BENZEN: POVIJEST, STRUKTURA, SVOJSTVA, DERIVATI, UPORABE - KEMIJA - 2025

Benzen je organski spoj koji se sastoji od jednog od najjednostavnijih svih aromatskih ugljikovodika. Njegova kemijska formula je C ₆ H ₆, koje je poznato da je omjer između atoma ugljika i vodika jednak 1; to znači da za svaki ugljik postoji vodik povezan s njim.

Iako je fizički izgled bezbojne tekućine, prirodno se nalazi u nafti i naftnim proizvodima. Njegov je miris vrlo karakterističan, jer podsjeća na mješavinu ljepila, bitumena i benzina; s druge strane, to je isparljiva i zapaljiva tekućina.

Boca s benzenom. Izvor: Air1404

Slika iznad prikazuje spremnik ili bocu s benzenom, vjerojatno neanalitičke čistoće. Ako se ne otkriju, pare benzena odmah bi se širile u laboratoriju. Zbog toga se s ovom tekućinom, koja se obično koristi kao jednostavno otapalo, rukuje unutar kapuljače.

Kemičari iz XIX stoljeća bili su njegova formula C ₆ H ₆ podignute brojne moguće strukture koje bi odgovarale navedenom omjeru C / H jednake 1. Ne samo to, već je i molekula benzena morala imati posebne veze na takav način da se to može objasniti njegova neobična stabilnost protiv reakcija dodavanja; tipično za alkene i poliene.

Stoga su njihove veze predstavljale enigmu za kemičare toga vremena; sve dok nije uvedeno svojstvo zvano aromatičnost. Prije nego što se smatra heksaciklotrienom (s tri C = C veze), benzen je mnogo više od toga, a to je još jedan od mnogih primjera sinergije u kemiji.

U organskoj kemiji benzen je klasičan simbol, strukturna osnova više poliaromatskih spojeva. Iz šestokuta se dobivaju beskrajni derivati ​​aromatskom elektrofilnom supstitucijom; prsten s čijih je rubova ispletena struktura koja definira nove spojeve.

U stvari, njegovi su derivati ​​posljedica ogromne industrijske uporabe za koju im je potreban benzen kao sirovina. Od pripreme ljepila i tekstilnih vlakana, do plastike, gume, pigmenata, lijekova i eksploziva. S druge strane, benzen se prirodno nalazi u vulkanima, divljini požara, benzinu i u dimu cigarete.

Povijest

Otkriće i imena

Njegovo otkriće datira iz 1825. godine, obično se pripisuje Michaelu Faradayu, kada je sakupljao i vršio eksperimente s preostalim naftnim proizvodom plina koji se koristio za rasvjetu. Ta tekućina je sadržavala omjer C / H blizu 1, zbog čega ga je nazvala "karburiranim vodikom".

Kemičar Auguste Laurent neobično je ugljikovodik nazvao "feno", izveden iz grčke riječi "phaínein" što znači svijetla (jer je dobivena nakon izgaranja plina). Međutim, to ime znanstvena zajednica nije prihvatila i prevladavalo je samo kao 'fenil', a odnosi se na radikal koji potiče od benzena.

Kemičar Eilhard Mitscherlich iz benzoinske gume, devet godina kasnije, uspio je proizvesti isti spoj; Stoga je postojao drugi izvor za isti ugljikovodik koji je krštavao kao 'benzin'. Međutim, također nisu smatrali prikladnim imenom pretpostaviti da je u pitanju alkaloid, poput kinina.

Stoga su naziv 'benzin' zamijenili s 'benzol'. Međutim, opet je došlo do proturječnosti i odstupanja zbog činjenice da je izraz 'benzol' zbunio ugljikovodik za alkohol. Tada se rodilo ime 'benzen', koji se prvo koristio u Francuskoj i Engleskoj.

Industrijska proizvodnja

Ni plin za rasvjetu, ni benzoinska guma nisu bili prikladni izvori za stvaranje benzena u velikoj mjeri. Charles Mansfield, radeći s Augustom Wilhelmom von Hofmannom, uspio je 1845. izolirati benzen (dvadeset godina nakon njegovog otkrića) iz ugljenog katrana, sporednog proizvoda proizvodnje koksa.

Tako je započela industrijska proizvodnja benzena iz ugljenog katrana. Dostupnost benzena u masivnim količinama olakšala je proučavanje njegovih kemijskih svojstava i omogućila mu da se poveže s drugim spojevima slične reaktivnosti. Sam August Wilhelm von Hofmann skovao je riječ "aromatičan" za benzen i srodne spojeve.

Povijesne strukture

San Kegulea Kekuléa

Friedrich August Kekulé zaslužan je za šesterokutnu i cikličku strukturu benzena oko 1865. godine, nastao iz čudnog sna s Uroborosom, zmijom koja ugrize vlastiti rep crtajući krug. Stoga je vjerovao da se benzen može smatrati šesterokutnim prstenom, a drugi kemičari podigli su moguće strukture, koje su prikazane u nastavku:

Strukture za benzenski prsten predložen kroz povijest. Izvor: Jü

Neke od viših struktura mogle bi objasniti stabilnost benzena.

Knjiga, prstenovi i prizme

Imajte na umu da treća struktura nije ni prsten, već trokutasta prizma, koju je 1869. predložio Albert Ladenburg; s lijeve strane, jedna u obliku otvorene knjige, koju je 1867. predložio sir James Dewar; i s desne strane onaj sa svim vodikom usmjerenim prema središtu prstena, koji je 1887. predložio Henry Edward Armstrong.

Prva struktura, koju je 1867. predložio Adolf Karl Ludwig Claus, također je prilično osebujna, budući da su CC veze ukrštene. I posljednji je bio Kekuléov „zmijski“ prsten o kojem se sanjalo 1865. godine.

Koji je bio "pobjednik"? Peta struktura (s lijeva na desno), koju je 1899. predložio Johannes Thiele.

Pri tome je prvi put razmotren rezonantni hibrid, koji je kombinirao dvije Kekulé strukture (okrenite prvi prsten s desne strane kako bi ga promatrali) i neobično objasnio delokalizaciju elektrona, a s njim i do tada neobičnu stabilnost benzena.

Struktura benzena

Aromatični benzenski prsten. Izvor: Benjah-bmm27

Iznad je struktura koju je Thiele predložio koristeći model sfera i šipki.

Molekula benzena je ravna, a atomi vodika su usmjereni prema van od strane prstena. Svi atomi ugljika imaju sp ² hibridizaciju, s p orbitalom na raspolaganju za uspostavljanje aromatskog sustava u kojem se 6 elektrona radikalizira.

Te sp ² ugljika su elektro od vodika, pa bivši povući elektronska gustoća potonje (C _sp2 ^δ- H ^{δ +}). Slijedom toga, središte prstena ima veću koncentraciju elektrona od njegovih strana.

Preciznije, aromatski sustav može biti predstavljen u obliku oblaka ili elektroničkog jastučića koji se širi s obje strane šesterokutnog prstena; a u sredini, sa strana ili rubova, elektronički nedostatak sastavljen od vodika s pozitivnim djelomičnim nabojem.

Zahvaljujući raspodjeli električnih naboja, molekule benzena mogu međusobno komunicirati putem dipol-dipolnih sila; H ^{δ +} atomi privlače se u aromatično središte susjednog prstena (to će biti predstavljeno u nastavku).

Također, aromatični centri mogu biti postavljeni jedan na drugi kako bi se potaknula indukcija trenutačnih dipola.

rezonancija

Strukture i rezonancijski hibrid benzena. Izvor: Edgar181 iz Wikipedije.

Dvije Kekulé strukture prikazane su na vrhu slike, a ispod njih, rezonantni hibrid. Budući da se dvije strukture pojavljuju iznova i iznova u isto vrijeme, hibrid je predstavljen krugom ucrtanim u sredini (slično kao "šesterokutni krof").

Hibridni krug važan je jer ukazuje na aromatični karakter benzena (i mnogih drugih spojeva). Nadalje, ističe da veze nisu dugačke poput CC niti su kratke kao C = C; prije, njihova je duljina između obje krajnosti. Stoga se benzen ne smatra polienom.

Prethodno je pokazano mjerenjem duljina CC (139 pm) veza benzena, koje su nešto izduženije od CH (109 pm) veza.

kristali

Orthorhombic kristalna struktura benzena. Izvor: Ben Mills

Benzen je tekućina na sobnoj temperaturi. Njegove intermolekularne sile znače da, iako nema tako izražen dipolni trenutak, on može svoje molekule držati zajedno u tekućini koja ključa na 80 ° C. Kad temperatura padne ispod 5 ° C, benzen počinje smrzavati: i time se dobivaju odgovarajući kristali.

Benzenski prstenovi mogu u svojoj krutini usvojiti određene strukturne uzorke. Njihovi dipoli uzrokuju da se "naginju" ulijevo ili udesno, tvoreći redove koje može reproducirati ortorombicna jedinica stanice. Dakle, kristali benzena su ortorombični.

Na gornjoj slici primjetite da naginjanje prstenova pogoduje interakcijama između H ^{δ +} i aromatičnih centara, spomenutih u prethodnim pododjeljcima.

Svojstva

Molekularna masa

78.114 g / mol.

Fizički izgled

Bezbojna tekućina sa mirisom benzina.

Vrelište

80 ° C.

Talište

5,5 ° C.

točka paljenja

-11ºC (zatvorena čaša).

Temperatura automatskog paljenja

497,78 ° C.

Gustoća

0,8765 g / ml pri 20 ° C.

Topljivost

U litri kipuće vode jedva se otopi 3,94 g benzena. Njegov apolarni karakter čini ga praktički nemjerljivim s vodom. Međutim, može se miješati s drugim otapalima, poput etanola, etera, acetona, ulja, kloroforma, tetraklorida ugljika, itd.

Gustoća pare

2.8 u odnosu na zrak (to jest, gotovo tri puta gusto).

Tlak pare

94,8 mm Hg pri 25 ° C.

Toplina izgaranja

-3267,6 kJ / mol (za tekući benzen).

Toplina isparavanja

33,83 kJ / mol.

Površinska napetost

28,22 mN / m na 25 ° C.

Indeks loma

1,5011 na 20 ° C.

derivati

Vodikovi benzena mogu se zamijeniti drugim skupinama ili atomima. Može postojati jedna ili više supstitucija, povećavajući stupanj supstitucije dok ne ostane niti jedan od originalnih šest vodika.

Na primjer, pretpostavimo da je benzen Ph-H, gdje je H bilo koji od njegovih šest vodika. Sjećajući se da centar prstena ima veću gustoću elektrona, on privlači elektrofile koji napadaju prsten da zamijene H u reakciji koja se naziva elektrofilna aromatska supstitucija (SEAr).

Ako je ovaj H zamijenjen s OH, imat ćemo Ph-OH, fenol; zamijenjen sa CH ₃, Ph-CH ₃, toluen; ako je NH ₂, Ph-NH ₂, anilin; ili ako je CH ₂ CH ₃, Ph-CH ₂ CH ₃, etilbenzen.

Derivati ​​mogu biti jednaki ili toksičniji od benzena, ili naprotiv, mogu postati toliko složeni da imaju poželjan farmakološki učinak.

Prijave

To je dobro otapalo za široku lepezu spojeva, na primjer u bojama, lakovima, ljepilima i premazima.

Isto tako, u njemu se mogu rastopiti ulja, masti ili voskovi, zbog čega se koristi kao otapalo za ekstrakciju esencija. Ovo svojstvo Ludwig Roselius iskoristio je 1903. za kavu bez kofeina, postupak koji je već u upotrebi zbog toksičnosti benzena. Isto tako, u prošlosti je korištena za odmašćivanje metala.

U jednoj od svojih klasičnih primjena, ne djeluje kao otapalo, već kao aditiv: povećava oktanski broj benzina, zamjenjujući olovo u tu svrhu.

Derivati ​​benzena mogu imati različite namjene; neki služe kao pesticidi, maziva, deterdženti, plastika, eksploziv, parfemi, boje, ljepila, lijekovi itd. Ako se u njegovoj strukturi opazi benzenski prsten, vrlo je vjerojatno da je njegova sinteza krenula od benzena.

Među njegove najvažnije derivate spadaju: kumen, ksilen, anilin, fenol (za sintezu fenolnih smola), benzojeva kiselina (konzervans), cikloheksan (za sintezu najlona), nitrobenzen, resorcinol i etilbenzen.

Nomenklatura

Nomenklatura derivata benzena varira ovisno o stupnju supstitucije, kakve su skupine supstituenta i njihovom relativnom položaju. Tako se benzen može podvrgnuti zamjenama mono, di, tri, tetra, itd

Kad su dvije skupine povezane sa susjednim ugljenikom, upotrebljava se naziv "orto"; ako između njih razdvaja ugljik, 'meta'; a ako su ugljikovi u suprotnim položajima, 'para'.

Slike dolje prikazuju primjere derivata benzena s njihovim nazivima kojima upravlja IUPAC. Prate ih i uobičajena ili tradicionalna imena.

Monoderivi benzena. Izvor: Gabriel Bolívar.

Ostali derivati ​​benzena. Izvor: Gabriel Bolívar.

Imajte na umu da u tri supstituiranog benzena orto, para i meta pokazatelji više nisu korisni.

Toksičnost

Benzen je spoj s kojim se mora postupati pažljivo. S obzirom na poseban miris, neposredni negativni učinci mogu biti gušenje, vrtoglavica, glavobolja, drhtanje, pospanost, mučnina, pa čak i smrt (s velikom izloženošću). Ako se guta, osim već spomenutog, može uzrokovati jake bolove u želucu i napadaje.

Pored toga, dugoročni učinci pod stalnim izlaganjem ovoj tekućini su kancerogeni; povećava šanse da će pojedinac bolovati od neke vrste raka, posebno raka krvi: leukemije.

U krvi može smanjiti koncentraciju crvenih krvnih stanica, uzrokujući anemiju, a također utjecati na koštanu srž i jetru, gdje ih tijelo asimilira da bi stvorilo još toksične derivate benzena; na primjer, hidroksikinon. Također se akumulira u bubrezima, srcu, plućima i mozgu.

Reference

1. Morrison, RT i Boyd, RN (1987). Organska kemija. (5. izdanje). Addison-Wesley Iberoamericana.
2. Carey, FA (2008). Organska kemija. (6. izdanje). McGraw-Hill, Interamerica, Editores SA
3. Graham Solomons TW, Craig B. Fryhle. (2011). Organska kemija. Amini. (10. izdanje.). Wiley Plus.
4. Nacionalni centar za biotehnološke informacije. (2019). Benzen. PubChem baza podataka. CID = 241, oporavljeno iz: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov
5. Wikipedia. (2019). Benzen. Oporavilo sa: en.wikipedia.org
6. Garcia Nissa. (2019). Što je benzen? - Upotrebe, struktura i formula. Studija. Oporavilo od: study.com
7. Centar za kontrolu i prevenciju bolesti. (4. travnja 2018.). Činjenice o benzenu. Oporavak od: Emergency.cdc.gov
8. Svjetska zdravstvena organizacija. (2010). Izloženost benzenu: glavna briga za javno zdravstvo., Oporavak od: koji.int
9. Fernández Germán. (SF). Problemi u benzinskoj nomenklaturi. Organska kemija. Oporavilo sa: quimicaorganica.org