไอน้ำได้อย่างง่ายดาย

คุณสมบัติทางเคมีของอะโรมาติกไฮโดรคาร์บอนของชุดเบนซิน

สำหรับอะโรมาติกไฮโดรคาร์บอน ปฏิกิริยาทั่วไปที่สุดคือการแทนที่ไฮโดรเจนในวงแหวนอะโรมาติก อะโรมาติกไฮโดรคาร์บอนทำปฏิกิริยาเพิ่มเติมด้วยความยากลำบากอย่างมากภายใต้สภาวะที่ไม่เอื้ออำนวย ลักษณะเด่นของน้ำมันเบนซินคือการต้านทานต่อตัวออกซิไดซ์อย่างมีนัยสำคัญ

ปฏิกิริยาการเติม

การเติมไฮโดรเจน

ในบางกรณีที่หายาก น้ำมันเบนซินสามารถเติมปฏิกิริยาได้ การเติมไฮโดรเจน เช่น การเติมไฮโดรเจน เกิดขึ้นภายใต้การกระทำของไฮโดรเจนภายใต้สภาวะที่ไม่เอื้ออำนวยต่อหน้าตัวเร่งปฏิกิริยา (Ni, Pt, Pd) ในกรณีนี้ โมเลกุลของเบนซีนจะเพิ่มโมเลกุลไฮโดรเจนสามโมเลกุลเพื่อสร้างไซโคลเฮกเซน:

การเติมฮาโลเจน

หากสารละลายคลอรีนในน้ำมันเบนซินสัมผัสกับแสงแดดหรือรังสีอัลตราไวโอเลต โมเลกุลฮาโลเจนสามตัวจะถูกเติมอย่างรุนแรงเพื่อสร้างส่วนผสมที่ซับซ้อนของสเตอริโอไอโซเมอร์ของเฮกซาคลอโรไซโคลเฮกเซน:

Hexachlorocyclohexai (ชื่อทางการค้า hexachloran) ปัจจุบันใช้เป็นยาฆ่าแมลง - สารที่ทำลายแมลงที่เป็นศัตรูพืชทางการเกษตร

ปฏิกิริยาออกซิเดชัน

น้ำมันเบนซินมีความทนทานต่อตัวออกซิไดซ์มากกว่าไฮโดรคาร์บอนอิ่มตัว ไม่ถูกออกซิไดซ์โดยกรดไนตริกเจือจาง สารละลาย KMnO 4 เป็นต้น สารคล้ายคลึงกันของเบนซีนถูกออกซิไดซ์ได้ง่ายกว่ามาก แต่ถึงแม้จะอยู่ในแกนเบนซีนก็ค่อนข้างต้านทานต่อการกระทำของตัวออกซิไดซ์มากกว่าอนุมูลไฮโดรคาร์บอนที่เกี่ยวข้อง มีกฎอยู่หนึ่งข้อ: น้ำมันเบนซินที่คล้ายคลึงกันที่มีสายโซ่ข้างเดียวจะถูกออกซิไดซ์เป็นกรดโมโนเบสิก (เบนโซอิก):

สารคล้ายคลึงกันของเบนซีนที่มีสายโซ่หลายด้านที่มีความซับซ้อนใดๆ จะถูกออกซิไดซ์เพื่อสร้างกรดอะโรมาติกโพลีเบสิก:

ปฏิกิริยาการทดแทน

1. ฮาโลเจนเนชั่น

ภายใต้สภาวะปกติอะโรมาติกไฮโดรคาร์บอนจะไม่ทำปฏิกิริยากับฮาโลเจน เบนซีนไม่ทำให้น้ำโบรมีนเปลี่ยนสี แต่เมื่อมีตัวเร่งปฏิกิริยา (FeCl 3, FeBr 3, AlCl 3) ในตัวกลางปราศจากน้ำ คลอรีนและโบรมีนจะทำปฏิกิริยากับเบนซีนอย่างแรงที่อุณหภูมิห้อง:

ปฏิกิริยาไนเตรต

สำหรับปฏิกิริยาจะใช้กรดไนตริกเข้มข้นซึ่งมักผสมกับกรดซัลฟิวริกเข้มข้น (ตัวเร่งปฏิกิริยา):

ในน้ำมันเบนซินแบบไม่แทนที่ การเกิดปฏิกิริยาของอะตอมคาร์บอนทั้งหกในปฏิกิริยาการแทนที่จะเท่ากัน หมู่แทนที่อาจยึดติดกับอะตอมของคาร์บอนใดๆ หากมีหมู่แทนที่ในนิวเคลียสของเบนซีนแล้ว ภายใต้อิทธิพลของมัน สถานะของนิวเคลียสจะเปลี่ยนไป และตำแหน่งที่หมู่แทนที่ใหม่ใด ๆ เข้ามาขึ้นอยู่กับลักษณะของหมู่แทนที่แรก จากนี้ไปว่าแต่ละหมู่แทนที่ในนิวเคลียสของเบนซีนมีผลชี้นำ (ทิศทาง) บางอย่างและมีส่วนช่วยในการแนะนำหมู่แทนที่ใหม่เฉพาะในบางตำแหน่งที่สัมพันธ์กับตัวมันเอง

ตามอิทธิพลชี้นำ หมู่แทนที่ต่าง ๆ แบ่งออกเป็นสองกลุ่ม:

ก) สารทดแทนประเภทที่หนึ่ง:

พวกเขานำส่วนประกอบใหม่เข้าสู่ตำแหน่งออร์โธและพาราด้วยความเคารพตนเอง ในเวลาเดียวกัน เกือบทั้งหมดลดความเสถียรของกลุ่มอะโรมาติกและอำนวยความสะดวกทั้งปฏิกิริยาการแทนที่และปฏิกิริยาของวงแหวนเบนซิน:

b) สารทดแทนประเภทที่สอง:

พวกเขานำการแทนที่ใหม่ไปยังตำแหน่งเมตาที่เกี่ยวข้องกับตัวเอง เพิ่มความเสถียรของกลุ่มอะโรมาติกและขัดขวางปฏิกิริยาการแทนที่:

ดังนั้นธรรมชาติของอะโรมาติกของเบนซีน (และ arenes อื่น ๆ ) จึงแสดงออกในความจริงที่ว่าสารประกอบนี้ซึ่งมีองค์ประกอบไม่อิ่มตัวในปฏิกิริยาเคมีจำนวนหนึ่งปรากฏเป็นสารประกอบ จำกัด มีลักษณะเป็นความเสถียรทางเคมีความยากของการเติม ปฏิกิริยา เฉพาะภายใต้สภาวะพิเศษ (ตัวเร่งปฏิกิริยา การฉายรังสี) เบนซินจะมีพฤติกรรมราวกับว่ามีพันธะคู่สามพันธะในโมเลกุล

โดยคุณสมบัติทางเคมี เบนซีนและอะโรมาติกไฮโดรคาร์บอนอื่น ๆ แตกต่างจากไฮโดรคาร์บอนอิ่มตัวและไม่อิ่มตัว ลักษณะเด่นที่สุดคือปฏิกิริยาการแทนที่ของอะตอมไฮโดรเจนของวงแหวนเบนซิน พวกมันไหลได้ง่ายกว่าไฮโดรคาร์บอนอิ่มตัว ได้สารประกอบอินทรีย์หลายชนิดด้วยวิธีนี้ ดังนั้นในปฏิกิริยาของเบนซีนกับโบรมีน (ต่อหน้าตัวเร่งปฏิกิริยา FeBr 2) อะตอมไฮโดรเจนจะถูกแทนที่ด้วยอะตอมโบรมีน:

ด้วยตัวเร่งปฏิกิริยาอื่น อะตอมของไฮโดรเจนทั้งหมดในน้ำมันเบนซินสามารถถูกแทนที่ด้วยฮาโลเจน สิ่งนี้จะเกิดขึ้น ตัวอย่างเช่น เมื่อคลอรีนถูกส่งไปยังเบนซีนต่อหน้าอะลูมิเนียมคลอไรด์:

หากเบนซินได้รับการบำบัดด้วยส่วนผสมของกรดไนตริกและกรดซัลฟิวริกเข้มข้น (ส่วนผสมไนเตรต) อะตอมของไฮโดรเจนจะถูกแทนที่ด้วยกลุ่มไนโตร - NO 2:

นี่คือไนเตรตของเบนซิน ไนโตรเบนซีนเป็นของเหลวที่มีน้ำมันสีเหลืองซีด มีกลิ่นของอัลมอนด์ขม ซึ่งไม่ละลายในน้ำ ใช้เป็นตัวทำละลาย และได้อนิลีน

ในโมเลกุลของเบนซีน อะตอมของไฮโดรเจนสามารถถูกแทนที่ด้วยอัลคิลเรดิคัลโดยการกระทำของอนุพันธ์ฮาโลเจนของไฮโดรคาร์บอนต่อหน้าอะลูมิเนียมคลอไรด์:

ปฏิกิริยาเพิ่มเติมต่อน้ำมันเบนซินดำเนินไปอย่างยากลำบาก สำหรับการเกิดขึ้นของพวกเขาจำเป็นต้องมีเงื่อนไขพิเศษ: อุณหภูมิและความดันที่เพิ่มขึ้นการเลือกตัวเร่งปฏิกิริยาการฉายรังสีแสง ฯลฯ ดังนั้นในที่ที่มีตัวเร่งปฏิกิริยา - นิกเกิลหรือแพลตตินัม - เบนซินจะถูกเติมไฮโดรเจนเช่น เพิ่มไฮโดรเจนเพื่อสร้างไซโคลเฮกเซน:

ไซโคลเฮกเซนเป็นของเหลวระเหยไม่มีสี มีกลิ่นของน้ำมันเบนซิน ไม่ละลายในน้ำ

ภายใต้การฉายรังสีอัลตราไวโอเลต เบนซินจะเพิ่มคลอรีน:

Hexachlorocyclohexane หรือ hexachlorane เป็นสารผลึกที่ใช้เป็นยาฆ่าแมลงที่มีประสิทธิภาพ

เบนซินไม่เติมไฮโดรเจนเฮไลด์และน้ำ มีความทนทานต่อสารออกซิไดซ์มาก ไม่เหมือนกับไฮโดรคาร์บอนที่ไม่อิ่มตัว โดยไม่ทำให้น้ำโบรมีนและสารละลาย KMnO 4 เปลี่ยนสี ภายใต้สภาวะปกติ แหวนเบนซินจะไม่ถูกทำลายโดยการกระทำของสารออกซิไดซ์อื่นๆ อย่างไรก็ตาม homologues ของเบนซินสามารถออกซิเดชันได้ง่ายกว่าไฮโดรคาร์บอนอิ่มตัว ในกรณีนี้ เฉพาะอนุมูลที่เกี่ยวข้องกับวงแหวนเบนซีนเท่านั้นที่เกิดปฏิกิริยาออกซิเดชัน:

ดังนั้น อะโรมาติกไฮโดรคาร์บอนสามารถเข้าสู่ทั้งปฏิกิริยาการแทนที่และการเติม อย่างไรก็ตาม สภาวะสำหรับการเปลี่ยนแปลงเหล่านี้แตกต่างอย่างมีนัยสำคัญจากการเปลี่ยนแปลงที่คล้ายกันของไฮโดรคาร์บอนที่อิ่มตัวและไม่อิ่มตัว

ใบเสร็จ. น้ำมันเบนซินและสารที่คล้ายคลึงกันนั้นได้มาจากปิโตรเลียมและน้ำมันดินในปริมาณมากซึ่งเกิดขึ้นระหว่างการกลั่นถ่านหินแบบแห้ง (โค้ก) การกลั่นแบบแห้งจะดำเนินการที่โรงงานโค้กและก๊าซ

ปฏิกิริยาของการเปลี่ยนไซโคลเฮกเซนเป็นเบนซีน (ดีไฮโดรจีเนชันหรือดีไฮโดรจีเนชัน) เกิดขึ้นโดยการส่งผ่านผ่านตัวเร่งปฏิกิริยา (แพลตตินัมแบล็ก) ที่ 300 องศาเซลเซียส ไฮโดรคาร์บอนอิ่มตัวยังสามารถแปลงเป็นอะโรเมติกส์ได้ด้วยปฏิกิริยาดีไฮโดรจีเนชัน ตัวอย่างเช่น:

ปฏิกิริยาดีไฮโดรจีเนชันทำให้สามารถใช้น้ำมันไฮโดรคาร์บอนเพื่อผลิตไฮโดรคาร์บอนในซีรีส์เบนซีนได้ สิ่งเหล่านี้บ่งบอกถึงความสัมพันธ์ระหว่างกลุ่มไฮโดรคาร์บอนต่าง ๆ และการเปลี่ยนแปลงซึ่งกันและกัน

ตามวิธีการของ น.ด. Zelinsky และ B.A. สามารถรับน้ำมันเบนซินคาซานได้โดยการส่งผ่านอะเซทิลีนผ่านท่อที่ให้ความร้อนถึง 600 ° C ด้วยถ่านกัมมันต์ กระบวนการทั้งหมดของการเกิดพอลิเมอไรเซชันของอะเซทิลีนสามโมเลกุลสามารถแสดงโดยไดอะแกรม

ปฏิกิริยาการแทนที่ด้วยไฟฟ้า- ปฏิกิริยาทดแทนที่ทำการโจมตี อิเล็กโทรฟิล- อนุภาคที่มีประจุบวกหรือมีอิเลคตรอนไม่เพียงพอ เมื่อเกิดพันธะใหม่ อนุภาคที่ส่งออก - อิเล็กโทรฟิวจ์แยกออกโดยไม่มีคู่อิเล็กตรอน วงออกที่นิยมมากที่สุดคือโปรตอน H+.

อิเล็กโทรฟิลทั้งหมดเป็นกรดลิวอิส

มุมมองทั่วไปของปฏิกิริยาการแทนที่ด้วยไฟฟ้า