BENZOLS: VĒSTURE, STRUKTŪRA, ĪPAŠĪBAS, ATVASINĀJUMI, LIETOJUMI - ĶĪMIJA - 2025

Benzols ir organisks savienojums, kas sastāv no viena no visvienkāršākais no visiem aromātiskajiem ogļūdeņražiem. Tās ķīmiskā formula ir C ₆ H ₆ , no kuras ir zināms, ka attiecība starp oglekli un ūdeņradi ir vienāda ar 1; tas ir, ka katram oglekļa veidam ir saistīts ūdeņradis.

Lai arī tā fiziskais izskats ir bezkrāsains šķidrums, tas dabiski atrodams naftā un naftas produktos. Tā smarža ir ļoti raksturīga, jo tā atgādina līmes, bituma un benzīna maisījumu; no otras puses, tas ir gaistošs un viegli uzliesmojošs šķidrums.

Pudele ar benzolu. Avots: Air1404

Augšējā attēlā redzams konteiners vai pudele ar benzolu, iespējams, ar neanalītisku tīrību. Ja benzola tvaiki netiks atklāti, tie nekavējoties izplatīsies visā laboratorijā. Šī iemesla dēļ šo šķidrumu, ko parasti izmanto kā vienkāršu šķīdinātāju, apstrādā tvaika nosūcēja iekšpusē.

Tā kā tā formula bija C ₆ H ₆ , XIX gadsimta ķīmiķi izvirzīja daudzas iespējamās struktūras, kas atbilstu minētajai C / H attiecībai, kas ir vienāda ar 1. Ne tikai tam, bet arī benzola molekulai bija jābūt īpašām saitēm tādā veidā, lai to varētu izskaidrot. tā neparastā stabilitāte pret pievienošanas reakcijām; raksturīgi alkāniem un poliēniem.

Tādējādi viņu saites bija mīklaina tā laika ķīmiķiem; līdz tika ieviests īpašums, ko sauc par aromātiskumu. Pirms tika uzskatīts par heksaceclotrēnu (ar trim C = C saitēm), benzola ir daudz vairāk nekā tas, un tas ir vēl viens no daudziem ķīmijas sinerģijas piemēriem.

Organiskajā ķīmijā benzols ir klasisks simbols, kas ir vairāku poliaromātisko savienojumu struktūras pamats. No tā sešstūra bezgalīgus atvasinājumus iegūst ar aromātiskas elektrofīlas aizvietošanas palīdzību; gredzens, no kura malām ir austa struktūra, kas nosaka jaunus savienojumus.

Faktiski tā atvasinājumi rodas plaša mēroga rūpnieciskiem lietojumiem, kuriem kā izejviela viņiem vajadzīgs benzols. Sākot no līmju un tekstilšķiedru sagatavošanas līdz plastmasai, gumijai, pigmentiem, narkotikām un sprāgstvielām. No otras puses, benzols dabiski atrodams vulkānos, ugunsgrēkos, benzīnā un cigarešu dūmos.

Vēsture

Atklājums un vārdi

Tās atklājums datēts ar 1825. gadu, parasti to attiecinot uz Maiklu Faradeju, kad viņš savāca un veica eksperimentus ar atlikušajam apgaismojumam izmantotās gāzes naftas produktu. Šī šķidruma C / H attiecība bija tuvu 1, tāpēc viņš to sauca par “karburetu ūdeņradi”.

Ķīmiķis Auguste Laurent dīvaino ogļūdeņradi nosauca par “feno”, kas atvasināts no grieķu vārda “phaínein”, kas nozīmē košu (jo tas tika iegūts pēc gāzes sadedzināšanas). Tomēr zinātnieku aprindās šo nosaukumu nepieņēma, un tas dominēja tikai kā “fenilgrupa”, lai atsauktos uz radikāli, kas iegūts no benzola.

No benzoīna sveķiem ķīmiķim Eilhardam Mičerliham deviņus gadus vēlāk izdevās iegūt to pašu savienojumu; Tāpēc bija vēl viens avots tam pašam ogļūdeņražam, kuru viņš kristīja kā “benzīnu”. Tomēr viņi arī neuzskatīja par piemērotu nosaukumu, lai pieņemtu, ka tas ir alkaloīds, piemēram, hinīns.

Tādējādi viņi aizstāja vārdu “benzīns” ar “benzols”. Tomēr atkal radās pretrunas un neatbilstības sakarā ar to, ka termins “benzols” sajauc ogļūdeņradi ar spirtu. Toreiz radās nosaukums “benzols”, kas vispirms tika izmantots Francijā un Anglijā.

Rūpnieciskā ražošana

Ne apgaismojošā gāze, ne benzoīna sveķi nebija piemēroti avoti benzola ražošanai lielā mērogā. Šarlam Mansfīldam, sadarbojoties ar Augustu Vilhelmu fon Hofmanu, 1845. gadā izdevās benzolu (divdesmit gadus pēc tā atklāšanas) izolēt no akmeņogļu darvas, kas ir koksa ražošanas blakusprodukts.

Tā sākās benzola rūpnieciska ražošana no akmeņogļu darvas. Benzola pieejamība lielos daudzumos atviegloja tā ķīmisko īpašību izpēti un ļāva to saistīt ar citiem savienojumiem ar līdzīgu reaģētspēju. Augusts Vilhelms fon Hofmans pats izgudroja vārdu “aromātisks” benzola un ar to saistīto savienojumu jomā.

Vēsturiskās struktūras

Augusta Kekulé sapnis

Fridriham Augustam Kekulē ap 1865. gadu tiek attiecināta benzola heksagonālā un cikliskā struktūra, kas izriet no dīvaina sapņa ar Uroboros - čūsku, kura pati iekaro asti, zīmējot apli. Tādējādi viņš uzskatīja, ka benzolu var uzskatīt par sešstūrainu gredzenu, un citi ķīmiķi ierosināja iespējamās struktūras, kas parādītas zemāk:

Visā vēsturē piedāvātās benzola gredzena struktūras. Avots: Jü

Dažām augstākām struktūrām varētu būt benzola stabilitāte.

Grāmata, gredzeni un prizma

Ņemiet vērā, ka trešā struktūra nav pat gredzens, bet trīsstūrveida prizma, ko 1869. gadā ierosināja Alberts Ladenburgs; pa kreisi, viena atvērta grāmatas formā, kuru 1867. gadā ierosināja sers Džeimss Devards; un labajā pusē viens ar visiem ūdeņražiem, kas vērsti uz gredzena centru, ko 1887. gadā ierosinājis Henrijs Edvards Ārmstrongs.

Arī pirmā struktūra, kuru 1867. gadā ierosināja Ādolfs Kārlis Ludvigs Klauss, ir diezgan savdabīga, jo ir šķērsotas CC saites. Un pēdējais bija Kekulé “serpentīna” gredzens, par kuru sapņots 1865. gadā.

Kāds bija "uzvarētājs"? Piektā struktūra (no kreisās uz labo), kuru 1899. gadā ierosināja Johans Tīls.

Šajā pētījumā pirmo reizi tika aplūkots rezonanses hibrīds, kas apvienoja abas Kekulé struktūras (pagrieziet pirmo gredzenu labajā pusē, lai to novērotu) un ārkārtīgi izskaidroja elektronu pārvietošanos un līdz ar to arī līdz tam neparasto stabilitāti. benzols.

Benzola struktūra

Aromātisks benzola gredzens. Avots: Benjah-bmm27

Augšpusē ir Thiele piedāvātā struktūra, izmantojot sfēru un joslu modeli.

Benzola molekula ir plakana, un ūdeņraža atomi ir vērsti uz āru no gredzena malām. Visi oglekļa atomi ir sp ² hibridizāciju , ar p orbitālajā pieejams, lai izveidotu aromātisko sistēmu, kurā seši elektroni mainīšanu.

Šie sp ² oglekļi ir vairāk elektronegatīvi nekā ūdeņraži, un tāpēc pirmie atņem elektronu blīvumu otrajam (C _sp2 ^δ-- H ^{δ +} ). Līdz ar to gredzena centrā ir augstāka elektronu koncentrācija nekā tā malās.

Precīzāk, aromātisko sistēmu var attēlot kā mākoņu vai elektronisku spilventiņu, kas ir paplašināts abās sešstūra gredzena pusēs; un vidū, sānos vai malās - elektronisks deficīts, kas sastāv no ūdeņražiem ar pozitīvu daļēju lādiņu.

Pateicoties šim elektrisko lādiņu sadalījumam, benzola molekulas var savstarpēji mijiedarboties, izmantojot dipola-dipola spēkus; H ^{δ +} atomi tiek piesaistīti blakus esošā gredzena aromātiskajam centram (tas tiks attēlots zemāk).

Aromātiskos centrus var arī sakārtot viens virs otra, lai veicinātu tūlītēju dipolu indukciju.

Rezonanse

Benzola struktūras un rezonanses hibrīds. Avots: Edgar181 no Wikipedia.

Abas Kekulé struktūras ir parādītas attēla augšdaļā, un zem tām - rezonanses hibrīds. Tā kā abas struktūras rodas atkal un atkal vienā un tajā pašā laikā, hibrīdu attēlo aplis, kas novilkts vidū (līdzīgi kā “sešstūra virtula”).

Hibrīds aplis ir svarīgs, jo tas norāda uz benzola (un daudzu citu savienojumu) aromātisko raksturu. Turklāt viņš norāda, ka saites nav tik garas kā CC, kā arī nav tik īsas kā C = C; drīzāk to garums ir starp abām galējībām. Tādējādi benzolu neuzskata par poliēnu.

Tas tika pierādīts, izmērot benzola CC (139 pm) saišu garumus, kas ir nedaudz garenāki nekā CH (109 pm) saites.

Kristāli

Ozolhormona benzola kristāla struktūra. Avots: Ben Mills

Benzols ir šķidrums istabas temperatūrā. Tā starpmolekulārie spēki nozīmē, ka, neskatoties uz to, ka tam nav tik izteikta dipola momenta, tas var turēt savas molekulas kopā šķidrumā, kas vārās 80ºC temperatūrā. Kad temperatūra nokrītas zem 5ºC, benzols sāk sasalt: un tādējādi tiek iegūti attiecīgie kristāli.

Benzola gredzeni var izmantot noteiktas struktūras struktūras. Viņu dipoli liek viņiem “noliekties” pa kreisi vai pa labi, veidojot rindas, kuras var reproducēt ortorhombiskas vienības šūna. Tādējādi benzola kristāli ir ortorombiski.

Augšējā attēlā ņemiet vērā, ka gredzenu noliekšana veicina mijiedarbību starp H ^{δ +} un aromātiskajiem centriem, kas minēti iepriekšējās apakšsadaļās.

Īpašības

Molekulārā masa

78,114 g / mol.

Ārējais izskats

Bezkrāsains šķidrums ar benzīnam līdzīgu smaku.

Vārīšanās punkts

80 ° C.

Kušanas punkts

5,5 ° C.

aizdegšanās punkts

-11ºC (slēgts kauss).

Pašaizdegšanās temperatūra

497,78 ° C.

Blīvums

0,8765 g / ml pie 20 ° C.

Šķīdība

Viens litrs verdoša ūdens tik tikko var izšķīdināt 3,94 g benzola. Tā apolārais raksturs padara to praktiski nesajaucamu ar ūdeni. Tomēr tas ir viegli sajaucams ar citiem šķīdinātājiem, piemēram, etanolu, ēteriem, acetonu, eļļām, hloroformu, oglekļa tetrahlorīdu utt.

Tvaika blīvums

2,8 attiecībā pret gaisu (tas ir, gandrīz trīs reizes blīvs).

Tvaika spiediens

94,8 mm Hg 25 ° C temperatūrā.

Sadegšanas siltums

-3267,6 kJ / mol (šķidrā benzola gadījumā).

Iztvaikošanas siltums

33,83 kJ / mol.

Virsmas spraigums

28,22 mN / m 25 ° C temperatūrā.

Refrakcijas indekss

1,5011 pie 20 ° C.

Atvasinājumi

Benzola ūdeņradi var aizstāt ar citām grupām vai atomiem. Var būt viena vai vairākas aizvietošanas, palielinot aizvietošanas pakāpi, līdz nepaliek neviens no sākotnējiem sešiem ūdeņražiem.

Piemēram, pieņemsim, ka benzols ir Ph-H, kur H ir kāds no tā sešiem ūdeņražiem. Atceroties, ka gredzena centrā ir lielāks elektronu blīvums, tas piesaista elektrofīlus, kuri uzbrūk gredzenam, lai aizstātu H reakcijā, ko sauc par elektrofīlisko aromātisko aizvietošanu (SEAr).

Ja šo H aizstās ar OH, mums būs Ph-OH, fenols; tiek aizstāta ar CH ₃ , Ph-CH ₃ , toluola; ja tas ir NH ₂ , Ph-NH ₂ , anilīns; vai, ja tas ir CH ₂ CH ₃ , Ph-CH ₂ CH ₃ , etilbenzols.

Atvasinājumi var būt tādi paši vai toksiski kā benzols, vai gluži pretēji, tie var kļūt tik sarežģīti, ka tiem ir vēlama farmakoloģiska iedarbība.

Lietojumprogrammas

Tas ir labs šķīdinātājs dažādiem savienojumiem, piemēram, krāsās, lakās, līmēs un pārklājumos.

Tāpat tas var izšķīdināt eļļas, taukus vai vaskus, tāpēc to izmanto kā esenču ekstrahēšanas šķīdinātāju. Ludvigs Roseliuss šo īpašību 1903. gadā izmantoja kafijas kofeīna samazināšanai - šī darbība jau tika pārtraukta benzola toksicitātes dēļ. Tāpat agrāk tas tika izmantots metālu attaukošanai.

Vienā no klasiskajiem lietojumiem tas darbojas nevis kā šķīdinātājs, bet gan kā piedeva: palielinot benzīna oktānskaitli, šim nolūkam aizstājot svinu.

Benzola atvasinājumiem var būt dažādi izmantošanas veidi; daži kalpo par pesticīdiem, smērvielām, mazgāšanas līdzekļiem, plastmasām, sprāgstvielām, smaržām, krāsvielām, līmēm, narkotikām utt. Ja tā struktūrā tiek novērots benzola gredzens, ir diezgan iespējams, ka tā sintēze ir sākusies no benzola.

Starp svarīgākajiem tā atvasinājumiem ir: kumēns, ksilols, anilīns, fenols (fenola sveķu sintēzei), benzoskābe (konservants), cikloheksāns (neilona sintēzei), nitrobenzols, resorcinols un etilbenzols.

Nomenklatūra

Benzola atvasinājumu nomenklatūra mainās atkarībā no aizvietošanas pakāpes, aizvietotāju grupas un to relatīvās pozīcijas. Tādējādi benzols var tikt aizstāts ar mono, di, tri, tetra utt

Kad abas grupas ir piestiprinātas blakus esošajiem oglekļiem, tiek izmantots apzīmējums “orto”; ja starp tiem atdalās ogleklis, “meta”; un ja oglekļi atrodas pretējās pozīcijās, 'para'.

Zemāk redzamajos attēlos parādīti benzola atvasinājumu piemēri ar to attiecīgajiem nosaukumiem, ko pārvalda IUPAC. Viņiem pievieno arī vispārpieņemtos vai tradicionālos nosaukumus.

Benzola monoatvasinājumi. Avots: Gabriel Bolívar.

Citi benzola atvasinājumi. Avots: Gabriel Bolívar.

Ņemiet vērā, ka trīsaizvietotā benzolā orto, para un meta indikatori vairs nav noderīgi.

Toksicitāte

Benzols ir savienojums, ar kuru jārīkojas uzmanīgi. Ņemot vērā tā īpašo smaržu, tūlītēja negatīva ietekme var būt nosmakšana, reibonis, galvassāpes, trīce, miegainība, nelabums un pat nāve (ar lielu iedarbību). Norijot, papildus iepriekšminētajam, tas var izraisīt stipras sāpes vēderā un krampjus.

Turklāt ilgstoša iedarbība pastāvīgā šī šķidruma iedarbībā ir kancerogēna; palielina iespēju, ka indivīds cietīs no kāda veida vēža, īpaši asins vēža: leikēmijas.

Asinīs tas var samazināt sarkano asins šūnu koncentrāciju, izraisot anēmiju, kā arī ietekmēt kaulu smadzenes un aknas, kur ķermenis to asimilē, lai iegūtu vēl toksiskākus benzola atvasinājumus; piemēram, hidrokshinonons. Tas uzkrājas arī nierēs, sirdī, plaušās un smadzenēs.

Atsauces

1. Morisons, RT un Boids, RN (1987). Organiskā ķīmija. (5. izdevums). Addison-Wesley Iberoamericana.
2. Kerija, FA (2008). Organiskā ķīmija. (6. izdevums). McGraw-Hill, Interamerica, Editores SA
3. Grehems Solomons TW, Kreigs B. Frīls. (2011). Organiskā ķīmija. Amīni. (10. izdevums.). Wiley Plus.
4. Nacionālais biotehnoloģijas informācijas centrs. (2019. gads). Benzols. PubChem datu bāze. CID = 241, atgūts no: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov
5. Wikipedia. (2019. gads). Benzols. Atgūts no: en.wikipedia.org
6. Garsija Nissa. (2019. gads). Kas ir benzols? - Lietojumi, struktūra un formula. Pētījums. Atgūts no: study.com
7. Slimību kontroles un profilakses centri. (2018. gada 4. aprīlis). Fakti par benzolu. Atgūts no: avārijas.cdc.gov
8. Pasaules Veselības organizācija. (2010). Iedarbība uz benzolu: nopietnas sabiedrības veselības problēmas. . Atgūts no: Who.int
9. Fernández Germán. (sf). Benzola nomenklatūras problēmas. Organiskā ķīmija. Atgūts no: quimicaorganica.org