Бензол туралы жалпы түсінік

Пән: Химия
Жұмыс түрі: Материал
Тегін: Антиплагиат
Көлемі: 10 бет
Таңдаулыға:

Кіріспе

Органикалық химияда аромат көмірсутектері деп аталатын қосылыстардың үлкен маңызы бар. Олардың негізгі класы - аромат көмірсутектері. Аромат қосылыстар термині тарихи тұжырымдалған: бұл заттардың алғашқы өкілдерінің ұнамды иісі болған, құрылысы және химиялық қасиеттері жөнінде сөзсіз, осы топқа жататын көптеген заттардың аромат иісі жоқ екені кейінірек белгілі болды. Алайда алғашқы атауы сақталып қалды.

Аромат көмірсутектердің қарапайым және ең негізгі өкілі - бензол.

Бүгінгі күнде белгілі 18 миллиондай органикалық қосылыстардың ішінде оганикалық химияның дамуына ерекше әсер еткен қосылыстардың бірі - бензол. 1825 жылы алғаш рет алынған бензол бір ғасырдан астам уақыт химиктерді ойландырып келді.

Осы қосылыс ашылғаннан кейін тек 100 жылдың ішінде оған арналған 1300 мақала жарық көрді. Оның құрылысы мен қасиеттерін түсіндіру үшін көптеген теориялар ұсынылды. Олардың көпшілігі уақыт сынын көтермеді. Бензол теориктерге ғана емес, практиктерге де керек: одан бояғыш заттар, дәрі-дәрмектік препараттар, қопарылғыш заттар жасайды. Атақты бензолмен таза күйінде мамандардан басқа адамдар іс жүзінде тікелей кездеспегенмен, оның туындыларын - аспирин, ванилин, эфедрин және т. б. күнделікті өмірде пайдаланады.

Аромат көмірсутектері атауы сол кезде белгілі болған өкілдерінің ұнамды иісіне байланысты. Оларды ароматты балзамдардан немесе басқа да хош иісті табиғи заттардан бөліп алған. Кейінірек осы класқа жататын қосылыстар ашылып, олардың көбінің тіпті иісі де жоқ, ал кейбіреулерінің ұнамсыз иісі болса да, аромат көмірсутектері деген тарихи атау сақталып қалды. Ең қарапайым аромат көмірсутегін - бензолды 1825 жылы ағылшын ғалымы М. Фарадей жарқырағыш газдан алған.

Бензол туралы жалпы түсінік

Аромат көмірсутектердің қарапайым және ең негізгі өкілі - бензол.

Бензолдың ашылуы

Бензолдың ашылуына кездейсоқ бір жағдай көмектесті. ХІХ ғасырдың 10-жылдарынан бастап Лондонда көшелерді жарықтандыру үшін фонарьларда жарқырауық газдарды пайдаланды. Оны тас көмірді құрғақ айдап алып, қысыммен тұмшаланған сыйымды ыдыстарда сақтаған. Сонда ыдыстарда белгісіз сұйықтық әсіресе ауа райы суық болғанда көптеп жиналатын болған. Мұны байқаған Фарадей бұл сұйықтықтың құрамын зерттей бастады. Сөйтіп, 1825 жылы 18 мамырда одан 80 ⁰ С-та қайнайтын қосылысты бөліп алды. Ғалым оны тоңазыту арқылы тазалады: 7 ⁰ С-та ол зат ақ кристалдық массаға айналды да, басқа қоспалар сұйық күйінде қалды. Маусымның басында Фарадей элементтік талдау жасап, жаңа қосылыстың құрамында көміртек пен сутектің қатынасы 11, 4 : 1 болатынын көрсетті. Фарадей алған мәлімет іс жүзінде қазіргі ғалымдар алған бензолдың сипаттамаларына сәйкес келеді: 80, 1 ⁰ С-та қайнайды, 5, 53 ⁰ С-та қатады және С : Н ═ 11, 9 : 1 қатынаста болады.

Дальтонның салыстырмалы атомдық массасын пайдаланып (Н=1, С=6), Фарадей өзі алған қосылысқа дұрыс емес С ₂ Н формуласын беріп, оны «bicarburet of hydrogen» яғни «екі көміртекті сутек» деп атады. Бірақ, көп кешікпей, швед химигі Я. Берцелиус элементтердің атомдық массаларының түзетілген кестесін жариялады (Н=1, С=12, 26) және оған сәйкес Фарадей ашқан көмірсутек СН деген қарапайым формула алу керек еді. Ол қосылыстың нағыз формуласы оның молекулалық массасын (С ₆ Н ₆ ) анықтағаннан кейін ғана белгілі болды.

С ₆ Н ₆ өзінің атын алды.

Индонезияда жергілікті аты бензоин (benzoin) деп аталатын стиракстік ағаш өседі. Оның өзі арабша «лубан жави» (luban javi) живан ладаны, бальзамы дегенді білдіреді. Осы ағаштың қабығынан шайырлы шырын алынған, оны “бензол гумы” (араб. гум - шайыр, бен - аромат, зоа - шырын) деп атады. Осышайырлы шырыннан, яғни бензол шырынынан бензол қышқылын алған.

1833 жылы неміс химигі Э. Мичерлих бензол қышқылын сөнбеген әкпен (СаО) қосып қыздырып, ерекше жағымсыз иісі бар сұйықтық алды. Ол Фарадейдің “ек көміртекті сутек” қосылысына ұқсас болды. Қыздырғанда, бензол қышқылы декарбоксилденеді (лат. де - “бөліп шығару”, карбонис - “көмір” және оксигениум - “оттек”), яғни көміртек диоксиді бөлініп шығып, реакция барысында әкпен байланысады:

С ₆ Н ₅ СООН С ₆ Н ₆ + СО ₂

Мичерлих көмірсутектің формуласын дұрыс анықтады - С ₆ Н ₆ және бензин деп атады. Басқа неміс химигі Юстус Либих -ин жалғауы тек азоты бар қосылыстарға пайдаланады деп есептеп, -ол деген жалғауға ауыстырудыұсынды. Латынша “олеум” (oleum) - “май”, өйткені сұйықтық майлы болатын.

Либихтің ғалымдар арасындағы беделі зор болғандықтан, бензол термині қалыптасты. Ол ғалымның қойғанаты сәтті болмағанын да айта кеткен жөн. “Ол” жалғауы спирттерді (алкогольдерді) белгілеу үшін қолданылады (қазір де солай), ал бензол спирт емес. Франция, Англия және АҚШ-та бұл қосылысты бензен (benzene) деп атайды, өйткені -ен жалғау қанықпаған көмірсутектерді немесе қос байланысы бар көмірсутектерді белгілеуге қолданылады. Алайда “бензол” термині неміс және орыс тілдерінде қалыптасып қалды.

1837 жылы француз химигі О. Лоран немістердің бензин және бензол деп дауласуына қарамай, фено (pheno) деп қоюды ұсынды (грек. “файнейн” (phainein) - жарқырау), өйткені бұл қосылыс алғаш рет жарқырауық газдан алынған болатын.

Бұл ат бензолдың өзіне қолданылмағанымен, басқа атомдар топтарымен қосылғанда, оның қалдығы С ₆ Н ₅ -ті фенилдік немесе фенил деп атады. Сонымен, Лоран аздап болса да жеңіске жетті. Алайда соңғы сөз қосылыстарға - фенолға, фенантренге, сондай-ақ басқа да көптеген С ₆ Н ₅ тобы бар қосылыстарға “жапсырылады”.

Физикалық қасиеттері

Құрылысындағы мәселе. Бензолды 1825 жылы ағылшын зерттеушісі М. Фарадей ашты. Ол оңай қайнайтын, түссіз, суда ерімейтін, өзіне тән иісі бар сұйықтық. Салқындатқан кезде ақ түсті кристалды массаға қатаяды, оның балқу температурасы 5, 5 ⁰ С. Бензолдың молекулалық формуласы С ₆ Н ₆ . Көміртегі мен сутегінің қатынастарына қарап - бензолдың өте қанықпаған қосылыс екенін болжауға болады. Осыған қарамай, бензолға бромды су немесе калий перманганатының ерітіндісін қосып, шайқап араластырса, қанықпаған қосылыстарға тән реакцияларды көрсетпейді. Сірә, бұған түсінікті заттың химиялық құрылысыанан іздеу керек шығар.

Бензолдың құрылысын анықтауды оның синтезінен бастау керек. Ацетиленді катализатор ретінде VIII топ металдарының тұздары бар ерітінді арқылы өткізсе, бензол түзіледі. Ацетилен С ₂ Н ₂ мен бензолдың С ₆ Н ₆ құрамдарын салыстыру арқылы, ацетиленнің әр үш молекуласынан бензолдың бір молекуласынан бензолдың бір молекуласы түзіледі ( ацетилен бензолға тримерленеді) деген қорытындыға келеміз:

3С ₂ Н ₂ С ₆ Н ₆

Бірақ бұл факт бензолдың құрылысы жөнінде белгілі қорытынды жасауға жеткіліксіз, өйткені ацетилен молекулалары бір-бірімен дәл қалай қосылатынын білмейміз. Құрамы С ₆ Н ₆ болатын тізбек түрінде, сондай-ақ циклді құрылысты әр түрлі заттар түзіледі деп ойлауға болады, мысалы:

СН ₂ = СН - С ≡ С - СН = СН ₂

Сұрақты одан әрі түсіндіру үшін заттардың химиялық қасиеттеріне көңіл бөлейік. Егер бензол буы мен сутегінің қоспасын катализаторы бар қыздырылған түтік арқылы өткізсе, бензолдың әрбір молекуласына сутегінің үш молекуласы қосылып және рекцияның нәтижесінде құрылысы бізге жақсы белгілі циклогексан түзіледі екен.

Мұнда бастапқы өнім циклді құрылысты деп есептегенде ғана, бензол молекуласына сутегінің үш молекуласы қосылып, циклогексанның түзілетінін түсінуге болады.

Шынында, бензолда көміртегі атомдарының тізбегі тұйықталмаған болса, онда оның молекуласы толық қанығу үшін, сутегінің үш емес, төрт молекуласын қосып алар еді ( С ₆ Н ₆ + 4Н ₂ С ₆ Н ₁₄ ), бұл тәжірибеге қайшы келеді.

Ацетиленнің үш молекуласынан бензолдың циклді молекуласының түзілуін мынадай етіп көрсетуге болады. Осылай бензолдың циклді құрылымдық формуласы жөнінде қорытындыға келеміз.

Табиғи сұрақ туады: теңдеуде көрсетілгендей ацетиленнің үш молекуласы өздерінің қасиеттерін жойып, «сақинаға айналуына» не түрткі болады? Сөйтсе бұл молекулалар өздерінің π-электрондарының есебінен катализатор болып табылатын металл иондарына тартылады екен. Жақындасу процесінде ацетилен молекулаларының ρ-орбитальдары бір-бірімен қабаттасып, жаңа С - С байланыстарын түзеді.

Бензолдың жоғарыда келтірілген құрылымдық формуласын 1865 жылы неміс ғалымы А. Кекуле ұсынған болатын. Бұл формула химиктерді толық қанағаттандырғанымен, жүз жылдан астам уақыттан бері қолданылып келеді.

Шындығында, бензолдың бромды су және калий перманганаты ерітіндісімен реакцияласпайтынын біз тәжірибе жүзінде анықтадық. Осыған қарамай, формуласын талдасақ, оның молекуласында үш қос байланыс болады. Бұл қайшылықтарды түсінуге, молекуладағы атомдардың арасындағы химиялық байланыстардың сипаты көмектесті.

Электрондық құрылысы

Қатаң физикалық әдістермен бензол молекуласының жазық және онда көміртегінің барлық атомдары тең болатыны анықталды. Сутегінің атомдары туралы да соны айтуға болады. Бұл Кекуле формуласына сәйкес келеді. Алайда көміртегі атомдарының ара қашықтығы бірдей екен (0, 140 нм) . Бұл енді Кекуле формуласына қайшы келеді. Атомдар арсындағы қашықтықтың бірдейлігі бензолда жай және қос байланыстардың жоқ екенін дәлелдейді, өйткені мұндай жағдайда көміртегі атомдары центрлерінің ара-қашықтығы шамамен біреуінде 0, 154 нм, ал екіншісінде - 0, 134 нм болар еді.

Бұл құбылысты қалай түсіндіреді? Бензол молекуласындағы көміртегінің барлық атомдары sp ² - гибридтену күйінде болады. Созылған көлемдік сегіздік пішінді, әрбір көміртегі атомының гибридтік үш электрон орбитальдары сақина жазықтығында көміртегінің көрші атомдарымен екі σ-байланыс және сутегі атомдарымен бір σ-байланыс түзеді. Сірә, осы үш байланыс арасындағы бұрыш 120 ⁰ С-қа тең болуы мүмкін. Гибридтенуге қатыспайтын және көлемдік сегіздік пішінді симметриялы төртінші электрон орбиталы σ-байланыс жазықтығына перпендикуляр орналасады. Әрбір осындай орбиталь көрші көміртегі атомының орбитальдарымен біркелкі қаптасады. Осы орбитальдар молекуланың жазықтықтағы проекциясында бір-біріне қаптасқан шеңбер сияқты көрінеді. Молекулада жеке үш π-байланысы емес көміртегі атомдарының бәріне ортақ, алты электроннан құралған бір ғана π-электрон жүйесі түзіледі. Молекулаға ортақ осы π-электрон бұлты әсерінен көміртегі атомдарының арақашықтығы 0, 154 нм шамасынан 0, 140 нм шамасына дейін кемиді.

Химиялық қасиеттері

Барлық көмірсутектер сияқты, бензол да жанады. Ол жанған кезде өте көп мөлшерде күйе түзіледі, бензолдағы көміртегінің массалық үлесі (процент бойынша) ацетилендегідей болғандықтан, мұны түсіну қиын емес. Бензолдың суда еріген броммен әрекеттесе алмайтынына көзіміз жетті. Бірақ ол басұа жағдайда броммен өзара әрекеттеседі. Салқындатқыш қызметін атқаратын түтігі бар колбаға аздаған бром мен темір жоңқасын (FeBr ₃ катализаторы түзілу үшін темір қажет) салып, бензол құямыз. Біраздан кейін құралдардың газ жүретін түтігінен «түтін» шыға бастағанын байқаймыз. Бөлінген газды суда ерітіп, ол ерітіндіге күміс нитратын қосу арқылы бром мен бензол реакцияласқан кезде бромсутек HBr түзілетінін көреміз. Реакциядан кейін колбада ауыр сұйықтық - бромбензол C ₆ H ₅ Br қалады.

Бромның бұл жағдайда бензолға қосылмай, орын басу реакциясына кіріскенін көреміз.

Бұл реакцияның механизмі қаныққан көмірсутектеріндегі орын басу реакциясынан өзгеше. Ол бос радикал түзу арқылы жүрмейді және оның тізбектік сипаты болмайды. Темір бромидінің әсерінен бром молекуласы полюстенеді: (Br : Br) . Оң зарядталған бром бензол молекуласының алтыэлектронды бұлтына тартылады, нәтижесінде көміртегі атомдарының бірімен ковалентті байланыс жасайды, бұл кезде сутегі протон түрінде ығысып теріс зарядталған бром ионымен Br ^- , бромсутек молекуласын түзеді.

Бензолға азот қышқылымен реакцияласу тән. Егер концентрациялы азот және күкірт қышқылының қоспасына бензол қосып, қоспаны аздап қыздырса, реакция жүреді. Нәтижесінде ащы бадамның иісі бар, ауыр сұйықтық - нитробензол C ₂ H ₅ - NO ₂ түзіледі. Мұндағы нитротоп деп аталатын атомдар тобы жоғарыдағы реакциядағы бром тәрізді, сутегі атомының орнын басады. Нитрлеу реакциясын мынадай химиялық теңдеумен өрнектеуге болады.

Белгілі жағдайда бензол қосып алу реакциясына да кіріседі. Мұндай реакциялардың бірімен - сутегін қосып алу реакциясымен біз бұрынна таныспыз.

Бензол мен хлор қоспасына жарық түсірсе, хлор бензолға өосыла алады. Гексахлоран деген атпен белгілі кристалды зат - осылай алады.

Химиялық қасиеттері жөнінен бензол алкандар мен алкендердің аралығынан орын алады. Ол осы екі көмірсутектерге де тән реакцияларға түседі деп қорытында жасауға болады.

Алайда оның реакциясы механизмі жағынан алкандар мен алкендердің сырттай ұқсас реакцияларын қайталамайды. Бұдан басқа бензол реакциялары өзіне тән катализаторларды қажет етеді.

Қолданылуы

Бензол өте көптеген органикалық қосылыстарды синтездеуге бастапқы зат болып табылады. Нитрлеу реакциясымен нитрробензол, бензолды хлорландыру арқылы хлорбензол және басқа да хлортуындылары алынады. Бензол дәрілік және хош иісті заттар, әр түрлі бояулар, қопарғыш заттар, жоғары молекулалық қосылыстардың мономерлерін және т. б синтездеу кезінде бастапқы өнім ретінде қолданылады. Ол еріткіш ретінде және қасиеттерін жақсарту мақсатымен мотор жағар майларына қосуға пайдаланылады.

... жалғасы

Сіз бұл жұмысты біздің қосымшамыз арқылы толығымен тегін көре аласыз.