BENZEN: HISTORIE, STRUKTURA, VLASTNOSTI, DERIVÁTY, POUŽITÍ - CHEMIE - 2025

Benzen je organická sloučenina skládající se z jedné z nejjednodušších všech aromatických uhlovodíků. Jeho chemický vzorec je C ₆ H ₆, z nichž je známo, že poměr mezi uhlíkem a vodíkem je rovno 1; to znamená, že pro každý uhlík je k němu připojen vodík.

Ačkoli jeho fyzický vzhled je jako bezbarvá kapalina, přirozeně se vyskytuje v ropě a ropných produktech. Jeho vůně je velmi charakteristická, protože se podobá směsi lepidla, bitumenu a benzínu; na druhé straně je to těkavá a hořlavá kapalina.

Láhev s benzenem. Zdroj: Air1404

Na obrázku výše je znázorněna nádoba nebo láhev s benzenem, pravděpodobně bez analytické čistoty. Pokud by byly odkryty, benzenové páry by se okamžitě rozšířily po celé laboratoři. Z tohoto důvodu je tato kapalina, běžně používaná jako jednoduché rozpouštědlo, zpracovávána uvnitř digestoře.

Jako její vzorce C ₆ H ₆, lékárny XIX století vyvolaly řadu možných struktur, které by odpovídaly uvedený poměr C / H roven 1. nejen to, ale benzenová molekula musel mít zvláštní vazby takovým způsobem, aby mohl být vysvětlen jeho neobvyklá stabilita proti adičním reakcím; typické pro alkeny a polyeny.

Bylo to tak, že jejich spojení představovala pro tehdejší lékárníky hádanku; dokud nebyla zavedena vlastnost zvaná aromaticita. Před uvažováním o hexacyklotrienu (se třemi vazbami C = C) je benzen mnohem více než to a je to další z mnoha příkladů synergie v chemii.

V organické chemii je benzen klasickým symbolem, strukturálním základem pro více polyaromatických sloučenin. Z jeho hexagonu se nekonečné deriváty získávají aromatickou elektrofilní substitucí; prstenec, od jehož okrajů je tkaná struktura, která definuje nové sloučeniny.

Jeho deriváty jsou ve skutečnosti způsobeny obrovským průmyslovým využitím, pro které potřebují jako surovinu benzen. Od přípravy lepidel a textilních vláken až po plasty, gumy, pigmenty, drogy a výbušniny. Na druhé straně se benzen přirozeně vyskytuje v sopkách, požárech, benzínu a cigaretovém kouři.

Dějiny

Objev a jména

Jeho objev se datuje do roku 1825, obvykle připisován Michaelu Faradayovi, když shromáždil a provedl experimenty se zbývajícím ropným produktem plynu používaného k osvětlení. Tato kapalina obsahovala poměr C / H blízký 1, proto ji nazval „uhlovodíkový vodík“.

Chemik Auguste Laurent pojmenoval podivný uhlovodík „feno“, odvozený z řeckého slova „phaínein“, což znamená jasný (protože byl získán po spálení plynu). Vědecké společenství však toto jméno nepřijalo a převládalo pouze jako „fenyl“, což znamená radikál odvozený od benzenu.

Z benzoinové gumy se chemikovi Eilhardovi Mitscherlichovi, o devět let později, podařilo vyrobit stejnou sloučeninu; Proto existoval další zdroj stejného uhlovodíku, který pokřtil jako „benzin“. Také však nepovažovali příslušné jméno za předpokladu, že se jedná o alkaloid, jako je chinin.

Proto nahradili název „benzin“ pojmem „benzol“. Opět však došlo k rozporům a nesrovnalostem v důsledku skutečnosti, že pojem „benzol“ zaměňoval uhlovodík za alkohol. Tehdy se zrodilo jméno „benzen“, které bylo používáno nejprve ve Francii a Anglii.

Průmyslová produkce

Ani osvětlovací plyn, ani benzoinová guma nebyly vhodným zdrojem pro výrobu benzenu ve velkém měřítku. Charles Mansfield, ve spolupráci s Augustem Wilhelmem von Hofmannem, uspěl v roce 1845 izolováním benzenu (dvacet let po jeho objevení) od uhelného dehtu, vedlejšího produktu výroby koksu.

Takto začala průmyslová výroba benzenu z černouhelného dehtu. Dostupnost benzenu ve velkém množství usnadnila studium jeho chemických vlastností a umožnila, aby byl ve vztahu k jiným sloučeninám s podobnými reaktivitami. Sám August Wilhelm von Hofmann vytvořil pro benzen a jeho příbuzné sloučeniny slovo „aromatický“.

Historické struktury

Sen Augusta Kekulého

Friedrichovi Augustovi Kekulému je přisuzována hexagonální a cyklická struktura benzenu kolem roku 1865, která vychází z podivného snu s Uroborosem, hadem, který kouše svým vlastním ocasem nakreslením kruhu. Proto věřil, že benzen lze považovat za hexagonální kruh a další chemici zvyšují možné struktury, které jsou uvedeny níže:

Struktury benzenového kruhu navržené v celé historii. Zdroj: Jü

Některé z vyšších struktur by mohly odpovídat za stabilitu benzenu.

Kniha, prsteny a hranol

Všimněte si, že třetí struktura není ani prsten, ale trojúhelníkový hranol, navržený Albertem Ladenburgem v roce 1869; po jeho levici, jedna ve tvaru otevřené knihy, navržená Sirem Jamesem Dewarem v roce 1867; a napravo, jeden se všemi vodíky směřujícími do středu kruhu, navržený Henrym Edwardem Armstrongem v roce 1887.

První struktura, kterou navrhl Adolf Karl Ludwig Claus v roce 1867, je také docela zvláštní, protože křížení spojení CC. A posledním byl Kekulův „hadovitý“ prsten, o kterém se snilo v roce 1865.

Co byl „vítěz“? Pátá struktura (zleva doprava), navržená v roce 1899 Johannesem Thielem.

Při tom byl poprvé uvažován o rezonančním hybridu, který kombinoval obě Kekulé struktury (otočte první kroužek na pravé pozorování) a mimořádně vysvětlil delocalizaci elektronů a tím i dosud neobvyklou stabilitu benzen.

Struktura benzenu

Aromatický benzenový kruh. Zdroj: Benjah-bmm27

Nahoře je struktura navržená Thieleho pomocí modelu koulí a tyčí.

Molekula benzenu je plochá, atomy vodíku směřují ven ze stran kruhu. Všechny atomy uhlíku mají sp ² hybridizace, s p orbitální dispozici stanovit aromatický systém, ve kterém šest elektrony delokalizovat.

Tyto SP ² uhlíky jsou elektronegativní než atomy vodíku, a proto je bývalý odstoupit elektronové hustoty na druhý (C _SP2 ^δ- H ^{δ +}). V důsledku toho má střed kruhu vyšší koncentraci elektronů než jeho strany.

Přesněji, aromatický systém může být představován jako cloud nebo elektronická podložka expandovaná na obou stranách hexagonálního prstence; a uprostřed, po stranách nebo hranách, elektronický nedostatek tvořený vodíky s kladným částečným nábojem.

Díky této distribuci elektrických nábojů mohou molekuly benzenu vzájemně interagovat prostřednictvím dipól-dipólových sil; Atomy ^{H5 +} jsou přitahovány k aromatickému centru sousedního kruhu (toto bude znázorněno níže).

Aromatická centra mohou být také naskládána na sebe, aby se podpořila indukce okamžitých dipólů.

Rezonance

Struktury a rezonanční hybrid benzenu. Zdroj: Edgar181 z Wikipedie.

Dvě struktury Kekulé jsou zobrazeny v horní části obrazu a pod nimi rezonanční hybrid. Protože obě struktury se vyskytují znovu a znovu ve stejnou dobu, je hybrid představován kruhem nakresleným uprostřed (podobně jako kruh "šestihranné koblihy").

Hybridní kruh je důležitý, protože naznačuje aromatický charakter benzenu (a mnoha dalších sloučenin). Dále zdůrazňuje, že odkazy nejsou tak dlouhé jako CC, ani nejsou tak krátké jako C = C; jejich délka je spíše mezi oběma extrémy. Benzen se tedy nepovažuje za polyen.

Výše uvedené bylo prokázáno měřením délek CC (139 pm) vazeb benzenu, které jsou mírně protáhlejší než CH (109 pm) vazby.

Krystaly

Ortorombická krystalická struktura benzenu. Zdroj: Ben Mills

Benzen je kapalina při pokojové teplotě. Jeho intermolekulární síly znamenají, že i když nemají tak výrazný dipólový moment, mohou udržet své molekuly pohromadě v kapalině, která se vaří při 80 ° C. Když teplota klesne pod 5 ° C, benzen začne mrznout: a tak se získají odpovídající krystaly.

Benzenové kruhy mohou ve své pevné látce přijmout definované strukturální vzorce. Jejich dipóly způsobují, že se „nakloní“ doleva nebo doprava a vytvoří řádky, které je možné reprodukovat ortorombickou jednotkovou buňkou. Tak jsou krystaly benzenu ortorombické.

Na horním obrázku si všimněte, že naklápění prstenů upřednostňuje interakce mezi H ^{+ +} a aromatickými středy, zmíněnými v předchozích pododdílech.

Vlastnosti

Molekulová hmotnost

78,114 g / mol.

Fyzický vzhled

Bezbarvá kapalina s benzínovým zápachem.

Bod varu

80 ° C

Bod tání

5,5 ° C

bod vznícení

-11 ° C (uzavřený kelímek).

Teplota samovznícení

497,78 ° C

Hustota

0,8765 g / ml při 20 ° C

Rozpustnost

Jeden litr vroucí vody může sotva rozpustit 3,94 g benzenu. Díky nepolární povaze je prakticky nemísitelný s vodou. Je však mísitelný s jinými rozpouštědly, jako je ethanol, ethery, aceton, oleje, chloroform, chlorid uhličitý atd.

Hustota par

2,8 vzhledem ke vzduchu (tj. Téměř třikrát hustší).

Tlak páry

94,8 mm Hg při 25 ° C

Teplo spalování

-3267,6 kJ / mol (pro kapalný benzen).

Odpařovací teplo

33,83 kJ / mol.

Povrchové napětí

28,22 mN / m při 25 ° C

Index lomu

1,5011 při 20 ° C

Deriváty

Vodíky benzenu mohou být nahrazeny jinými skupinami nebo atomy. Může existovat jedna nebo více substitucí, což zvyšuje stupeň substituce, dokud nezůstane žádný z původních šesti vodíků.

Předpokládejme například benzen jako Ph-H, kde H je kterýkoli z jeho šesti vodíků. Pamatuje si, že střed kruhu má vyšší hustotu elektronů, přitahuje elektrofily, které napadají kruh, aby nahradily H v reakci zvané elektrofilní aromatická substituce (SEAr).

Pokud je toto H nahrazeno OH, budeme mít Ph-OH, fenol; nahrazovány CH ₃, Ph-CH ₃, toluen; v případě, že je skupina NH ₂, fenyl-NH ₂, anilin; nebo v případě, že je skupina CH ₂ CH ₃, Ph-CH ₂ CH ₃, ethylbenzen.

Deriváty mohou být stejné nebo toxičtější než benzen nebo naopak mohou být tak složité, že mají žádoucí farmakologický účinek.

Aplikace

Je to dobré rozpouštědlo pro širokou škálu sloučenin, které se vyskytují například v barvách, lacích, lepidlech a nátěrech.

Stejně tak může rozpouštět oleje, tuky nebo vosky, a proto se používá jako extrakční rozpouštědlo pro esence. Tuto vlastnost použil Ludwig Roselius v roce 1903 k dekafinování kávy, což je operace již nepoužívaná kvůli toxicitě benzenu. Podobně se v minulosti používal k odmaštění kovů.

V jednom ze svých klasických použití nepůsobí jako rozpouštědlo, ale jako aditivum: zvyšuje oktanové číslo benzínu, nahrazuje za tímto účelem olovo.

Deriváty benzenu mohou mít různá použití; některé slouží jako pesticidy, mazadla, detergenty, plasty, výbušniny, parfémy, barviva, lepidla, drogy atd. Pokud je ve struktuře pozorován benzenový kruh, je docela pravděpodobné, že jeho syntéza začala z benzenu.

Mezi jeho nejdůležitější deriváty patří: kumen, xylen, anilin, fenol (pro syntézu fenolických pryskyřic), kyselina benzoová (konzervační činidlo), cyklohexan (pro syntézu nylonu), nitrobenzen, resorcinol a ethylbenzen.

Nomenklatura

Názvosloví benzenových derivátů se mění v závislosti na stupni substituce, jaké jsou skupiny substituentů a jejich relativních polohách. Benzen tedy může být substituován mono, di, tri, tetra atd

Pokud jsou obě skupiny připojeny k sousedním atomům uhlíku, použije se označení „ortho“; pokud mezi jejich oddělením existuje uhlík, „meta“; a pokud jsou uhlíky v opačných polohách, „para“.

Níže uvedené obrázky ukazují příklady benzenových derivátů s jejich příslušnými názvy, které se řídí IUPAC. Jsou doprovázeny také běžnými nebo tradičními jmény.

Monoderiváty benzenu. Zdroj: Gabriel Bolívar.

Ostatní deriváty benzenu. Zdroj: Gabriel Bolívar.

Všimněte si, že v trisubstituovaném benzenu již nejsou ukazatele ortho, para a meta užitečné.

Toxicita

Benzen je sloučenina, se kterou je třeba zacházet opatrně. Vzhledem k jeho zvláštní vůni mohou být bezprostředními negativními účinky dusení, závratě, bolesti hlavy, třes, ospalost, nevolnost a dokonce smrt (při vysoké expozici). Při požití může kromě výše uvedeného vyvolat bolest žaludku a záchvaty.

Kromě toho jsou dlouhodobé účinky při stálé expozici této kapalině karcinogenní; zvyšuje šance, že jedinec bude trpět některým typem rakoviny, zejména rakoviny krve: leukémie.

V krvi může snížit koncentraci červených krvinek, což způsobuje anémii, a také ovlivňuje kostní dřeň a játra, kde je tělem asimilováno, aby vytvořilo ještě toxičtější benzenové deriváty; například hydroxychinon. Hromadí se také v ledvinách, srdci, plicích a mozku.

Reference

1. Morrison, RT a Boyd, RN (1987). Organická chemie. (5. vydání). Addison-Wesley Iberoamericana.
2. Carey, FA (2008). Organická chemie. (6. vydání). McGraw-Hill, Interamerica, Editores SA
3. Graham Solomons TW, Craig B. Fryhle. (2011). Organická chemie. Amines. (10. vydání.). Wiley Plus.
4. Národní centrum pro biotechnologické informace. (2019). Benzen. PubChem Database. CID = 241, obnoveno z: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov
5. Wikipedia. (2019). Benzen. Obnoveno z: en.wikipedia.org
6. Garcia Nissa. (2019). Co je benzen? - Použití, struktura a vzorec. Studie. Obnoveno z: study.com
7. Centra pro kontrolu a prevenci nemocí. (4. dubna 2018). Fakta o benzenu. Obnoveno z: emergency.cdc.gov
8. Světová zdravotnická organizace. (2010). Expozice benzenu: hlavní problém v oblasti veřejného zdraví.. Obnoveno od: who.int
9. Fernández Germán. (sf). Problémy s nomenklaturou benzenu. Organická chemie. Obnoveno z: quimicaorganica.org