Бензен: будова, властивості й одержання
~20 хв · 9 розділів · 9 тестових запитань
Пояснюй будову молекули бензену — плоский шестичленний цикл з однаковими зв'язками C–C — і складай рівняння його бромування, гідрування, горіння та промислового одержання тримеризацією етину й каталітичним дегідруванням н-гексану, порівнюючи бензен з алканами, алкенами й алкінами.
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
C₆H₁₂має загальну формулуCₙH₂ₙ, 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.
Властивість | Алкани | Алкени | Алкіни |
|---|---|---|---|
Загальна формула | CₙH₂ₙ₊₂ | CₙH₂ₙ | CₙH₂ₙ₋₂ |
Зв'язок C–C | Простий, 0,154 нм | Подвійний, 0,134 нм | Потрійний, 0,120 нм |
Галогенування | Заміщення на світлі | Приєднання (легко) | Приєднання (2 стадії) |
Бромна вода | Не знебарвлює | Знебарвлює | Знебарвлює |
KMnO₄ | Не знебарвлює | Знебарвлює | Знебарвлює |
Горіння | CO₂ + H₂O | CO₂ + H₂O | CO₂ + H₂O |
А тепер — порівняння бензену з алканами й алкенами.
Властивість | Алкани | Алкени | Бензен |
|---|---|---|---|
Загальна формула | CₙH₂ₙ₊₂ | CₙH₂ₙ | CₙH₂ₙ₋₆ |
Зв'язок C–C | Простий, 0,154 нм | Подвійний, 0,134 нм | Усі однакові, 0,140 нм |
Галогенування | Заміщення на світлі | Приєднання (легко) | Заміщення з FeBr₃ |
Бромна вода | Не знебарвлює | Знебарвлює | Не знебарвлює |
KMnO₄ | Не знебарвлює | Знебарвлює | Не знебарвлює |
Горіння | CO₂ + H₂O | CO₂ + H₂O | CO₂ + H₂O, кіптяве |
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.
Чому бензен не знебарвлює бромну воду, хоча атомів Гідрогену в ньому мало?
Бензен має склад C₆H₆ — на 8 атомів H менше, ніж у насиченого гексану C₆H₁₄. Можна подумати, що він має багато ненасиченості й тому має легко приєднувати бром. Однак бензен не знебарвлює бромну воду, тому що його π-електрони утворюють стійку делокалізовану ароматичну систему. Для реакції приєднання потрібно зруйнувати цю систему, що енергетично невигідно. Тому бензен реагує з бромом лише за механізмом заміщення (з каталізатором FeBr₃), а не приєднання.
Навіщо малювати бензен шестикутником з колом, а не формулою з трьома подвійними зв'язками?
Шестикутник із колом усередині показує, що шість π-електронів делокалізовані по всьому кільцю, а не належать окремим парам атомів. Формула Кекуле з трьома подвійними зв'язками, що чергуються, умовна й не відображає рівноцінності всіх зв'язків C–C. Сучасне позначення точніше передає будову бензену. Однак у рівняннях реакцій часто використовують формулу Кекуле, бо вона зручніша для запису.
Чим бромування бензену відрізняється від приєднання брому до етену?
По-перше, типом реакції: бромування бензену — заміщення (атом H заміщується на Br), а реакція етену з бромом — приєднання (розривається подвійний зв'язок, і два атоми Br приєднуються до атомів C). По-друге, умовами: бензен потребує каталізатора FeBr₃, а етен реагує з бромною водою за кімнатної температури без каталізатора. По-третє, продуктами: бензен дає C₆H₅Br + HBr, а етен — C₂H₄Br₂.
Чому бензен горить кіптявим полум'ям?
Масова частка Карбону в бензені становить 92,3 %. Це дуже високий показник (для порівняння, в метані CH₄ — 75 %, в етані C₂H₆ — 80 %). Під час горіння через нестачу кисню не весь Карбон встигає окиснитися до CO₂, і частина його виділяється у вигляді частинок сажі, що й дає кіптяве полум'я. Такий самий ефект спостерігають для етину C₂H₂, у якого теж 92,3 % Карбону.
Чи є циклогексан алкеном, якщо його формула C₆H₁₂?
Ні. Циклогексан C₆H₁₂ має загальну формулу CₙH₂ₙ, як і алкени, але в його молекулі немає подвійного зв'язку. Це насичений циклічний вуглеводень — циклоалкан. Клас сполуки визначають за будовою, а не лише за загальною формулою. Алкени обов'язково мають один подвійний зв'язок C=C, а циклогексан має лише прості зв'язки C–C у замкненому циклі.
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 %).