Існують органічні сполуки, молекули яких містять невелику кількість атомів водню, хоча їх карбоновий скелет досить великий. Такі речовини вважаються сильно ненасиченими, однак, вони не вступають в реакції, характерні для алкенів або алкінів. Наприклад, не знецінюють розчини перманганату калію або бромної води. Першими, отриманими хіміками з цієї групи сполук, виявилися речовини, що володіють приємним запахом, тому їх назвали ароматичними. Існує ще одна назва - арени. Номенклатура, ізомерія, отримання та фізичні властивості їх будуть вивчені нами в цій статті.
Що таке бензол
Найпростішим представником аренів є бензол. Молекулярна формула речовини - C6H6. Серед інших ароматичних вуглеводнів він має найбільш важливе практичне значення. З "єднання виявилося 1825 року англійським фізиком М.Фарадеєм у складі світильного газу. Воно являє собою безбарвну рідину, легше води (щільність 0,88г/см3). Має характерний запах, отруйно. Температура кипіння - 80, замерзає при 5,5. Фізичні властивості аренів, як і інших органічних речовин, залежать не тільки від якісного і кількісного складу, а й від будови їх молекул.
Загадка ароматичного ядра
Перша структурна формула речовини була запропонована німецьким хіміком Кекуле. У ній атоми вуглецю лежать в одній площині і утворюють між собою правильний шестикутник. Частинки карбону в молекулі з 'єднані двома видами ковалентних зв' язків: одинарними і подвійними. Однак експерименти не підтвердили наявність у бензолі пі-зв 'язків, оскільки речовина не окислялася розчинами бромної води і перманганату калію. Поясненням цієї суперечності є електронна будова речовини. У його молекулі присутній особливий тип хімічного зв 'язку, названий ароматичним або напівторним. Вона представлена загальною електронною хмарою, що складається з шести p-електронів, що перекриваються взаємно. Розташовуючись над і під площиною молекули, зв 'язок має вигляд кільця і називається ароматичним ядром. Полуторний зв 'язок обумовлює фізичні властивості аренів, а також їх здатність до реакцій заміщення і приєднання.
Механізм процесу заміщення
Система ароматичного ядра має підвищену електронну щільність і може зазнавати атак електрофільних частинок з дефіцитом негативних зарядів. Підсумком такого впливу буде заміщення атомів водню на інші частинки, наприклад, в молекулі бензолу. Фізичні властивості аренів і особливості протікання хімічних процесів сильно відрізняються від таких у алканів або алкенів. Більш того, на відміну від інших класів органічних сполук, арени не можна описати однією загальною формулою. Так, для нафталіну формула матиме такий вигляд: CnH2n-12, для бензолу -CnH2n-6, для дифенілу - CnH2n-14.
Хлорування, бромування і нітрування ароматичних вуглеводнів відбувається за єдиним механізмом електрофільного заміщення, в якому роль атакуючого електрофільного агента відіграють аніони хлору, брому або нітрогрупи.
Чому реакції приєднання в аренів вимагають жорстких умов
Головна особливість будови молекул ароматичних сполук полягає в наявності в їх молекулах бензольного кільця, що складається з шести перекриваються між собою p-електронів. Від нього залежать основні хімічні характеристики і фізичні властивості аренів. Для розриву півтора зв 'язку необхідна додаткова значна порція енергії. Її отримують, застосовуючи такі параметри: ультрафіолетове випромінювання, високу температуру і тиск у реагуючій суміші, а також використовуючи каталізатори. Наприклад, хлор приєднується до бензолу тільки при опроміненні ультрафіолетовим світлом, утворюючи гексахлорциклогексан (гексахлоран). Він застосовується для протравлювання деревини в процесі її тривалого зберігання, а також у сільському господарстві як засіб для боротьби з комахами-шкідниками.
C6H6 + 3Cl2 ---- - > C6H6Cl6 - приєднання
Алкілбензоли
Якщо атоми водню в молекулі бензолу замістити вуглеводневими радикалами, наприклад, метильним -CH3 або етильним -C2H5, то отримані ароматичні вуглеводні не будуть простою сумою властивостей алканів і аренів. Фізичні властивості та хімічні реакції, характерні для цих сполук, будуть мати ряд відмінностей. Так, толуол і етилбензол є безбарвними рідинами зі своєрідним запахом, більш легкі, ніж вода і нерозчинні в ній. Зате речовини добре розчиняються в органічних розчинниках, наприклад, ацетоні або дихлорметані. Їх самих можна також застосовувати як розчинник. У ароматичних вуглеводнів існують і специфічні характеристики. Поверхневе натягнення, коефіцієнт дифузії, в 'язкість - це фізичні властивості аренів, які коротко описують їх характеристику, як органічних розчинників.
Нітрування ароматичних з "єднань
Під дією азотної кислоти і в присутності сульфатної кислоти в якості каталізатора арени піддаються нітруванню. Реакція бензолу з нитаючою сумішшю буде мати наступний вигляд.
Нітробензол являє собою маслянисту рідину блідо-жовтого кольору, що має характерний запах мигдалю. Він застосовується як розчинник і служить вихідною сировиною для виробництва аніліну.
У реакції нітратної кислоти з толуолом утворюється вибухова речовина - тринітротолуол або тротил. Як пирогенні сполуки застосовують і деякі інші органічні речовини з бензольними ядрами, що містять кратні зв 'язки в бічних ланцюгах.
Отримання та застосування аренів
Фізичні властивості аренів: високу тепломісткість, пальне, здатність розчиняти інші речовини, широко використовують у різних господарських галузях. Бензол, толуол, нафталін, антрацен та інші ароматичні вуглеводні отримують з нафти або кам 'яновугільної смоли, що утворюється в процесі коксування кам' яного вугілля. Оскільки потреба промисловості в аренах величезна, їх видобувають ще й способом каталітичної ароматизації вуглеводнів, що входять до складу нафти і мають ациклічну будову. У цьому випадку відбувається реакція дегідрогенізації - відщеплення атомів водню, в результаті чого, наприклад, з гексану можна отримати бензол. У хімії органічного синтезу продовжують застосовувати спосіб отримання бензолу з ацетилену. Реакція здійснюється при нагріванні етину до 600 ° і називається тримеризацією. Хімічні та фізичні властивості аренів хімія використовує в процесах отримання пластичних мас, лаків, барвників.
Бензол застосовують як добавку до палива. У сільському господарстві сполуки - галогеновиробничі ароматичних вуглеводнів, служать інсектицидами - засобами для боротьби з комахами-шкідниками. Нитросоединения, например, тринитротолуол, применяют в военной промышленности в качестве взрывчатых веществ. Багато арен є хорошими розчинниками.
У нашій статті ми вивчили хімічні та фізичні властивості аренів, і визначили області застосування цих сполук у промисловості.