BENZEN: HISTORIA, BUDOWA, WŁAŚCIWOŚCI, POCHODNE, ZASTOSOWANIA - CHEMIA - 2026

Benzen jest związek organiczny, składa się z jednym z najprostszych wszystkich węglowodorów aromatycznych. Jego wzór chemiczny to C ₆ H ₆ , o którym wiadomo, że stosunek węgla do wodoru jest równy 1; to znaczy, że z każdym węglem związany jest wodór.

Chociaż jego wygląd fizyczny przypomina bezbarwną ciecz, występuje naturalnie w ropie naftowej i produktach ropopochodnych. Jego zapach jest bardzo charakterystyczny, ponieważ przypomina mieszaninę kleju, bitumu i benzyny; z drugiej strony jest to lotna i łatwopalna ciecz.

Butelka z benzenem. Źródło: Air1404

Zdjęcie powyżej przedstawia pojemnik lub butelkę z benzenem, przypuszczalnie o czystości nieanalitycznej. W przypadku odkrycia opary benzenu natychmiast rozprzestrzeniłyby się po całym laboratorium. Z tego powodu ten płyn, powszechnie stosowany jako zwykły rozpuszczalnik, jest obsługiwany pod wyciągiem.

Chemicy XIX wieku, będąc jego wzorem C ₆ H ₆ , podnieśli wiele możliwych struktur, które odpowiadałyby wspomnianemu stosunkowi C / H równemu 1. Nie tylko to, ale cząsteczka benzenu musiała mieć specjalne wiązania w taki sposób, aby można było to wyjaśnić. jego niezwykła stabilność wobec reakcji addycji; typowe dla alkenów i polienów.

W ten sposób ich powiązania stanowiły zagadkę dla chemików tamtych czasów; aż do wprowadzenia właściwości zwanej aromatycznością. Zanim benzen był uważany za heksacyklotrien (z trzema wiązaniami C = C), benzen to znacznie więcej i jest to kolejny z wielu przykładów synergii w chemii.

W chemii organicznej benzen jest klasycznym symbolem, podstawą strukturalną wielu związków poliaromatycznych. Z jego sześciokąta otrzymuje się nieskończone pochodne przez aromatyczne podstawienie elektrofilowe; pierścień, z którego krawędzi tkana jest struktura definiująca nowe związki.

W rzeczywistości jego pochodne wynikają z rozległych zastosowań przemysłowych, do których potrzebują benzenu jako surowca. Od przygotowania klejów i włókien tekstylnych po tworzywa sztuczne, gumy, pigmenty, leki i materiały wybuchowe. Z drugiej strony benzen występuje naturalnie w wulkanach, pożarach, benzynie i dymie papierosowym.

Historia

Odkrycie i nazwy

Jego odkrycie datuje się na 1825 rok, przypisywane zwykle Michaelowi Faradayowi, kiedy zebrał i przeprowadził eksperymenty z pozostałym produktem naftowym gazu używanego do oświetlenia. Ciecz ta zawierała stosunek C / H bliski 1, dlatego nazwał ją „wodorem węglowodorowym”.

Chemik Auguste Laurent nazwał ten dziwny węglowodór „feno”, pochodzącym od greckiego słowa „phaínein”, które oznacza jasny (ponieważ został uzyskany po spaleniu gazu). Jednak nazwa ta nie została zaakceptowana przez społeczność naukową i przeważała jedynie jako „fenyl”, odnosząc się do rodnika wywodzącego się z benzenu.

Z gumy benzoesowej chemik Eilhard Mitscherlich, dziewięć lat później, zdołał wytworzyć ten sam związek; Dlatego istniało inne źródło tego samego węglowodoru, który ochrzcił jako „benzynę”. Jednak nie rozważali również właściwej nazwy, aby założyć, że był to alkaloid, taki jak chinina.

W ten sposób zmienili nazwę „benzyna” na „benzol”. Jednak ponownie pojawiły się sprzeczności i rozbieżności wynikające z faktu, że termin „benzol” mylił węglowodór z alkoholem. To wtedy narodziła się nazwa „benzen”, używana najpierw we Francji i Anglii.

Produkcja przemysłowa

Ani gaz piorunowy, ani guma benzoesowa nie były odpowiednimi źródłami do wytwarzania benzenu na dużą skalę. Charles Mansfield, współpracując z Augustem Wilhelmem von Hofmannem, zdołał w 1845 r. Wyodrębnić benzen (dwadzieścia lat po jego odkryciu) ze smoły węglowej, produktu ubocznego produkcji koksu.

Tak rozpoczęła się przemysłowa produkcja benzenu ze smoły węglowej. Dostępność benzenu w ogromnych ilościach ułatwiła badanie jego właściwości chemicznych i pozwoliła na odniesienie go do innych związków o podobnej reaktywności. August Wilhelm von Hofmann sam ukuł słowo „aromatyczny” dla benzenu i jego pochodnych.

Struktury historyczne

Marzenie Augusta Kekulé

Friedrichowi Augustowi Kekulé przypisuje się sześciokątną i cykliczną strukturę benzenu około 1865 roku, która powstała z dziwnego snu z Uroborosem, wężem, który gryzie własny ogon, rysując koło. Dlatego uważał, że benzen można uznać za pierścień sześciokątny, a inni chemicy podnieśli możliwe struktury, które pokazano poniżej:

Struktury pierścienia benzenowego proponowane w całej historii. Źródło: Jü

Niektóre z wyższych struktur mogą odpowiadać za stabilność benzenu.

Książka, pierścienie i pryzmat

Zauważ, że trzecia konstrukcja nie jest nawet pierścieniem, ale trójkątnym graniastosłupem, zaproponowanym przez Alberta Ladenburga w 1869 roku; po lewej stronie, jedna w kształcie otwartej książki, zaproponowana przez Sir Jamesa Dewara w 1867 roku; a po jego prawej stronie jeden ze wszystkimi wodorami skierowanymi w stronę środka pierścienia, zaproponowany przez Henry'ego Edwarda Armstronga w 1887 roku.

Pierwsza konstrukcja, zaproponowana przez Adolfa Karla Ludwiga Clausa w 1867 r., Jest również dość osobliwa, ponieważ łącza CC są skrzyżowane. A ostatnim był „serpentynowy” pierścień Kekulé, wymarzony w 1865 roku.

Jaki był „zwycięzca”? Piąta konstrukcja (od lewej do prawej), zaproponowana w 1899 roku przez Johannesa Thiele.

W tym przypadku po raz pierwszy rozważono hybrydę rezonansową, która połączyła dwie struktury Kekulé (obróć pierwszy pierścień po prawej, aby ją zaobserwować) i niezwykle wyjaśniła delokalizację elektronów, a wraz z nią niezwykłą dotychczas stabilność benzen.

Struktura benzenu

Aromatyczny pierścień benzenowy. Źródło: Benjah-bmm27

Powyżej znajduje się konstrukcja zaproponowana przez Thiele z wykorzystaniem modelu kul i prętów.

Cząsteczka benzenu jest płaska, z atomami wodoru skierowanymi na zewnątrz po bokach pierścienia. Wszystkie atomy węgla mają hybrydyzację sp ² , z dostępnym orbitalem p w celu ustalenia układu aromatycznego, w którym następuje delokalizacja sześciu elektronów.

Te sp ² atomy węgla są bardziej elektroujemny niż atomy wodoru, a zatem były wycofać gęstości elektronowej tego ostatniego (C _sp2 ^δ- -H ^{δ +} ). W konsekwencji środek pierścienia ma większe stężenie elektronów niż jego boki.

Dokładniej, układ aromatyczny można przedstawić jako chmurę lub podkładkę elektroniczną rozszerzoną po obu stronach sześciokątnego pierścienia; a pośrodku, po bokach lub na krawędziach, niedobór elektronu złożony z wodorów z dodatnim ładunkiem cząstkowym.

Dzięki takiemu rozkładowi ładunków elektrycznych cząsteczki benzenu mogą oddziaływać ze sobą poprzez siły dipol-dipol; Atomy H ^{δ +} są przyciągane do aromatycznego centrum sąsiedniego pierścienia (zostanie to przedstawione poniżej).

Ponadto, centra aromatyczne mogą być ułożone jeden na drugim, aby sprzyjać indukcji chwilowych dipoli.

Rezonans

Struktury i hybrydy rezonansowe benzenu. Źródło: Edgar181 z Wikipedii.

Dwie struktury Kekulé są pokazane u góry obrazu, a pod nimi hybryda rezonansowa. Ponieważ te dwie struktury pojawiają się wielokrotnie w tym samym czasie, hybryda jest reprezentowana przez okrąg narysowany pośrodku (podobny do „sześciokątnego pączka”).

Koło hybrydowe jest ważne, ponieważ wskazuje na aromatyczny charakter benzenu (i wielu innych związków). Ponadto zwraca uwagę, że łącza nie są tak długie, jak CC, ani tak krótkie, jak C = C; raczej ich długość mieści się między obiema skrajnościami. Dlatego benzen nie jest uważany za polen.

Zostało to wykazane przez pomiar długości wiązań CC (139 µm) benzenu, które są nieco bardziej wydłużone niż wiązania CH (109 µm).

Kryształy

Rombowa struktura krystaliczna benzenu. Źródło: Ben Mills

Benzen jest cieczą w temperaturze pokojowej. Jego siły międzycząsteczkowe sprawiają, że pomimo braku tak wyraźnego momentu dipolowego, może utrzymywać razem swoje cząsteczki w cieczy wrzącej w temperaturze 80ºC. Gdy temperatura spadnie poniżej 5ºC, benzen zaczyna zamarzać, a tym samym otrzymuje się odpowiadające mu kryształy.

Pierścienie benzenowe mogą przyjmować określone wzory strukturalne w swojej bryle. Ich dipole powodują, że „przechylają się” w lewo lub w prawo, tworząc rzędy, które mogą być odtwarzane przez rombową komórkę elementarną. Zatem kryształy benzenu są rombowe.

Zauważ na górnym obrazku, że nachylenie pierścieni sprzyja interakcjom między H ^{δ +} a centrami aromatycznymi, o których mowa w poprzednich podrozdziałach.

Nieruchomości

Masa cząsteczkowa

78,114 g / mol.

Wygląd fizyczny

Bezbarwna ciecz o zapachu benzyny.

Temperatura wrzenia

80 ° C

Temperatura topnienia

5,5 ° C.

punkt zapłonu

-11ºC (zamknięty tygiel).

Temperatura samozapłonu

497,78 ° C.

Gęstość

0,8765 g / ml w temperaturze 20 ° C

Rozpuszczalność

Jeden litr wrzącej wody ledwie rozpuści 3,94 g benzenu. Jego niepolarny charakter sprawia, że ​​jest praktycznie niemieszalny z wodą. Jednak jest mieszalny z innymi rozpuszczalnikami, takimi jak etanol, etery, aceton, oleje, chloroform, czterochlorek węgla itp.

Gęstość pary

2,8 w stosunku do powietrza (czyli prawie trzy razy gęstsze).

Ciśnienie pary

94,8 mm Hg przy 25 ° C

Ciepło spalania

-3267,6 kJ / mol (dla ciekłego benzenu).

Ciepło parowania

33,83 kJ / mol.

Napięcie powierzchniowe

28,22 mN / m przy 25 ° C

Współczynnik załamania światła

1,5011 przy 20 ° C

Pochodne

Wodory benzenu można zastąpić innymi grupami lub atomami. Może istnieć jedno lub więcej podstawień, zwiększając stopień podstawienia, aż nie pozostanie żaden z pierwotnych sześciu atomów wodoru.

Na przykład załóżmy, że benzen to Ph-H, gdzie H to jeden z sześciu atomów wodoru. Pamiętając, że środek pierścienia ma wyższą gęstość elektronów, przyciąga elektrofile, które atakują pierścień, zastępując H w reakcji zwanej elektrofilową substytucją aromatyczną (SEAr).

Jeśli ten H zostanie zastąpiony przez OH, otrzymamy Ph-OH, fenol; zastąpione przez grupę CH ₃ , Ph-CH ₃ , toluen; jeśli jest to NH ₂ , Ph-NH ₂ , anilina; lub jeśli jest to CH ₂ CH ₃ , Ph-CH ₂ CH ₃ , etylobenzen.

Pochodne mogą być takie same lub bardziej toksyczne niż benzen, lub wręcz przeciwnie, mogą stać się tak złożone, że mają pożądane działanie farmakologiczne.

Aplikacje

Jest dobrym rozpuszczalnikiem dla wielu różnych związków, na przykład w farbach, lakierach, klejach i powłokach.

Podobnie może rozpuszczać oleje, tłuszcze lub woski, dlatego jest używany jako rozpuszczalnik ekstrakcyjny do esencji. Właściwość ta została wykorzystana przez Ludwiga Roseliusa w 1903 roku do bezkofeinowej kawy, operacji, która już nie była używana z powodu toksyczności benzenu. W przeszłości był również używany do odtłuszczania metali.

W jednym ze swoich klasycznych zastosowań nie działa jako rozpuszczalnik, ale jako dodatek: zwiększając liczbę oktanową benzyny, zastępując w tym celu ołów.

Pochodne benzenu mogą mieć różne zastosowania; niektóre służą jako pestycydy, smary, detergenty, tworzywa sztuczne, materiały wybuchowe, perfumy, barwniki, kleje, leki itp. Jeśli w jego strukturze zaobserwuje się pierścień benzenowy, to jest całkiem prawdopodobne, że jego synteza rozpoczęła się od benzenu.

Do jego najważniejszych pochodnych należą: kumen, ksylen, anilina, fenol (do syntezy żywic fenolowych), kwas benzoesowy (konserwant), cykloheksan (do syntezy nylonu), nitrobenzen, rezorcynol i etylobenzen.

Nomenklatura

Nazewnictwo pochodnych benzenu różni się w zależności od stopnia podstawienia, rodzaju grup podstawników i ich względnych pozycji. Zatem benzen może podlegać substytucjom mono, di, tri, tetra itp

Kiedy dwie grupy są przyłączone do sąsiednich węgli, stosuje się oznaczenie „orto”; jeśli pomiędzy ich rozdzielaniem znajduje się węgiel, „meta”; a jeśli węgle są w przeciwnych pozycjach, „para”.

Poniższe obrazy przedstawiają przykłady pochodnych benzenu wraz z ich nazwami podlegającymi IUPAC. Towarzyszą im również nazwy pospolite lub tradycyjne.

Monopochodne benzenu. Źródło: Gabriel Bolívar.

Inne pochodne benzenu. Źródło: Gabriel Bolívar.

Należy zauważyć, że w trójpodstawionym benzenie orto, para i meta wskaźniki nie są już przydatne.

Toksyczność

Benzen to związek, z którym należy obchodzić się ostrożnie. Biorąc pod uwagę jego szczególny zapach, natychmiastowymi negatywnymi skutkami mogą być uduszenie, zawroty głowy, bóle głowy, drżenie, senność, nudności, a nawet śmierć (przy dużym narażeniu). W przypadku spożycia oprócz wyżej wymienionych może powodować silny ból brzucha i drgawki.

Ponadto długoterminowe skutki przy stałym narażeniu na tę ciecz są rakotwórcze; zwiększa ryzyko zachorowania na jakiś rodzaj raka, zwłaszcza raka krwi: białaczkę.

We krwi może obniżać stężenie czerwonych krwinek, powodując anemię, a także wpływać na szpik kostny i wątrobę, gdzie jest przyswajany przez organizm do jeszcze bardziej toksycznych pochodnych benzenu; na przykład hydroksychinon. Gromadzi się również w nerkach, sercu, płucach i mózgu.

Bibliografia

1. Morrison, RT i Boyd, RN (1987). Chemia organiczna. (Wydanie 5). Addison-Wesley Iberoamericana.
2. Carey, FA (2008). Chemia organiczna. (Wydanie 6). McGraw-Hill, Interamerica, Editores SA
3. Graham Solomons TW, Craig B. Fryhle. (2011). Chemia organiczna. Aminy. (Wydanie 10.). Wiley Plus.
4. Narodowe Centrum Informacji Biotechnologicznej. (2019). Benzen. Baza danych PubChem. CID = 241, odzyskany z: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov
5. Wikipedia. (2019). Benzen. Odzyskane z: en.wikipedia.org
6. Garcia Nissa. (2019). Co to jest benzen? - Zastosowania, struktura i formuła. Badanie. Odzyskany z: study.com
7. Centra Kontroli i Prewencji Chorób. (4 kwietnia 2018). Fakty o benzenie. Odzyskany z: Emergency.cdc.gov
8. Światowa Organizacja Zdrowia. (2010). Narażenie na benzen: poważny problem dla zdrowia publicznego. . Odzyskany z: who.int
9. Fernández Germán. (sf). Problemy nazewnictwa benzenu. Chemia organiczna. Odzyskane z: quimicaorganica.org