Objectifs de la leçon :

• donner une idée de la liaison aromatique, de ses caractéristiques, établir la relation entre la structure du benzène et ses propriétés ;
• consolider la capacité de comparer la composition et la structure des hydrocarbures de différentes séries ;
• présenter les propriétés physiques du benzène ;
• montrer les effets toxiques des arènes sur la santé humaine.

Plan de la conférence

1. Dérivation de la formule moléculaire et structurale du benzène.
2. Histoire de la découverte du benzène.
3. La formule de Kekule.
4. La structure du benzène.
5. Le concept « d’aromaticité ».
6. L’émergence du terme « composés aromatiques ».
7. Propriétés physiques du benzène.
8. Effets toxiques des arènes sur le corps humain.
9. Renforcement du matériau recouvert.
10. Devoirs.

Au début du cours, je demande aux élèves de résoudre un problème pour en déduire la formule d'une substance.

Tâche. Lorsque 2,5 g de la substance ont été brûlés, 8,46 g de dioxyde de carbone et 1,73 g d'eau ont été libérés. La masse de 1 litre de substance est de 3,5 g. Déterminez la formule moléculaire et structurelle possible de la substance.

En résolvant le problème, les élèves dérivent la formule moléculaire de la substance – C 6 H 6 . Une situation problématique se pose : « Quelle structure peut avoir une molécule de benzène ? Sur la base de leurs connaissances sur les hydrocarbures insaturés, les étudiants proposent des formules développées possibles pour ceux-ci :

C-CH 2 -CH 2 - C CH

H 2 C = CH -C C-CH = CH 2 et autres.

Les élèves concluent que le benzène est un composé hautement insaturé et rappellent les réactions qualitatives à l'insaturation.

J'invite les élèves à tester l'hypothèse de l'insaturation du benzène lors d'une expérience. Après avoir effectué les réactions du benzène avec de l'eau bromée et une solution de permanganate de potassium, les étudiants arrivent à la conclusion que le benzène, étant un système insaturé, ne donne pas de réactions d'insaturation de haute qualité et ne peut donc pas être classé comme un hydrocarbure insaturé. .

Quelle est la structure de la molécule de benzène et à quelle classe d’hydrocarbures peut-elle être classée ?

Avant de répondre à cette question, je fais découvrir aux élèves l’histoire de la découverte du benzène, qui est très intéressante. L'éclairage au gaz est apparu pour la première fois à Londres entre 1812 et 1815. Le gaz éclairant, extrait de la graisse des animaux marins, était livré dans des bouteilles de fer. Ces bouteilles étaient généralement placées au sous-sol de la maison, à partir desquelles le gaz était distribué par des tubes dans toute la pièce. Bientôt, une circonstance extrêmement désagréable a été remarquée : par temps extrêmement froid, le gaz perdait sa capacité à produire une lumière vive lorsqu'il brûlait. Les propriétaires d'une usine à gaz en 1825 se sont tournés vers Faraday pour obtenir des conseils, qui ont découvert que les composants capables de brûler avec une flamme vive sont collectés au fond du cylindre sous la forme d'une couche liquide transparente. En étudiant ce liquide, Faraday a découvert un nouvel hydrocarbure : le benzène. Le nom de cette substance a été donné par Liebig - (le suffixe -ol indique sa nature huileuse, du latin oleum - huile).

En 1865, le scientifique allemand Kekule proposa la structure de la molécule de benzène, dont il rêvait comme un serpent se mordant la queue :

Mais cette formule, bien que correspondant à la composition élémentaire du benzène, ne correspond pas à plusieurs de ses caractéristiques :

• le benzène ne donne pas de réactions qualitatives à l'insaturation ;
• le benzène est caractérisé par des réactions de substitution plutôt que d'addition ;
• La formule de Kekule n'est pas en mesure d'expliquer l'égalité des distances entre les atomes de carbone, qui se produit dans une véritable molécule de benzène.

Pour sortir de cette difficulté, Kekule a admis que dans le benzène il y a un mouvement continu de doubles liaisons.

L'utilisation de méthodes de recherche physiques et quantiques modernes a permis de parvenir à une compréhension globale de la structure du benzène.

Les atomes de carbone de la molécule de benzène sont dans le deuxième état de valence (sp 2). Chaque atome de carbone forme des liaisons avec deux autres atomes de carbone et un atome d'hydrogène situés dans le même plan. Les angles de liaison entre les trois liaisons sont de 120°. Ainsi, les six atomes de carbone se trouvent dans le même plan, formant un hexagone régulier (Fig. 1) :

Riz. 1. Schéma de formation des -connexions
dans une molécule de benzène

Chaque atome de carbone possède une orbitale p non hybride. Six de ces orbitales sont situées perpendiculairement au plan de liaison et parallèles les unes aux autres (Fig. 2). Les six électrons p interagissent les uns avec les autres, formant un nuage d’électrons uniques. Ainsi, une conjugaison circulaire se produit dans la molécule de benzène. La densité électronique la plus élevée dans ce système conjugué se situe au-dessus et en dessous du plan de l'anneau (Fig. 3) :

En raison d'un tel chevauchement uniforme des orbitales 2p des six atomes de carbone, un « alignement » des liaisons simples et doubles se produit - la longueur de la liaison est de 0,139 nm. Cette valeur est intermédiaire entre la longueur d'une simple liaison dans les alcanes (0,154 nm) et la longueur d'une double liaison dans les alcènes (0,133 nm). Autrement dit, la molécule de benzène est dépourvue de liaisons doubles et simples classiques.

La conjugaison circulaire donne un gain d'énergie de 150 kJ/mol. Cette valeur constitue l'énergie de conjugaison - la quantité d'énergie qui doit être dépensée pour perturber le système aromatique du benzène.

Cette structure électronique explique toutes les caractéristiques du benzène. En particulier, la raison pour laquelle il est difficile pour le benzène d'entrer dans les réactions d'addition - cela conduit à une violation de la conjugaison. De telles réactions sont possibles dans des conditions difficiles.

Actuellement, il n’existe pas de manière unique de représenter graphiquement une molécule de benzène en tenant compte de ses propriétés réelles. Mais afin de souligner l'uniformité de la densité électronique dans la molécule de benzène, ils ont recours aux formules suivantes :

Ils utilisent également la formule Kekule, en gardant à l'esprit ses défauts.

L'ensemble des propriétés du benzène est généralement appelé aromatique. De manière générale, le phénomène d'aromaticité a été formulé par le physicien allemand Hückel : un composé doit présenter des propriétés aromatiques si sa molécule contient un anneau plat avec (4n+2) électrons, où n peut prendre les valeurs 0, 1, 2, 3, etc. Selon cette règle, les systèmes contenant 6, 10, 14 électrons sont aromatiques.

Des exemples de tels composés sont le naphtalène (n = 2) et l'anthracène (n = 3).

Après avoir examiné la structure du benzène, nous discutons des réponses aux questions avec les élèves :

1. Le benzène peut-il être classé parmi les hydrocarbures insaturés ? Justifiez votre réponse.
2. À quelle classe d’hydrocarbures appartient le benzène ?
3. Qu’entend-on par le terme « composé aromatique » ?
4. Quels hydrocarbures sont appelés aromatiques ?

Ensuite, je présente aux étudiants l’origine du terme « composés aromatiques ». Je vous informe que ce nom est apparu dans la période initiale du développement de la chimie. Il a été remarqué que les composés benzéniques sont obtenus par distillation de certaines substances (aromatiques) à l'odeur agréable - des résines et des baumes naturels. Cependant, la plupart des composés aromatiques sont inodores ou désagréables. Mais ce terme a été conservé en chimie. Les hydrocarbures aromatiques (arènes) sont des substances dont les molécules contiennent un ou plusieurs cycles benzéniques - des groupes cycliques d'atomes de carbone avec un caractère particulier de liaisons.

Ensuite, les élèves se familiarisent avec les propriétés physiques du benzène en travaillant avec de la littérature pédagogique. Ils savent que le benzène est un liquide et peut également être à l’état de vapeur (lors des tests d’odeur). Je fais découvrir aux élèves le benzène sous forme solide. Le point de fusion du benzène est de 5,5°C. Sur la base de ces informations, je démontre la transformation du benzène liquide en une masse cristalline blanche. Pour ce faire, je mets 4 à 5 ml de benzène dans un tube à essai dans un récipient rempli de neige ou de glace. Après quelques minutes, les élèves observent un changement dans l’état d’agrégation du benzène. Sur la base d'observations, les étudiants suggèrent que cette substance doit avoir un réseau cristallin moléculaire.

J'attire l'attention des élèves sur le fait que le benzène est une substance hautement toxique. L'inhalation de ses vapeurs provoque des étourdissements et des maux de tête. À des concentrations élevées de benzène, des cas de perte de conscience sont possibles. Ses vapeurs irritent les yeux et les muqueuses.

Le benzène liquide pénètre facilement dans le corps par la peau, ce qui peut entraîner une intoxication. Par conséquent, travailler avec le benzène et ses homologues nécessite une attention particulière.

J'utilise le matériel sur le thème « Benzène » pour expliquer les méfaits du tabagisme. Des études sur une substance semblable au goudron obtenue à partir de la fumée de tabac ont montré qu'en plus de la nicotine, elle contient des hydrocarbures aromatiques tels que le benzopyrène,

ayant de fortes propriétés cancérigènes, c'est-à-dire que ces substances agissent comme des agents cancérigènes. Le goudron du tabac, au contact de la peau et des poumons, provoque la formation de tumeurs cancéreuses. Les fumeurs sont plus susceptibles de développer un cancer de la lèvre, de la langue, du larynx et de l'œsophage. Ils sont beaucoup plus susceptibles de souffrir d’angine de poitrine et d’infarctus du myocarde. Je constate qu'un fumeur libère environ 50 % de substances toxiques dans l'espace environnant, créant autour de lui un cercle de « fumeurs passifs » qui développent rapidement des maux de tête, des nausées, un malaise général, puis peuvent développer des maladies chroniques.

A la fin du cours je réalise une enquête frontale sur les questions suivantes :

Devoirs: pp. 55-58, pp. 61 n° 1, 2 d'après le manuel de E. E. Nifantiev, L. A. Tsvetkov « Chemistry 10-11 ».

Structure chimique

Les atomes de carbone dans la molécule de benzène forment un hexagone plat régulier, bien qu’il soit généralement dessiné comme un hexagone allongé.

La structure de la molécule de benzène a finalement été confirmée par la réaction de sa formation à partir de l'acétylène. La formule développée représente trois liaisons carbone-carbone alternées simples et trois doubles. Mais une telle image ne reflète pas la véritable structure de la molécule. En réalité, les liaisons carbone-carbone du benzène sont équivalentes et possèdent des propriétés différentes de celles des liaisons simples ou doubles. Ces caractéristiques s'expliquent par la structure électronique de la molécule de benzène.

Structure électronique du benzène

Chaque atome de carbone d'une molécule de benzène est dans un état d'hybridation sp 2. Il est relié à deux atomes de carbone voisins et à un atome d'hydrogène par trois liaisons y. En conséquence, un hexagone plat se forme : les six atomes de carbone et toutes les liaisons y C--C et C--H se trouvent dans le même plan. Le nuage électronique du quatrième électron (électron p), qui n'est pas impliqué dans l'hybridation, a la forme d'un haltère et est orienté perpendiculairement au plan du cycle benzénique. De tels nuages ​​d'électrons p d'atomes de carbone voisins se chevauchent au-dessus et au-dessous du plan de l'anneau. En conséquence, six électrons p forment un nuage électronique commun et une seule liaison chimique pour tous les atomes de carbone. Deux régions du grand plan électronique sont situées de chaque côté du plan de la liaison y.

Le nuage d’électrons p provoque une réduction de la distance entre les atomes de carbone. Dans une molécule de benzène, ils sont identiques et égaux à 0,14 nm. Dans le cas d'une liaison simple et double, ces distances seraient respectivement de 0,154 et 0,134 nm. Cela signifie qu’il n’y a pas de liaisons simples ou doubles dans la molécule de benzène. La molécule de benzène est un cycle stable à six chaînons de groupes CH identiques situés dans le même plan. Toutes les liaisons entre les atomes de carbone du benzène sont équivalentes, ce qui détermine les propriétés caractéristiques du cycle benzénique. Ceci est reflété le plus précisément par la formule développée du benzène sous la forme d'un hexagone régulier avec un cercle à l'intérieur (I). (Le cercle symbolise l’équivalence des liaisons entre les atomes de carbone.) Cependant, la formule de Kekulé indiquant les doubles liaisons (II) est également souvent utilisée.

Hydrocarbures aromatiques– les composés du carbone et de l’hydrogène dont la molécule contient un noyau benzénique. Les représentants les plus importants des hydrocarbures aromatiques sont le benzène et ses homologues - produits du remplacement d'un ou plusieurs atomes d'hydrogène dans une molécule de benzène par des résidus d'hydrocarbures.

La structure de la molécule de benzène

Le premier composé aromatique, le benzène, fut découvert en 1825 par M. Faraday. Sa formule moléculaire a été établie - C 6 H 6. Si l'on compare sa composition avec la composition d'un hydrocarbure saturé contenant le même nombre d'atomes de carbone - l'hexane (C 6 H 14), alors on peut voir que le benzène contient huit atomes d'hydrogène de moins . Comme on le sait, l'apparition de liaisons et de cycles multiples entraîne une diminution du nombre d'atomes d'hydrogène dans une molécule d'hydrocarbure. En 1865, F. Kekule a proposé sa formule développée comme cyclohexanthriene - 1, 3, 5.

Ainsi, la molécule correspondant La formule de Kekule, contient des doubles liaisons, le benzène doit donc être insaturé, c'est-à-dire qu'il doit facilement subir des réactions d'addition : hydrogénation, bromation, hydratation, etc.

Cependant, les données de nombreuses expériences ont montré que le benzène n'entre dans les réactions d'addition que dans des conditions difficiles (à températures et éclairage élevés) et résiste à l'oxydation. Les réactions les plus caractéristiques sont les réactions de substitution ; le benzène est donc plus proche des hydrocarbures marginaux.

En essayant d'expliquer ces divergences, de nombreux scientifiques ont proposé diverses options pour la structure du benzène. La structure de la molécule de benzène a finalement été confirmée par la réaction de sa formation à partir de l'acétylène. En réalité, les liaisons carbone-carbone du benzène sont équivalentes et leurs propriétés ne sont pas similaires à celles des liaisons simples ou doubles.

Actuellement, le benzène est désigné soit par la formule de Kekule, soit par un hexagone dans lequel un cercle est représenté.

Alors, quelle est la particularité de la structure du benzène ? Sur la base des données et des calculs des chercheurs, il a été conclu que les six atomes de carbone sont dans un état sp 2 -hybridation et se situent dans le même plan. Non hybridé p-les orbitales des atomes de carbone qui composent les doubles liaisons (formule de Kekule) sont perpendiculaires au plan de l'anneau et parallèles entre elles.

Ils se chevauchent, formant un seul système π. Ainsi, le système de doubles liaisons alternées représenté dans la formule de Kekule est un système cyclique de liaisons conjuguées qui se chevauchent. Ce système se compose de deux régions toroïdales (en forme de beignet) de densité électronique situées de chaque côté du cycle benzénique. Ainsi, il est plus logique de représenter le benzène comme un hexagone régulier avec un cercle au centre (système π) plutôt que comme un cyclohexatriène-1,3,5.

Le scientifique américain L. Pauling a proposé de représenter le benzène sous la forme de deux structures limites qui diffèrent par la distribution de la densité électronique et se transforment constamment l'une dans l'autre, c'est-à-dire le considérer comme un composé intermédiaire, « faisant la moyenne » de deux structures.

Les mesures de longueur de liaison confirment ces hypothèses. Il a été constaté que toutes les liaisons C-C du benzène ont la même longueur (0,139 nm). Elles sont légèrement plus courtes que les liaisons simples C-C (0,154 nm) et plus longues que les doubles liaisons (0,132 nm).

Il existe également des composés dont les molécules contiennent plusieurs structures cycliques.

Isomérie et nomenclature

Les homologues du benzène sont caractérisés par isomérie de la position de plusieurs substituants. L'homologue le plus simple du benzène - le toluène (méthylbenzène) - ne possède pas de tels isomères ; l'homologue suivant se présente sous la forme de quatre isomères :

La base du nom d'un hydrocarbure aromatique avec de petits substituants est le mot benzène. Les atomes du cycle aromatique sont numérotés du substituant le plus élevé au plus petit :

Selon l'ancienne nomenclature, les positions 2 et 6 sont appelées orthopositions, 4 - paire-, et 3 et 5 - méta-dispositions.

Propriétés physiques
Dans des conditions normales, le benzène et ses homologues les plus simples sont des liquides très toxiques avec une odeur désagréable caractéristique. Ils se dissolvent mal dans l'eau, mais bien dans les solvants organiques.

Propriétés chimiques du benzène

Réactions de substitution. Les hydrocarbures aromatiques subissent des réactions de substitution.
1. Bromation. Lors de la réaction avec le brome en présence d'un catalyseur, le bromure de fer (ΙΙΙ), l'un des atomes d'hydrogène du cycle benzénique peut être remplacé par un atome de brome :

2. Nitration du benzène et de ses homologues. Lorsqu'un hydrocarbure aromatique interagit avec l'acide nitrique en présence d'acide sulfurique (un mélange d'acides sulfurique et nitrique est appelé mélange nitrant), l'atome d'hydrogène est remplacé par un groupe nitro -NO2 :

En réduisant le nitrobenzène formé dans cette réaction, on obtient l'aniline, une substance utilisée pour obtenir des colorants anilines :

Cette réaction porte le nom du chimiste russe Zinin.
Réactions d'addition. Les composés aromatiques peuvent également subir des réactions d’addition au cycle benzénique. Dans ce cas, il se forme du cyclohexane ou ses dérivés.
1. Hydrogénation. L'hydrogénation catalytique du benzène se produit à une température plus élevée que l'hydrogénation des alcènes :

2. Chloration. La réaction se produit lorsqu’elle est éclairée par une lumière ultraviolette et est un radical libre :

Homologues du benzène

La composition de leurs molécules correspond à la formule C n H 2 n-6. Les homologues les plus proches du benzène sont :

Tous les homologues du benzène après le toluène ont des isomères. L'isomérie peut être associée à la fois au nombre et à la structure du substituant (1, 2), ainsi qu'à la position du substituant dans le cycle benzénique (2, 3, 4). Composés de formule générale C 8 H 10 :

Selon l'ancienne nomenclature utilisée pour indiquer la localisation relative de deux substituants identiques ou différents sur le cycle benzénique, les préfixes sont utilisés ortho- (en abrégé o-) - les substituants sont situés au niveau des atomes de carbone voisins, méta-(m-) – à travers un atome de carbone et paire— (n-) – substituants les uns contre les autres.
Les premiers membres de la série homologue du benzène sont des liquides ayant une odeur spécifique. Ils sont plus légers que l'eau. Ce sont de bons solvants.

Les homologues du benzène réagissent substitutions ( bromation, nitration). Le toluène est oxydé par le permanganate lorsqu'il est chauffé :

Les homologues du benzène sont utilisés comme solvants pour produire des colorants, des produits phytopharmaceutiques, des plastiques et des médicaments.

Document à distribuer pour la leçon 5

Conférence 5

HYDROCARBURES AROMATIQUES

MOTS CLÉS : hydrocarbures aromatiques, arènes, hybridation sp2, nuage d'électrons p unique, conjugaison circulaire, mécanisme de réaction de substitution ionique, substitution électrophile, nitration, halogénation, alkylation de Friedel-Crafts, alkylation avec des alcènes, hydrogénation, oxydation.

STRUCTURE DE LA MOLÉCULE DE BENZÈNE. AROMATICITÉ

Les hydrocarbures aromatiques (arènes) sont des hydrocarbures dont les molécules contiennent un ou plusieurs cycles benzéniques.

Le représentant le plus simple des hydrocarbures aromatiques est le benzène dont la formule moléculaire est C 6 H 6. Il a été établi que tous les atomes de carbone d'une molécule de benzène se trouvent dans le même plan, formant un hexagone régulier (Fig. 1). Chaque atome de carbone est lié à un atome d'hydrogène. Les longueurs de toutes les liaisons carbone-carbone sont les mêmes et s'élèvent à 0,139 nm.

Les formules a) et b) ont été proposées en 1865 par le chimiste allemand August Kekule. Bien qu'elles ne traduisent pas avec précision la structure de la molécule de benzène, elles sont encore utilisées aujourd'hui et sont appelées formules Kekulé.

Historiquement, le nom « hydrocarbures aromatiques » est né du fait que de nombreux dérivés du benzène, les premiers à être isolés de sources naturelles, avaient une odeur agréable.

Actuellement, le concept d '«aromaticité» désigne avant tout la nature particulière de la réactivité des substances, qui, à son tour, est déterminée par les caractéristiques structurelles des molécules de ces composés.

Quelles sont ces fonctionnalités ?

Conformément à la formule moléculaire C 6 H 6, le benzène est un composé insaturé et on peut s'attendre à ce qu'il subisse des réactions d'addition typiques des alcènes. Cependant, dans des conditions dans lesquelles les alcènes subissent rapidement des réactions d'addition, le benzène ne réagit pas ou réagit lentement. Benzène ne donne pas de réactions qualitatives caractéristiques des hydrocarbures insaturés : il ne décolore pas l'eau bromée et une solution aqueuse de permanganate de potassium.

Cette nature de réactivité s'explique par la présence d'un système conjugué dans le cycle aromatique - un seul p-nuage d'électrons.

Dans une molécule de benzène, chaque atome de carbone est dans l'état épisode 2-hybridation et est lié par trois s-des liaisons avec deux atomes de carbone et un atome d'hydrogène. Le quatrième électron de valence de l'atome de carbone est situé sur p-orbitale perpendiculaire au plan de la molécule. Un chevauchement latéral se produit dans la molécule de benzène r-orbitales de chaque atome de carbone avec r-orbitales des deux atomes de carbone voisins (Fig. 2). Suite à ce couplage, un nuage unique d'électrons p, situé au-dessus et au-dessous du plan du cycle benzénique - est effectué compagnon circulaire.

Un tel système cyclique avec un nuage commun de six électrons est très stable et énergétiquement favorable ; Par conséquent, le benzène entre préférentiellement dans les réactions dans lesquelles le noyau aromatique est conservé.

UN

b

Riz. 2. Structure électronique de la molécule de benzène : a) schéma de chevauchement r-orbitales ; b) un seul nuage d'électrons p.

Soulignons encore une fois que dans une molécule de benzène il est impossible de distinguer trois liaisons doubles et trois liaisons simples. La densité électronique est répartie uniformément dans la molécule et toutes les liaisons entre les atomes de carbone sont exactement les mêmes. Par conséquent, nous devons nous rappeler que la formule de Kekule, souvent utilisée pour décrire le benzène, est arbitraire et ne reflète pas la structure réelle de sa molécule.

Ainsi, les composés aromatiques sont ceux dont les molécules contiennent un groupe cyclique stable avec un caractère de liaison particulier. Ayant une formule moléculaire indiquant un degré élevé d'insaturation, ces substances ne réagissent cependant pas comme insaturées, mais entrent principalement dans des réactions de substitution tout en maintenant le système aromatique.

HOMOLOGUES DU BENZÈNE,

ISOMERIE, NOMENCLATURE

La formule générale de la série homologue des hydrocarbures aromatiques est C n H 2 n -2.

L'homologue le plus proche du benzène est le méthylbenzène. Le plus souvent, ils utilisent son nom trivial - toluène :

Le benzène et le toluène n'ont pas d'isomères aromatiques. Ces substances sont caractérisées uniquement isomérie interclasse. Ainsi, les hydrocarbures non cycliques non convertibles contenant deux triples ou deux doubles liaisons et une triple liaison dans la molécule correspondent à la formule moléculaire C 6 H 6 et, par conséquent, sont isomères du benzène, par exemple :

À partir des arènes comportant huit atomes de carbone, la possibilité d'une isomérie apparaît en raison de composition et disposition relative des radicaux hydrocarbonés. Si deux substituants sont connectés au cycle benzénique, alors ils peuvent être dans trois positions différentes l'un par rapport à l'autre : côte à côte (cette position est désignée par le préfixe ortho-), à travers un atome de carbone ( méta-), et l'un en face de l'autre ( paire-). Le diméthylbenzène, dont les formules développées sont indiquées ci-dessous, a un nom trivial xylène

Ainsi, la formule moléculaire C 8 H 8 correspond à quatre hydrocarbures aromatiques isomères :

Type de cours : leçon d'apprentissage de nouveau matériel.

Type de cours : conférence problématique.

L'objectif didactique principal de la leçon : parvenir à la compréhension du contenu du matériel pédagogique par tous les étudiants.

Objectifs d'apprentissage de la leçon :

• approfondir les connaissances sur les hydrocarbures ;
• présenter aux élèves un nouveau type de liaison chimique caractéristique de ce groupe de composés, en prenant le benzène comme exemple ; donner la notion d'aromaticité ;

Objectifs de développement de la leçon :

• développer chez les élèves la capacité de mettre en évidence les éléments principaux et essentiels du matériel pédagogique, de comparer, de généraliser et de systématiser, d'établir des relations de cause à effet ;
• promouvoir le développement des qualités volontaires et émotionnelles de l'individu ;
• Accordez une attention particulière au développement de l'intérêt pour le sujet et le discours des étudiants.

Objectifs pédagogiques de la leçon : promouvoir la formation d'idées de vision du monde :

• matérialité du monde ;
• continuité du processus cognitif.

Matériel de cours :

• réactifs : benzène, solution de KMnO 4, eau bromée ;
• modèle boule et bâton de la molécule de benzène (selon Kekule) ;
• notes justificatives, tableaux.

Progression de la leçon

Épigraphe de la leçon :

"L'éducation n'est pas une question de quantité de connaissances,
mais en pleine compréhension et application habile de tout
ce que tu sais."
A. Disterweg.

Dans la dernière leçon, je leur ai demandé de répéter la solution de problèmes pour trouver la formule d'une substance et caractériser les substances des classes étudiées.

Nous résolvons des problèmes pour trouver la formule moléculaire d'une substance et caractérisons les substances qui correspondent à la composition résultante.

Au tableau :

1+2 élèves (résoudre des problèmes à l'aide de cartes).

TÂCHE N°1

Dérivez la formule d’une substance contenant 82,75 % de carbone et 17,25 % d’hydrogène. La densité relative de vapeur de cette substance dans l'air est de 2.

TÂCHE N°2

Déterminer la formule moléculaire d'un hydrocarbure dans laquelle la fraction massique de carbone est de 85,7 % et l'hydrogène de 14,3 %. La densité relative de la substance par rapport à l'hydrogène est de 28.

Classe + élève au tableau :

TÂCHE N°3

Quelle est la formule moléculaire d'une substance dans laquelle la fraction massique de carbone est de 93,2 %. La densité relative de l'hydrogène est de 39.

Réponse : vraie formule C6H6

En résolvant le troisième problème, nous avons obtenu la composition C6H6. Dans laquelle des classes connues d’hydrocarbures cette substance peut-elle être classée ?

Nous ne pouvons attribuer cette substance à aucune des classes d’hydrocarbures étudiées.

Voilà donc le problème ! que nous devons résoudre ensemble. Aujourd'hui, nous Faisons connaissance avec un nouveau groupe d'hydrocarbures appelés aromatiques.

SUJET DE LA LEÇON : Hydrocarbures aromatiques (arènes). Benzène. Structure moléculaire.

Nos principales missions aujourd'hui :

1. Approfondir les connaissances sur les hydrocarbures, élargir la compréhension de la diversité des composés organiques.
2. Familiarisez-vous avec un nouveau type de liaison chimique caractéristique de ce groupe d'hydrocarbures.

Plan du cours :

1. Les arènes sont l'une des classes d'hydrocarbures.
2. Histoire de la découverte du benzène.
3. La structure de la molécule de benzène.
   a) la structure du benzène selon Kekul ;
   b) des idées modernes sur la structure électronique du benzène ;
   c) la notion de noyau aromatique et de liaisons une et demie.

D/zs. 51-53, préparer des notes de cours.

Aujourd'hui, dans la leçon, nous allons nous familiariser avec un nouveau groupe d'hydrocarbures appelés aromatiques ou arènes.

Aromatique ces hydrocarbures ont été nommés parce que leurs premiers représentants connus avaient une agréable odeur. Plus tard, il s'est avéré que la plupart des substances chimiquement les propriétés appartiennent au même groupe et n’ont pas d’odeur aromatique. Cependant, le nom commun historiquement établi pour ces composés est resté avec eux jusqu'à ce jour.

Le représentant le plus simple des hydrocarbures aromatiques est le benzène.

Les classes précédentes d’hydrocarbures ont été étudiées sur la base de relations de cause à effet : composition – structure – propriétés – application. Nous garderons désormais ce même principe logique.

Composé substances que nous installé– C6H6. C'est du benzène. Le benzène est également un hydrocarbure, mais un hydrocarbure fondamentalement différent de ceux évoqués. Qu’est-ce que le benzène ?

Découvrons l'histoire de la découverte du benzène. (Messages des étudiants).

1er élève.

En 1825, M. Faraday isolait un liquide composé de carbone et d'hydrogène du gaz éclairant, qu'on produisait alors en Angleterre à partir du charbon. Quelques années plus tard (en 1834)

E. Mitscherlich, en distillant l'acide benzoïque, obtint une substance identique à celle de Faraday, l'appela essence afin de souligner le lien génétique avec l'acide benzoïque, et établit qu'elle avait la composition élémentaire C 6 H 6 (dans les pays anglo-saxons ce nom est toujours retenu pour le benzène ).

Plus tard, J. Liebig a recommandé de donner à ce composé un nom racine - benzène (la terminaison - ol indique son caractère huileux du latin oleim - huile). En 1845, A.V. Hoffmann isola pour la première fois le benzène du goudron de houille.

2ème élève.

L'« anniversaire » de la théorie de la structure du benzène en tant que composé aromatique est le 27 janvier 1865, jour où des informations sur la « Constitution des substances aromatiques » ont été publiées dans le Bulletin de la Société Chimique de Paris.

Passons à l'étape suivante : Établissons la structure de la molécule de benzène. Comme nous l'avons déjà déterminé, le benzène ne peut être classé parmi les classes connues d'hydrocarbures. Mais essayons d’imaginer quelles variantes de sa formule il pourrait y avoir :

Vous pouvez également proposer des isomères qui diffèrent par la position des doubles et triples liaisons.

Nous avons maintenant ce qu'on appelle hypothèse de travail. Essayons de le vérifier. Si nous pouvons prouver l'exactitude de l'une de nos structures proposées, l'hypothèse se transformera en théorie, sinon, nous réfléchirons plus loin.

Il y a très réaction simple lequel permetétablir la disponibilité de manière rapide et fiable liaisons doubles ou triples dans les hydrocarbures insaturés. Lequel?

Il s'agit de l'ajout de brome au niveau de liaisons multiples. Si nous supposons que la 3ème formule est correcte, alors le composé suivant devrait être obtenu : CH 2 Br-CHBr-CBr 2 -CBr 2 -CH 2 Br-CH 2 Br

Il suffit de secouer plusieurs fois l'hydrocarbure insaturé avec de l'eau bromée et la solution jaune se décolorera.

Expérience de démonstration.

Agiter le benzène avec de l'eau bromée - aucun effet !

Alors le nôtre les hypothèses sont incorrectes.

Vous pouvez essayer d'ajouter non pas du brome à la molécule de benzène, mais hydrogène. Dans nos conditions, cela ne peut pas être fait. Mais si cela est fait dans un appareil spécial sur un catalyseur, alors un hydrocarbure de formule peut être obtenu à partir du benzène

Si vous agissez dessus avec de l'eau bromée - la réaction est négative. Il reste alors à supposer que l'hydrocarbure AVEC6N 12 a une structure cyclique fermée. Cet anneau est constitué de six groupes CH 2 :

Apparemment benzène Même a un cyclique structure. Et la formule se suggère d’elle-même :

Avec des doubles liaisons ? Mais de l'eau bromée !???

Nous devons supposer que trois doubles liaisons réunies en un seul anneau à six chaînons se comportent d'une manière ou d'une autre d'une manière nouvelle.

La formule du benzène - un hexagone avec trois doubles liaisons - est confirmée synthèse benzène de l'acétylène. Trois molécules d'acétylène produisent un cycle benzénique. Dans ce cas, l'une des trois liaisons acétylène, pour ainsi dire, va former une simple liaison avec l'atome de carbone d'une autre molécule, et il en reste deux. Le résultat est une alternance de liaisons doubles et simples.

C’est, ou quelque chose comme ça, le raisonnement du chimiste allemand Fiedrich August Kekule quand, en 1865, il arriva pour la première fois à la conclusion suivante : Le benzène est un hexagone avec une alternance de liaisons doubles et simples.

La formule de Kekule a rencontré un accueil houleux des débats, qui ne s'est pas atténuée pendant plusieurs décennies. En effet, certaines propriétés du benzène, cette formule est bonne expliqué, et certains à elle contredit.

Il s'est avéré que le benzène peut encore, sous certaines conditions, ajouter des halogènes par exemple, six atomes de chlore sur les trois doubles liaisons. Mais d'un autre côté, les atomes hydrogène dans le benzène peut très facilement être remplacéà d'autres groupes (nous en reparlerons plus tard). Cette capacité est l’une des principales propriétés du benzène dans le complexe, appelé l'aromaticité. Aromaticité (c'est-à-dire capacité facile à remplacer les atomes d'hydrogène) n'est en aucun cas expliqué par la formule de Kekule. Suivant. Pour chaque benzène disubstitué, à en juger par cette formule, il doit exister deux isomères. Par exemple, pour l'orthoxylène, ce sont les isomères :

Personne vraiment je n'ai pas pu isoler deux isomères de l'ortho-xylène. Le créateur de la théorie de la structure du benzène a dû apporter des « clarifications » à sa formule. Kekule a suggéré de doubler les connexions ne sont pas sécurisées dans le benzène, et tout le temps mobile.

Controverse autour de la théorie de la structure du benzène arrêté il y a seulement quelques décennies. Que sont idées modernes surélectronique structure benzène?

Le chimiste allemand E. Hückel a appliqué la théorie de la mécanique quantique aux composés aromatiques et a montré que chaque atome de carbone est dans un état hybridé SP². Qu'est-ce que ça veut dire?

Classe(élève au tableau).

Parmi les quatre électrons de chaque carbone, un électron S et deux électrons P forment trois SP² - orbitales hybrides complètement identiques qui se trouvent dans le même plan à un angle de 120° l'une par rapport à l'autre. Deux de ces orbitales sont utilisées pour se chevaucher avec les mêmes orbitales de deux carbones voisins, et une est utilisée pour se former avec un atome d'hydrogène.

Tous ces électrons forment noyau électronique du benzène.

Au-dessus et en dessous de chaque atome de carbone se trouve tome huit P – électron.

Imaginons maintenant que dans le cycle benzénique il y ait huit électrons P par paires. chevaucher les "côtés" ceux. former trois doubles liaisons. Il s'agit du modèle électronique du benzène, décrit sur papier par la formule de Kekule. (montrer le modèle boule et bâton).

Si la formule de Kekule est correcte, alors distance dans une molécule de benzène entre deux atomes de carbone adjacents doit être différent : 0,154 nm entre des atomes dont les nuages ​​p ne se chevauchent pas et 0,133 nm entre carbones liés P.- communication.

Mais l'étude du benzène par des méthodes physiques a montré que toutes les distances dans la molécule sont strictement identiques et que la longueur de la liaison C – C est égale à 0,140 nm, ceux. la valeur moyenne entre les longueurs des liaisons simples et doubles. Il est logique de supposer que chaque électron huit est une orbitale se chevauche également et simultanément avec les mêmes huit de deux voisins.

Lorsqu'ils sont projetés sur le plan de la molécule, ces nuages ​​​​d'électrons apparaîtront cercles qui se chevauchent(afficher dans le tableau). La molécule ne forme pas trois P.- les connexions, et uni P.– système électronique de six électrons communs à tous les atomes de carbone. Sous l'influence de ce commun à la molécule P.- cloud électronique et la distance sera raccourcie entre les atomes de carbone 0,154 à 0,140 nm.

Un modèle à l'échelle (volume) de la molécule de benzène est présenté dans le tableau (montrer). Puisque la densité électronique est répartie uniformément dans la molécule, toutes les liaisons entre les atomes de C s’avèrent être exactement les mêmes.

Ainsi, chimique communications en benzène, pas simple ni double, mais comme on dit un et demi, de nature intermédiaire. Ces connexions sont également appelées aromatique, Ils plus fort P.– les connexions(c'est pourquoi l'eau bromée n'est pas décolorée - aucun atome de brome n'est ajouté).

Montrer l’uniformité de la distribution électrique. La densité dans la molécule de benzène, sa formule développée est souvent représentée comme hexagone avec cercleà l'intérieur:

Cette structure est appelée benzène ou noyau aromatique. Et les hydrocarbures, dans la composition de molécules contenant un noyau aromatique, sont appelés hydrocarbures aromatiques.

En fait, cette structure de la molécule de benzène contient les caractéristiques structurelles de la première et de la deuxième structure et représente un système qualitativement nouveau. Faisons une analogie basée sur vos connaissances biologiques : un hybride d'un cheval et d'un âne - un mulet. Le mulet contient les caractéristiques du cheval et de l’âne, mais il s’agit d’un animal complètement nouveau avec des caractéristiques qui lui sont propres. Et donc, si l'on veut décrire cet animal à une personne qui n'a jamais vu de mulet, on peut parler de cheval, d'âne, et ensuite dire : un mulet est quelque chose entre les deux.

Mais même maintenant, ils utilisent encore souvent la formule de Kekulé, sachant qu'elle ne transmet que de manière conditionnelle la structure de la molécule.

Résumons :(consolidation des connaissances)

1. Quels hydrocarbures sont appelés aromatiques ?
2. Quel type d’hybridation est caractéristique du noyau aromatique ?
3. Qu'est-ce qu'un cycle benzénique ?
4. Comment est un célibataire P.- connexion?
5. Quels sont les angles entre les directions des liaisons dans le cycle aromatique ?
6. Quelle est la distance entre les atomes de carbone ?
7. Quelles liaisons sont dites aromatiques (une et demie) ?

La leçon est terminée ! Au revoir!