Строение бензолов
Общие сведения о строении бензолов
Общая формула гомологического ряда бензола CnH2n-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.
Первые члены гомологического ряда бензола – бесцветные жидкости со специфическим запахом. Они легче водды и в ней практически нерастворимы. Хорошо растворяются в органических растворителях и сами являются хорошими растворителями.
Электронное строение бензолов
Рассмотрим строение ароматических углеводородов на примере молекулы бензола. Это химическое соединение впервые было выделено из продуктов переработки каменного угля в 1825 году, однако, для того, чтобы установить строение его молекулы потребовалось три десятилетия. В 1865 году немец Ф. А. Кекуле высказал идею о том, что атомы углерода в бензоле соединены не в виде открытой цепи, а замкнуты в цикл (рис. 1). По его представлениям молекула бензола – это замкнутый цикл, состоящий из шести атомов углерода с тремя чередующимися двойными связями. Однако Кекуле так и не смог объяснить ряд особых свойств, присущих бензолу: почему бензол не проявляет склонность к реакциям присоединения (не обесцвечивает бромную воду и перманганат калия) несмотря на наличие двойных связей и т.д.
Рис. 1. Строение молекулы бензола по Кекуле.
Согласно представлениям современной органической химии, молекула бензола является правильным плоским шестиугольником. Все шесть атомов углерода находятся в sp2-гибридном состоянии. Каждый атом углерода образует σ – связи с двумя атомами углерода и одним атомом водорода, лежащими в плоскости цикла. Валентные углы между тремя σ – связями равны 120o.
Каждый атом углерода в молекуле бензола имеет одну негибридизованнуюp – орбиталь. Шесть этих орбиталей располагаются перпендикулярно плоскому σ – скелету и параллельно друг другу. При их взаимном перекрывании образуется единое π-электронное облако, т.е. осуществляется круговая делокализация электронов. Наибольшая π-электронная плотность в этой сопряженной системе располагается над плоскостью σ – скелета молекулы и охватывает все шесть атомов углеродного цикла. В результате все связи между атомами углерода в бензоле выравнены и имеют длину 0,139 нм (рис. 2).
Рис. 2. Строение молекулы бензола.
Совокупность свойств бензола называют проявлением ароматического характера, или ароматичности. Явление ароматичности подчиняется правилу Хюккеля, согласно которому ароматические молекулы должны иметь плоский циклический σ – скелет и число обобщенных π-электронов, равное (4n+2), где n = 0, 1, 2, 3 и т.д.
Примеры решения задач
| Задание | Плотность паров вещества 3,482 г/л. Его пиролиз дал 6 г сажи и 5,6 л водорода. Определите формулу этого вещества. |
| Решение | Сажа представляет собой углерод. Найдем количество вещества сажи исходя из условий задачи (молярная масса углерода равна 12 г/моль):
n = m / M; n(C) = m(C) / M(C); n(C) = 6 / 12 = 0,5 моль. Рассчитаем количество вещества водорода: n =V / Vm; n(H2) = V(H2) / Vm; n(H2) = 5,6 / 22,4 = 0,25 моль. Значит, количество вещества одного атома водорода будет равно: n(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. Тогда простейшая формула углеводорода будет выражаться составом СН. Молекулярная масса молекулы состава СН равна: М(СН) = 13 г/моль Найдем молекулярную массу углеводорода исходя из условий задачи: M (CxHy) = ρ×Vm; M (CxHy) = 3,482×22,4 = 78 г/моль. Определим истинную формулу углеводорода: k= M(CxHy)/ М(СН)= 78/13 =6, следовательно, коэффициенты «х» и «у» нужно умножить на 6 и тогда формула углеводорода примет вид C6H6. Это бензол. |
| Ответ | Искомый углеводород имеет состав C6H6. Это бензол. |
| Задание | Рассчитайте количество вещества ацетилена, которое понадобится для получения 400 мл бензола (плотность 0,8 г/мл). | |
| Решение | Запишем уравнение реакции получения бензола из ацетилена:
3C2H2 = C6H6. Найдем массу бензола согласно условию задачи: m(C6H6) = ρ×V; m(C6H6) = 0,8×400 = 320 г. Рассчитаем количество вещества бензола (молярная масса – 78 г/моль): n = m / M; n(C6H6) = m(C6H6) / M(C6H6); n(C6H6) = 320/78 = 4,1 моль. Согласно уравнению реакцииn(C6H6) : n(C2H2) = 1:3, т.е. n(C2H2) = 3×n(C6H6); n(C2H2) = 3×4,1 = 12,3 моль. |
|
| Ответ | Количество вещества ацетилена 12,3 моль |
