Физические и химические свойства аренов

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Ароматические углеводороды (арены) – вещества, в молекулах которых содержится одно или несколько бензольных колец. Общая формула гомологического ряда бензола C_nH₂_n_-6

Простейшими представителями ароматических углеводородов являются бензол – C₆H₆ и толуол – C₆H₅-CH₃. Углеводородные радикалы, полученные из аренов носят названия: C₆H₅ – — фенил (Ph-) и C₆H₅-CH₂— — бензил.

Все шесть атомов углерода в молекуле бензола находятся в sp² гибридном состоянии. Каждый атом углерода образует 3σ-связи с двумя другими атомами углерода и одним атомом водорода, лежащие в одной плоскости. Шесть атомов углерода образуют правильный шестиугольник (σ-скелет молекулы бензола).

Каждый атом углерода имеет одну негибридизованную р-орбиталь, на которой находится один электрон. Шесть р-электронов образуют единое π-электронное облако (ароматическую систему), которое изображают кружочком внутри шестичленного цикла.

Химические свойства аренов

Для бензола и его гомологов характерны реакции замещения, протекающие по электрофильному механизму:

— галогенирование (бензол взаимодействует с хлором и бромом в присутствии катализаторов – безводных AlCl₃, FeCl₃, AlBr₃)

C₆H₆ + Cl₂ = C₆H₅-Cl + HCl

— нитрование (бензол легко реагирует с нитрующей смесью – смесь концентрированных азотной и серной кислот)

— алкилирование по Фридею-Крафтсу

— алкилирование алкенами

C₆H₆+ CH₂ = CH-CH₃ → C₆H₅-CH(CH₃)₂

Реакции присоединения к бензолу приводят к разрушению ароматической системы и протекают только в жестких условиях:

— гидрирование (реакция протекает при нагревании, катализатор – Pt)

— присоединение хлора (протекает под действием УФ-излучения с образованием твердого продукта – гексахлорциклогексана (гексахлорана) – C₆H₆Cl₆)

Физические свойства аренов

Первые члены гомологического ряда бензола – бесцветные жидкости со специфическим запахом. Они легче воды и в ней практически нерастворимы. Хорошо растворяются в органических растворителях и сами являются хорошими растворителями.

Получение аренов

Основные способы получения бензола и его гомологов:

— дегидроциклизация алканов (катализаторы – Pt, Cr₃O₂)

— дегидрирование циклоалканов (реакция протекает при нагревании, катализатор – Pt)

— тримеризация ацетилена (реакция протекает при нагревании до 600 $^{\circ}$ С, катализатор – активированный уголь)

3HC≡CH → C₆H₆

— алкилирование бензолов (реакция Фриделя-Крафтса) (катализатор – хлорид алюминия или ортофосфорная кислота)

Примеры решения задач

ПРИМЕР 1

Задание

Плотность паров вещества 3,482г/л. Его пиролиз дал 6г сажи и 5,6л водорода. Определите формулу этого вещества.

Решение

Найдем количество вещества сажи (углерода):

v(C) = m(C)/M(C)

v(C) = 6/12 = 0,5 моль

Найдем количество вещества водорода:

v(H₂) = V(H₂)/V_m

v(H₂) = 5,6/22,4 = 0,25 моль

Следовательно, количество вещества одного атома водорода будет равно:

v(H) = 2×0,25 = 0,5 моль

Обозначим количество атомов углерода в молекуле углеводорода за х, а количество атомов водорода за у, тогда соотношение этих атомов в молекуле:

х:у = 0,5: 0,5 = 1:1

Простейшая формула углеводорода СН

Молекулярная масса углеводорода равна:

M(C_xH_y) = ρ×V_m = 3,482×22,4 = 78 г/моль

Молекулярная масса молекулы состава СН равна:

М(СН) = 13 г/моль

n = M(C_xH_y)/ М(СН) = 78/13 = 6,

следовательно, коэффициенты х и у нужно умножить на 6, тогда искомый углеводород имеет состав C₆H₆ – это бензол

Ответ

Искомый углеводород имеет состав C₆H₆ – это бензол

ПРИМЕР 2

Задание

Рассчитайте количество вещества ацетилена, которое понадобится для получения 400 мл бензола (плотность 0,8 г/мл).

Решение

Запишем уравнение реакции:

2C₂H₂ = C₆H₆

Найдем массу бензола:

m(C₆H₆) = ρ×V = 0,8×400 = 320 г

Найдем количество вещества бензола:

v(C₆H₆) = m(C₆H₆)/ M(C₆H₆) = 320/78 = 4,1 моль

По уравнению реакции количество вещества ацетилена:

v(C₂H₂) = 3v(C₆H₆) = 3×4,1 = 12,3 моль