Арены Бензол.
Запишите уравнения реакций: • 1 вариант • 2 вариант 1. бутан бутен 1. Пропен пропин хлорбутадиен 1, 3 1, 4 пропен дихлорпропан. -дибромбутен-2. 2. Горение ацетилена. Получение этина. Почему ацетилен горит сильно коптящим пламенем?
АРЕНЫ. • Представитель - С 6 Н 6 бензол • Общая формула - Сn. Н 2 n-6
Среди 18 миллионов известных на сегодняшний день органических соединений немного найдется таких, который повлияли бы на развитие органической химии сильнее, чем бензол. Полученный впервые в 1825 году, он более века был постоянной головной болью химиков. Сначала не могли понять как выглядит молекула бензола. Потом десятилетиями пытались объяснить его уникальные свойства. За сто лет, прошедших после его открытия ему было посвящено более 1300 статей.
История открытия • Впервые бензол описал немецкий химик Иоганн Глаубер, который получил это соединение в 1649 году в результате перегонки каменноугольной смолы. Но ни названия вещество не получило, ни состав его не был известен.
Второе рождение Своё второе рождение бензол получил благодаря работам Фарадея. Бензол был открыт в 1825 году английским физиком Майклом Фарадеем, который выделил его из жидкого конденсата светильного газа.
Новое получение • В 1833 году немецкий физико-химик Эйльгард Мичерлих получил бензол при сухой перегонке кальциевой соли бензойной кислоты (именно от этого и произошло название бензол)
Фридрих Кекуле • Фридрих Август Кекуле фон Штрадониц (нем. Friedrich August Kekulé von Stradonitz, 7 сентября 1829, Дармштадт — 13 июля 1896, Бонн) — немецкий химикорганик, создатель теории валентности.
Формула строения бензола Ф. Кекуле(1865 г. ) Ф. Кекуле предположил, что в молекуле бензола существуют три двойных связи.
Строение бензола В свое время было предложено много вариантов структурных формул бензола, но ни одна из них не смогла удовлетворительно объяснить его особые свойства. Цикличность строения бензола подтверждается тем фактом, что его однозамещенные производные не имеют изомеров.
Схема образования сигма – связей в молекуле бензола. • 1)Тип гибридизации - sр2 • 2) между атомами углерода и водорода образуются сигма – связи, лежащие в одной плоскости. • 3) валентный угол – 120 градусов • 4) длина связи С-С 0, 140 нм
Схема перекрывания облаков в молекуле
Схема образования пи – связей в молекуле бензола • 1)За счет негибридных • р – электронных облаков в молекуле бензола перпендикулярно плоскости образования сигма - связей образуется единая п- электронная система, состоящая из 6 р – электронов и общая для всех атомов углерода.
Сигма– и пи- связи в молекуле бензола • Таким образом, в молекуле бензола между атомами углерода все связи равноценны и их длинна 0, 140 нм.
Квантовомеханическая теория и молекула бензола Немецкий химик Э. Хюккель применил к ароматическим соединениям квантовомеханическую теорию и показал, что шесть π-электронов молекулы бензола располагаются в плоскости, перпендикулярной плоскости молекулы, взаимно перекрываются и образуют замкнутое электронное облако.
Современная структурная формула бензола. • Чтобы показать равномерность распределения п– электронной системы в молекуле бензола, структурную формулу его часто изображают в виде шестиугольника с окружностью внутри
Современная структурная формула бензола. • Сочетание шести сигма – связей с единой п – системой называется ароматической связью • Цикл из шести атомов углерода, связанных ароматической связью, называется бензольным кольцом или бензольным ядром.
Образование связей в молекуле бензола
Гомологи Сn. H 2 n-6
Изомерия гомологов бензола
классификация
Получение • Бензол получают из каменноугольной смолы, образующейся при коксовании угля. • В настоящее время бензол получают из нефти. • Бензол получают синтетическими методами.
Другие способы получения • С 6 Н 14 С 6 Н 6 + 4 Н 2 • С 6 Н 12 С 6 Н 6 + 3 Н 2 • 3 С 2 Н 2 С 6 Н 6
Получение бензола. 1. Тримеризация ацетилена. При пропускании ацетилена при 400°C над активированным углем с хорошим выходом образуется бензол и другие ароматические углеводороды 3 С 2 Н 2 → С 6 H 6 2. Пиролиз тяжелых нефтяных фракций. 3. Из циклоалканов (с числом С >. 6, t, k)
Природные источники получения: • Природные и попутные газы • Нефть • Каменный уголь
Физические свойства • Бензол представляет собой бесцветную, легкоподвижную жидкость с температурой кипения +80ºС и температурой плавления + 5ºС. • Он обладает своеобразным запахом, горит сильно коптящим пламенем, легче воды и не растворяется в ней. • Пары бензола с воздухом образуют взрывчатую смесь.
Физические свойства • Бесцветная жидкость со своеобразным резким запахом. • Температура плавления 5, 5 °C, температура кипения 80, 1 °C, плотность 0, 879 г/см³, молярная масса 78, 11 г/моль. • С воздухом образует взрывоопасные смеси, хорошо смешивается с эфирами, бензином и другими органическими растворителями. Растворимость в воде 1, 79 г/л (при 25 °C).
Предельным или непредельным должен быть бензол? По формуле С 6 Н 6– непредельный. А по химическим свойствам?
Химические свойства бензола Реакции присоединения гидрирование хлорирование Реакции замещения по бензольному кольцу бромирование нитрование алкилирование
Предельный или непредельный? Бензол и перманганат калия Бензол и бромная вода
Предельный или непредельный? Если непредельный, … то почему не обесцвечивает бромную воду?
Бензол вступает в реакции замещения • Реакции замещения протекают легче чем у предельных углеводородов
Бензол вступает в реакции присоединения: • Реакции присоединения протекают труднее чем у непредельных углеводородов
Химические свойства 1. Горение бензола: 2 С 6 Н 6 + 15 О 2 = 12 СО 2 + 6 Н 2 О 2. Реакция замещения: С 6 Н 6 + Br 2 C 6 H 5 Br + HBr 3. Нитрование: С 6 Н 6 + НОNО 2 С 6 Н 5 NО 2 + Н 2 О 4. Гидрирование: С 6 Н 6 + 3 Н 2 С 6 Н 12 5. Хлорирование: С 6 Н 6 + 3 Cl 2 C 6 H 6 Cl 6
4. Взаимодействие с галогенопроизводными алканов (алкилирование бензола, реакция Фриделя-Крафтса) в присутствии Al. Cl 3 : С 6 H 6 + С 2 H 5 Cl → С 6 H 5 С 2 H 5 + HCl образуется этилбензол 5. Реакция нитрования в присутствии конц серной кислоты С 6 H 6 + HNO 3 → С 6 H 5 NO 2 + H 2 O образуется нитробенол.
Применение
Применение Добавки к бензину Производство растворителей пестицидов С 6 Н 6 лекарств Фенолформальдегидных пластмасс Производство органических соединений: ацетона анилина
Бензол необходим не только теоретикам, но и практикам: из него делают лекарства, красители, взрывчатые вещества. Аспирин, ванилин и множество других производных бензола прочно вошли в нашу повседневную жизнь.
Гомологи бензола
Смещение электронной плотности
Взаимное влияние атомов
Нитрование толуола
Окисление толуола
Винилбензол
Полимеризация стирола
Природные источники углеводородов _______________
Основными источниками углеводородов являются газообразные вещества – горючие природные и попутные газы, газы переработки нефти и каменного угля.
Сравнительная характеристика природных и попутных газов Признаки сравнения Нахождение в природе Состав Применение Природные газы Образуют самостоятельные залежи В основном СН 4 Попутные газы Встречаются с нефтью, растворены в ней Меньше СН 4, больше С 2 Н 6, С 3 Н 8, С 4 Н 10 и высшие УВ Как топливо. Сырье Получение газов, из для химической которых промышленности синтезируются каучуки и пластмассы
ПРИРОДНЫЙ ГАЗ В природном газе содержатся углеводороды с низкой молекулярной массой, основными компонентами является метан. Его содержание в газе различных месторождений колеблется от 80% до 97%. Кроме метана – этан, пропан, бутан. Неорганические: азот– 2%; СО 2; Н 2 О; Н 2 S, благородные газы. Природные газы заполняют пустоты, образующиеся в горных породах под землей. При сгорании природного газа выделяется много тепла.
Попутные или нефтяные газы • По происхождению это тоже природные газы, встречаются вместе с нефтью – растворены в ней или образуют над ней газовую «пленку» . • Нефтяной газ является сырьем для получения газового бензина, этилена, пропилена, бутилена, используемых для получения высокомолекулярных соединений.
КАМЕННЫЙ УГОЛЬ, твердое горючее полезное ископаемое растительного происхождения, одна из разновидностей ископаемых углей (средней степени метаморфизма). Представляет собой плотную породу черного, иногда серо-черного цвета с блестящей, полуматовой или матовой поверхностью.
Существует 2 основных способа добычи каменного угля: открытый (карьерный) и закрытый (шахтный). Используется в коксохимическом производстве, как энергетическое топливо, а также для полукоксования, газификации, получения жидкого топлива, смазочных масел, пластмасс и т. п.
НЕФТЬ (тур. neft, от перс. нефт), - темная маслянистая жидкость, не растворяющаяся в воде; горючая смесь парафиновых, нафтеновых и реже ароматических УВ; распространена в осадочной оболочке Земли; важнейшее полезное ископаемое. О существовании нефти было известно еще в древнем Египте.
Мировые запасы нефти — около 500 млрд т. Всего насчитывается около 50 тыс. месторождений, из них разведано около 600, разрабатывается 450; из них приблизительно половина — на Ближнем Востоке. Наибольшие запасы сосредоточены в Северном полушарии. По запасам лидируют: Саудовская Аравия, Мексика, Россия , Иран, США ; при этом в странах ОПЕК — 103 млрд. тонн, в развивающихся странах — 120 млрд т.
Добыча нефти
Морская нефтедобыча
Перегонка нефти • Это первичная переработка нефти, которая осуществляется на нефтеперерабатывающих заводах после отделения попутных газов. • Первый перегонный аппарат был построен в середине XIX в. в штате Пенсильвания. Тогда впервые был получен керосин.
Фракции перегонки нефти Название фракции t°С Углерод. состав Бензин Керосин 40 -200 180 -300 С 2 –С 12 – С 18 Соляровое масло Газойль до 360 270 -300 С 1 – С 6 Парафин 320 -500 С 26 – С 38 Асфальт (гудрон) - - Применение Моторное топливо Топливо, в т. ч. дизельное С 16 и более Смазочные материалы Газообраз. топливо, сырье для получения Н 2 Свечи, спичечный парафин, гуталин Дорожные покрытия
КРЕКИНГ (англ. cracking, букв. — расщепление), переработка нефти или ее фракций для получения главным образом моторных топлив, а также сырья для химической промышленности. Различают 2 основных вида крекинга: термический, осуществляемый под действием высокой температуры и давления; каталитический, происходящий при одновременном воздействии высокой температуры, давления и катализатора.
Два вида крекинга Термический Каталитический Мазут Температура 450 -550°С Керосин и газойль 450°С Давление 2 -7 м. Па Атмосферное Продукт получения Автомобильный Авиационный бензин Сырье
РИФОРМИНГ (англ. reforming), переработка нефтепродуктов (главным образом бензиновых и лигроиновых фракций нефти) при 490 -540 °С с целью получения высокооктановых автомобильных бензинов, ароматических углеводородов и технического водорода.
Экологическая катастрофа в Керченском проливе в ноябре 2007 года. В воду попали 2 тысячи тонн нефтепродуктов и около 7 тысяч тонн серы. Больше всего из-за катастрофы пострадали коса Тузла, которая находится на стыке Чёрного и Азовского морей, и коса Чушка. После аварии мазут осел на дно из-за чего погибла мелкая ракушкасердцевидка – основная еда обитателей моря. На восстановление экосистемы уйдет 10 лет. Погибло более 15 тысяч птиц.
МЕТАН CH 4, бесцветный газ, t кип 164 °C. Основной компонент природных (77 -99%), попутных нефтяных (31 -90%), рудничного и болотного газов. Горит бесцветным пламенем. С воздухом образует взрывоопасные смеси. Сырье для получения многих ценных продуктов химической промышленности — формальдегида, ацетилена, сероуглерода, хлороформа, синильной кислоты, сажи. Применяется как топливо.
ЭТАН СН 3, бесцветный газ, t кип -88, 6 °С. Содержится в нефтяных и природных газах. Сырье в промышленном органическом синтезе.
ПРОПАН СН 3 СН 2 СН 3, бесцветный газ, t кип -42, 1 °С. Содержится в природных и нефтяных газах, образуется при крекинге нефтепродуктов. Применяется, напр. , для получения пропилена, нитрометана. В смеси с бутаном используется как бытовой газ.
Экологические проблемы Несовершенство технологии добычи нефти и газа, их транспортировки обуславливает постоянное сжигание объёма газа на теплоагрегатах компрессорных станций и в факелах. На долю компрессорных станций приходится около 30% этих выбросов. На факельных установках ежегодно сжигается около 450 тыс. тонн природного и попутного газа, при этом в атмосферу поступает более 60 тыс. тонн загрязняющих веществ. Добыча угля приводит к образованию «лунных» ландшафтов – терриконов, т. е. отвалов пустой породы.
Контрольные вопросы 1. Какие из приведенных на рисунке структур соответствуют бензолу? Ответ 1: а, б Ответ 2: г Ответ 3: а, в Ответ 4: а, г 2. Какой тип гибридизации характерен для атомов углерода в молекуле бензола? Ответ 1: sp 3 Ответ 2: sp Ответ 3: sp 3 d Ответ 4: sp 2
Вопросы для самоконтроля: • 1)Какова общая формула гомологического ряда аренов? • 2) Какова молекулярная формула бензола? • 3) Какое противоречие существует между структурной формулой Кекуле и свойствами бензола? Как это противоречие объясняет электронная теория? • 4) Структурную формулу бензола представляют в виде шестиугольника с окружностью внутри. Что обозначает окружность? • 5) Как распознать на основании химических свойств бензол и гексен?
Задания для зачета: В. 1: а) Строение этилена. б) Химические свойства этилена. в) Применение алкенов. В. 2: а) Строение ацетилена. б) Химические свойства ацетилена. в) Применение алкинов.
В. 3: а) Сравнение строения алкенов и алкинов. б) Са. СО 3 Са. О Са. С 2 Н 2 СН 2=СНСl (-CH 2 -CHCl-)n. Осуществить превращения. В. 4: а) Рассчитайте массу карбида кальция, содержащего 10% примесей, необходимого для получения такого объема ацетилена, который можно получить пиролизом 33, 6 л. метана. б) С 2 Н 5 ОН С 2 Н 4 С 2 Н 5 Сl C 4 H 10. Осуществить превращения.
Задание: выведите формулу бензола, если известно, что он состоит только из атомов водорода и кислорода и содержит 92, 3 % водорода. Плотность по водороду равна 39. С 6 Н 6
Домашнее задание: • 1) Учебник, параграф 7. • 2) Творческое задание: подготовить презентацию по теме: «Применение бензола и его гомологов» .
