BENZEN: ZGODOVINA, STRUKTURA, LASTNOSTI, DERIVATI, UPORABE - KEMIJA - 2025

Benzen organska spojina, sestavljena iz ene od najenostavnejših vseh aromatskih ogljikovodikov. Njegova kemijska formula je C ₆ H ₆ , za katere je znano, da je razmerje med ogljikom in vodikom enaka 1; to pomeni, da je za vsak ogljik povezan z njim vodik.

Čeprav je njen fizični videz brezbarvna tekočina, jo naravno najdemo v nafti in naftnih derivatih. Njen vonj je zelo značilen, saj spominja na mešanico lepila, bitumna in bencina; po drugi strani pa je hlapna in vnetljiva tekočina.

Steklenica z benzenom. Vir: Air1404

Zgornja slika prikazuje posodo ali steklenico z benzenom, predvidoma neanalitične čistosti. Če bi ga odkrili, bi se hlapi benzena takoj razširili po laboratoriju. Zaradi tega se s to tekočino, ki se ponavadi uporablja kot preprosto topilo, uporablja v pokrovu dima.

Kemiki v 19. stoletju so bili njegova formula C ₆ H ₆ , ki so vzpostavili številne možne strukture, ki bi ustrezale omenjenemu razmerju C / H enako 1. Ne samo to, molekula benzena je morala imeti posebne vezi tako, da je bilo mogoče razložiti njegova nenavadna stabilnost proti adicijskim reakcijam; značilno za alkene in poliene.

Tako so njihove povezave predstavljale enigmo za kemike tistega časa; dokler ni bila uvedena lastnost imenovana aromatičnost. Preden smo obravnavali heksaciklotrien (s tremi C = C vezmi), je benzen veliko več kot to in je še en izmed mnogih primerov sinergije v kemiji.

V organski kemiji je benzen klasičen simbol, strukturna osnova za več poliaromatskih spojin. Neskončni derivati ​​se iz šesterokotnika pridobivajo z aromatično elektrofilno substitucijo; obroč, s čigar robovi je tkana struktura, ki določa nove spojine.

Pravzaprav so njeni derivati ​​posledica velike industrijske uporabe, za katero potrebujejo benzen kot svojo surovino. Od priprave lepil in tekstilnih vlaken, do plastike, gume, pigmentov, drog in eksploziva. Po drugi strani pa benzen naravno najdemo v vulkanih, divjih požarih, bencinu in v cigaretnem dimu.

Zgodovina

Odkritje in imena

Njeno odkritje sega v leto 1825, običajno ga pripisujejo Michaelu Faradayu, ko je zbiral in izvajal poskuse s preostalim naftnim produktom plina, ki se uporablja za razsvetljavo. Ta tekočina je vsebovala razmerje C / H blizu 1, zato jo je imenoval "uplinjeni vodik".

Kemik Auguste Laurent je čudno ogljikovodik poimenoval "feno", ki izhaja iz grške besede "phaínein", kar pomeni svetel (ker je bil pridobljen po zgorevanju plina). Vendar pa tega imena znanstvena skupnost ni sprejela in je prevladovala le kot "fenil", kar se nanaša na radikal, pridobljen iz benzena.

Kemičar Eilhard Mitscherlich je iz benzoinskih gumi devet let pozneje uspel izdelati isto spojino; Zato je obstajal še en vir za isti ogljikovodik, ki ga je krstil kot 'benzin'. Vendar tudi niso menili ustreznega imena, da bi domnevali, da gre za alkaloid, kot je kinin.

Tako so ime „benzin“ zamenjali z „benzol“. Vendar so se spet pojavila protislovja in neskladja zaradi dejstva, da je izraz „benzol“ ogljikovodik zamenjal za alkohol. Takrat se je rodilo ime „benzen“, ki so ga najprej uporabili v Franciji in Angliji.

Industrijska proizvodnja

Niti plini za razsvetljavo niti benzojevi gumi niso bili ustrezni viri za nastajanje benzena v velikem obsegu. Charlesu Mansfieldu v sodelovanju z Augustom Wilhelmom von Hofmannom je uspelo leta 1845 izolirati benzen (dvajset let po njegovem odkritju) iz premogovega katrana, stranskega proizvoda proizvodnje koksa.

Tako se je začela industrijska proizvodnja benzena iz premogovega katrana. Razpoložljivost benzena v ogromnih količinah je olajšala preučevanje njegovih kemijskih lastnosti in omogočila, da je povezana z drugimi spojinami s podobno reaktivnostjo. August Wilhelm von Hofmann je sam skoval besedo "aromatičen" za benzen in z njim povezane spojine.

Zgodovinske strukture

Sanje avgusta Kekuléja

Friedrich August Kekulé je zaslužen za šestkotno in ciklično strukturo benzena okoli leta 1865, ki izhaja iz čudnih sanj z Uroborosom, kačo, ki z risanjem kroga ugrizne lasten rep. Tako je verjel, da bi lahko benzen obravnavali kot šesterokoten obroč, drugi kemiki pa so dvignili možne strukture, ki so prikazane spodaj:

Konstrukcije za benzenski obroč, ki so bile predlagane skozi zgodovino. Vir: Jü

Nekatere od višjih struktur bi lahko prispevale k stabilnosti benzena.

Knjiga, prstani in prizme

Upoštevajte, da tretja struktura sploh ni prstan, ampak trikotna prizma, ki jo je leta 1869 predlagal Albert Ladenburg; na levi strani, ena v obliki odprte knjige, ki jo je leta 1867 predlagal sir James Dewar; na desni pa eden z vsemi vodiki, usmerjenimi proti središču obroča, ki jih je leta 1887 predlagal Henry Edward Armstrong.

Prva struktura, ki jo je leta 1867 predlagal Adolf Karl Ludwig Claus, je tudi precej svojevrstna, saj so povezave CC prekrižane. In zadnji je bil Kekuléjev »serpentinski« prstan, o katerem so sanjali leta 1865.

Kaj je bil "zmagovalec"? Peta struktura (od leve proti desni), ki jo je leta 1899 predlagal Johannes Thiele.

V tej študiji je bil prvič obravnavan resonančni hibrid, ki je združil obe Kekulé strukturi (zavrtite prvi obroč na desni, da ga opazujete) in nenavadno pojasnil delokalizacijo elektronov in s tem tudi do takrat neobičajno stabilnost benzen.

Struktura benzena

Aromatičen benzenski obroč. Vir: Benjah-bmm27

Zgoraj je struktura, ki jo je Thiele predlagal z uporabo modela krogel in palic.

Molekula benzena je ravna, pri čemer so vodikovi atomi usmerjeni navzven s strani obroča. Vsi atomi ogljika imajo hibridizacijo sp ² , na voljo je p orbitala za vzpostavitev aromatičnega sistema, v katerem se delokalizira šest elektronov.

Ti sp ² ogljiki so bolj elektronegativni od vodikov, zato prvi odvzamejo gostoto elektronov drugim (C _sp2 ^δ- -H ^{δ +} ). Posledično ima središče obroča večjo koncentracijo elektronov kot njegove strani.

Natančneje, aromatični sistem lahko predstavljamo kot oblak ali elektronsko blazinico, razširjeno na obeh straneh šestkotnega obroča; in na sredini, na straneh ali robovih, elektronska pomanjkljivost, sestavljena iz vodikov s pozitivnim delnim nabojem.

Zahvaljujoč tej porazdelitvi električnih nabojev lahko molekuli benzena medsebojno delujejo prek dipol-dipolnih sil; ^Hitrove atome privlači aromatično središče sosednjega obroča (to bo predstavljeno spodaj).

Tudi aromatična središča se lahko zložijo ena na drugo, kar daje prednost indukciji trenutnih dipolov.

Resonanca

Strukture in resonančni hibrid benzena. Vir: Edgar181 iz Wikipedije.

Na vrhu slike sta prikazani dve Kekulé strukturi, pod njimi pa resonančni hibrid. Ker se obe strukturi pojavljata znova in znova, je hibrid predstavljen s krogom, narisanim na sredini (podobno kot pri šesterokotnem krofu).

Hibridni krog je pomemben, ker označuje aromatičen značaj benzena (in številnih drugih spojin). Nadalje poudarja, da povezave niso tako dolge kot CC niti niso kratke kot C = C; raje je njihova dolžina med obema skrajnostima. Tako benzen ne velja za polien.

To je bilo dokazano z merjenjem dolžin CC (139 pm) vezi benzena, ki so nekoliko bolj podolgovate od CH (109 pm) vezi.

Kristali

Orthorhombic kristalna struktura benzena. Vir: Ben Mills

Benzen je tekočina pri sobni temperaturi. Medmolekulske sile pomenijo, da kljub temu, da nima tako izrazitega dipolnega trenutka, lahko drži svoje molekule skupaj v tekočini, ki vre pri 80 ° C. Ko temperatura pade pod 5 ° C, benzen začne zamrzovati: in tako dobimo ustrezne kristale.

Benzenski obroči lahko v svoji trdni obliki sprejmejo določene strukturne vzorce. Njihovi dipoli povzročijo, da se "nagibajo" v levo ali desno in tvorijo vrstice, ki jih je mogoče reproducirati v ortorombični celici. Tako so kristali benzena ortorhombični.

Na zgornji sliki upoštevajte, da nagibanje obročev ugodno vpliva na interakcije med H ^{δ +} in aromatičnimi centri, omenjenimi v prejšnjih pododdelkih.

Lastnosti

Molekularna masa

78.114 g / mol.

Fizični videz

Brezbarvna tekočina z vonjem po bencinu.

Vrelišče

80 ° C.

Tališče

5,5 ° C.

mesto vžiga

-11ºC (zaprta skodelica).

Temperatura samodejnega vžiga

497,78 ° C.

Gostota

0,8765 g / ml pri 20 ° C.

Topnost

V litru vrele vode se komaj raztopi 3,94 g benzena. Zaradi njegovega nepolarnega značaja je voda praktično negibljiva. Vendar ga je mogoče mešati z drugimi topili, kot so etanol, etri, aceton, olja, kloroform, tetraklorid ogljik itd.

Gostota hlapov

2,8 glede na zrak (torej skoraj trikrat bolj gost).

Parni tlak

94,8 mm Hg pri 25 ° C.

Toplota izgorevanja

-3267,6 kJ / mol (za tekoči benzen).

Toplota izparevanja

33,83 kJ / mol.

Površinska napetost

28,22 mN / m pri 25 ° C.

Lomni količnik

1,5011 pri 20 ° C.

Odvod

Vodike benzena lahko nadomestimo z drugimi skupinami ali atomi. Lahko pride do ene ali več substitucij, kar poveča stopnjo substitucije, dokler ne ostane noben od prvotnih šestih vodikov.

Denimo, benzen kot Ph-H, kjer je H kateri koli od njegovih šestih vodikov. Če se spomnimo, da ima središče obroča večjo gostoto elektronov, privlači elektrofile, ki obroč napadejo, da nadomesti H v reakciji, imenovani elektrofilna aromatska substitucija (SEAr).

Če to H nadomestimo z OH, bomo imeli Ph-OH, fenol; se zamenja s CH ₃ , Ph-CH ₃ , toluen; če je NH ₂ , Ph-NH ₂ , anilin; ali če je CH ₂ CH ₃ , Ph-CH ₂ CH ₃ , etilbenzen.

Derivati ​​so lahko enaki ali bolj strupeni kot benzen, ali nasprotno, lahko postanejo tako zapleteni, da imajo zaželen farmakološki učinek.

Prijave

Je dobro topilo za najrazličnejše spojine, na primer v barvah, lakih, lepilih in premazih.

Prav tako lahko raztaplja olja, maščobe ali voske, zato je bil uporabljen kot ekstrahirajoče topilo za esence. To lastnost je Ludwig Roselius leta 1903 uporabil za brezkofeinsko kavo, ki se zaradi strupenosti benzena ne uporablja več. Prav tako so ga v preteklosti uporabljali za razmaščevanje kovin.

V eni od svojih klasičnih uporab ne deluje kot topilo, ampak kot dodatek: povečuje oktansko število bencina in v ta namen nadomešča svinec.

Derivati ​​benzena imajo lahko različne namene; nekateri služijo kot pesticidi, maziva, detergenti, plastika, eksplozivi, parfumi, barvila, lepila, droge itd. Če v svoji strukturi opazimo benzenski obroč, je zelo verjetno, da se je njegova sinteza začela iz benzena.

Med njegove najpomembnejše derivate spadajo: kumen, ksilen, anilin, fenol (za sintezo fenolnih smol), benzojska kislina (konzervans), cikloheksan (za sintezo najlona), nitrobenzen, resorcinol in etilbenzen.

Nomenklatura

Nomenklatura benzenskih derivatov se razlikuje glede na stopnjo substitucije, kakšne so skupine substituentov in njihov relativni položaj. Tako se benzen lahko podvrže mono, di, tri, tetra itd

Če sta dve skupini pritrjeni na sosednje ogljike, se uporablja poimenovanje „orto“; če je med ločevanjem ogljik, "meta"; in če so ogljiki v nasprotnih položajih, 'para'.

Spodnje slike prikazujejo primere derivatov benzena z ustreznimi imeni, ki jih ureja IUPAC. Spremljajo jih tudi skupna ali tradicionalna imena.

Monoderivi benzena. Vir: Gabriel Bolívar.

Drugi derivati ​​benzena. Vir: Gabriel Bolívar.

Upoštevajte, da v tri substituiranem benzenu orto, para in meta indikatorji niso več uporabni.

Toksičnost

Benzen je spojina, ki jo je treba ravnati previdno. Glede na poseben vonj so lahko neposredni negativni učinki zadušitev, omotica, glavobol, tresenje, zaspanost, slabost in celo smrt (z visoko izpostavljenostjo). Če ga zaužijete, poleg že omenjenega, lahko povzroči hude bolečine v želodcu in epileptične napade.

Poleg tega so dolgoročni učinki ob stalni izpostavljenosti tej tekočini rakotvorni; povečuje možnosti, da bo posameznik zbolel za kakšno vrsto raka, zlasti krvnim rakom: levkemijo.

V krvi lahko zmanjša koncentracijo rdečih krvnih celic, kar povzroča slabokrvnost, vpliva tudi na kostni mozeg in jetra, kjer ga telo asimilira, da ustvari še bolj strupene derivate benzena; na primer hidroksikinon. Nabira se tudi v ledvicah, srcu, pljučih in možganih.

Reference

1. Morrison, RT in Boyd, RN (1987). Organska kemija. (5. izdaja). Addison-Wesley Iberoamericana.
2. Carey, FA (2008). Organska kemija. (6. izdaja). McGraw-Hill, Interamerica, Editores SA
3. Graham Solomons TW, Craig B. Fryhle. (2011). Organska kemija. Amini. (10. izdaja.). Wiley Plus.
4. Nacionalni center za informacije o biotehnologiji. (2019). Benzen. Baza podatkov PubChem. CID = 241, obnovljeno iz: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov
5. Wikipedija. (2019). Benzen. Pridobljeno: en.wikipedia.org
6. Garcia Nissa. (2019). Kaj je benzen? - Uporaba, struktura in formula. Študij. Pridobljeno: study.com
7. Centri za nadzor in preprečevanje bolezni. (4. april 2018). Dejstva o benzenu. Obnovljeno od: Emergency.cdc.gov
8. Svetovna zdravstvena organizacija. (2010). Izpostavljenost benzenu: velika skrb za javno zdravje. . Pridobljeno: who.int
9. Fernández Germán. (sf). Problemi z bencinsko nomenklaturo. Organska kemija. Pridobljeno: quimicaorganica.org