Винилбензол применение егэ

Задание №1:

Установите соответствие между аппаратом, который используется в химическом производстве, и процессом, происходящем в этом аппарате.

АППАРАТ:
А) печь кипящего слоя
Б) колонна синтеза
В) поглотительная башня

ПРОЦЕСС:
1) взаимодействие водорода и азота
2) окисление оксида азота(IV)
3) получение олеума
4) получение оксида серы(IV)

Задание №2:

Установите соответствие между осуществляемым в промышленности процессом и оборудованием, которое используется при получении серной кислоты.

ПРОЦЕСС:
А) получение сернистого газа
Б) получение олеума
В) получение оксида серы(VI)

ОБОРУДОВАНИЕ:
1) окислительная башня
2) печь «кипящего слоя»
3) контактный аппарат
4) поглотительная башня

Решение:
Получение сернистого газа сопровождается обжигом пирита(FeS) в печи «кипящего слоя», ответ 2.
Получение олеума происходит путем растворения оксида серы(SO₃) в серной кислоте, сам процесс осуществляется в поглотительной башне, ответ 4.
Оксид серы(VI) получают в контактном аппарате с помощью каталитического окисления SO₂, ответ 3.

Задание №3:

Установите соответствие между веществом и основной областью его применения.

ВЕЩЕСТВО:
А) стирол
Б) этиленгликоль
В) синтез-газ

ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ:
1) получение полиэфиров
2) производство маргарина
3) производство метанола
4) получение пластмасс

Решение:
Стирол(винилбензол) — это гомолог бензола, имеет формулу C₆H₅ꟷCH=CH₂, за счет наличия кратной связи способен к реакциям полимеризации, в частности, в производстве пластмасс, ответ 4.
Этиленгликоль(1,2-этандиол) — это двухатомный спирт, который используется при получении полиэфиров, так как имеет две OH группы, которые потенциально могут вступать в реакцию поликонденсации с образованием полиэтилентерефталата (наши «любимые» пластиковые бутылки), ответ 1.
Синтез-газ(CO + H₂) — довольно известная смесь угарного газа и водорода, используется при промышленном способе получения метилового спирта(метанола), ответ 3.

Задание №4:

Установите соответствие между веществом и способом его попадания в окружающую среду.

ВЕЩЕСТВО:
А) углекислый газ
Б) оксиды азота
В) гексахлоран

СПОСОБ ПОПАДАНИЯ В ОКРУЖАЮЩУЮ СРЕДУ:
1) сгорание углеводородного топлива
2) борьба с насекомыми
3) протравливание семян
4) сточные воды

Решение:
Углекислый газ и оксиды азота попадают в окружающую среду путем сгорания углеводородного топлива, А и Б ответ 1.
Гексахлоран используется в качестве инсектицида, ответ 2.

Задание №5:

Установите соответствие между названием процесса переработки нефти и его результатом.

НАЗВАНИЕ ПРОЦЕССА:
А) риформинг
Б) перегонка нефти
В) крекинг

РЕЗУЛЬТАТ:
1) разделение нефти на фракции
2) получение смазочных масел
3) увеличение количества легкокипящих фракций
4) получение ароматических углеводородов

Решение:
Риформинг — это процесс переработки алифатических углеводородов в ароматические(например, бензол), здесь подходит вариант 4.
Перегонка нефти приводит к разделению ее на фракции(лигроин, мазут, бензин), ответ 1.
Крекинг — это процесс высокотемпературного расщепления нефти с получением низкомолекулярных органических соединений, ответ 3.

Задание №6:

Установите соответствие между металлом и веществом, которое используется для получения этого металла в промышленности, или способом промышленного получения.

МЕТАЛЛ:
А) железо
Б) алюминий
В) натрий

ВЕЩЕСТВО /СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ:
1) красный железняк
2) электролиз раствора оксида в криолите
3) электролиз раствора поваренной соли
4) электролиз расплава поваренной соли

Решение:
Железо — в промышленности его получают из красного железняка, или гематита, который имеет формулу Fe₂O₃, ответ 1.
Алюминий можно получить электролизом Al₂O₃ в расплаве криолита, ответ 2.

Криолит, или гексафторалюминат натрия(Na₃AlF₆) — это необычный, редкий минерал, впервые обнаружен в Гренландии(отсюда название(криос — холод, литос — камень)), плавится при температуре 1012 С,
может растворять оксиды алюминия, что позволяет легко извлекать алюминий электролизом.

Натрий — для него здесь указано два возможных пункта, 3 и 4, однако, чистый Na можно получить только в РАСПЛАВЕ поваренной соли(NaCl), ответ 4.

Задание №7:

Установите соответствие между смесью веществ и способом разделения данной смеси.

СМЕСЬ ВЕЩЕСТВ:
А) вода и этиловый спирт
Б) вода и глина
В) вода и поташ

СПОСОБ РАЗДЕЛЕНИЯ:
1) фильтрование
2) выпаривание
3) использование делительной воронки
4) перегонка

Решение:
Первая смесь — вода и этиловый спирт, она может быть разделена перегонкой, ответ 4.
Следующая смесь — вода и глина, здесь нужно использовать фильтрование, ответ 1.
Последний ряд веществ — вода и поташ; поташ имеет формулу K₂CO₃, как и все соли калия, она растворима, и отделить ее от воды можно путем выпаривания, ответ 2.

Задание №8:

Установите соответствие между веществом и областью его применения.

ВЕЩЕСТВО:
А) изопропилбензол
Б) этанол
В) триолеин

ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ:
1) получение полиэфиров
2) получение ацетона
3) производство маргарина
4) получение дивинила

Решение:
Первое вещество — изопропилбензол, или кумол, оно используется для получения ацетона, ответ 2.
Второе соединение — этанол, который имеет важное значение для получения дивинила, или бутадиена-1,3(это реакция Лебедева, проведенная в 1926 году, давшая начало производству синтетического каучука), ответ 4.
Последнее вещество в списке — триолеин, составной частью этого химического соединения является «олеин», что означает принадлежность к жирам, а соответственно, к получению маргарина, ответ 3.

Задание №9:

Установите соответствие между веществом и основной областью его применения.

ВЕЩЕСТВО:
А) криолит
Б) пирит
В) метилметакрилат

ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ:
1) производство антифриза
2) получение алюминия
3) производство серной кислоты
4) получение органического стекла

Решение:
Криолит(Na₃AlF₆) используется при получении чистого алюминия путем электролиза, ответ 2.
Пирит(FeS₂) является начальной составной частью производства серной кислоты, ответ 3.
Метилметакрилат(метил-2-метилпроп-2-еноат) — это сложное органическое соединение, из которого получают органическое стекло, ответ 4.

Задание №10:

Установите соответствие между веществом и областью его применения.

ВЕЩЕСТВО:
А) глицерин
Б) формальдегид
В) глюкоза

ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ:
1) получение полиэфиров
2) получение взрывчатых веществ
3) хранение биологических препаратов
4) источник энергии в организме

Решение:
Глицерин, или 1,2,3 — пропантриол, это трехатомный спирт, который используется для получения нитроглицерина, являющегося составной частью взрывчатых веществ, ответ 2.
Формальдегид, или муравьиный альдегид, хорошо знаком биологам для сохранения биологических объектов в течение длительного времени, ответ 3.
Глюкоза(C₆H₁₂O₆) — это моносахарид, который является источником АТФ(энергия) в организме живых существ, ответ 4.

Задание №11:

Установите соответствие между происхождением полимера и его названием.

ПРОИСХОЖДЕНИЕ ПОЛИМЕРА:
А) природный органический
Б) синтетический органический
В) искусственный органический

Название полимера:
1) сахароза
2) пенька
3) полиэфир
4) вискоза

Решение:
Природный органический полимер — из данного списка нам подходит пенька(грубое лубяное конопляное волокно), ответ 2.
Синтетический органический полимер из указанных веществ — полиэфир, ответ 3.
Искусственным органическим полимером является вискоза, ответ 4.

На сегодня все!

Металлы

Неметаллы

Щелочные

Щелоч-зем

Благородные

Галогены

Халькогены

Полуметаллы

s-элементы

p-элементы

d-элементы

f-элементы

Стирол — это жидкий углеводород, известный своей невероятной способностью подвергаться полимеризации — процессу, в котором отдельные молекулы реагируют друг с другом с образованием больших трехмерных сетей или полимерных цепей.

Стирол в основном используется для производства термопластичного полимера под названием полистирол, а также ряда других пластмасс и синтетических каучуков. Этот легкий и недорогой материал обеспечивает высококачественный внешний вид, который можно разрезать на любую форму.

Профиль стирола

Химическая формула: C₆H₅CH=CH₂
Молекулярный вес: 104,15 г/моль
Температура плавления: -30 °C
Температура кипения: 145 °C
Плотность: 0,909 г/см3
Растворимость в воде: 300 мг/л при 25 °C.

Стирол является членом углеводородной винильной группы (CH₂=CH-), молекулы которой состоят из двойной связи между двумя атомами углерода.

Под действием инициаторов и катализаторов эта двойная связь может расщепляться на две одинарные связи, связывающие атом углерода другой молекулы стирола. Так образуется полистирол, в котором тысячи соединений стирола прикреплены вдоль углеродной основы.

Физические и химические свойства

Стирол представляет собой бесцветную маслянистую жидкость, которая легко испаряется. Старый образец может выглядеть слегка желтоватым. Хотя он имеет сладковатый запах, другие химические вещества могут придать ему резкий, неприятный привкус.

Хотя стирол плохо растворяется в воде, он хорошо растворяется в этаноле, эфире и ацетоне и слабо растворяется в четыреххлористом углероде. Также он образует однородную смесь с бензолом.

Стирол менее плотен, чем вода, но его пары тяжелее воздуха и раздражают глаза. Если он полимеризуется в закрытом контейнере, контейнер может разорваться на части.

Вязкость: 0,696 сП при 25 °C
Полимеризация: Постепенно при комнатной температуре и легко при температуре выше 65 °C.

Полимеризация также может происходить из-за присутствия пероксидов, окислителей или солнечного света. Чтобы предотвратить это, стирол обычно смешивают с ингибиторами. Однако это не препятствует стиролу разъедать медь и медные сплавы.

Как производится стирол?

Натуральный стирол содержится (в очень небольших количествах) в некоторых продуктах и ​​растениях, таких как кофейные зерна, арахис, корица и бальзамические деревья. Он также содержится в каменноугольной смоле.

Однако большое количество стирола синтетически создается из этилбензола. Фактически, более 99% этилбензола, производимого во всем мире, предназначено для производства стирола. Этилбензол — легковоспламеняющаяся бесцветная жидкость, образующаяся в результате реакций Фриделя – Крафтса между этиленом и бензолом в присутствии цеолитов.

В настоящее время для производства стирола из этилбензола используются два процесса:

1. Дегидрирование этилбензола.

Около 75% стирола получают путем удаления водорода из этилбензола (C ₆ H ₅ CH ₂ CH). Этот процесс включает нагревание этилбензола до 600 °C в присутствии катализатора, которым обычно является оксид железа (III).

Реакция поглощает значительное количество тепла (из внешней среды) и является обратимой. При этом выделяется 88-94% стирола, который затем очищается путем дистилляции.

Поскольку во время процесса стирол может подвергаться термической полимеризации, в систему постоянно добавляют ингибитор.

2. Обработка этилбензола кислородом

Реакция между этилбензолом и кислородом дает гидропероксид этилбензола. Затем этот продукт обрабатывают пропиленом для получения оксида пропилена и 1-фенилэтанола. Наконец, дегидратация 1-фенилэтанола дает стирол.

Более дешевая альтернатива

Стирол также можно получить, используя недорогое сырье: метанол (простейший спирт) и толуол (ароматический углеводород).

Реакция между этими соединениями при 425 °C и в присутствии цеолитного катализатора дает смесь стирола и этилбензола 9:1. Выход стирола более 60%.

Из коричной кислоты

В лабораториях его получают путем удаления карбоксильной группы из коричной кислоты — белого кристаллического соединения. Впервые стирол был получен именно таким способом.

Обычное использование

Ежегодно миллиарды килограммов стирола производятся промышленным способом для изготовления таких продуктов, как пищевые контейнеры, одноразовые стаканчики, пластик, резина, трубы, стекловолокно, автомобильные компоненты и различные химикаты.

Хотя стирол в основном используется для производства полистирольных пластиков и смол, он также служит промежуточным звеном в синтезе соединений, используемых для ионообменных смол.

В частности, стирол используется для производства:

Твердый полистирол, из которого делают жесткую тару для предприятий общественного питания, кухонную технику, игрушки, медицинские и оптические инструменты.

Полимерные композиты, армированные волокном, которые используются для производства коррозионно-стойких труб и резервуаров, спортивных товаров, компонентов ветряных турбин, военных и коммерческих самолетов и автомобильных запчастей.

Пенополистирол и пленки, которые используются для изготовления контейнеров для предприятий общественного питания, легкой защитной упаковки, а также для ламинирования и печати.

Самыми популярными материалами на основе стирола являются:

• АБС (акрилонитрил-бутадиен-стирол) Пластик: используется для изготовления небольших предметов домашнего обихода, игрушек и подкладок для холодильников.
• SBL (стирол-бутадиен-латекс): используется в качестве покрытия для бумажной продукции, такой как журналы и каталоги, для достижения высокого глянца и хорошей пригодности для печати.
• SAN (Стиролакрилонитрил) Пластик: используется в сантехнике, оптических волокнах и контейнерах для пищевых продуктов.
• SBR (бутадиен-стирольный каучук): каучук общего назначения, используемый в шинах, конвейерных лентах и ​​прокладках.

Токсичность

Стирол представляет опасность при хранении при температуре выше 32 °C. При разложении (при нагревании) он выделяет едкий дым и раздражающие испарения.

Пары стирола сильно раздражают горло, нос, глаза и легкие. У работников, подвергающихся воздействию высоких уровней паров стирола, могут развиться дегенеративные заболевания нервной системы.

Длительное воздействие может привести к усталости, потере слуха, ухудшению цветового зрения, снижению концентрации, замедлению реакции и психическим проблемам. У некоторых работников наблюдались астма, аллергические кожные реакции, изменения иммунной функции и даже свертываемость крови.

Размер рынка

В 2019 году мировой рынок стирола оценивался в 48 миллиардов долларов. Прогнозируется, что к 2026 году эта цифра достигнет 70 миллиардов долларов при среднегодовом темпе роста (CAGR) в 4,6% с 2020 по 2026 год.

Постоянно растущий спрос на электронику и автомобильные компоненты — это лишь некоторые из основных факторов, способствующих росту рынка. Например, автомобильная промышленность является основным конечным потребителем SBR (бутадиен-стирольный каучук в основном используется для производства шин).

Однако растущие проблемы со здоровьем и окружающей средой при использовании стирола будут тормозить рост рынка. За последнее десятилетие были зарегистрированы различные промышленные аварии. Недавно, в мае 2020 года, в результате утечки газообразного стирола погибли тринадцать рабочих на заводе LG Chem в Висакхапатнаме, Индия.

Несмотря на вредные последствия, стирол будет пользоваться значительным спросом благодаря применению полистирола. Азиатские страны будут продолжать доминировать на рынке в течение прогнозного периода.

В частности, ожидается, что в Китае в ближайшие годы будет наблюдаться устойчивый рост из-за растущего спроса на упакованные товары в продовольственном сегменте.

Часто задаваемые вопросы

Как люди подвергаются воздействию стирола?

Стирол может попасть в организм человека при дыхании (в виде пара) или при прямом контакте с кожей. Население в целом может подвергаться воздействию при употреблении питьевой воды, употребления пищи, курения сигарет, вдыхания воздуха в помещении или использования потребительских товаров, содержащих стирол.

При попадании в окружающую среду стирол попадает в воздух с поверхности воды и влажной почвы. Небольшие количества стирола были обнаружены как в организмах, дышащих воздухом (морские птицы, хищники, люди), так и в организмах, дышащих водой (хищные рыбы).

Насколько опасен стирол?

Оксид стирола может быть канцерогенным как для человека, так и для животных. У животных он вызывает рак печени. Безопасного уровня воздействия этого газа не существует, поэтому любой контакт с ним должен быть сведен к минимально возможному уровню.

Как быстро стирол попадает в организм?

Во многих контролируемых исследованиях было установлено, что стирол задерживается в легких до 70% от вдыхаемой дозы. В окружающем воздухе он может абсорбироваться через кожу на уровне 4% от дозы, поглощенной в дыхательных путях. Более того, жидкий стирол может проникать через кожу со скоростью 1 мкг/м2 в минуту.

Как защитить себя от газообразного стирола?

Работники могут использовать средства защиты и следовать аварийным процедурам, чтобы обезопасить себя. Это включает обеспечение достаточной вентиляции и устранение всех источников воспламенения на предприятии.

Не допускайте скопления паров в небольших помещениях и предотвращайте любые утечки или проливы. Также необходимо избегать выброса продукта в окружающую среду.

Спрятать решение

Стирол C₈H₈ (фенилэтилен, винилбензол, этенилбензол) — бесцветная жидкость со специфическим запахом. Стирол практически нерастворим в воде, хорошо растворим в органических растворителях, хороший растворитель полимеров.

Стирол является сырьем для производства самых разнообразных материалов: полистирольных пластмасс, бутадиенстирольных каучуков, лакокрасочных материалов, клеев, является растворителем полиэфиров и полиэфирных смол.

Стирол легко окисляется, присоединяет галогены, легко полимеризуется даже при хранении на холоде. В темноте и при отсутствии катализаторов он постепенно превращается в твердую, прозрачную и бесцветную массу.

Стирол перевозят железнодорожным или автомобильным транспортом в цистернах или бочках, хранят в емкостях из нержавеющей стали или алюминия, в биметаллических емкостях с внутренним алюминиевым покрытием или из углеродистой стали с внутренним специальным покрытием под азотной подушкой. Хранят при температуре не выше 200˚С.

Производят стирол (винилбензол) промышленным способом из этилбензола методом дегидрирования.

Стирол применяют в основном для производства различных полимеров: от эластичной пены до высококачественных технических пластмасс.

Многочисленные виды полимеров на основе стирола включают полистирол, пенопласт (вспененный полистирол).

 Чем опасен стирол?

Стирол — яд общетоксического действия, он обладает раздражающим, мутагенным и канцерогенным эффектом. Повышенная концентрация стирола опасна.

При длительной интоксикации стиролом наблюдаются поражения центральной и периферической нервной системы, системы кроветворения, пищеварительного тракта, печени, почек, нарушается белковый и липидный обмен, у женщин происходят нарушения репродуктивной функции.

При попадании на слизистые оболочки носа, глаз и глотки паров и аэрозоля стирол вызывает их раздражение.

Стирол проникает в организм человека через верхние дыхательные пути и желудочно-кишечный тракт.

Стирол относится ко второму классу опасности.

При работе со стиролом следует защищать кожу рук резиновыми перчатками, а в случае больших концентраций пользоваться противогазом.

Один из источников испарений – пенопласт. Выделение стирола из пенопласта при естественном износе материалов увеличивается с возрастанием эксплуатационных сроков.

Арены — ароматические углеводороды, содержащие одно или несколько бензольных колец.
Бензольное кольцо составляют 6 атомов углерода, между которыми чередуются двойные и одинарные связи.

Важно заметить, что двойные связи в молекуле бензола не фиксированы, а постоянно перемещаются по кругу.

Арены также называют ароматическими углеводородами. Первый член гомологического ряда — бензол — C₆H₆.
Общая формула их гомологического ряда — C_nH_2n-6.

Долгое время структурная формула бензола оставалась тайной. Предложенная Кекуле формула с тремя двойными связями не могла
объяснить то, что бензол не вступает в реакции присоединения. Как уже было сказано выше, по современным представлениям
двойные связи в молекуле бензола постоянно перемещаются, поэтому более верно рисовать их в виде кольца.

За счет чередования двойных связей в молекуле бензола формируется сопряжение. Все атомы углерода находятся в состоянии sp²
гибридизации. Валентный угол — 120°.

Номенклатура и изомерия аренов

Названия аренов формируются путем добавления названий заместителей к главной цепи — бензольному кольцу: бензол, метилбензол (толуол),
этилбензол, пропилбензол и т.д. Заместители, как обычно, перечисляются в алфавитном порядке. Если в бензольном кольце несколько заместителей,
то выбирают кратчайший путь между ними.

Для аренов характерна структурная изомерия, связанная с положением заместителей. Например, два заместителя в бензольном
кольце могут располагаться в разных положениях.

Название положения заместителей в бензольном кольце формируется на основе их расположения относительно друг друга. Оно обозначается
приставками орто-, мета- и пара. Ниже вы найдете мнемонические подсказки для их успешного запоминания

Получение аренов

Арены получают несколькими способами:

• Реакция Зелинского (тримеризация ацетилена)

Данная реакция протекает при пропускании ацетилена над активированным углем при t = 400°C. В результате образуется ароматический
углеводород — бензол.



В случае, если к ацетилену добавить пропин, то становится возможным получение толуола. Увеличивая долю пропина, в конечном итоге
можно добиться образования 1,3,5-триметилбензола.



• Дегидроциклизация алканов

В ходе таких реакций, протекающих при повышенной температуре и в присутствии катализатора — Cr₂O₃, линейная
структура алкана замыкается в цикл, отщепляется водород.



При дегидроциклизации гептана получается толуол.



• Дегидрирование циклоалканов

В результате дегидрирования уже «готовых» циклов — циклоалканов, отщепляются 3 моль водорода, и образуется соответствующий арен,
с теми же заместителями, которые были у циклоалкана.



• Синтез Дюма

Синтез Дюма заключается в сплавлении солей карбоновых кислот с щелочами. В результате такой реакции возможно образование различных органических веществ, в том числе аренов.

Химические свойства аренов

Арены — ароматические углеводороды, которые содержат бензольное кольцо с сопряженными двойными связями. Эта особенность
делает реакции присоединения тяжело протекающими (и тем не менее возможными!)

Запомните, что, в отличие от других непредельных соединений, бензол и его гомологи не обесцвечивают бромную воду и
раствор перманганата калия.

• Гидрирование

При повышенной температуре и наличии катализатора, водород способен разорвать двойные связи в бензольном кольце
и превратить арен в циклоалкан.



• Галогенирование

Реакция бензола с хлором на свету приводит к образованию гексахлорциклогексана, если же использовать только катализатор,
то образуется хлорбензол.



Реакции с толуолом протекают иначе: при УФ-свете хлор направляется в радикал метил и замещает атом водорода в нем, при действии катализатора хлор замещает один атом водорода в бензольном кольце (в орто- или пара-положении).



Почему хлор направляется именно в орто- и пара-положения относительно метильной группы? Здесь самое время
коснуться темы ориентантов I (орто-, пара-ориентантов) и II порядков (мета-ориентанты).

К ориентантам первого порядка относятся группы: NH₂, OH, OR, CR₃, CHR₂,
CH₂R, галогены. К ориентантам второго: NO₂, CN, SO₃H, CCl₃,
CHO, COOH, COOR.



Например, ориентант I порядка, гидроксогруппа OH, обеспечивает протекание хлорирования в орто- и пара-положениях.
А карбоксильная группа COOH, ориентант II порядка, обуславливает хлорирование в мета-положениях.



• Нитрование

Арены вступают в реакции нитрования, протекающие при повышенной температуре и в присутствии серной кислоты,
обладающей водоотнимающими свойствами.



• Алкилирование

Алкилирование аренов осуществляется путем введения алкильного радикала в молекулу бензола. Алкильным радикалом чаще
всего выступает алкен или галогеналкан. В подобных реакциях используют катализатор AlCl₃.

В случае если для алкилирования используется алкен, то с молекулой бензола соединяется наименее гидрированный атом
углерода алкена, прилежащий к двойной связи. Один атом водорода переходит из бензольного кольца к радикалу.



• Окисление

Арены, как и все органические вещества, сгорают с образованием углекислого газа и воды.

2C₆H₆ + 15O₂ → 12CO₂ + 6H₂O

При неполном окислении гомологи бензола способны окисляться до бензойной кислоты (при подкислении раствора серной
кислотой). Сам бензол не вступает в реакцию окисления с KMnO₄, не обесцвечивает его раствор.



• Полимеризация

В реакцию полимеризации способен вступать стирол (винилбензол), в радикале которого содержится двойная связь.

Арены (ароматические углеводороды) – это непредельные (ненасыщенные) циклические углеводороды, молекулы которых содержат устойчивые циклические группы атомов (бензольные ядра) с замкнутой системой сопряженных связей.

Общая формула: C_nH_2n–6 при n ≥ 6.

Строение, номенклатура и изомерия ароматических углеводородов

Способы получения ароматических углеводородов

Химические свойства ароматических углеводородов

Строение аренов

Рассмотрим подробно строение молекулы бензола. В ней присутствуют три двойные связи С=С, три одинарные связи С–C и шесть одинарных связей С–Н.

Структурная формула бензола:

Сокращенная структурная формула бензола:

Каждый из шести атомов углерода в молекуле бензола находится в состоянии sp²-гибридизации.

Каждый атом углерода в молекуле бензола связан с двумя соседними атомами углерода и атомом водорода тремя σ-связями. Валентные углы равны 120⁰:

Атомы углерода и водорода в молекуле бензола, соединенные σ-связями, образуют правильный шестиугольник, в котором все атомы углерода и все σ-связи С–С и С–Н лежат в одной плоскости.  

Негибридные р-орбитали атомов углерода образуют единую циклическую (ароматическую) π-систему – единое электронное облако над и под плоскостью кольца.

Соответственно, на самом деле все связи между атомами углерода в молекуле бензола одинаковой длины (0,140 нм), что соответствует промежуточному значению между одинарной и двойной (полуторная связь). 

Соответственно, в молекуле бензола между углеродными атомами нет обычных одинарных и двойных связей, а все они выравнены (делокализованы).

Поэтому структурную формулу бензола изображают в виде правильного шестиугольника и кружка внутри него, который обозначает делокализованные π-связи:

Гомологический ряд аренов

Простейший представитель гомологического ряда аренов — бензол:

Ближайший гомолог бензола – толуол (метилбензол):

Еще один представитель гомологического ряда бензола – этилбензол:

Изопропилбензол (кумол):

Номенклатура аренов

Первый представитель гомологического ряда аренов — бензол:

Ближайший гомолог бензола – толуол (метилбензол):

При составлении названия ароматического соединения за главную цепь принимают молекулу бензола. Если в ароматическом кольце несколько заместителей, то атомы углерода бензольного кольца нумеруются: в направлении, где больше заместителей, от самого главного заместителя (чем больше атомов углерода в радикале, тем он старше).

Например, 1,2-диметилбензол

Если в молекуле бензола присутствуют два заместителя, то также используют систему специальных приставок:

• орто— (о-) если заместители расположены у соседних атомов углерода в бензольном кольце (1,2-положения);
• мета— (м-) заместители расположены через один атом углерода (1,3-положения);
• пара— (п-) заместители расположены на противоположных сторонах кольца (1,4-положения).

Для названия многих производных бензола используют тривиальные названия:

Структурная формула	Системное название	Тривиальное название
	Метилбензол	Толуол
	1,2-Диметилбензол	орто-Ксилол
	Изопропилбензол	Кумол

Названия радикалов, содержащих ароматическое кольцо:

Изомерия аренов

Структурная изомерия

Для  гомологов бензола характерна структурная изомерия .

Структурные изомеры — это соединения с одинаковым составом, которые отличаются порядком связывания атомов в молекуле, т.е. строением молекул.

• Изомерия углеродного скелета в боковой цепи характерна для ароматических углеводородов, которые содержат три и более атомов углерода в боковой цепи.

• Изомерия положения заместителей характерна для аренов, которые содержат два и более заместителей в бензольном кольце.

Химические свойства аренов

Арены – непредельные углеводороды, молекулы которых содержат три двойных связи и цикл. Но из-за эффекта сопряжения свойства аренов отличаются от свойств других непредельных углеводородов.

Для ароматических углеводородов характерны реакции:

• присоединения,
• замещения,
• окисления (для гомологов бензола).

Из-за наличия сопряженной π-электронной системы молекулы ароматических углеводородов вступают в реакции присоединения очень тяжело, только в жестких условиях — на свету или при сильном нагревании, как правило, по радикальному механизму

Бензольное кольцо представляет из себя скопление π-электронов, которое притягивает электрофилы. Поэтому для ароматических углеводородов характерны реакции электрофильного замещения атома водорода у бензольного кольца.

Ароматическая система бензола устойчива к действию окислителей. Однако гомологи бензола окисляются под действием перманганата калия и других окислителей.

1. Реакции присоединения

Бензол присоединяет хлор на свету и водород при нагревании в присутствии катализатора.

1.1. Гидрирование

Бензол присоединяет водород при нагревании и под давлением в присутствии металлических катализаторов (Ni, Pt и др.). 

При гидрировании бензола образуется циклогексан:

При гидрировании гомологов образуются производные циклоалканы. При нагревании толуола с водородом под давлением и в присутствии катализатора образуется метилциклогексан:

1.2. Хлорирование аренов

Присоединение хлора к бензолу протекает по радикальному механизму при высокой температуре, под действием ультрафиолетового излучения.

При хлорировании бензола на свету образуется 1,2,3,4,5,6-гексахлорциклогексан (гексахлоран).

Гексахлоран – пестицид, использовался для борьбы с вредными насекомыми. В настоящее время использование гексахлорана запрещено.

Гомологи бензола не присоединяют хлор. Если гомолог бензола реагирует с хлором или бромом на свету или при высокой температуре (300°C), то происходит замещение атомов  водорода в боковом алкильном заместителе, а не в ароматическом кольце.

Например, при хлорировании толуола на свету образуется бензилхлорид

Если у гомолога бензола боковая цепь содержит несколько атомов углерода – замещение происходит у атома, ближайшему к бензольному кольцу («альфа-положение»).

Например, этилбензол реагирует с хлором на свету

2. Реакции замещения

Реакции замещения у ароматических углеводородов протекают по ионному механизму (электрофильное замещение). При этом атом водорода замещается на другую группу (галоген, нитро, алкил и др.).

2.1. Галогенирование

Бензол и его гомологи вступают в реакции замещения с галогенами (хлор, бром) в присутствии катализаторов (AlCl₃, FeBr₃).

При взаимодействии с хлором на катализаторе AlCl₃ образуется хлорбензол:

Ароматические углеводороды взаимодействуют с бромом при нагревании и в присутствии катализатора – FeBr₃ . Также в качестве катализатора можно использовать металлическое железо.

Бром реагирует с железом с образованием бромида железа (III), который катализирует процесс бромирования бензола:

Поэтому гомологи бензола легче вступают в реакции замещения в бензольном кольце. При этом гомологи бензола вступают в реакции замещения преимущественно в орто— и пара-положения

Например, при взаимодействии толуола с хлором  образуется смесь продуктов, которая преимущественно состоит из орто-хлортолуола и пара-хлортолуола

Мета-хлортолуол образуется в незначительном количестве.

При взаимодействии гомологов бензола с галогенами на свету или при высокой температуре (300^оС) происходит замещение водорода не в бензольном кольце, а в боковом углеводородном радикале.

Если у гомолога бензола боковая цепь содержит несколько атомов углерода – замещение происходит у атома, ближайшему к бензольному кольцу («альфа-положение»).

Например, при хлорировании этилбензола:

2.2. Нитрование

 Бензол реагирует с концентрированной азотной кислотой в присутствии концентрированной серной кислоты (нитрующая смесь).

При этом образуется нитробензол:

Серная кислота способствует образованию электрофила NO₂⁺:

Толуол реагирует с концентрированной азотной кислотой в присутствии концентрированной серной кислоты.

В продуктах реакции мы указываем либо о-нитротолуол:

либо п-нитротолуол:

Нитрование толуола может протекать и с замещением трех атомов водорода. При этом образуется 2,4,6-тринитротолуол (тротил, тол):

2.3. Алкилирование ароматических углеводородов

• Арены взаимодействуют с галогеналканами в присутствии катализаторов (AlCl_3, FeBr₃ и др.) с образованием гомологов бензола.

Например, бензол реагирует с хлорэтаном с образованием этилбензола

• Ароматические углеводороды взаимодействуют с алкенами в присутствии хлорида алюминия, бромида железа (III), фосфорной кислоты и др.

Например, бензол реагирует с этиленом с образованием этилбензола

Например, бензол реагирует с пропиленом с образованием изопропилбензола (кумола)

• Алкилирование спиртами протекает в присутствии концентрированной серной кислоты.

Например, бензол реагирует с этанолом с образованием этилбензола и воды

2.4. Сульфирование ароматических углеводородов

Бензол реагирует при нагревании с концентрированной серной кислотой или раствором SO₃ в серной кислоте (олеум) с образованием бензолсульфокислоты:

3. Окисление аренов

Бензол устойчив к действию даже сильных окислителей. Но гомологи бензола окисляются под действием сильных окислителей. Бензол и его гомологи горят.

3.1. Полное окисление – горение

При горении бензола и его гомологов образуются углекислый газ и вода. Реакция горения аренов сопровождается выделением большого количества теплоты.

2C₆H₆ + 15O₂  → 12CO₂ + 6H₂O + Q

Уравнение сгорания аренов в общем виде:

 C_nH_2n–6 + (3n – 3)/2 O₂ → nCO₂ + (n – 3)H₂O + Q

При горении ароматических углеводородов в недостатке кислорода может образоваться угарный газ СО или сажа С.

Бензол и его гомологи горят на воздухе коптящим пламенем. Бензол и его гомологи образуют с воздухом и кислородом взрывоопасные смеси.

3.2. Окисление гомологов бензола

Гомологи бензола легко окисляются перманганатом и дихроматом калия в кислой или нейтральной среде при нагревании.

При этом происходит окисление всех связей у атома углерода, соседнего с бензольным кольцом, кроме связи этого атома углерода с бензольным кольцом.

Толуол окисляется перманганатом калия в серной кислоте с образованием бензойной кислоты:

Если окисление толуола идёт в нейтральном растворе при нагревании, то образуется соль бензойной кислоты – бензоат калия:

Таким образом, толуол обесцвечивает подкисленный раствор перманганата калия при нагревании.

При окислении других гомологов бензола всегда остаётся только один атом С в виде карбоксильной группы (одной или нескольких, если заместителей несколько), а все остальные атомы углерода радикала окисляются до углекислого газа или карбоновой кислоты.

Например, при окислении этилбензола перманганатом калия в серной кислоте образуются бензойная кислота и углекислый газ

Например, при окислении этилбензола перманганатом калия в нейтральной кислоте образуются соль бензойной кислоты и карбонат

Более длинные радикалы окисляются до бензойной кислоты и карбоновой кислоты:

При окислении пропилбензола образуются бензойная и уксусная кислоты:

Изопропилбензол окисляется перманганатом калия в кислой среде до бензойной кислоты и углекислого газа:

4. Ориентирующее действие заместителей в бензольном кольце

Если в бензольном кольце имеются заместители, не только алкильные, но и содержащие другие атомы (гидроксил, аминогруппа, нитрогруппа и т.п.), то реакции замещения атомов водорода в ароматической системе протекают строго определенным образом, в соответствии с характером влияния заместителя на ароматическую π-систему.

Заместители подразделяют на две группы в зависимости от их влияния на электронную плотность ароматической системы: электронодонорные (первого рода) и электроноакцепторные (второго рода).

Типы заместителей в бензольном кольце

Например, толуол реагирует с хлором в присутствии катализатора с образованием смеси продуктов, в которой преимущественно содержатся орто-хлортолуол и пара-хлортолуол. Метильный радикал — заместитель первого рода.

В уравнении реакции в качестве продукта записывается либо орто-хлортолуол, либо пара-хлортолуол.

Например, при бромировании нитробензола в присутствии катализатора  преимущественно образуется мета-бромнитробензол. Нитро-группа — заместитель второго рода

5. Особенности свойств стирола

Стирол (винилбензол, фенилэтилен) – это производное бензола, которое имеет в своем составе двойную связь в боковом заместителе.

Общая формула гомологического ряда стирола: C_nH_2n-8.

Молекула стирола содержит заместитель с кратной связью у бензольного кольца, поэтому стирол проявляет все свойства, характерные для алкенов – вступает в реакции присоединения, окисления, полимеризации.

Стирол присоединяет водород, кислород, галогены, галогеноводороды и воду в соответствии с правилом Марковникова.

Например, при гидратации стирола образуется спирт:

Стирол присоединяет бром при обычных условиях, то есть обесцвечивает бромную воду

При полимеризации стирола образуется полистирол:

Как и алкены, стирол окисляется водным раствором перманганата калия при обычных условиях. Обесцвечивание водного раствора перманганата калия — качественная реакция на стирол:

При жестком окислении стирола перманганатом калия в кислой среде (серная кислота) разрывается двойная связь и образуется бензойная кислота и углекислый газ:

При окислении стирола перманганатом калия в нейтральной среде при нагревании также разрывается двойная связь и образуется соль бензойной кислоты и карбонат:

Получение аренов

1. Реакция Вюрца-Фиттига

Хлорбензол реагирует с хлорметаном и натрием. При этом образуется смесь продуктов, одним из которых является толуол:

2. Дегидроциклизация алканов

Алканы с углеродной цепью, содержащей 6 и более атомов углерода в главной цепи, при дегидрировании образуют устойчивые шестиатомные циклы, т. е. циклогексан и его гомологи, которые далее превращаются в ароматические углеводороды.

Гексан при нагревании в присутствии оксида хрома (III) в зависимости от условий может образовать циклогексан и потом бензол:

Гептан при дегидрировании в присутствии катализатора образует метилциклогексан и далее толуол:

3. Дегидрирование циклоалканов

При дегидрировании циклогексана и его гомологов при нагревании в присутствии катализатора образуется бензол или соответствующие гомологи бензола.

Например, при нагревании циклогексана в присутствии палладия образуется бензол и водород

Например, при нагревании метилциклогексана в присутствии палладия образуется толуол и водород

4. Декарбоксилирование солей бензойной кислоты

Реакция Дюма — это взаимодействие солей карбоновых кислот с щелочами при сплавлении.

R–COONa + NaOH → R–H + Na₂CO₃

Декарбоксилирование — это отщепление (элиминирование) молекулы углекислого газа из карбоксильной группы (-COOH) или органической кислоты или карбоксилатной группы (-COOMe)  соли органической кислоты.

Взаимодействие бензоата натрия с гидроксидом натрия в расплаве протекает аналогично реакции получения алканов по реакции Дюма с образованием бензола и карбоната натрия:

5. Алкилирование бензола и его гомологов

• Арены взаимодействуют с галогеналканами в присутствии катализаторов (AlCl_3, FeBr₃ и др.) с образованием гомологов бензола.

Например, бензол реагирует с хлорэтаном с образованием этилбензола

• Ароматические углеводороды взаимодействуют с алкенами в присутствии хлорида алюминия, бромида железа (III), фосфорной кислоты и др.

Например, бензол реагирует с этиленом с образованием этилбензола

Например, бензол реагирует с пропиленом с образованием изопропилбензола (кумола)

• Алкилирование спиртами протекает в присутствии концентрированной серной кислоты.

Например, бензол реагирует с этанолом с образованием этилбензола и воды

6. Тримеризация ацетилена

При нагревании ацетилена под давлением над активированным углем молекулы ацетилена соединяются, образуя бензол. 

При тримеризации пропина образуется 1,3,5-триметилбензол.

7. Получение стирола

Стирол можно получить дегидрированием этилбензола:

Стирол можно также получить действием спиртового раствора щелочи на продукт галогенирования этилбензола (1-хлор-1-фенилэтан):