Ароматты көмірсутектер. Бензол. Химия, 9 сынып, дидактикалық материал.

 Ароматты көмірсутектер. Бензол

 Көмірсутектердің тағы бір түрі – ароматты көмірсутектер. Олардың алғаш ашылған мүшелерінің өздеріне тән жағымды иістері болғандықтан, ароматты көмірсутектер деп аталады. Бұл қатардың жалпы формуласы – С_n H_2n-6. Ароматты көмірсутектердің ең қарапайым мүшесі – бензол С₆H₆. Оларды арендер деп атайды.

1. Бензолдың құрылысы

 Ароматты көмірсутектердің басты өкілі - бензол. Оны 1825 ж. М.Фарадей жарық газын зерттей отырып, соның құрамынан тапқан, ал Э.Митчерлих 1834 ж. бензой қышқылын құрғақ айдау арқылы алған.

Кекуле 1865 ж. бензолдың циклді формуласын ұсынды. Кекуле бойынша бензол молекуласы қосарланған үш байланысы бар циклогексатриенді тұйық  жүйе:

Бұл формуланы қазіргі күнге дейін қолданып жүр.

Бензол және оның туындыларының өздеріне тән ерекше қасиеттері бар.

  1. Ароматты көмірсутектердің молекуласында алты π-электрондардың біртұтас тұйық электрондық система құруы - ароматикалық қасиеттің басты белгісі. Бұл бензол және оның гомологтарының физикалық және химиялық қасиеттерін анықтайды.

2.  Ароматты көмірсутектер тотықтырғыштардың әрекетіне тұрақты.

  3.  Ароматты көмірсутектер қосылу реакциясына қиын түседі, ал электрофильді орынбасу реакциясына оңай түседі.

2. Алу жолдары және табиғи көздері

 Ароматты көмірсутектерді негізінен тас көмірді құрғақ айдау арқылы алады. Ол үшін тас көмірді 900-1000⁰С ауа қатыстырмай қыздырады. Нәтижесінде құрғақ қалдық кокс, газдар мен тас көмір смоласы алынады. 1м³ газдың құрамында бензол және толуол болады. Смола құрамында бензол, толуол, ксилол, фенолдар, көп ядролы ароматты көмірсутектер және гетероциклді қосылыстар болады.

 Бензол молекуласын алудың көптеген синтетикалық жолдары бар:

1.  Алкандар оксидті катализатордың қатысуында циклдену және дегидрогендеу реакцияларына түсіп, арендер түзеді:

А)H₃C-(CH₂)₅ –CH₃C₆H₅-CH₃+4H₂  (Cr₂ O₃ кат.қатысында)

B)H₃C-(CH₂)₆–CH₃ C₆H₄CH₃CH₃     (Cr₂ O₃ кат.қатысында)

 2. Ацетилен және оның гомологтары металлорганикалық катализатордың қатысуында циклотримерлену реакциясына түсіп, бензол және оның гомологтарын түзеді:

3CH₃-C≡CH(1,3,5) C₆ H₃ (CH₃)₃

3. Циклоалкандар жоғары темтературада және катализатордың қатысуында дегидрогенделіп, арендерге айналады.

4. Бензой қышқылының тұздары сілтімен қосып айдау арқылы бензол алады:

C₆H₅COONa+NaOHC₆H₆ +Na₂CO₃

5. Бензол гомологтарын галоген туындылардан Вюрц-Фиттиг (1864) реакциясы бойынша жеңіл алады:

C₆H₅Br+2Na+BrC₂H₅→C₆H₅-C₂H₅+2NaBr

6. Бензол гомологтарын алудың маңызды әдісі Фридель-Крафтс-Густавсон реакциясы (1877):

C₆H₅-CO-CH₃+2H₂→C₆H₅-C₂H₅+H₂O

 Тотықсыздану реакциясы қышқылдық ортада мырыш амальгамасының қатысуында жүреді.

3. Бензолдың физикалық қасиеті

Бензолдың гомологтық қатарының төменгі өкілдері, негізінен сұйықтық болады. Оның молекулалық массасы өскен сайын қайнау температурасы да, артады,  орта-изомерлер, әдетте, пара-изомерлерге қарағанда жоғары температурада қайнайды.

Бензолдың қайнау температурасы (80,1⁰С) гексанның қайнау температурасынан (68,8⁰С) жоғары.

Симметриялы құрылысты изомерлердің балқу температурасы жоғарырақ болып келеді. Екі орынбасарлары изомерлердің ішінде-пара-изомер ең жоғары температурада балқиды.

Май қатары мен алициклді қатар көмірсутектерден тығыздығы және жарық сындыру көрсеткіштері анағұрлым жоғары.

Бензол қатарындағы ароматты көмірсутектер судан жеңіл, суда ерімейді, ал көптеген органикалық еріткіштерде жақсы ериді. Олардың буымен ұзақ уақыт тыныс алғанда адам уланады. 

Ароматикалық көмірсутектердің физикалық қасиеттері

4. Химиялық қасиеттері

 Қосылу реакциялары. Ароматты көмірсутектер  кәдімгі жағдайда қосылу реакциясына түспейді, яғни олар бром суын, калий перманганатының ерітіндісін түссіздендірмейді. Бірақ ерекше жағдайларда қосылу реакциясына түсіруге болады.

• Катализатордың қатысуында және жоғары температурада ароматты көмірсутектер сутекті қосып алып, циклогексан және оның гомологтарын түзеді.

• Ультракүлгін сәуленің әсерінен арендер хлор мен бромды қосып алып, гексагалогенидтер түзеді.

• Бензол мен оның гомологтары қанықпаған көмірсутектер секілді озонды қосып алып, өте қопарылғыш зат-үш озонидтер түзеді. Бұл озонидтер сумен гидролизденіп, дикарбонильді қосылыстар (глиоксаль) түзеді.

 Орынбасу реакциялары. Бензол мен оның гомологтары галогендермен (катализатордың қатысуымен), азот және күкірт қышқылдарымен басқаша әрекеттеседі. Барлық жағдайда да атомдар мен қалдықтар бензол ядросы сутектерінің орнын басады.

1. Катализатордың, мысалы, темірдің қатысуымен хлор немесе бром бензолмен әрекеттестіргенде галоген сутек атомдарының орнын басады, әрі бағытталу ережесі сақталады: хлор бензолдан көбінесе дихлор бензолдардың пара-изомері алынады:

2.     Бензолға нитрлегіш қоспамен (азот және күкірт қышқылдарының қоспасы) әсер еткенде сутек атомдарының орнын нитротоп басады. Нитрлеу әрі қарай жүргенде де орын басу ережесі сақталады: нитробензолдан динитробензолдың мета-изомері алынады.

3. Бензолды концентрлі күкірт қышқылымен әрекеттестіргенде

с у л ь ф о л а н д ы р у  реакциясы жүреді. Сульфо топ сутек атомдарының орнын басады. Бұл арада моносульфоқышқылмен м-дисульфоқышқыл пайда болады:   

           5.  Бензолдың қолданылуы. 

Бензол-кең түрде қолданылатын арен. Бензолды еріткіш ретінде көп қолданады. Ол майларды, каучукті, полимерлерді, лактарды, мұнай өнімдерін жақсы ерітеді. Бензол суда нашар ериді, сумен азеотропты қоспа түзеді. Химиялық өнеркәсіпте нитробензол, хлорбензол, анилин, фенол, стирол және т.б. өнімді алу үшін шикізат ретінде қолданады.