Химические свойства. Ароматические УВ

Первая группа реакций реакции замещения. Мы говорили, что арены не имеют кратных связей в структуре молекулы, а содержат сопряженную систему из шести электронов, которая очень стабильна и придает дополнительную прочность бензольному кольцу. Поэтому в химических реакциях происходит в первую очередь замещение атомов водорода, а не разрушение бензольного кольца.

С реакциями замещения мы уже сталкивались при разговоре об алканах , но для них эти реакции шли по радикальному механизму, а для аренов характерен ионный механизм реакций замещения.

Первое химическое свойство галогенирование. Замещение атома водорода на атом галогена хлора или брома.

Реакция идет при нагревании и обязательно с участием катализатора. В случае с хлором это может быть хлорид алюминия или хлорид железа три. Катализатор поляризует молекулу галогена, в результате чего происходит гетеролитический разрыв связи и получаются ионы.

Положительно заряженный ион хлора и вступает в реакцию с бензолом.

Если реакция происходит с бромом, то катализатором выступает бромид железа три или бромид алюминия.

Важно отметить, что реакция происходит с молекулярным бромом, а не с бромной водой. С бромной водой бензол не реагирует.

У галогенирования гомологов бензола есть свои особенности. В молекуле толуола метильная группа облегчает замещение в кольце, реакционная способность повышается, и реакция идет в более мягких условиях, то есть уже при комнатной температуре.

Важно отметить, что замещение всегда происходит в орто- и пара-положениях, поэтому получается смесь изомеров.

Второе свойство нитрование бензола, введение нитрогруппы в бензольное кольцо.

Образуется тяжелая желтоватая жидкость с запахом горького миндаля нитробензол, поэтому реакция может быть качественной на бензол. Для нитрования используется нитрующая смесь концентрированной азотной и серной кислот. Реакция проводится при нагревании.

Напомню, что для нитрования алканов в реакции Коновалова использовалась разбавленная азотная кислота без добавления серной.

При нитровании толуола, также как и при галогенировании, образуется смесь орто- и пара- изомеров.

Третье свойство алкилирование бензола галогеналканами.

Эта реакция позволяет ввести углеводородный радикал в бензольное кольцо и может считаться способом получения гомологов бензола. В качестве катализатора используется хлорид алюминия, способствующий распаду молекулы галогеналкана на ионы. Также необходимо нагревание.

Четвертое свойство алкилирование бензола алкенами.

Таким способом можно получить, например, кумол или же этилбензол. Катализатор хлорид алюминия.

2. Реакции присоединения к бензолу

Вторая группа реакций реакции присоединения. Мы говорили, что эти реакции не характерны, но они возможны при достаточно жестких условиях с разрушением пи-электронного облака и образованием шести сигма-связей.

Пятое свойство в общем списке гидрирование, присоединение водорода.

Температура, давление, катализатор никель или платина. Таким же образом способен реагировать толуол.

Шестое свойство хлорирование. Обратите внимание, что речь идет именно о взаимодействии с хлором, поскольку бром в эту реакцию не вступает.

Реакция протекает при жестком ультрафиолетовом облучении. Образуется гексахлорциклогексан, другое название гексахлоран, твердое вещество.

Важно помнить, что для бензола не возможны реакции присоединения галогеноводородов (гидрогалогенирование) и присоединение воды (гидратация).

3. Замещение в боковой цепи гомологов бензола

Третья группа реакций касается только гомологов бензола это замещение в боковой цепи.

Седьмое свойство в общем списке галогенирование по альфа-атому углерода в боковой цепи.

Реакция происходит при нагревании или облучении и всегда только по альфа-углероду. При продолжении галогенирования, второй атом галогена снова встанет в альфа-положение.

4. Окисление гомологов бензола

Четвертая группа реакций окисление.

Бензольное кольцо слишком прочное, поэтому бензол не окисляется перманганатом калия не обесцвечивает его раствор. Это очень важно помнить.

Зато гомологи бензола окисляются подкисленным раствором перманганата калия при нагревании. И это восьмое химическое свойство.

Получается бензойная кислота. Наблюдается обесцвечивание раствора. При этом, какой бы длинной не была углеродная цепь заместителя, всегда происходит ее разрыв после первого атома углерода и альфа-атом окисляется до карбоксильной группы с образованием бензойной кислоты. Оставшаяся часть молекулы окисляется до соответствующий кислоты или, если это только один атом углерода, до углекислого газа.

Если гомолог бензола имеет больше одного углеводородного заместителя у ароматического кольца, то окисление происходит по тем же правилам окисляется углерод, находящийся в альфа-положении.

В данном примере получается двухосновная ароматическая кислота, которая называется фталевая кислота.

Особым образом отмечу окисление кумола, изопропилбензола, кислородом воздуха в присутствии серной кислоты.

Это так называемый кумольный способ получения фенола. Как правило, сталкиваться с этой реакцией приходится в вопросах, касающихся получения фенола. Это промышленный способ.

Девятое свойство горение, полное окисление кислородом. Бензол и его гомологи сгорают до углекислого газа и воды.

Запишем уравнение горения бензола в общем виде.

По закону сохранения массы атомов слева должно быть столько же, сколько атомов справа. Потому что ведь в химических реакциях атомы никуда не деваются, а просто изменяется порядок связей между ними. Так вот молекул углекислого газа будет столько же, сколько и атомов углерода в молекуле арена, поскольку в состав молекулы входит один атом углерода. То есть n молекул CO 2 . Молекул воды будет в два раза меньше, чем атомов водорода, то есть (2n-6)/2, а значит n-3.

Атомов кислорода слева и справа одинаковое количество. Справа их 2n из углекислого газа, потому что в каждой молекуле два атома кислорода, плюс n-3 из воды, итого 3n-3. Слева атомов кислорода столько же 3n-3, а значит молекул в два раза меньше, потому как в состав молекулы входят два атома. То есть (3n-3)/2 молекул кислорода.

Таким образом, мы составили уравнение сгорания гомологов бензола в общем виде.

Представляем вашему вниманию видеоурок, посвящённый теме "Химические свойства бензола". Используя этот видеоматериал, вы сможете получить представление о химических свойствах бензола, а также о жёстких условиях, которые необходимы для того, чтобы бензол вступил в реакцию с другими веществами.

Тема: Ароматические углеводороды

Урок: Химические свойства бензола

Рис. 1. Молекула бензола

Разорвать p-электронное облако в молекуле бензола сложно. Поэтому бензол вступает в химические реакции значительно менее активно по сравнению с непредельными соединениями.

Для того чтобы бензол вступил в химические реакции, необходимы достаточно жесткие условия: повышенная температура, а во многих случаях - катализатор. В большинстве реакций устойчивое бензольное кольцо сохраняется.

1. Бромирование.

Необходим катализатор (бромид железа (III) или алюминия) и недопустимо попадание даже небольших количеств воды. Роль катализатора заключается в том, что молекула брома притягивается одним из атомов брома к атому железа. В результате она поляризуется - пара электронов связи переходит к атому брома, связанному с железом:

Br +…. Br - FeBr 3 .

Br + - сильный электрофил. Он притягивается к шестиэлектронному облаку бензольного кольца и разрывает его, образуя ковалентную связь с атомом углерода:

К образовавшемуся катиону мог бы присоединиться анион брома. Но восстановление ароматической системы бензольного кольца энергетически более выгодно, чем присоединение аниона брома. Поэтому молекула переходит в стабильное состояние, выкинув ион водорода:

По аналогичному механизму протекают все реакции электрофильного замещения в бензольном кольце.

2. Нитрование

Бензол и его гомологи взаимодействует со смесью концентрированных серной и азотной кислот (нитрующей смесью). В нитрующей смеси в равновесии существует иона нитрония NO 2 + , который является электрофилом:

3. Сульфирование.

Бензол и другие арены при нагревании реагируют с концентрированной серной кислотой или олеумом - раствором SO 3 в серной кислоте:

4 . Алкилирование по Фриделю-Крафтсу

5. Алкилирование алкенами

Эти реакции энергетически невыгодны, поэтому протекают только при нагревании или облучении.

1. Гидрирование.

При нагревании, повышенном давлении и в присутствии катализатора Ni, Pt или Pd бензол и другие арены присоединяют водород, образуя циклогексан:

2. Хлорирование бензола.

Под действием ультрафиолетового излучения бензол присоединяет хлор. Если колбу из кварцевого стекла с раствором хлора в бензоле вынести на солнечный свет, раствор быстро обесцветится, хлор присоединится к бензолу с образованием 1,2,3,4,5,6-гексахлорциклогексана, который известен под названием гексахлоран (ранее применялся как инсектицид):

3. Горение бензола .

В отличие от алканов, пламя у бензола и других ароматических углеводородов яркое, коптящее.

Подведение итога урока

На этом уроке вы изучили тему «Химические свойства бензола». Используя этот материал, вы смогли получить представление о химических свойствах бензола, а также о жёстких условиях, которые необходимы для того, чтобы бензол вступил в реакцию с другими веществами.

Список литературы

1. Рудзитис Г.Е. Химия. Основы общей химии. 10 класс: учебник для общеобразовательных учреждений: базовый уровень / Г. Е. Рудзитис, Ф.Г. Фельдман. - 14-е издание. - М.: Просвещение, 2012.

2. Химия. 10 класс. Профильный уровень: учеб. для общеобразоват. учреждений/ В.В. Еремин, Н.Е. Кузьменко, В.В. Лунин и др. - М.: Дрофа, 2008. - 463 с.

3. Химия. 11 класс. Профильный уровень: учеб. для общеобразоват. учреждений/ В.В. Еремин, Н.Е. Кузьменко, В.В. Лунин и др. - М.: Дрофа, 2010. - 462 с.

4. Хомченко Г.П., Хомченко И.Г. Сборник задач по химии для поступающих в вузы. - 4-е изд. - М.: РИА «Новая волна»: Издатель Умеренков, 2012. - 278 с.

Домашнее задание

1. №№ 13, 14 (с. 62) Рудзитис Г.Е., Фельдман Ф.Г. Химия: Органическая химия. 10 класс: учебник для общеобразовательных учреждений: базовый уровень/ Г. Е. Рудзитис, Ф.Г. Фельдман. - 14-е издание. - М.: Просвещение, 2012.

2. Почему ароматические соединения по химическим свойствам отличаются как от предельных, так и от непредельных углеводородов?

3. Напишите уравнения реакций сгорания этилбензола и ксилола.

ПРЦВШ (Ф) ФГБОУ ВПО

Кафедра «Пожарная безопасность»

Контрольная работа

по дисциплине «Теория горения и взрывов»

Задание № 1

Определить удельные теоретические количества и объем воздуха, необходимого для полного сгорания паров бензола. Условия, в которых находится воздух, характеризуются температурой Тв и давлением Рв, а пары бензола -- температурой Тг и давлением Рг. Результаты расчетов выразить в следующих единицах: ; ;;;

Исходные данные (N -- номер группы, n -- номер по списку студентов:

Тв=300+(-1) N *2*N-(-1) n *0.2*n= 277,6 K

Рв=?10 3 =95900 Па;

Тг=300?(?1) N ?2?N?(?1) n ?0,2?n= 321,6 К;

Рr=?10 3 =79400 Па.

С6Н6+7,5О2+7,5?3,76N2=6CO2+3pO+7,5?3,76N2+Qp (1),

где Qр - теплота химической реакции. Из данного уравнения можно определить стехиометрические коэффициенты бензола и молекулярного кислорода: Vг =1, V0 = 7,5

2. Удельное теоретическое количество воздуха -- число киломолей воздуха, которые необходимы для полного сгорания одного киломоля бензола, рассчитывается по формуле:

где 4,76 - количество воздуха, в котором содержится единица количества кислорода, = - отношение стехиометрических коэффициентов молекулярного кислорода (Vо) и бензола (Vг)

Подставляя в (г) значения Vо и Vг,получаем:

3. Объем воздуха, необходимого для полного сгорания одного киломоля бензола, определяется так:

где - объем одного киломоля воздуха при температуре Тв и давлением Рв. Значение рассчитывается по формуле

где 22,4 - мольный объем газа при нормальных условиях, Ро = 101325 Па -- нормальное давление, То = 273 К -- нормальная температура.

Подставляя Тв, То, Рв, Ро в (5), получаем

Удельный теоретический объем воздуха рассчитывается по формуле (4):

4. Объем воздуха, необходимого полного сгорания единицы объема газообразного горючего, определяется так:

где - объем одного киломоля горючего -- паров бензола при температуре Тг и давления Рг. Учитывая, что

и подставляя (8) и (5) в (7), получаем следующее выражение для удельного теоретического объема воздуха:

Вычисляем значение данного параметра процесса горения:

Объем воздуха, необходимого для полного сгорания одного килограмма бензола, определяется так:

где - мольная масса горючего -- масса одного киломоля бензола, выраженная в килограммах. Мольная масса бензола численно равна его молекулярному весу находится по формуле:

Ас?nc+Aн?nн, УiAi?ni (11)

где Ас и Ан - атомные веса углерода и водорода, nc и nн - числа атомов углерода в молекуле бензола. Подставляя значения Ас = 12, nc = 6, Ан = 1, nн = 6, получаем:

Удельный теоретический объем воздуха находим, подставляя значения n в и в формулу (10):

Результат расчетов:

Задание № 2

Определить удельные теоретические количество, объем и состав продуктов горения бензола, если известны коэффициент избытка воздуха в, температура Тп и давление Рп продуктов сгорания, температура Тг и давление Рг паров бензола. Результаты расчетов выразить в мольных долях (в процентах) и в следующих единицах: ; ;;

Исходные данные:

в=1,5+(?1) N ?0,1?N?(?1) n ?0,01?n = 0,2 ;

Рп=?10 3 = 68400 Па;

Тп=1600?(?1) N ?20?N?(?1) n ?2?n = 1816 К;

Тг=273?(?1) N ?2?N+(?1) n ?0,2?n = 295,4 К;

Рг=?10 3 = 111600 Па;

решение (N=11, n=2).

1. Запишем стехиометрическое уравнение реакции горения бензола в воздухе:

С 6 Н 6 +7,5О 2 +7,5?3,76N 2 =6CO 2 +3H 2 O+7,5?3,76N 2 +Qp , (1)

где Qp - теплота химической реакции. Из данного уравнения определяем следующие стехиометрические коэффициенты:

V CO2 =6 , V pO =3 , V C6H6 =1 , V O2 =7,5 , V N2 =7,5?3,76

2. Определяем расчетное количество продуктов сгорания одного киломоля горючего:

Подставляя в (2) значения стехиометрических коэффициентов продуктов сгорания и горючего, получаем:

3. Удельное теоретическое количество воздуха -- число киломолей воздуха, необходимого для полного сгорания одного киломоля горючего, определим с помощью формулы:

Где 4,76 - количество воздуха, в котором содержится единица количества кислорода,

Отношение стехиометрических коэффициентов молекулярного кислорода и бензола.

Подставляя в (4) значения V O2 =7,5 и V C6H6 =1 , получаем:

4. Избыточное количество воздуха, которое приходится на 1 Кмоль горючего, определяется выражением:

бензол пар сгорание воздух

Подставляя в данное выражение значения

37,7(0,2-1)=30,16(7)

5. Общее количество продуктов сгорания единицы количества вещества горючего определяется суммой:

После подстановки значений и получаем:

6. Мольные доли продуктов сгорания, выраженные в процентах, определяются так:

В формулах (9) для мольных долей азота и кислорода в продуктах сгорания 0,79 и 0,21 -- мольные доли данных веществ в воздухе, избыток которого приводит к увеличению доли азота и появлению кислорода в продуктах сгорания.

7. Для определения удельных объемов и продуктов сгорания необходимо рассчитать их мольный объем -- объем одного киломоля газа при условиях, в которых находятся продукты:

где 22,4 - объем одного киломоля газа при нормальных условиях, Т 0 =273К - нормальная температура, Ро=101325Па - нормальное давление.

Подставляя в (10) значения,Ро,То, получаем:

Объем продуктов, которые образуются при сгорании одного килограмма горючего, без учета избытка воздуха, рассчитывается так:

где - мольная масса горючего -- масса одного киломоля бензола, выраженная в килограммах. Мольная масса бензола находится по формуле:

где Ас и Ан - атомные веса углерода (12) и водорода (1), n c и n н - числа атомов углерода (6) и водорода (6) в малекулах бензола (С 6 Н 6).

Подставляя значения, и в (12) получаем

Избыточный объем воздуха, приходящийся на 1 килограмм горючего, определяется так:

где - объем одного киломоля избыточного воздуха, который находится в составе продуктов сгорания. Так как температура и давление избыточного воздуха соответствуют температуре и давлению продуктов сгорания, то = =220,7 .

Подставляя данное значение, а такжев в (14), получим:

Для расчета удельного объема продуктов полного сгорания горючего будем считать, что пары бензола имеют температуру Тг при давлении:

где - объем одного киломоля паров бензола при температуре Тг и давлении Рг. Мольный объем горючего рассчитывается по формуле:

Подставляя полученное значение, а такие значения и в (17), получаем:

Избыточный объем воздуха, приходящийся на один кубический метр паров бензола, определяется так:

Подстановка в (20) значений =30,16 , =и

дает следующий результат:

Общий удельный объем продуктов сгорания с учетом избытка воздуха определяется суммой

Результат расчетов:

Х СО2 = % ; Х Н2О =4,4 % ; Х N2 =%; Х О2 =11,7%

Подобные документы

Расчет коэффициента горючести нитробензола С6Н5NО2 и сероуглерода CS2. Уравнение реакции горения пропилацетата в воздухе. Расчет объема воздуха и продуктов горения при сгорании горючего газа. Определение температуры вспышки толуола по формуле В. Блинова.

контрольная работа , добавлен 08.04.2017

Расчет объема воздуха и продуктов горения, образующихся при сгорании вещества. Уравнение реакции горения этиленгликоля в воздухе. Горение смеси горючих газов. Расчет адиабатической температуры горения для стехиометрической смеси. Горение пропанола.

контрольная работа , добавлен 17.10.2012

Вид горения и его основные параметры. Химическое превращение горючего и окислителя в продукты горения. Уравнения материального и теплового баланса реакции горения. Влияние коэффициента избытка воздуха на состав продуктов горения и температуру горения.

контрольная работа , добавлен 17.01.2013

Определение объема воздуха, необходимого для полного сгорания единицы массы горючего вещества. Состав продуктов сгорания единицы масс горючего вещества. Пределы распространения пламени газо-, паро-, пылевоздушных смесей. Давление взрывчатого разложения.

курсовая работа , добавлен 23.12.2013

Разработка мер предотвращения возникновения пожаров и взрывов, оценка условий их развития и подавления. Понятие скорости выгорания, способ ее определения. Порядок составления уравнения реакции горения. Расчет объема воздуха, необходимого для возгорания.

курсовая работа , добавлен 10.07.2014

Определение состава продуктов полного сгорания газа. Расчет адиабатной температуры горения газовой смеси при постоянном объеме и при постоянном давлении. Кинетические константы реакции самовоспламенения природного газа. Предел воспламенения газовой смеси.

курсовая работа , добавлен 19.02.2014

Характеристика промышленных способов алкилирования бензола пропиленом. Принципы алкилирования бензола олефинами в химической технологии. Проблемы проектирования технологических установок алкилирования бензола. Описание технологии процесса производства.

дипломная работа , добавлен 15.11.2010

Горение как мощный процесс окисления. Типы горения: тление и горение с пламенем. Взрыв как частный случай горения. Электрические свойства пламени. Многообразие продуктов горения как следствие неполного сгорания топлива. Фильтрация дыма через воду.

научная работа , добавлен 29.07.2009

Определение объема воздуха необходимого для полного сгорания заданного количества пропана. Вычисление изменения энтальпии, энтропии и энергии Гиббса, при помощи следствий из закона Гесса. Определение молярных масс эквивалентов окислителя и восстановителя.

контрольная работа , добавлен 08.02.2012

Способы определения расхода поглотительного масла, концентрации бензола в поглотительном масле, выходящем из абсорбера. Расчет диаметра и высоты насадочного абсорбера. Определение требуемой поверхности нагрева в кубе колонны и расхода греющего пара.

Арены - ароматические углеводороды, содержащие одно или несколько бензольных колец. Бензольное кольцо составляют 6 атомов углерода, между которыми чередуются двойные и одинарные связи.

Важно заметить, что двойные связи в молекуле бензола не фиксированы, а постоянно перемещаются по кругу.

Арены также называют ароматическими углеводородами. Первый член гомологического ряда - бензол - C 6 H 6 . Общая формула их гомологического ряда - C n H 2n-6 .

Долгое время структурная формула бензола оставалась тайной. Предложенная Кекуле формула с двумя тройными связями не могла объяснить то, что бензол не вступает в реакции присоединения. Как уже было сказано выше, по современным представлениям, двойные связи в молекуле постоянно перемещают, поэтому правильнее рисовать их в виде кольца.

За счет двойных связей в молекуле бензола формируется сопряжение. Все атомы углерода находятся в состоянии sp 2 гибридизации. Валентный угол - 120°.

Номенклатура и изомерия аренов

Названия аренов формируются путем добавления названий заместителей к главной цепи - бензольному кольцу: бензол, метилбензол (толуол), этилбензол, пропилбензол и т.д. Заместители, как обычно, перечисляются в алфавитном порядке. Если в бензольном кольце несколько заместителей, то выбирают кратчайший путь между ними.

Для аренов характерна структурная изомерия, связанная с положением заместителей. Например, два заместителя в бензольном кольце могут располагаться в разных положениях.

Название положения заместителей в бензольном кольце формируется на основе их расположения относительно друг друга. Оно обозначается приставками орто-, мета- и пара. Ниже вы найдете мнемонические подсказки для их успешного запоминания;)

Получение аренов

Арены получают несколькими способами:

Химические свойства аренов

Арены - ароматические углеводороды, которые содержат бензольное кольцо с сопряженными двойными связями. Эта особенность делает реакции присоединения тяжело протекающими (и тем не менее возможными!)

Запомните, что, в отличие от других непредельных соединений, бензол и его гомологи не обесцвечивают бромную воду и раствор перманганата калия.

Данная статья написана Беллевичем Юрием Сергеевичем и является его интеллектуальной собственностью. Копирование, распространение (в том числе путем копирования на другие сайты и ресурсы в Интернете) или любое иное использование информации и объектов без предварительного согласия правообладателя преследуется по закону. Для получения материалов статьи и разрешения их использования, обратитесь, пожалуйста, к