هیدروکربن های معطر بنزن. بنزن چیست؟ ساختار بنزن، فرمول، خواص، کاربرد 3 آنچه در مورد ساختار الکترونیکی بنزن خاص است

اهداف درس:

ایده ای از پیوند معطر، ویژگی های آن، ایجاد رابطه بین ساختار بنزن و خواص آن.
ادغام توانایی مقایسه ترکیب و ساختار هیدروکربن های سری های مختلف؛
معرفی خواص فیزیکی بنزن؛
اثرات سمی آرن ها بر سلامت انسان را نشان می دهد.

طرح کلی سخنرانی

اشتقاق فرمول مولکولی و ساختاری بنزن.
تاریخچه کشف بنزن.
فرمول ککوله
ساختار بنزن
مفهوم "آروماتیک بودن".
ظهور اصطلاح "ترکیبات معطر".
خواص فیزیکی بنزن
اثرات سمی آرن ها بر بدن انسان.
تقویت مواد پوشش داده شده.
مشق شب.

در ابتدای درس از دانش آموزان می خواهم که برای استخراج فرمول یک ماده مسئله ای را حل کنند.

وظیفه. هنگامی که 2.5 گرم از این ماده سوزانده شد، 8.46 گرم دی اکسید کربن و 1.73 گرم آب آزاد شد. جرم 1 لیتر ماده 3.5 گرم است فرمول مولکولی و ساختاری احتمالی ماده را تعیین کنید.

هنگام حل مسئله، دانش آموزان فرمول مولکولی ماده - C 6 H 6 را به دست می آورند. یک موقعیت مشکل ساز پیش می آید: "یک مولکول بنزن چه ساختاری می تواند داشته باشد؟" بر اساس دانش در مورد هیدروکربن های غیر اشباع، دانش آموزان فرمول های ساختاری ممکنی را برای آنها پیشنهاد می کنند:

NS C-CH 2 -CH 2 - C CH

H 2 C = CH -C C-CH = CH 2 و دیگران.

دانش‌آموزان به این نتیجه می‌رسند که بنزن یک ترکیب بسیار غیراشباع است و واکنش‌های کیفی به غیراشباع را به یاد می‌آورند.

من از دانش آموزان دعوت می کنم تا فرضیه اشباع نشدن بنزن را در طی یک آزمایش آزمایش کنند. پس از انجام واکنش‌های بنزن با آب برم و محلول پرمنگنات پتاسیم، دانش‌آموزان به این نتیجه می‌رسند که بنزن که یک سیستم غیراشباع است، واکنش‌های باکیفیتی به غیراشباع نمی‌دهد، بنابراین نمی‌توان آن را به عنوان هیدروکربن غیراشباع طبقه‌بندی کرد. .

مولکول بنزن دارای چه ساختاری است و می توان آن را به کدام دسته از هیدروکربن ها طبقه بندی کرد؟

قبل از پاسخ به این سوال، دانش آموزان را با تاریخچه کشف بنزن آشنا می کنم که بسیار جالب است. روشنایی گاز برای اولین بار بین سال های 1812 و 1815 در لندن ظاهر شد. گاز روشنایی که از چربی حیوانات دریایی استخراج می شد، در سیلندرهای آهنی تحویل داده می شد. این سیلندرها معمولاً در زیرزمین خانه قرار می گرفتند که گاز از طریق لوله ها در سراسر اتاق پخش می شد. به زودی، یک وضعیت بسیار ناخوشایند مشاهده شد - در سرمای شدید، گاز توانایی خود را برای تولید نور روشن هنگام سوختن از دست داد. صاحبان یک کارخانه گاز در سال 1825 برای مشاوره به فارادی مراجعه کردند و متوجه شدند آن دسته از اجزایی که قادر به سوختن با شعله روشن هستند در پایین سیلندر به شکل یک لایه مایع شفاف جمع می شوند. در حین مطالعه این مایع، فارادی یک هیدروکربن جدید - بنزن را کشف کرد. نام این ماده توسط Liebig - (پسوند -ol نشان دهنده ماهیت روغنی آن است، از لاتین oleum - روغن) داده شده است.

در سال 1865، دانشمند آلمانی Kekule ساختار مولکول بنزن را پیشنهاد کرد، که او در خواب آن را به عنوان یک مار در حال گاز گرفتن دم خود می دید:

اما این فرمول، در حالی که با ترکیب عنصری بنزن مطابقت دارد، با بسیاری از ویژگی های آن مطابقت ندارد:

بنزن به غیر اشباع واکنش های کیفی نمی دهد.
بنزن با واکنش های جایگزینی به جای واکنش های اضافه مشخص می شود.
فرمول Kekule قادر به توضیح برابری فواصل بین اتم های کربن نیست که در یک مولکول واقعی بنزن رخ می دهد.

برای رهایی از این دشواری، ککوله اعتراف کرد که در بنزن یک حرکت پیوسته پیوندهای دوگانه وجود دارد.

استفاده از روش های نوین تحقیقات فیزیکی و کوانتومی امکان ایجاد درک جامعی از ساختار بنزن را فراهم کرده است.

اتم های کربن در مولکول بنزن در حالت ظرفیت دوم قرار دارند (sp 2). هر اتم کربن با دو اتم کربن دیگر و یک اتم هیدروژن در همان صفحه پیوند تشکیل می دهد. زوایای پیوند بین سه پیوند 120 درجه است. بنابراین، هر شش اتم کربن در یک صفحه قرار دارند و یک شش ضلعی منظم را تشکیل می دهند (شکل 1):

برنج. 1. طرح تشکیل -اتصالات
در یک مولکول بنزن

هر اتم کربن یک اوربیتال p غیر هیبریدی دارد. شش اوربیتال از این قبیل عمود بر صفحه پیوند و موازی با یکدیگر قرار دارند (شکل 2). هر شش الکترون p با یکدیگر تعامل دارند و یک ابر تک الکترونی را تشکیل می دهند. بنابراین، کونژوگاسیون دایره ای در مولکول بنزن اتفاق می افتد. بالاترین چگالی الکترون در این سیستم مزدوج در بالا و پایین صفحه حلقه قرار دارد (شکل 3):

در نتیجه همپوشانی یکنواخت اوربیتال های 2p هر شش اتم کربن، "هم ترازی" پیوندهای منفرد و دوگانه رخ می دهد - طول پیوند 0.139 نانومتر است. این مقدار حد واسط بین طول یک پیوند در آلکان ها (0.154 نانومتر) و طول پیوند دوگانه در آلکن ها (0.133 نانومتر) است. یعنی مولکول بنزن فاقد پیوندهای دوگانه و منفرد کلاسیک است.

صرف دایره ای انرژی 150 کیلوژول بر مول می دهد. این مقدار انرژی مزدوج را تشکیل می دهد - مقدار انرژی که باید برای مختل کردن سیستم معطر بنزن صرف شود.

این ساختار الکترونیکی تمام ویژگی های بنزن را توضیح می دهد. به ویژه، اینکه چرا وارد شدن بنزن به واکنش های افزودنی دشوار است - این منجر به نقض کونژوگاسیون می شود. چنین واکنش هایی در شرایط سخت امکان پذیر است.

در حال حاضر، هیچ راه واحدی برای به تصویر کشیدن گرافیکی یک مولکول بنزن با در نظر گرفتن خواص واقعی آن وجود ندارد. اما برای تأکید بر یکنواختی چگالی الکترون در مولکول بنزن، آنها به فرمول های زیر متوسل می شوند:

آنها همچنین از فرمول Kekule استفاده می کنند و کاستی های آن را در نظر می گیرند.

مجموعه خواص بنزن را معمولاً معطر می نامند. به طور کلی، پدیده آروماتیکی توسط فیزیکدان آلمانی هوکل فرموله شده است: یک ترکیب باید دارای خواص معطر باشد اگر مولکول آن حاوی یک حلقه مسطح با الکترون (4n+2) باشد، جایی که n می تواند مقادیر 0، 1، 2 را بگیرد. 3 و غیره بر اساس این قانون، سیستم های حاوی 6، 10، 14 الکترون معطر هستند.

نمونه هایی از این ترکیبات نفتالین (n=2) و آنتراسن (n=3) هستند.

پس از بررسی ساختار بنزن، پاسخ سوالات را با دانش آموزان در میان می گذاریم:

آیا می توان بنزن را به عنوان هیدروکربن های غیر اشباع طبقه بندی کرد؟ پاسخت رو توجیه کن.
بنزن به کدام دسته از هیدروکربن ها تعلق دارد؟
منظور از اصطلاح "ترکیب معطر" چیست؟
به چه هیدروکربن هایی معطر می گویند؟

در مرحله بعد، من دانش آموزان را با منشأ اصطلاح "ترکیبات معطر" آشنا می کنم. من به شما اطلاع می دهم که این نام در دوره اولیه توسعه شیمی بوجود آمد. مشاهده شد که ترکیبات بنزن در حین تقطیر برخی از مواد خوشبو (معطر) - رزین های طبیعی و مومیایی ها به دست می آید. با این حال، بیشتر ترکیبات معطر بی بو یا بدبو هستند. اما این اصطلاح در شیمی حفظ شده است. هیدروکربن های معطر (آرن ها) موادی هستند که مولکول های آنها حاوی یک یا چند حلقه بنزن هستند - گروه های حلقوی اتم های کربن با ویژگی خاصی از پیوندها.

در ادامه دانش آموزان با کار با ادبیات آموزشی با خواص فیزیکی بنزن آشنا می شوند. آنها می دانند که بنزن یک مایع است و همچنین می تواند در حالت بخار (در طول آزمایش بو) باشد. من دانش آموزان را با بنزن به شکل جامد آشنا می کنم. نقطه ذوب بنزن 5.5 درجه سانتیگراد است. بر اساس این اطلاعات، من تبدیل بنزن مایع به یک توده کریستالی سفید را نشان می‌دهم. برای انجام این کار، من 4-5 میلی لیتر بنزن را در یک لوله آزمایش در ظرفی پر از برف یا یخ قرار می دهم. پس از چند دقیقه دانش آموزان تغییری در حالت تجمع بنزن مشاهده می کنند. بر اساس مشاهدات، دانش آموزان پیشنهاد می کنند که این ماده باید دارای یک شبکه کریستالی مولکولی باشد.

توجه دانش آموزان را به این نکته جلب می کنم که بنزن ماده ای بسیار سمی است. استنشاق بخارات آن باعث سرگیجه و سردرد می شود. در غلظت های بالای بنزن، موارد از دست دادن هوشیاری امکان پذیر است. بخارات آن چشم و غشاهای مخاطی را تحریک می کند.

بنزن مایع به راحتی از طریق پوست به بدن نفوذ می کند که می تواند منجر به مسمومیت شود. بنابراین کار با بنزن و همولوگ های آن نیاز به دقت خاصی دارد.

من از مطالب مربوط به موضوع "بنزن" برای توضیح مضرات سیگار استفاده می کنم. مطالعات یک ماده قیر مانند به دست آمده از دود تنباکو نشان داده است که علاوه بر نیکوتین، حاوی هیدروکربن های معطر مانند بنزوپیرن است.

این مواد دارای خواص سرطان زایی قوی هستند، یعنی این مواد به عنوان عوامل ایجاد کننده سرطان عمل می کنند. قطران تنباکو در تماس با پوست و ریه ها باعث تشکیل تومورهای سرطانی می شود. افراد سیگاری بیشتر در معرض ابتلا به سرطان لب، زبان، حنجره و مری هستند. آنها بسیار بیشتر از آنژین صدری و انفارکتوس میوکارد رنج می برند. توجه داشته باشم که یک فرد سیگاری حدود 50 درصد از مواد سمی را در فضای اطراف آزاد می کند و در اطراف خود حلقه ای از "سیگاری های منفعل" ایجاد می کند که به سرعت دچار سردرد، حالت تهوع، ضعف عمومی می شوند و سپس ممکن است به بیماری های مزمن مبتلا شوند.

در پایان درس، من یک نظرسنجی از پیش روی سؤالات زیر انجام می دهم:

مشق شب: صفحات 55-58، صفحات 61 شماره 1، 2 طبق کتاب درسی E. E. Nifantiev, L. A. Tsvetkova "شیمی 10-11".

ساختار شیمیایی

اتم های کربن موجود در مولکول بنزن یک شش ضلعی مسطح منظم را تشکیل می دهند، اگرچه معمولاً به صورت کشیده کشیده می شود.

ساختار مولکول بنزن در نهایت با واکنش تشکیل آن از استیلن تأیید شد. فرمول ساختاری سه پیوند کربن-کربن متناوب منفرد و سه پیوند دوگانه را نشان می دهد. اما چنین تصویری ساختار واقعی مولکول را بیان نمی کند. در واقع، پیوندهای کربن-کربن در بنزن معادل هستند و خواصی متفاوت با پیوندهای تک یا دوگانه دارند. این ویژگی ها با ساختار الکترونیکی مولکول بنزن توضیح داده می شود.

ساختار الکترونیکی بنزن

هر اتم کربن در یک مولکول بنزن در حالت هیبریداسیون sp 2 قرار دارد. با سه پیوند y به دو اتم کربن مجاور و یک اتم هیدروژن متصل است. در نتیجه، یک شش ضلعی مسطح تشکیل می شود: تمام شش اتم کربن و همه پیوندهای y C--C و C--H در یک صفحه قرار دارند. ابر الکترونی الکترون چهارم (الکترون p) که در هیبریداسیون دخالتی ندارد، شکل یک دمبل دارد و عمود بر صفحه حلقه بنزن جهت گیری می کند. چنین ابرهای الکترونی p از اتم های کربن همسایه در بالا و پایین صفحه حلقه همپوشانی دارند. در نتیجه، شش الکترون p یک ابر الکترونی مشترک و یک پیوند شیمیایی واحد برای همه اتم‌های کربن تشکیل می‌دهند. دو ناحیه از صفحه الکترونی بزرگ در دو طرف صفحه پیوند y قرار دارند.

ابر الکترونی p باعث کاهش فاصله بین اتم های کربن می شود. در یک مولکول بنزن آنها یکسان و برابر با 0.14 نانومتر هستند. در مورد پیوند یک و دو، این فواصل به ترتیب 0.154 و 0.134 نانومتر خواهد بود. این بدان معناست که هیچ پیوند منفرد یا دوگانه ای در مولکول بنزن وجود ندارد. مولکول بنزن یک چرخه شش عضوی پایدار از گروه‌های CH یکسان است که در یک صفحه قرار دارند. همه پیوندهای بین اتم های کربن در بنزن معادل هستند که ویژگی های مشخصه حلقه بنزن را تعیین می کند. این با فرمول ساختاری بنزن به شکل یک شش ضلعی منظم با دایره ای در داخل (I) با دقت بیشتری منعکس می شود. (دایره نماد هم ارزی پیوندهای بین اتم های کربن است.) با این حال، فرمول Kekulé که نشان دهنده پیوندهای دوگانه (II) است نیز اغلب استفاده می شود.

هیدروکربن های معطر- ترکیبات کربن و هیدروژن که مولکول آنها دارای یک حلقه بنزن است. مهمترین نمایندگان هیدروکربن های معطر بنزن و همولوگ های آن هستند - محصولات جایگزینی یک یا چند اتم هیدروژن در یک مولکول بنزن با بقایای هیدروکربن.

ساختار مولکول بنزن

اولین ترکیب معطر، بنزن، در سال 1825 توسط M. Faraday کشف شد. فرمول مولکولی آن ایجاد شد - C 6 H 6. اگر ترکیب آن را با ترکیب یک هیدروکربن اشباع حاوی همان تعداد اتم کربن - هگزان (C 6 H 14) مقایسه کنیم، می بینیم که بنزن دارای هشت اتم هیدروژن کمتر است. . همانطور که مشخص است، ظهور پیوندها و چرخه های متعدد منجر به کاهش تعداد اتم های هیدروژن در یک مولکول هیدروکربن می شود. در سال 1865، F. Kekule فرمول ساختاری خود را به عنوان سیکلوهگزانترین - 1، 3، 5 پیشنهاد کرد.

بنابراین، مولکول مربوطه فرمول ککوله، حاوی پیوندهای دوگانه است، بنابراین، بنزن باید غیر اشباع باشد، یعنی باید به راحتی تحت واکنش های افزودن قرار گیرد: هیدروژنه شدن، برم شدن، هیدراتاسیون و غیره.

با این حال، داده‌های آزمایش‌های متعدد نشان داده‌اند که بنزن تنها در شرایط سخت (در دمای بالا و روشنایی) وارد واکنش‌های اضافه می‌شود و در برابر اکسیداسیون مقاوم است. مشخص‌ترین واکنش‌ها برای آن واکنش‌های جانشینی است؛ بنابراین، بنزن از نظر خصوصیت به هیدروکربن‌های حاشیه‌ای نزدیک‌تر است.

در تلاش برای توضیح این اختلافات، بسیاری از دانشمندان گزینه های مختلفی را برای ساختار بنزن پیشنهاد کرده اند. ساختار مولکول بنزن در نهایت با واکنش تشکیل آن از استیلن تأیید شد. در واقع، پیوندهای کربن-کربن در بنزن معادل هستند و خواص آنها مشابه پیوندهای تک یا دوگانه نیست.

در حال حاضر، بنزن را یا با فرمول Kekule یا با یک شش ضلعی که در آن یک دایره به تصویر کشیده می شود نشان می دهند.

بنابراین ساختار بنزن چه ویژگی خاصی دارد؟ بر اساس داده ها و محاسبات محققان، این نتیجه حاصل شد که هر شش اتم کربن در یک وضعیت هستند. sp 2 -هیبریداسیون و در یک صفحه دراز بکشید. هیبرید نشده پ-اوربیتال های اتم های کربن که پیوندهای دوگانه را تشکیل می دهند (فرمول Kekule) عمود بر صفحه حلقه و موازی با یکدیگر هستند.

آنها روی یکدیگر همپوشانی دارند و یک سیستم π واحد را تشکیل می دهند. بنابراین، سیستم پیوندهای دوگانه متناوب که در فرمول ککوله نشان داده شده است، یک سیستم چرخه ای از پیوندهای مزدوج و همپوشانی است. این سیستم شامل دو ناحیه حلقوی (دونات مانند) با چگالی الکترونی است که در دو طرف حلقه بنزن قرار دارند. بنابراین، منطقی تر است که بنزن را به عنوان یک شش ضلعی منظم با دایره ای در مرکز (سیستم π) به تصویر بکشیم تا به صورت سیکلوهگزاترین-1،3،5.

دانشمند آمریکایی L. Pauling پیشنهاد کرد که بنزن را به شکل دو ساختار مرزی نشان دهد که در توزیع چگالی الکترون متفاوت است و دائماً به یکدیگر تبدیل می شوند، یعنی آن را یک ترکیب میانی در نظر می گیرند، "متوسط" دو ساختار.

اندازه گیری طول پیوند این فرضیات را تایید می کند. مشخص شد که تمام پیوندهای C-C در بنزن دارای طول یکسانی (0.139 نانومتر) هستند. آنها کمی کوتاهتر از پیوندهای C-C منفرد (0.154 نانومتر) و طولانی تر از پیوندهای دوگانه (0.132 نانومتر) هستند.

همچنین ترکیباتی وجود دارد که مولکول های آنها دارای چندین ساختار حلقوی است.

ایزومریسم و نامگذاری

همولوگ های بنزن توسط ایزومری موقعیت چندین جانشین. ساده ترین همولوگ بنزن - تولوئن (متیل بنزن) - چنین ایزومرهایی ندارد. همولوگ زیر به صورت چهار ایزومر ارائه می شود:

اساس نام یک هیدروکربن معطر با جایگزین های کوچک کلمه است بنزن. اتم های حلقه آروماتیک از بالاترین به پایین ترین جانشین شماره گذاری می شوند:

با توجه به نامگذاری قدیمی، موقعیت های 2 و 6 نامیده می شوند اورتوپوزیشن ها, 4 - جفت-و 3 و 5 - فرا مقررات

مشخصات فیزیکی
در شرایط عادی، بنزن و ساده‌ترین همولوگ‌های آن مایعات بسیار سمی با بوی نامطبوع هستند. آنها در آب ضعیف حل می شوند، اما در حلال های آلی به خوبی حل می شوند.

خواص شیمیایی بنزن

واکنش های جایگزینی. هیدروکربن های آروماتیک تحت واکنش های جایگزینی قرار می گیرند.
1. بروماسیون.هنگام واکنش با برم در حضور یک کاتالیزور، برمید آهن (ΙΙΙ)، یکی از اتم های هیدروژن در حلقه بنزن می تواند با یک اتم برم جایگزین شود:

2. نیتراسیون بنزن و همولوگ های آن. هنگامی که یک هیدروکربن معطر با اسید نیتریک در حضور اسید سولفوریک برهمکنش می کند (مخلوطی از اسیدهای سولفوریک و نیتریک مخلوط نیترات کننده نامیده می شود)، اتم هیدروژن با یک گروه نیترو -NO2 جایگزین می شود:

با کاهش نیتروبنزن تشکیل شده در این واکنش، آنیلین به دست می آید، ماده ای که برای به دست آوردن رنگ های آنیلین استفاده می شود:

این واکنش به نام شیمیدان روسی زینین نامگذاری شده است.
واکنش های اضافهترکیبات معطر نیز می توانند تحت واکنش های افزودن به حلقه بنزن قرار گیرند. در این حالت سیکلوهگزان یا مشتقات آن تشکیل می شود.
1. هیدروژناسیون. هیدروژناسیون کاتالیستی بنزن در دمای بالاتر از هیدروژنه شدن آلکن ها اتفاق می افتد:

2. کلرزنیاین واکنش زمانی رخ می دهد که با نور ماوراء بنفش روشن شود و رادیکال آزاد باشد:

همولوگ های بنزن

ترکیب مولکول های آنها مطابق با فرمول C n H 2 n-6 است. نزدیکترین همولوگهای بنزن عبارتند از:

همه همولوگ های بنزن به دنبال تولوئن دارای ایزومر هستند. ایزومر می تواند هم با تعداد و ساختار جانشین (1، 2)، و هم با موقعیت جانشین در حلقه بنزن (2، 3، 4) مرتبط باشد. ترکیبات فرمول کلی C 8 H 10:

با توجه به نامگذاری قدیمی که برای نشان دادن محل نسبی دو جایگزین یکسان یا متفاوت روی حلقه بنزن استفاده می شود، از پیشوندها استفاده می شود. ارتو- (به اختصار o-) - جایگزین ها در اتم های کربن همسایه قرار دارند، متا(متر-) – از طریق یک اتم کربن و جفت— (پ-) – جانشین در برابر یکدیگر.
اولین اعضای سری همولوگ بنزن مایعاتی با بوی خاص هستند. آنها سبکتر از آب هستند. آنها حلال های خوبی هستند.

همولوگ های بنزن واکنش نشان می دهند تعویض ها (برم، نیتراسیون). تولوئن با گرم شدن توسط پرمنگنات اکسید می شود:

همولوگ های بنزن به عنوان حلال برای تولید رنگ ها، محصولات محافظت از گیاهان، پلاستیک ها و داروها استفاده می شود.

جزوه برای سخنرانی 5

سخنرانی 5

هیدروکربن های معطر

کلمات کلیدی: هیدروکربن های معطر، آرن ها، هیبریداسیون sp2، ابر تک الکترون p، کونژوگاسیون دایره ای، مکانیسم واکنش جایگزینی یونی، جایگزینی الکتروفیل، نیتراسیون، هالوژناسیون، آلکیلاسیون فریدل کرافت، آلکیلاسیون با آلکن ها، هیدروژناسیون، اکسیداسیون.

ساختار مولکول بنزن. معطر بودن

هیدروکربن های آروماتیک (آرن ها) هیدروکربن هایی هستند که مولکول های آنها حاوی یک یا چند حلقه بنزن است.

ساده ترین نماینده هیدروکربن های معطر، بنزن است که فرمول مولکولی آن C 6 H 6 است. ثابت شده است که تمام اتم های کربن در یک مولکول بنزن در یک صفحه قرار دارند و یک شش ضلعی منظم را تشکیل می دهند (شکل 1). هر اتم کربن به یک اتم هیدروژن پیوند دارد. طول تمام پیوندهای کربن-کربن یکسان است و 0.139 نانومتر است.

فرمول های a) و b) در سال 1865 توسط شیمیدان آلمانی آگوست ککوله پیشنهاد شد. علیرغم این واقعیت که آنها ساختار مولکول بنزن را به طور دقیق منتقل نمی کنند، اما امروزه هنوز از آنها استفاده می شود و فرمول Kekulé نامیده می شود.

از نظر تاریخی، نام «هیدروکربن‌های معطر» به این دلیل به وجود آمد که بسیاری از مشتقات بنزن که اولین مشتقات بنزن از منابع طبیعی جدا شده بودند، بوی خوشی داشتند.

در حال حاضر، مفهوم "آروماتیک بودن"، اول از همه، به معنای ماهیت خاص واکنش پذیری مواد است که به نوبه خود با ویژگی های ساختاری مولکول های این ترکیبات تعیین می شود.

این ویژگی ها چیست؟

مطابق با فرمول مولکولی C 6 H 6، بنزن یک ترکیب غیر اشباع است و می توان انتظار داشت که تحت واکنش های افزودن معمولی آلکن ها قرار گیرد. با این حال، در شرایطی که آلکن ها به سرعت تحت واکنش های افزودن قرار می گیرند، بنزن واکنش نشان نمی دهد یا به کندی واکنش نشان می دهد. بنزنواکنش‌های کیفی مشخصه هیدروکربن‌های غیراشباع را نشان نمی‌دهد: آن آب برم و محلول آبی پرمنگنات پتاسیم را تغییر رنگ نمی دهد.

این ماهیت واکنش با حضور یک سیستم مزدوج در حلقه معطر توضیح داده می شود - یک واحد پ-ابر الکترونی

در یک مولکول بنزن، هر اتم کربن در حالت است sp 2هیبریداسیون و با سه مرتبط است س- پیوند با دو اتم کربن و یک اتم هیدروژن. چهارمین الکترون ظرفیت اتم کربن روی آن قرار دارد پ- مداری عمود بر صفحه مولکول. همپوشانی جانبی در مولکول بنزن رخ می دهد آر-اوربیتال های هر اتم کربن با آر-اوربیتال های هر دو اتم کربن همسایه (شکل 2). در نتیجه این جفت شدن، الف ابر تک الکترونی p، واقع در بالا و پایین صفحه از حلقه بنزن - انجام می شود جفت دایره ای.

چنین سیستم چرخه ای با یک ابر مشترک از شش الکترون بسیار پایدار و از نظر انرژی مطلوب است. بنابراین، بنزن ترجیحا وارد آن واکنش هایی می شود که در آن حلقه معطر حفظ می شود.

برنج. 2. ساختار الکترونیکی مولکول بنزن: الف) طرح همپوشانی آر-اوربیتال ها ب) یک ابر الکترونی واحد.

اجازه دهید یک بار دیگر تأکید کنیم که در یک مولکول بنزن تشخیص سه پیوند دوگانه و سه پیوند منفرد غیرممکن است. چگالی الکترون به طور مساوی در مولکول توزیع می شود و همه پیوندهای بین اتم های کربن دقیقاً یکسان هستند. بنابراین، باید به یاد داشته باشیم که فرمول Kekule، که اغلب برای نشان دادن بنزن استفاده می شود، دلخواه است و ساختار واقعی مولکول آن را منعکس نمی کند.

بنابراین، ترکیبات معطر آنهایی هستند که مولکولهای آنها دارای یک گروه حلقوی پایدار با ویژگی پیوند خاص است. این مواد با داشتن فرمول مولکولی که درجه بالایی از اشباع را نشان می دهد، به عنوان غیراشباع واکنش نشان نمی دهند، اما عمدتاً در واکنش های جایگزینی وارد می شوند و در عین حال سیستم معطر را حفظ می کنند.

همولوگ های بنزن،

ایزومریا، نامگذاری

فرمول کلی سری همولوگ هیدروکربن های آروماتیک C n H 2 n -2 است.

نزدیکترین همولوگ بنزن متیل بنزن است. اغلب آنها از نام بی اهمیت آن - تولوئن استفاده می کنند:

بنزن و تولوئن ایزومرهای آروماتیک ندارند. این مواد فقط مشخص می شوند ایزومریسم بین طبقاتی. بنابراین، هیدروکربن‌های غیر حلقوی غیرقابل تبدیل حاوی دو پیوند سه‌گانه یا دو پیوند دوگانه و یک پیوند سه‌گانه در مولکول با فرمول مولکولی C 6 H 6 مطابقت دارند و بنابراین، ایزومر به بنزن هستند، برای مثال:

با شروع با آرن ها با هشت اتم کربن، احتمال ایزومریسم به دلیل وجود دارد ترکیب و آرایش نسبی رادیکال های هیدروکربنیاگر دو جانشین به حلقه بنزن متصل شوند، می توانند در سه موقعیت مختلف نسبت به یکدیگر قرار گیرند: کنار هم (این موقعیت با پیشوند نشان داده می شود. ارتو-، از طریق یک اتم کربن ( متاو در مقابل یکدیگر ( جفت-). دی متیل بنزن، که فرمول های ساختاری آن ایزومرهای آن در زیر آورده شده است، نامی ساده دارد. زایلن

بنابراین، فرمول مولکولی C 8 H 8 مربوط به چهار هیدروکربن آروماتیک ایزومر است:

نوع درس:درس یادگیری مطالب جدید

نوع درس:سخنرانی مشکل ساز

هدف آموزشی اصلی درس:دستیابی به درک محتوای مطالب آموزشی توسط همه دانش آموزان.

اهداف درس آموزی:

تعمیق دانش در مورد هیدروکربن ها؛
با استفاده از بنزن به عنوان مثال، دانش آموزان را با نوع جدیدی از ویژگی پیوند شیمیایی این گروه از ترکیبات آشنا کنید. مفهوم معطر بودن را ارائه دهید.

اهداف رشدی درس:

در دانش آموزان توانایی برجسته کردن موارد اصلی و اساسی در مواد آموزشی ، مقایسه ، تعمیم و نظام مند کردن ، ایجاد روابط علت و معلولی را در دانش آموزان ایجاد کنید.
ارتقاء رشد ویژگی های با اراده و عاطفی فرد؛
توجه ویژه ای به ایجاد علاقه به موضوع و گفتار دانش آموزان داشته باشید.

اهداف آموزشی درس:ترویج شکل گیری ایده های جهان بینی:

مادی بودن جهان؛
تداوم فرآیند شناخت

تجهیزات درسی:

معرفها: بنزن، محلول KMnO 4، آب برم؛
مدل توپ و چوب مولکول بنزن (طبق گفته Kekule)؛
یادداشت های پشتیبانی، جداول.

در طول کلاس ها

اپیگراف برای درس:

"آموزش به میزان دانش نیست،
اما در درک کامل و کاربرد ماهرانه همه چیز
آنچه شما می دانید."
A. Disterweg.

در درس آخر از آنها خواستم که حل مسائل مربوط به یافتن فرمول یک ماده و مشخص کردن مواد طبقات مورد مطالعه را تکرار کنند.

ما مسائل را حل می کنیم تا فرمول مولکولی یک ماده را پیدا کنیم و موادی را که با ترکیب حاصل مطابقت دارند مشخص کنیم.

به تخته سیاه:

دانش آموزان 1+2 (مسائل را با استفاده از کارت حل کنید).

وظیفه شماره 1

فرمول یک ماده حاوی 82.75% کربن و 17.25% هیدروژن را بدست آورید. چگالی بخار نسبی این ماده در هوا 2 است.

وظیفه شماره 2

فرمول مولکولی هیدروکربنی را تعیین کنید که در آن کسر جرمی کربن 7/85 درصد و هیدروژن 3/14 درصد است. چگالی نسبی ماده نسبت به هیدروژن 28 است.

کلاس + دانش آموز در تخته سیاه:

وظیفه شماره 3

فرمول مولکولی ماده ای که کسر جرمی کربن در آن 93.2 درصد است چیست. چگالی نسبی هیدروژن 39 است.

پاسخ: فرمول واقعی C6H6

هنگام حل مسئله سوم، ترکیب C6H6 را به دست آوردیم. این ماده را می توان به کدام یک از کلاس های شناخته شده هیدروکربن ها طبقه بندی کرد؟

ما نمی توانیم این ماده را به هیچ یک از کلاس های هیدروکربن های مورد مطالعه نسبت دهیم.

بنابراین، مشکل!، که ما باید با هم حل کنیم. امروز ما بیایید با گروه جدیدی از هیدروکربن ها به نام آروماتیک آشنا شویم.

موضوع درس: هیدروکربن های معطر (آرن). بنزن. ساختار مولکولی

وظایف اصلی امروز ما:

تعمیق دانش در مورد هیدروکربن ها، گسترش درک از تنوع ترکیبات آلی.
با نوع جدیدی از پیوند شیمیایی مشخصه این گروه از هیدروکربن ها آشنا شوید.

طرح کلی سخنرانی:

آرناها یکی از کلاس های هیدروکربن ها هستند.
تاریخچه کشف بنزن.
ساختار مولکول بنزن
الف) ساختار بنزن طبق ککول.
ب) ایده های مدرن در مورد ساختار الکترونیکی بنزن.
ج) مفهوم هسته معطر و پیوند یک و نیم.

D/z s. 51-53، یادداشت های سخنرانی را تکمیل کنید.

امروز در درس با گروه جدیدی از هیدروکربن ها به نام آروماتیک یا آرن آشنا می شویم.

معطراین هیدروکربن ها به این دلیل نامگذاری شدند که اولین نمایندگان شناخته شده آنها دارای طعمی دلپذیر بودند بو.بعدها معلوم شد که بیشتر مواد شیمیایی هستند خواص متعلق به همین گروه است و بوی معطر ندارد. با این حال، نام مشترک تاریخی برای این ترکیبات تا به امروز با آنها باقی مانده است.

ساده ترین نماینده هیدروکربن های معطر، بنزن است.

کلاس های قبلی هیدروکربن ها بر اساس روابط علت و معلولی مورد مطالعه قرار گرفتند: ترکیب - ساختار - خواص - کاربرد.همین اصل منطقی را فعلا می گذاریم.

ترکیبمواد ما نصب شده است– C 6 H 6 . این بنزن است. بنزن نیز یک هیدروکربن است، اما هیدروکربنی است که اساساً با موارد مورد بحث تفاوت دارد. بنزن چیست؟

بیایید تاریخچه کشف بنزن را دریابیم. (پیام های دانشجویی).

دانش آموز اول

در سال 1825، M. Faraday مایعی متشکل از کربن و هیدروژن را از گاز روشن کننده جدا کرد که در آن زمان در انگلستان از زغال سنگ تولید می شد. چند سال بعد (در سال 1834)

E. Mitscherlich هنگام تقطیر اسید بنزوئیک، ماده ای مشابه با فارادی به دست آورد، آن را بنزین نامید تا بر ارتباط ژنتیکی با بنزوئیک اسید تأکید کند و مشخص کرد که ترکیب عنصری C 6 H 6 (در کشورهای آنگلوساکسون این نام است. هنوز برای بنزن حفظ می شود).

بعدها، J. Liebig توصیه کرد که به این ترکیب یک نام ریشه ای بدهید - بنزن (پایان - ol نشان دهنده شخصیت روغنی آن از لاتین oleim - روغن است). در سال 1845، A.V. Hoffmann برای اولین بار بنزن را از قطران زغال سنگ جدا کرد.

دانش آموز دوم

"تولد" نظریه ساختار بنزن به عنوان یک ترکیب معطر، 27 ژانویه 1865 است، روزی که اطلاعات مربوط به "قانون مواد معطر" در بولتن انجمن شیمی پاریس منتشر شد.

بیایید به مرحله بعدی برویم: بیایید ساختار مولکول بنزن را تعیین کنیم.همانطور که قبلاً مشخص کردیم، بنزن را نمی توان به عنوان یکی از کلاس های شناخته شده هیدروکربن ها طبقه بندی کرد. اما بیایید سعی کنیم تصور کنیم که چه انواع فرمول آن ممکن است وجود داشته باشد:

همچنین می توانید ایزومرهایی را که در موقعیت پیوندهای دوتایی و سه گانه متفاوت هستند به دست آورید.

در حال حاضر ما آنچه به نام است فرضیه کاریبیایید سعی کنیم آن را بررسی کنیم. اگر بتوانیم درستی یکی از ساختارهای پیشنهادی خود را ثابت کنیم، فرضیه به نظریه تبدیل خواهد شد،اگر نه، ما بیشتر فکر می کنیم.

بسیار وجود دارد واکنش سادهکه اجازه می دهدبه سرعت و با اطمینان در دسترس بودن را ایجاد کنید پیوندهای دو یا سه گانهدر هیدروکربن های غیر اشباع کدام؟

این افزودن برم در پیوندهای متعدد است. اگر فرمول سوم را صحیح فرض کنیم، باید ترکیب زیر بدست آید: CH 2 Br-CHBr-CBr 2 -CBr 2 -CH 2 Br-CH 2 Br

کافی است چند بار هیدروکربن غیراشباع را با آب برم تکان دهید تا محلول زرد رنگ شود.

تجربه نمایش.

بنزن را با آب برم تکان دهید - بدون تاثیر!

پس مال ما فرضیات نادرست هستند

می توانید سعی کنید برم را به مولکول بنزن اضافه نکنید، بلکه هیدروژندر شرایط ما این کار قابل انجام نیست. اما اگر این کار در دستگاه خاصی روی یک کاتالیزور انجام شود، می توان هیدروکربنی با فرمول را از بنزن به دست آورد.

اگر روی آن با آب برم عمل کنید - واکنش منفی استسپس باید فرض کنیم که هیدروکربن با6 N 12 دارای ساختار چرخه ای بسته است. این حلقه از شش گروه CH 2 تشکیل شده است:

ظاهرا بنزنیکسان چرخه ای داردساختار و فرمول آن خود را نشان می دهد:

با پیوندهای دوگانه؟ اما آب برم!؟؟؟

ما باید فرضکه سه پیوند دوگانه که در یک حلقه شش عضوی در جای خود قرار گرفته اند به نوعی رفتار می کنند به روشی جدید

فرمول بنزن - یک شش ضلعی با سه پیوند دوگانه - تأیید شده است سنتزبنزن از استیلنسه مولکول استیلن یک حلقه بنزن تولید می کنند. در این حالت، یکی از سه پیوند استیلن، همانطور که بود، با اتم کربن یک مولکول دیگر پیوند ساده ای ایجاد می کند و دو پیوند باقی می ماند. نتیجه تناوب پیوندهای دوگانه و منفرد است.

این یا چیزی شبیه به این، استدلال شیمیدان آلمانی فیدریش آگوست ککوله بود که در سال 1865 برای اولین بار به این نتیجه رسید که بنزن یک شش ضلعی با پیوندهای دوگانه و تکی متناوب است.

فرمول ککوله با طوفانی مواجه شد مناظره ها،که برای چندین دهه فروکش نکرد. در واقع، برخی از خواص بنزن، این فرمول خوب است توضیح داد، و برخی به او مغایرت داشت.

معلوم شد که بنزن هنوز هم می تواند تحت شرایط خاصی، هالوژن ها را اضافه کنیدبه عنوان مثال، شش اتم کلر در هر سه پیوند دوگانه. اما از طرف دیگر اتم ها هیدروژندر بنزن به راحتی می توان جایگزین شده استبه گروه های دیگر (در این مورد بعدا صحبت خواهیم کرد). این توانایی یکی از خواص اصلی بنزن در مجموعه است که به آن می گویند معطر بودن معطر بودن (یعنی توانایی جایگزینی آسان اتم های هیدروژن)به هیچ وجه با فرمول ککوله توضیح داده نمی شود. به علاوه. برای هر بنزن جایگزین شده، با قضاوت در این فرمول، باید وجود داشته باشد دو ایزومر. به عنوان مثال، برای ارتو زایلن این ایزومرها هستند:

هیچ کس واقعا نتوانست منزوی کنددو ایزومر ارتو زایلن خالق تئوری ساختار بنزن باید به فرمول خود "توضیحاتی" می داد. ککوله آن دو را پیشنهاد کرد اتصالات امن نیستدر بنزن و همیشه در حال حرکت.

جنجال - جدال سرسختانهپیرامون تئوری ساختار بنزن متوقف شدهمین چند دهه پیش چه هستند ایده های مدرن در موردالکترونیکی ساختاربنزن؟

شیمیدان آلمانی E. Hückel نظریه مکانیک کوانتومی را برای ترکیبات معطر به کار برد و نشان داد که هر اتم کربن در حالت هیبرید شده SP2 قرار دارد. چه مفهومی داره؟

کلاس(دانش آموز در تخته سیاه).

از چهار الکترون هر کربن، یک الکترون S و دو الکترون P سه اوربیتال ترکیبی SP2 کاملاً یکسان را تشکیل می‌دهند که در یک صفحه با زاویه 120 درجه نسبت به یکدیگر قرار دارند. دو تا از این اوربیتال ها برای همپوشانی با اوربیتال های مشابه دو کربن همسایه و یکی برای تشکیل با اتم هیدروژن استفاده می شود.

همه این الکترون ها تشکیل می شوند هسته الکترونی بنزن

بالا و پایین هر اتم کربن قرار دارد حجم هشت P – الکترون.

حالا بیایید تصور کنیم که در حلقه بنزن هشت الکترون P به صورت جفت وجود دارد همپوشانی "طرفین"آن ها تشکیل سه پیوند دوگانه این مدل الکترونیکی بنزن است که بر روی کاغذ با فرمول Kekule توضیح داده شده است. (نشان دادن مدل توپ و چوب).

اگر فرمول ککوله درست باشد، پس فاصلهدر یک مولکول بنزن بین دو اتم کربن مجاور باید متفاوت باشد: 0.154 نانومتربین اتم هایی که ابرهای p با هم همپوشانی ندارند و 0.133 نانومتربین کربن های محدود شده پ- ارتباط

اما مطالعه بنزن با روش های فیزیکی نشان داد که تمام فواصل مولکول کاملاً یکسان است و طول پیوند C-C برابر است با 0.140 نانومتر،آن ها مقدار متوسط بین طول پیوندهای منفرد و دوگانه. منطقی است که فرض کنیم هر الکترون هشت یک اوربیتال است به طور مساوی همپوشانی داردو همزمان با همان هشت تا از دو همسایه.

هنگامی که بر روی صفحه مولکول قرار می گیرند، این ابرهای الکترونی ظاهر می شوند دایره های همپوشانی(در جدول نشان داده شود). مولکول سه جدا از هم تشکیل نمی دهد پ- اتصالات، و متحد پ– سیستم الکترونیکیشش الکترون مشترک برای همه اتم های کربن. تحت تأثیر این مشترک به مولکول پ- ابر الکترونیکی و فاصله کوتاه خواهد شدبین اتم های کربن 0.154 تا 0.140 نانومتر.

یک مدل مقیاس (حجمی) از مولکول بنزن در جدول (نمایش) ارائه شده است. از آنجایی که چگالی الکترون به طور مساوی در مولکول توزیع می شود، تمام پیوندهای بین اتم های C دقیقاً یکسان هستند.

بنابراین، شیمیایی ارتباطاتدر بنزن، نه تک یا دوتایی، بلکه همانطور که می گویند یک و نیم،در طبیعت متوسط این اتصالات نیز نامیده می شوند معطر،آنها قوی تر پ- اتصالات(به همین دلیل است که آب برم تغییر رنگ نمی دهد - اتم های برم اضافه نمی شوند).

برای نشان دادن یکنواختی توزیع الکتریکی. چگالی در مولکول بنزن، فرمول ساختاری آن اغلب به صورت شش گوش با دایرهداخل:

این ساختار نامیده می شود بنزنیا هسته معطرو هیدروکربن ها، در ترکیب مولکول هایی که دارای یک حلقه معطر هستند، نامیده می شوند هیدروکربن های معطر

در واقع، این ساختار مولکول بنزن شامل ویژگی های ساختاری هر دو ساختار اول و دوم است و نشان دهنده یک سیستم کیفی جدید است. بیایید بر اساس دانش بیولوژیکی شما یک قیاس بسازیم: ترکیبی از اسب و الاغ - قاطر. قاطر دارای ویژگی های هر دو اسب و الاغ است، اما حیوانی کاملا جدید با ویژگی های منحصر به فرد است. و بنابراین، اگر بخواهیم این حیوان را برای شخصی که قاطر ندیده است توصیف کنیم، می توانیم از اسب صحبت کنیم، در مورد الاغ و سپس بگوییم: قاطر چیزی بین این دو است.

اما حتی در حال حاضر آنها اغلب هنوز از فرمول Kekule استفاده می کنند، با توجه به اینکه این فرمول فقط به صورت مشروط ساختار مولکول را منتقل می کند.

بیایید خلاصه کنیم:(تجمیع دانش)