BENZOL: ELŐZMÉNYEK, SZERKEZET, TULAJDONSÁGOK, SZÁRMAZÉKOK, FELHASZNÁLÁSOK - KÉMIA - 2025

A benzol egy szerves vegyület, amely az összes aromás szénhidrogén közül a legegyszerűbb. Kémiai képlete C ₆ H ₆, amelyből ismert, hogy a szén és a hidrogén aránya 1; azaz hogy minden szénhez hidrogén kapcsolódik.

Noha fizikai megjelenése színtelen folyadék, természetesen megtalálható a kőolajban és az ásványolajtermékekben. Illata nagyon jellemző, mivel ragasztó, bitumen és benzin keverékére hasonlít; másrészt illékony és gyúlékony folyadék.

Üveg benzollal. Forrás: Air1404

A fenti képen egy benzolos tartály vagy üveg látható, amely valószínűleg nem analitikai tisztaságú. Ha nem fedezik fel, a benzolgőzök azonnal elterjednek az egész laboratóriumban. Ezért ezt a folyadékot, amelyet általában egyszerű oldószerként használnak, a füstcső belsejében kell kezelni.

Mivel a képlet C ₆ H _{6 volt}, a XIX. Század vegyészei számos lehetséges szerkezetet felvettek, amelyek megfelelnek az említett C / H aránynak, ami 1-nek felel meg. Nemcsak ennek, hanem a benzolmolekulának speciális kötésekkel kell rendelkeznie, hogy megmagyarázható legyen. szokatlan stabilitása az addíciós reakciókkal szemben; jellemző az alkénekre és a poliolokra.

Tehát kapcsolataik rejtélyt jelentettek az akkori vegyészek számára; mindaddig, amíg az aromás tulajdonság el nem kerül bevezetésre. Mielőtt egy hexaciklotriént (három C = C kötéssel) mérlegelnénk, a benzol ennél sokkal több, és a kémia szinergiájának számos példája.

A szerves kémiában a benzol klasszikus szimbólum, a több poliaromás vegyület szerkezeti alapja. Hatszögéből végtelen származékokat kapnak aromás elektrofil szubsztitúcióval; egy gyűrűt, amelynek széleiből szőtt az új vegyületeket meghatározó szerkezet.

Valójában származékai annak a hatalmas ipari felhasználásnak köszönhetők, amelynek nyersanyagaként benzolra van szükségük. Ragasztók és textilszálak előállításától kezdve a műanyagokig, gumikig, pigmentekig, gyógyszerekig és robbanóanyagokig. Másrészt a benzol természetesen megtalálható a vulkánokban, a tűzoltókban, a benzinben és a cigarettafüstben.

Történelem

Felfedezés és nevek

Felfedezése 1825-ben nyúlik vissza, általában Michael Faraday-nak tulajdonítva, amikor összegyűjtötte és megkísérelte a világításhoz használt gáz fennmaradó olajtermékeit. Ennek a folyadéknak a C / H aránya megközelítette az 1-et, ezért hívta „karburett hidrogénnek”.

Auguste Laurent vegyész a furcsa szénhidrogént „feno” -nak nevezte, amely a „phaínein” görög szóból származik, ami fényes (mert ezt a gáz elégetése után nyerték). Ezt a nevet azonban a tudományos közösség nem fogadta el, és csak „fenil” -ként uralkodott, hogy a benzolból származó gyökre utaljon.

Kilenc évvel később Eilhard Mitscherlich kémikusnak sikerült ugyanazt a vegyületet előállítani a benzoin gumiból; Ezért volt egy másik forrás ugyanazon szénhidrogénhez, amelyet „benzinnek” kereszteltek meg. Ugyanakkor nem vették fontolóra a megfelelő nevet annak feltételezésére, hogy alkaloid, például kinin.

Így a „benzin” elnevezés helyébe „benzol” lépett. Ugyanakkor ismét ellentmondások és eltérések merültek fel annak a ténynek köszönhetően, hogy a „benzol” kifejezés összekeverte a szénhidrogént alkohollal. Ekkor született a „benzol” név, amelyet először Franciaországban és Angliában használtak.

Ipari termelés

Sem a világítógáz, sem a benzoin-gumi nem voltak megfelelő források nagy mennyiségű benzol előállítására. Charles Mansfieldnek, August Wilhelm von Hofmann-nal együttműködve 1845-ben sikerült elkülöníteni a benzol (a felfedezés után húsz évvel) a kőszénkátránytól, amely a kokszgyártás mellékterméke.

Így kezdődött a szénkátrányból a benzol ipari termelése. A benzol nagy mennyiségben való rendelkezésre állása megkönnyítette annak kémiai tulajdonságainak tanulmányozását, és lehetővé tette, hogy más hasonló reakcióképességű vegyületekkel összekapcsolódjon. August Wilhelm von Hofmann maga fejtette ki az „aromás” szót a benzol és rokon vegyületei számára.

Történelmi struktúrák

Kekulé augusztus álma

Friedrich August Kekulé 1865 körül a benzol hatszögletű és gyűrűs szerkezetének tulajdonítható, mely egy furcsa álomból származik, amely Uroboros-szal áll, a kígyóval, aki körbehúzza a saját farkát. Ezért úgy gondolta, hogy a benzol hatszögletű gyűrűnek tekinthető, és más vegyészek felvetették a lehetséges szerkezeteket, amelyeket az alábbiakban mutatunk be:

A benzolgyűrű szerkezete a történelem során javasolt. Forrás: Jü

Néhány magasabb szerkezetből adódhat a benzol stabilitása.

Könyv, gyűrűk és prizma

Vegye figyelembe, hogy a harmadik szerkezet nem csak gyűrű, hanem háromszög alakú prizma, amelyet Albert Ladenburg 1869-ben javasolt; balra, egy nyitott könyv alakú, Sir James Dewar által 1867-ben javasolt; és jobbra, az összes hidrogénnel a gyűrű közepére irányítva, amelyet Henry Edward Armstrong 1887-ben javasolt.

Az első szerkezet, amelyet Adolf Karl Ludwig Claus 1867-ben javasolt, szintén meglehetősen sajátos, mivel a CC kapcsolatok kereszteződnek. És az utolsó Kekulé „szerpentin” gyűrűje volt, amelyről 1865-ben álmodoztak.

Mi volt a "győztes"? Az ötödik szerkezet (balról jobbra), amelyet 1899-ben Johannes Thiele javasolt.

Ebben a tanulmányban először vették figyelembe a rezonancia-hibrid, amely kombinálta a két Kekulé-struktúrát (az első gyűrűt fordítsa jobbra a megfigyeléshez), és rendkívül részletesen magyarázta az elektronok delokalizációját és ezzel együtt a benzol.

A benzol szerkezete

Aromás benzolgyűrű. Forrás: Benjah-bmm27

Fent a Thiele által javasolt szerkezet a gömbök és rúdok modelljének felhasználásával.

A benzol molekula lapos, a hidrogénatomok a gyűrű oldalától kifelé mutatnak. Minden szénatomok sp ² hibridizációs, egy p orbitális rendelkezésre, hogy létrehozza a aromás rendszer, amelyben hat elektronok delocalize.

Ezek az sp ² szénatomok elektronegatívabbak, mint a hidrogének, ezért az előbbiek utóbbinak elektronsűrűsége visszahúzódik (C _sp2 ^δ-- H ^{δ +}). Következésképpen a gyűrű középpontjában nagyobb az elektronok koncentrációja, mint az oldalán.

Pontosabban, az aromás rendszer felhőként vagy elektronikus betétként reprezentálható a hatszögletű gyűrű mindkét oldalán; és középen, oldalain vagy szélein egy elektronikus hiány, amely hidrogéneket tartalmaz pozitív parciális töltéssel.

Az elektromos töltések ilyen eloszlásának köszönhetően a benzolmolekulák kölcsönhatásba léphetnek egymással a dipól-dipól erők révén; A H ^{δ +} atomokat a szomszédos gyűrű aromás központja vonzza (ezt az alábbiakban mutatjuk be).

Az aromás központok egymásra helyezhetők, hogy elősegítsék a pillanatnyi dipólok indukcióját.

Resonance

A benzol szerkezete és rezonancia hibridje. Forrás: Edgar181 a Wikipedia-ból.

A két Kekulé-struktúra a kép tetején, alul pedig a rezonancia-hibrid látható. Mivel a két szerkezet újra és újra egyidejűleg fordul elő, a hibrid közepén húzott kört ábrázolja (hasonlóan egy "hatszögletű fánkhoz").

A hibrid kör azért fontos, mert jelzi a benzol (és sok más vegyület) aromás tulajdonságait. Ezenkívül rámutat arra, hogy a kapcsolatok nem olyan hosszúak, mint a CC, és nem is olyan rövidek, mint C = C; inkább, hosszuk mindkét szélsőség között van. Így a benzol nem tekinthető polénnek.

Ezt a benzol CC (139 pm) kötéseinek hosszának megmérésével bizonyítottuk, amelyek kissé meghosszabbodtak, mint a CH (109 pm) kötések.

Crystals

A benzol ortorombás kristályszerkezete. Forrás: Ben Mills

A benzol szobahőmérsékleten folyadék. Intermolekuláris erõi azt jelentik, hogy annak ellenére, hogy nincs ilyen kifejezett dipóli nyomatéka, képes molekuláit együtt tartani olyan folyadékban, amely 80 ° C-on forr. Amikor a hőmérséklet 5 ° C alá esik, a benzol fagyni kezd és így megkapja a megfelelő kristályokat.

A benzolgyűrűk szilárd alakjukban meghatározott szerkezeti mintákat alkalmazhatnak. Dipolok miatt balra vagy jobbra „dől”, sorokat képezve, amelyeket ortorombás egységsejt képes reprodukálni. Így a benzolkristályok ortorombák.

A felső képen vegye figyelembe, hogy a gyűrűk döntése elősegíti a H ^{δ +} és az aromás központok közötti kölcsönhatásokat, amelyeket az előző alszakaszokban említettünk.

Tulajdonságok

Molekulatömeg

78,114 g / mol.

Fizikai megjelenés

Színtelen folyadék benzinszerű szaggal.

Forráspont

80 ° C

Olvadáspont

5,5 ° C

gyújtási pont

-11ºC (zárt pohár).

Öngyulladási hőmérséklet

497,78 ° C.

Sűrűség

0,8765 g / ml 20 ° C-on.

Oldhatóság

Egy liter forrásban lévő víz alig képes feloldani 3,94 g benzolt. Apoláris jellege miatt vízzel gyakorlatilag nem keverhető. Eljárható más oldószerekkel, például etanollal, éterekkel, acetonnal, olajokkal, kloroformmal, szén-tetrakloriddal stb.

Gőzsűrűség

2,8 a levegőhöz képest (vagyis csaknem háromszor sűrűbb).

Gőznyomás

94,8 mm Hg, 25 ° C-on.

Az égés hője

-3267,6 kJ / mol (folyékony benzol esetén).

A párolgás hője

33,83 kJ / mol.

Felületi feszültség

28,22 mN / m 25 ° C-on.

Törésmutató

1,5011 20 ° C-on.

származékai

A benzol hidrogénatomjai más csoportokkal vagy atomokkal helyettesíthetők. Lehet egy vagy több szubsztitúció, növelve a szubsztitúció mértékét, amíg az eredeti hat hidrogén közül egyik sem marad fenn.

Tegyük fel például, hogy a benzol Ph-H, ahol H jelentése annak hat hidrogénatomja. Emlékezve arra, hogy a gyűrű közepén nagyobb az elektron sűrűsége, vonzza az elektrofileket, amelyek a gyűrűt megtámadják, hogy H helyett elektrofil aromás helyettesítésnek (SEAr) nevezzék.

Ha ezt a H helyettesíti OH-val, akkor Ph-OH, fenol; váltja egy CH ₃, Ph-CH ₃, toluol; ha jelentése NH ₂, Ph-NH ₂, anilin; vagy ha jelentése CH ₂ CH ₃, Ph-CH ₂ CH ₃, az etil-benzol.

A származékok ugyanolyanok vagy mérgezőek lehetnek, mint a benzol, vagy éppen ellenkezőleg, annyira komplexekké válhatnak, hogy kívánatos farmakológiai hatásuk van.

Alkalmazások

Jó oldószer számos vegyület számára, például festékekben, lakkokban, ragasztókban és bevonatokban.

Hasonlóképpen oldhatja az olajokat, zsírokat vagy viaszokat, ezért használják esszenciák extraháló oldószerként. Ezt a tulajdonságot Ludwig Roselius 1903-ban használta fel a kávé koffeinmentesítésére, ezt a műveletet már nem használják a benzol mérgező hatása miatt. Hasonlóképpen, a múltban is használták a fémek zsírtalanítására.

Az egyik klasszikus felhasználása során nem oldószerként, hanem adalékként működik: növeli a benzin oktánszámát, ezzel helyettesítve az ólmot.

A benzolszármazékok különböző felhasználási célokat szolgálhatnak; Néhány növényvédő szerek, kenőanyagok, tisztítószerek, műanyagok, robbanóanyagok, parfümök, festékek, ragasztók, gyógyszerek stb. Ha megfigyeljük a benzolgyűrű szerkezetét, akkor valószínű, hogy szintézise benzolból indult.

A legfontosabb származékok között szerepelnek: kumén, xilol, anilin, fenol (fenolgyanták szintéziséhez), benzoesav (tartósítószer), ciklohexán (nylon szintéziséhez), nitrobenzol, rezorcinol és etilbenzol.

Elnevezéstan

A benzolszármazékok nómenklatúrája a szubsztitúció mértékétől, a szubsztituens csoportoktól és azok relatív helyzetétől függően változik. Így a benzol mono-, di, tri, tetra stb. Szubsztitúciókon mehet keresztül

Ha a két csoport szomszédos szénatomokhoz kapcsolódik, akkor az „orto” megjelölést kell használni; ha szén van a szétválasztás között, „meta”; és ha a szénatomok ellentétes helyzetben vannak, 'para'.

Az alábbi képek a benzolszármazékok példáit mutatják be, amelyeknek a nevét az IUPAC szabályozza. Ezeket közönséges vagy hagyományos nevek kísérik.

A benzol monoderivatívjai. Forrás: Gabriel Bolívar.

Egyéb benzolszármazékok. Forrás: Gabriel Bolívar.

Vegye figyelembe, hogy a triszubsztituált benzolban az orto-, para- és meta-indikátorok már nem használhatók.

toxicitás

A benzol olyan vegyület, amelyet óvatosan kell kezelni. Sajátos szaga miatt a közvetlen negatív hatások lehet fulladás, szédülés, fejfájás, remegés, álmosság, hányinger és akár halál (nagy expozíció esetén). Lenyelése esetén a fentiek mellett súlyos gyomorfájdalmat és rohamokat okozhat.

Ezen túlmenően a folyadék állandó expozíciója során a rákkeltő hatású; növeli annak esélyét, hogy az egyén valamilyen típusú rákban, különösen vérrákban: leukémiában szenvedjen.

A vérben csökkentheti a vörösvértestek koncentrációját, vérszegénységet okozva, és befolyásolhatja a csontvelőt és a májat is, ahol a test hozzáteszi, hogy még mérgezőbb benzolszármazékokat állítson elő; például hidroxi-kinon. A vesében, a szívben, a tüdőben és az agyban is felhalmozódik.

Irodalom

1. Morrison, RT és Boyd, RN (1987). Szerves kémia. (5. kiadás). Addison-Wesley Iberoamericana.
2. Carey, FA (2008). Szerves kémia. (6. kiadás). McGraw-Hill, Interamerica, Editores SA
3. Graham Solomons TW, Craig B. Fryhle. (2011). Szerves kémia. Aminok. (10. kiadás). Wiley Plus.
4. Országos Biotechnológiai Információs Központ. (2019). Benzol. PubChem adatbázis. CID = 241, helyreállítva: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov
5. Wikipedia. (2019). Benzol. Helyreállítva: en.wikipedia.org
6. Garcia Nissa. (2019). Mi az a benzol? - Felhasználások, felépítés és képlet. Tanulmány. Helyreállítva: study.com
7. Betegségek Ellenőrzési és Megelőzési Központjai. (2018. április 4.) Tények a benzolról. Helyreállítva: ārkārtas.cdc.gov
8. Egészségügyi Világszervezet. (2010). Benzol-expozíció: komoly közegészségügyi aggodalom.. Helyreállítva: Who.int
9. Fernández Germán. (Sf). A benzol-nómenklatúrával kapcsolatos problémák. Szerves kémia. Helyreállítva: quimicaorganica.org