Бензен: будова, властивості й одержання

Бензен C₆H₆ — перший член гомологічного ряду аренів (ароматичних вуглеводнів). Арени — це вуглеводні, у молекулах яких є одне або кілька бензенових кілець. Загальна формула гомологічного ряду бензену — CₙH₂ₙ₋₆, де n ≥ 6. Наступний гомолог після бензену — метилбензен (толуен) C₇H₈. Арени відрізняються від ненасичених вуглеводнів (алкенів і алкінів) тим, що їхній цикл стійкий і не схильний до легкого приєднання.

Будова молекули бензену

Молекула бензену плоска: шість атомів Карбону утворюють правильний шестикутник, і всі 12 атомів (шість C і шість H) лежать в одній площині. Кути між зв'язками C–C–C становлять 120°. Найважливіша особливість: усі шість зв'язків C–C у бензені однакові. Їхня довжина — 0,140 нм, що є проміжним значенням між довжиною простого зв'язку C–C в алканах (0,154 нм) і подвійного зв'язку C=C в алкенах (0,134 нм).

Чому ж зв'язки однакові? Кожен атом Карбону в бензені перебуває в стані sp²-гібридизації. Три гібридні орбіталі кожного атома C утворюють σ-зв'язки з двома сусідніми атомами C і одним атомом H. Четвертий електрон (негібридизована p-орбіталь) кожного з шести атомів C утворює спільну для всього кільця π-електронну хмару. Ці шість електронів делокалізовані — вони належать не окремим парам атомів, а всьому циклові. Тому в бензені немає окремих подвійних зв'язків, а є єдина ароматична система.

Сучасне позначення бензену — правильний шестикутник із колом усередині. Коло символізує делокалізовані π-електрони. Історично Ф. А. Кекуле запропонував 1865 року формулу з трьома подвійними зв'язками, що чергуються. Ця формула умовна: вона не показує рівноцінності всіх зв'язків C–C, але її досі використовують у рівняннях реакцій.

Фізичні властивості

Бензен — безбарвна рідина з характерним запахом. Температура кипіння — 80 °C. Він нерозчинний у воді й легший за неї (густина 0,88 г/см³). Бензен отруйний: вплив його парів спричиняє ураження нервової системи та кровотворних органів, тому працювати з ним треба у витяжній шафі.

Для бензену найхарактерніші реакції заміщення, а не приєднання. Під час галогенування атом Гідрогену в бензеновому кільці заміщується на атом галогену, а сама ароматична система зберігається.

Бромування бензену

Бензен реагує з бромом лише в присутності каталізатора — ферум(III) броміду FeBr₃. Каталізатор можна одержати безпосередньо в реакційній суміші, додавши залізні ошурки: залізо реагує з бромом, утворюючи FeBr₃. Рівняння реакції:

C₆H₆ + Br₂ → C₆H₅Br + HBr

Продукти — бромобензен C₆H₅Br (ароматичний галогенопохідний) і гідроген бромід HBr. Це реакція заміщення: один атом H у кільці замінюється на Br.

Хлорування бензену

Аналогічно відбувається хлорування з каталізатором FeCl₃:

C₆H₆ + Cl₂ → C₆H₅Cl + HCl

Утворюються хлоробензен і гідроген хлорид.

Порівняння з іншими вуглеводнями

Зверни увагу: для бензену характерне заміщення, як і для алканів. Але алкани реагують із галогенами на світлі (фотохімічне заміщення), а бензен потребує каталізатора FeBr₃ або FeCl₃. На відміну від алкенів і алкінів, бензен не знебарвлює бромну воду й не реагує з розчином калій перманганату KMnO₄. Це ключова відмінність, яку перевіряють на НМТ.

Важлива пастка! Якщо струсити бензен із бромною водою, водний шар світлішає, а бром переходить у шар бензену. Це фізичний процес — екстракція, а не хімічна реакція. Бензен не знебарвлює бромну воду хімічно, на відміну від алкенів та алкінів.

Хоча бензен не схильний до приєднання, в жорстких умовах він може приєднувати водень. Горіння бензену, як і всіх вуглеводнів, відбувається з утворенням вуглекислого газу й води.

Гідрування бензену

Бензен приєднує водень у присутності нікелевого або платинового каталізатора за підвищеної температури й тиску. Приєднуються одразу три молекули H₂:

C₆H₆ + 3H₂ → C₆H₁₂

Продукт — циклогексан C₆H₁₂, насичений циклічний вуглеводень. Зверни увагу: гідрування бензену відбувається значно важче, ніж гідрування алкенів. Алкени приєднують водень за кімнатної температури, а бензен потребує нагрівання й підвищеного тиску.

Циклогексан C₆H₁₂ має загальну формулу CₙH₂ₙ, як і алкени. Однак циклогексан не є алкеном, бо в його молекулі немає подвійного зв'язку. Клас сполуки визначає будова, а не лише загальна формула. Циклогексан — насичений циклічний вуглеводень (циклоалкан).

Горіння бензену

Як і всі вуглеводні, бензен горить з утворенням вуглекислого газу й води. Зрівняне рівняння:

2C₆H₆ + 15O₂ → 12CO₂ + 6H₂O

Бензен горить сильно кіптявим полум'ям. Причина — високий вміст Карбону: масова частка Карбону в бензені становить 92,3 %. Для порівняння, в етину (ацетилену) C₂H₂ масова частка Карбону теж 92,3 %, і найпростіша формула обох речовин — CH. Через велику кількість Карбону в молекулі під час горіння не весь вуглець встигає окиснитися до CO₂, і частина його виділяється у вигляді частинок сажі, що й дає кіптяве полум'я.

У промисловості бензен одержують двома основними способами: тримеризацією етину та каталітичним дегідруванням н-гексану.

Тримеризація етину

Три молекули етину (ацетилену) C₂H₂ за нагрівання над активованим вугіллям з'єднуються в бензенове кільце:

3C₂H₂ → C₆H₆

Цю реакцію відкрив 1866 року М. Бертло. Вона належить до реакцій приєднання, але з утворенням циклу. Ти вже знаєш цю реакцію з теми «Алкіни».

Каталітичне дегідрування н-гексану

Нерозгалужений алкан із шести атомів Карбону — н-гексан C₆H₁₄ — за нагрівання з платиновим каталізатором замикається в кільце й відщеплює чотири молекули водню:

CH₃–(CH₂)₄–CH₃ → C₆H₆ + 4H₂

Цей процес називають дегідроциклізацією: одночасно відбувається дегідрування (відщеплення H₂) і циклізація (замикання ланцюга в кільце).

Порівняння вуглеводнів

Нижче наведено порівняння алканів, алкенів та алкінів за ключовими властивостями.

А тепер — порівняння бензену з алканами й алкенами.

Бензен поєднує ознаки насичених і ненасичених вуглеводнів, але має унікальну стійкість завдяки ароматичній системі. Усі вуглеводні горять до CO₂ і H₂O, однак бензен дає більше кіптяви через високий вміст Карбону (92,3 %).

Розгляньмо типові завдання НМТ на тему бензену. Кожне завдання супроводжується покроковим розв'язанням.

Приклад 1. Спосіб одержання бензену

Завдання (вибір однієї відповіді з чотирьох): Бензен у промисловості одержують:

• А) гідруванням циклогексану

• Б) гідратацією етину

• В) дегідратацією етанолу

• Г) каталітичним дегідруванням н-гексану

Розв'язання. Згадай два промислові способи: тримеризацію етину (3C₂H₂ → C₆H₆) і дегідрування н-гексану (C₆H₁₄ → C₆H₆ + 4H₂). Серед варіантів є лише один, що збігається з другим способом — каталітичне дегідрування н-гексану.

Чому інші варіанти неправильні? Гідруванням циклогексану (А) одержують не бензен, а навпаки — з бензену гідруванням утворюють циклогексан. Гідратація етину (Б) дає етаналь (CH₃CHO), а не бензен. Дегідратація етанолу (В) — це спосіб одержання етену (C₂H₄).

Відповідь: Г) каталітичним дегідруванням н-гексану.

Приклад 2. Продукти бромування бензену

Завдання (вибір однієї відповіді з чотирьох): Продуктами взаємодії бензену з бромом у присутності FeBr₃ є:

• А) C₆H₆Br₂

• Б) C₆H₅Br і HBr

• В) C₆H₅Br і H₂

• Г) C₆H₁₂ і HBr

Розв'язання. Бромування бензену з каталізатором FeBr₃ — це реакція заміщення: C₆H₆ + Br₂ → C₆H₅Br + HBr. Отже, продукти — бромобензен (C₆H₅Br) і гідроген бромід (HBr).

Чому інші варіанти неправильні? Варіант А (C₆H₆Br₂) утворився б, якби бензен приєднував бром, як алкени; з FeBr₃ відбувається заміщення, а не приєднання. Варіант В (C₆H₅Br і H₂) — водень не виділяється, виділяється HBr. Варіант Г (C₆H₁₂ і HBr) — C₆H₁₂ (циклогексан) утворюється гідруванням, а не бромуванням.

Відповідь: Б) C₆H₅Br і HBr.

Приклад 3. Логічні пари: вуглеводень — характерна реакція

Завдання (логічні пари 1–3 → А–Д). Установи відповідність між вуглеводнем і характерною для нього реакцією.

Вуглеводні: 1 — метан, 2 — етен, 3 — бензен.

Реакції: А — знебарвлення бромної води (приєднання), Б — тримеризація, В — гідратація з утворенням етаналю, Г — заміщення з бромом за наявності FeBr₃, Д — заміщення з хлором на світлі.

Розв'язання. Метан (алкан) реагує з хлором на світлі — це заміщення (Д). Етен (алкен) знебарвлює бромну воду — це приєднання (А). Бензен реагує з бромом лише з каталізатором FeBr₃ — це заміщення (Г).

Відповідь: 1 — Д, 2 — А, 3 — Г.

Приклад 4. Правильне твердження про бензен

Завдання (вибір однієї відповіді з чотирьох): Яке твердження про бензен правильне?

• А) У молекулі бензену три прості й три подвійні зв'язки різної довжини

• Б) Бензен знебарвлює бромну воду

• В) Усі зв'язки між атомами Карбону в молекулі бензену однакові

• Г) Загальна формула гомологічного ряду бензену — CₙH₂ₙ₋₂

Розв'язання. Правильне твердження — В: усі шість зв'язків C–C у бензені однакові (0,140 нм). Варіант А неправильний, бо формула Кекуле з трьома подвійними зв'язками — умовна; насправді всі зв'язки однакові. Варіант Б неправильний: бензен не знебарвлює бромну воду (на відміну від алкенів). Варіант Г неправильний: CₙH₂ₙ₋₂ — це загальна формула алкінів, а арени мають CₙH₂ₙ₋₆.

Відповідь: В) Усі зв'язки між атомами Карбону в молекулі бензену однакові.

• Вважати, що бензен має три звичайні подвійні зв'язки й легко приєднує бром з бромної води. Насправді всі зв'язки C–C у бензені однакові, а бромну воду він не знебарвлює. Формула Кекуле — лише умовне зображення.

• Приймати перехід брому з бромної води в шар бензену за хімічну реакцію. Коли струшують бензен із бромною водою, бром фізично екстрагується в органічний шар, і водний шар світлішає. Це не хімічна реакція, а розподіл речовини між двома розчинниками.

• Пропускати каталізатор FeBr₃ у рівнянні бромування або записувати продукт C₆H₆Br₂. Без каталізатора бензен не реагує з бромом. А C₆H₆Br₂ утворився б лише за приєднання брому до бензену, як до алкену (наприклад, C₂H₄ + Br₂ → C₂H₄Br₂); бензен з FeBr₃ вступає в заміщення.

• Плутати гідрування бензену (утворюється циклогексан C₆H₁₂) з одержанням бензену дегідруванням н-гексану (C₆H₁₄ → C₆H₆ + 4H₂). Це протилежні процеси: гідрування — приєднання H₂, дегідрування — відщеплення H₂.

• Вважати циклогексан алкеном через склад CₙH₂ₙ. Циклогексан C₆H₁₂ справді має таку саму загальну формулу, як алкени, але він не має подвійного зв'язку. Це насичений циклічний вуглеводень (циклоалкан). Клас сполуки визначає будова, а не лише загальна формула.

• Приписувати аренам загальну формулу CₙH₂ₙ₋₂. Це формула алкінів (і деяких дієнів). Арени мають формулу CₙH₂ₙ₋₆ (n ≥ 6). Запам'ятай: чим більше ненасиченості, тим менше атомів H у формулі.

• Урівнювати тримеризацію як 2C₂H₂ → C₆H₆. Тримеризація означає «утричнення»: три молекули етину дають одну молекулу бензену. Правильне рівняння: 3C₂H₂ → C₆H₆. Коефіцієнт 2 не зрівнює кількість атомів C (4 ≠ 6).

У демоваріанті НМТ-2026 завдання 15 (вибір однієї відповіді з чотирьох, 1 бал) перевіряє спосіб одержання бензену. Супутня тема — алкіни, бо бензен одержують тримеризацією етину.

Програма НМТ (тема 3.2.4) вимагає:

• називати загальну формулу аренів (CₙH₂ₙ₋₆);

• розрізняти ненасичені й ароматичні вуглеводні;

• порівнювати зв'язки C–C у бензені, алканах і алкенах;

• порівнювати реакційну здатність бензену, алканів, алкенів і алкінів у заміщенні, окисненні й приєднанні.

Відповідність «вуглеводень — характерна реакція» може бути подана як завдання типу «логічні пари» (завдання 19–20 у демоваріанті). За кожну правильну пару дають 1 бал, максимум — 3 бали.

Стратегія виконання

• У завданнях «яка речовина знебарвлює бромну воду» спершу виключи алкани й бензен — вони не знебарвлюють. Правильна відповідь — алкен або алкін.

• У завданнях про одержання бензену перевір, чи дає реагент шість атомів Карбону: або один ланцюг C₆ (н-гексан C₆H₁₄), або три молекули етину (3 × C₂H₂).

• Якщо питають про будову бензену, пам'ятай: усі зв'язки C–C однакові, молекула плоска, кути 120°.

• У завданнях на логічні пари зіставляй тип реакції з класом вуглеводню: алкани — заміщення на світлі, алкени/алкіни — приєднання (знебарвлення), бензен — заміщення з каталізатором.

• Арени (ароматичні вуглеводні) гомологічного ряду бензену мають загальну формулу CₙH₂ₙ₋₆, n ≥ 6.

• Бензен C₆H₆ — плоский цикл: шість атомів C у правильному шестикутнику, усі зв'язки C–C однакові (0,140 нм), кути 120°.

• Характерне заміщення: C₆H₆ + Br₂ → C₆H₅Br + HBr (каталізатор FeBr₃).

• Приєднання важке: C₆H₆ + 3H₂ → C₆H₁₂ (Ni, t, p) — утворюється циклогексан.

• Бромну воду й розчин KMnO₄ бензен не знебарвлює (на відміну від алкенів та алкінів).

• Промислове одержання: 3C₂H₂ → C₆H₆ (тримеризація етину) і C₆H₁₄ → C₆H₆ + 4H₂ (дегідрування н-гексану).

• Горіння: 2C₆H₆ + 15O₂ → 12CO₂ + 6H₂O; полум'я кіптяве через високий вміст Карбону (92,3 %).