BENZENAS: ISTORIJA, STRUKTŪRA, SAVYBĖS, DARINIAI, PANAUDOJIMAS - CHEMIJA - 2025

Benzeno yra organinis junginys, susidedantis iš vienos iš paprasčiausias visų aromatinių angliavandenilių. Jo cheminė formulė yra C ₆ H ₆ , iš kurios žinoma, kad santykis tarp anglies ir vandenilio yra lygus 1; tai yra, kad prie kiekvienos anglies yra prijungtas vandenilis.

Nors jo fizinė išvaizda yra bespalvio skysčio, jis natūraliai randamas naftoje ir naftos produktuose. Jo kvapas yra labai būdingas, nes jis primena klijų, bitumo ir benzino mišinį; kita vertus, tai yra lakūs ir degi skysčiai.

Butelis su benzenu. Šaltinis: „Air1404“

Aukščiau esančiame paveikslėlyje pavaizduota tariamai neanalitinio grynumo tara ar butelis su benzenu. Neatidengę benzeno garai nedelsdami pasklistų po visą laboratoriją. Dėl šios priežasties šis skystis, paprastai naudojamas kaip paprastas tirpiklis, yra laikomas gaubto gaubte.

XIX amžiaus chemikai, turintys savo formulę C ₆ H ₆ , iškėlė daugybę galimų struktūrų, kurios atitiktų minėtą C / H santykį, lygų 1. Ne tik tai, bet ir benzeno molekulė turėjo turėti specialius ryšius, kad būtų galima tai paaiškinti. neįprastas stabilumas prieš pridėjimo reakcijas; būdingi alkenams ir polilenams.

Taigi jų ryšiai reiškė mįslę to meto chemikams; kol nebuvo įvesta savybė, vadinama aromatingumu. Prieš pradedant svarstyti heksaceclotrieną (su trimis C = C jungtimis), benzeno yra kur kas daugiau ir tai yra dar vienas iš daugelio chemijos sinergijos pavyzdžių.

Organinėje chemijoje benzenas yra klasikinis simbolis, daugelio poliaromatinių junginių struktūrinis pagrindas. Iš jo šešiakampio begaliniai dariniai gaunami keičiant aromatinę elektrofilinę medžiagą; žiedas, kurio kraštai yra austi struktūrą, apibrėžiančią naujus junginius.

Tiesą sakant, jo dariniai atsiranda dėl to, kad pramonėje jiems labai reikalingas benzenas kaip žaliava. Nuo klijų ir tekstilės pluoštų paruošimo iki plastikų, gumos, pigmentų, narkotikų ir sprogmenų. Kita vertus, benzenas natūraliai randamas ugnikalniuose, gaisruose, benzino ir cigarečių dūmuose.

Istorija

Atradimas ir vardai

Jos atradimas datuojamas 1825 m., Paprastai priskiriamu Michaelui Faradėjus, kai jis rinko ir darė eksperimentus su apšvietimui naudojamų dujų likusiu naftos produktu. Šio skysčio C / H santykis buvo artimas 1, todėl jis jį vadino „karbinuotu vandeniliu“.

Chemikas Auguste'as Laurentas keistus angliavandenilius pavadino feno, kilusio iš graikų kalbos žodžio phaínein, kuris reiškia šviesų (nes jis buvo gautas sudegus dujoms). Tačiau mokslo bendruomenė nepriėmė šio pavadinimo ir vyravo tik kaip fenilas, reiškiantis radikalą, gautą iš benzeno.

Iš benzoininės dervos chemikui Eilhardui Mitscherlickui po devynerių metų pavyko pagaminti tą patį junginį; Todėl buvo dar vienas to paties angliavandenilio, kurį jis pakrikštijo kaip „benziną“, šaltinis. Tačiau jie taip pat nemanė tinkamo pavadinimo manyti, kad tai buvo alkaloidas, pavyzdžiui, chininas.

Taigi jie pakeitė pavadinimą „benzinas“ į „benzolą“. Tačiau vėlgi buvo prieštaravimų ir neatitikimų dėl to, kad terminas „benzolas“ supainiojo angliavandenilį prie alkoholio. Tuomet gimė pavadinimas „benzenas“, pirmą kartą panaudotas Prancūzijoje ir Anglijoje.

Pramoninė gamyba

Nei apšvietimo dujos, nei benzoino derva nebuvo tinkami šaltiniai generuoti benzeną dideliu mastu. 1845 m. Charlesui Mansfieldui, dirbusiam su Augustu Wilhelmu von Hofmannu, pavyko išskirti benzeną (dvidešimt metų po jo atradimo) iš akmens anglių dervos, šalutinio kokso gamybos produkto.

Taip prasidėjo pramoninė benzino gamyba iš akmens anglių dervos. Dideli benzeno kiekiai palengvino jo cheminių savybių tyrimą ir leido jį susieti su kitais junginiais, turinčiais panašų reaktyvumą. Pats Augustas Wilhelmas von Hofmannas sukūrė žodį „aromatinis“ benzenui ir su juo susijusiems junginiams.

Istorinės struktūros

Augusto Kekulės svajonė

Friedrichas Augustas Kekulė priskirtas šešiakampė ir ciklinė benzeno struktūra maždaug 1865 m., Atsirandantis dėl keisto sapno su Uroboros - gyvatės, kuri įkando savo uodegą, brėždama apskritimą. Taigi jis manė, kad benzeną galima laikyti šešiakampiu žiedu, o kiti chemikai iškėlė galimas struktūras, kurios parodytos žemiau:

Visoje istorijoje siūlomos benzeno žiedo struktūros. Šaltinis: Jü

Kai kurios aukštesnės struktūros gali paaiškinti benzeno stabilumą.

Knyga, žiedai ir prizmė

Atkreipkite dėmesį, kad trečioji struktūra nėra net žiedas, bet trikampė prizmė, kurią pasiūlė Albertas Ladenburgas 1869 m. kairėje, viena atviros knygos forma, kurią 1867 m. pasiūlė seras Jamesas Dewardas; ir dešinėje, vienas su visais vandeniliais, nukreiptais į žiedo centrą, kurį pasiūlė Henris Edwardas Armstrongas 1887 m.

Pirmoji struktūra, kurią 1867 m. Pasiūlė Adolfas Karlas Ludwigas Clausas, taip pat yra gana savotiška, nes kertamos CC jungtys. Ir paskutinis buvo Kekulé „serpentino“ žiedas, apie kurį svajojo 1865 m.

Koks buvo „nugalėtojas“? Penktoji struktūra (iš kairės į dešinę), 1899 m. Pasiūlyta Johanneso Thiele'o.

Šiame tyrime pirmą kartą nagrinėtas rezonanso hibridas, kuris sujungė dvi Kekulé struktūras (pasukite pirmąjį žiedą dešinėje, kad galėtumėte jį stebėti) ir nepaprastai paaiškino elektronų išsidėstymą ir kartu su tuo neįprastą stabilumą. benzeno.

Benzeno struktūra

Aromatinis benzeno žiedas. Šaltinis: „Benjah-bmm27“

Aukščiau yra Thiele pasiūlyta struktūra, naudojant sferų ir juostų modelį.

Benzeno molekulė yra plokščia, vandenilio atomai nukreipti į išorę nuo žiedo šonų. Visi anglies atomus turi sp ² hibridizacija , su p orbitos turima nustatyti aromatinį sistemą, kurioje šešis elektronai delocalize.

Šie sp ² angliai yra labiau elektronegatyvūs nei vandeniliai, todėl pirmieji pašalina elektronų tankį prie pastarųjų (C _sp2 ^δ-- H ^{δ +} ). Taigi žiedo centre yra didesnė elektronų koncentracija nei jo šonuose.

Tiksliau, aromatinę sistemą galima pavaizduoti kaip debesį arba elektroninę trinkelę, išskleistą iš abiejų šešiakampio žiedo pusių; o viduryje, šonuose arba kraštuose - elektroninis trūkumas, kurį sudaro vandeniliai, turintys teigiamą dalinį krūvį.

Dėl šio elektros krūvio pasiskirstymo benzeno molekulės gali sąveikauti tarpusavyje per dipolio-dipolio jėgas; H ^{δ +} atomai traukia į gretimo žiedo aromatinį centrą (tai bus parodyta žemiau).

Aromatinius centrus taip pat galima sukrauti vienas ant kito, kad būtų galima skatinti momentinių dipolių indukciją.

Rezonansas

Benzeno struktūros ir rezonanso hibridas. Šaltinis: Edgar181 iš Vikipedijos.

Vaizdo viršuje pavaizduotos dvi „Kekulé“ struktūros, o žemiau jų - rezonanso hibridas. Kadangi abi struktūros atsiranda vėl ir vėl tuo pačiu metu, hibridą vaizduoja apskritimas, nupieštas per vidurį (panašus į „šešiakampės spurgos“).

Hibridinis apskritimas yra svarbus, nes jis parodo benzeno (ir daugelio kitų junginių) aromatinį pobūdį. Be to, jis pabrėžia, kad jungtys nėra tokios ilgos kaip CC, taip pat nėra trumpos kaip C = C; veikiau jų ilgis yra tarp abiejų kraštutinumų. Taigi benzenas nėra laikomas pollenu.

Tai buvo įrodyta išmatavus benzeno CC (139 pm) jungčių ilgį, kurios yra šiek tiek pailgesnės nei CH (109 pm) jungtys.

Kristalai

Orthorombinė benzeno kristalų struktūra. Šaltinis: Benas Millsas

Benzenas yra skystis kambario temperatūroje. Tarpmolekulinės jėgos reiškia, kad nepaisant tokio ryškaus dipolio momento, jis gali sulaikyti savo molekules skystyje, kuris verda 80ºC temperatūroje. Kai temperatūra nukrenta žemiau 5ºC, benzenas pradeda užšalti ir taip gaunami atitinkami jo kristalai.

Benzeno žiedai gali tvirtai apibrėžti savo kietą struktūrą. Dėl jų dipolių jie „pakrypsta“ į kairę arba į dešinę, sudarydami eiles, kurias galėtų atkurti ortorombinė ląstelė. Taigi benzeno kristalai yra ortorombiniai.

Viršutiniame paveikslėlyje atkreipkite dėmesį, kad žiedų pakreipimas palaiko H ^{δ +} ir aromatinių centrų, minėtų ankstesniuose poskirsniuose, sąveiką .

Savybės

Molekulinė masė

78,114 g / mol.

Fizinė išvaizda

Bespalvis skystis, panašus į benzino kvapą.

Virimo taškas

80 ° C.

Lydymosi temperatūra

5,5 ° C.

užsidegimo vieta

-11ºC (uždara taurė).

Savaiminio užsidegimo temperatūra

497,78 ° C.

Tankis

0,8765 g / ml 20 ° C temperatūroje.

Tirpumas

Vienas litras verdančio vandens vos gali ištirpinti 3,94 g benzeno. Dėl apoliarumo jis beveik nesimaišo su vandeniu. Tačiau jis maišosi su kitais tirpikliais, tokiais kaip etanolis, eteriai, acetonas, aliejai, chloroformas, anglies tetrachloridas ir kt.

Garų tankis

2,8 oro atžvilgiu (tai yra beveik tris kartus tankesnis).

Garų slėgis

94,8 mm Hg esant 25 ° C temperatūrai.

Degimo šiluma

-3267,6 kJ / mol (skystam benzenui).

Garinimo šiluma

33,83 kJ / mol.

Paviršiaus įtempimas

28,22 mN / m esant 25 ° C temperatūrai.

Lūžio rodiklis

1,5011 esant 20 ° C.

Dariniai

Benzeno vandeniliai gali būti pakeisti kitomis grupėmis arba atomais. Gali būti viena arba kelios pakaitos, padidinančios pakaitų laipsnį, kol neliks nė vieno iš šešių pirminių vandenilio.

Pavyzdžiui, tarkime, kad benzenas yra Ph-H, kur H yra bet kuris iš jo šešių vandenilių. Prisimenant, kad žiedo centre yra didesnis elektronų tankis, jis pritraukia elektrofilus, kurie puola žiedą pakeisti H reakcijoje, vadinamoje elektrofiliniu aromatiniu pakaitalu (SEAr).

Jei šį H pakeis OH, turėsime Ph-OH, fenolį; kai jis buvo pakeistas CH ₃ , Ph-CH ₃ , tolueno; jei ji yra NH ₂ , O-Ph-NH ₂ , anilino; arba, jei ji yra CH ₂ CH ₃ , O-Ph-CH ₂ CH ₃ , ksileno, etilbenzeno.

Dariniai gali būti tokie patys arba toksiškesni nei benzenas, arba, priešingai, jie gali tapti tokie sudėtingi, kad turi pageidaujamą farmakologinį poveikį.

Programos

Tai geras tirpiklis įvairiems junginiams, pavyzdžiui, dažams, lakams, klijams ir dangoms.

Taip pat jis gali ištirpinti aliejų, riebalus ar vaškus, todėl jis buvo naudojamas kaip ekstraktas, tirpinantis esencijas. Šią savybę 1903 m. Panaudojo Ludwigas Roselius kavai be kofeino - tai operacija, jau nebenaudojama dėl benzeno toksiškumo. Anksčiau jis buvo naudojamas metalams nuriebalinti.

Vienu iš jo klasikinių naudojimo būdų jis veikia ne kaip tirpiklis, o kaip priedas: padidinant benzino oktaninį skaičių, šiam tikslui pakeičiant šviną.

Benzeno dariniai gali būti naudojami skirtingai; kai kurie naudojami kaip pesticidai, tepalai, plovikliai, plastikai, sprogmenys, kvepalai, dažai, klijai, narkotikai ir kt. Jei jo struktūroje pastebimas benzeno žiedas, labai tikėtina, kad jo sintezė prasidėjo iš benzeno.

Tarp svarbiausių jo darinių yra: kuminas, ksilenas, anilinas, fenolis (fenolio dervų sintezei), benzenkarboksirūgštis (konservantas), cikloheksanas (nailono sintezei), nitrobenzenas, rezorcinolis ir etilbenzenas.

Nomenklatūra

Benzeno darinių nomenklatūra skiriasi priklausomai nuo pakaitų laipsnio, kas yra pakaitų grupės ir jų santykinės padėtys. Taigi benzenas gali būti pakeistas mono-, di, tri, tetra ir kt

Kai abi grupės yra prijungtos prie gretimų anglių, naudojamas žymėjimas „orto“; jei tarp jų atsiskiria anglis, 'meta'; ir jei angliavandeniliai yra priešingose ​​padėtyse, 'para'.

Žemiau pateiktuose paveikslėliuose pateikiami benzeno darinių pavyzdžiai su atitinkamais jų pavadinimais, kuriuos reglamentuoja IUPAC. Juos taip pat lydi bendriniai arba tradiciniai pavadinimai.

Vieno benzino benzino dariniai. Šaltinis: Gabrielis Bolívaras.

Kiti benzeno dariniai. Šaltinis: Gabrielis Bolívaras.

Atminkite, kad tripakeistame benzene orto, para ir meta rodikliai nebėra naudingi.

Toksiškumas

Benzenas yra junginys, su kuriuo reikia elgtis atsargiai. Atsižvelgiant į ypatingą kvapą, tiesioginį neigiamą poveikį gali sukelti uždusimas, galvos svaigimas, galvos skausmai, drebulys, mieguistumas, pykinimas ir net mirtis (esant dideliam poveikiui). Nurijus, be jau minėtų, jis gali sukelti stiprų skrandžio skausmą ir traukulius.

Be to, ilgalaikis šio skysčio poveikis yra kancerogeniškas; padidina tikimybę, kad asmuo kentės nuo tam tikro tipo vėžio, ypač kraujo vėžio: leukemijos.

Kraujyje jis gali sumažinti raudonųjų kraujo kūnelių koncentraciją, sukeldamas anemiją, taip pat paveikti kaulų čiulpus ir kepenis, kur organizmas pasisavina dar toksiškesnius benzeno darinius; pavyzdžiui, hidroksichinonas. Jis taip pat kaupiasi inkstuose, širdyje, plaučiuose ir smegenyse.

Nuorodos

1. Morrison, RT ir Boyd, RN (1987). Organinė chemija. (5-asis leidimas). Addison-Wesley Iberoamericana.
2. Carey, FA (2008). Organinė chemija. (6-asis leidimas). „McGraw-Hill“, „Interamerica“, „Editores SA“
3. Grahamas Solomonsas TW, Craigas B. Fryhle'as. (2011). Organinė chemija. Aminai. (10-asis leidimas.). „Wiley Plus“.
4. Nacionalinis biotechnologijų informacijos centras. (2019 m.). Benzenas. „PubChem“ duomenų bazė. CID = 241, atkurta iš: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov
5. Vikipedija. (2019 m.). Benzenas. Atkurta iš: en.wikipedia.org
6. Garcia Nissa. (2019 m.). Kas yra benzenas? - Naudojimas, struktūra ir formulė. Tyrimas. Atgauta iš: study.com
7. Ligų kontrolės ir prevencijos centrai. (2018 m. Balandžio 4 d.). Faktai apie benzeną. Atkurta iš: ārkārtas.cdc.gov
8. Pasaulio Sveikatos Organizacija. (2010). Poveikis benzenui: pagrindinis visuomenės sveikatos rūpestis. . Išieškota iš: Who.int
9. Fernández Germán. (sf). Benzolo nomenklatūros problemos. Organinė chemija. Atkurta iš: quimicaorganica.org