Основные способы получения бензола

Химия, Биология, подготовка к ГИА и ЕГЭ

Получение бензола и его

Мы рассмотрим «классические» методы получения бензола — те, которые описаны в каждом учебнике по химии, и рассмотрим получение из разных классов органических соединений, т.к. цепочки реакций, которые предлагаются в ЕГЭ, подразумевают умение получать бензол «из всего» 🙂

«Классические» реакции

получения бензола

Ароматизация нефти. Точнее, это реакция циклизации гексана. Называется метод «ароматизация нефти», т.к. из нее получают гексан:
С6H14 → C6H6 + 4H2

Обратите внимание на условия реакции — давление, температуру и катализатор. Они означают, что при обычных условиях гексан не вступит в такую реакцию. Алканы вообще довольно нереакционноспособные вещества.

Дегидрирование циклогексана : этот метод хорошо тем, что можно получить не только бензол, но и его гомологи. Для этого надо взять циклогексан с нужным количеством атомов С в боковой цепи

С6H12 → C6H6 + 3H2

Получение гомологов бензола: алкилирование бензола:
реакция проводится в присутствии катализатора — галогенидов алюминия, например, AlCl3:
C6H6 + CH3Cl → C6H5CH3 + HCl

Именная реакция — реакция Зелинского. Получение бензола из ацетилена:
3С2H2 → C6H6

Это основные, «классические» способы получения бензола и его гомологов, теперь рассмотрим варианты из заданий ЕГЭ

1. Получение бензола из неорганических веществ:

• 1 вариант:
  Исходное вещество — карбид кальция СaC2:
  CaC2 + 2H2O → Ca(OH)2 + C2H2 — ацетилен
  дальше — реакция Зелинского : 3С2H2 → C6H6 Это самый короткий путь получения.
• 2 вариант:
  Исходное вещество — карбид алюминия Al4C3:

Al4C3 + 12H2O → 4Al(OH)3 + 3CH4 — метан
2СH4 (1500 °C) → C2H2 + 3H2

дальше — реакция Зелинского

2. Получение бензола и его гомологов из других неорганических веществ:

1) получение бензола из алканов:

СH4 (1500 °C) → C2H2 (С, 600ºС) → С6H6

2) получение бензола и его гомологов из алкенов:

С2H4 → C2H2 →C6H6

Схема: алкен → дибромалкан → циклоалкан → гомолог бензола

CH2=CH-(CH2)4-CH3 + HBr → CH3-CH( Br )-(CH2)4-CH3
CH3-CH(Br)-(CH2)4-CH3 + Br2 → CH3-CH( Br )-(CH2)4-CH2 Br
CH3-CH( Br )-(CH2)4-CH2 Br + Zn → C6H13-СH3 — метилциклогексан + ZnBr2
C6H13-СH3 → С6H5-CH3 + 4H2

Источник

Бензол и его гомологи

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 sp 2 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.

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.

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 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.

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

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.

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

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.

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

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.

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

© Беллевич Юрий Сергеевич 2018-2021

Данная статья написана Беллевичем Юрием Сергеевичем и является его интеллектуальной собственностью. Копирование, распространение (в том числе путем копирования на другие сайты и ресурсы в Интернете) или любое иное использование информации и объектов без предварительного согласия правообладателя преследуется по закону. Для получения материалов статьи и разрешения их использования, обратитесь, пожалуйста, к Беллевичу Юрию.

Источник

Получение бензола

Бензолом называется жидкость, не имеющая цвета с ярко выраженным сладковатым запахом. Бензол является органическим химическим соединением, а также простейшим ароматическим углеводородом. Автором знаменитой формулы бензольного кольца является нобелевский лауреат в области химии Лайнус Полинг. Идея изображать бензол в виде шестигранника, внутри которого расположена окружность, принадлежит именно ему. Благодаря данному изображению становится понятно отсутствие двойных связей и наличие единого электронного облака, которое охватывается все 6 атомов углерода. Формула бензола — С₆Н₆.

Еще в 1651 году в книге немецкого химика Иоганна Глаубера были описаны бензолсодержащие смеси, которые образуются в конечном результате процесса перегонки каменноугольной смолы. Данное описание можно считать в истории бензола первым. Однако, как самостоятельное вещество, бензол описал Майкл Фарадей, которому удалось выделить бензол из конденсата светильного газа, которые образуется путем коксования угля. Данное событие произошло в 1825 году. Спустя восемь лет бензол был получен в процессе сухой перегонки кальциевой соли бензойной кислоты. Получение бензола таким способом приписывается немецкому физико-химику Эйльгарду Мичерлиху. Именно его получение в результате дало веществу то название, которое всем известно сегодня, — вещество было названо бензолом.

Присутствует в бензине, нашел свое широкое использование во многих промышленных отраслях, а также медицине, при производстве разнообразных пластмасс, синтетической резины, красителей и многого другого. Несмотря на то, что бензол присутствует в составе сырой нефти, для его получения используются другие нефтяные компоненты.

Способы получения бензола

Для производства бензола могут использоваться как естественные, так и искусственные источники. К естественным источникам бензола относится всем известный и широко применяемый каменный уголь. Еще в начале ХІХ века Майкл Фарадей открыл процесс коксования каменного угля. Он занимался изучением светильного газа, которым в те далекие время активно пользовались для освещения улиц. Однако, он Майкл Фарадей также смог выделить и описать бензол. В настоящее время получение бензола из каменноугольной смолы, практически, ушло в прошлое и максимальное количество бензола, полученного таким способом, сегодня составляет всего 10%. Это связано с несколькими причинами, среди которых стоит отметить, что данный способ не является продуктивным, и ему на смену пришли более новые способы получения бензола. А, кроме этого, бензол из каменноугольной смолы имеет существенное количество тиофена в своем составе, в результате чего его невозможно использовать во многих технологичных процесса, он просто для них является не пригодным.

К искусственным источникам получения бензола можно отнести следующие:

• каталитический риформинг (аромаизинг) бензиновых фракций нефти. Стоит отметить, что данным способом получают порядка 40 – 60% от всего общего количества бензола, таким образом, он является главным источником производства данного вещества на территории США, а также Западной Европы, России и Японии. Однако, в результате описанного процесса, кроме бензола, также выделяются толуол и ксилолы. Первый образуется в достаточно больших количествах, существенно превышающих на него спрос, в связи с чем он также подвергается дальнейшей переработке, в результате чего из него получают бензол (путем гидродеалкилирования) и смесь бензола и ксилолов (путем диспропорционирования).
• пиролиз, которому подвергаются бензиновые и более тяжелые нефтяные фракции. Данный способ получения используется для производства практически 50% бензола во всем мире. В результате данного способа также наряду с бензолом образуются толуол и ксилолы. При некоторых обстоятельствах данная фракция подвергается деалкилированию, в результате чего толуол и ксилолы также становятся бензолом.
• тримеризация ацетилена. Для этого ацетилен при температуре, равной 400 0 С, пропускают над активированным углем, в результате чего получается бензол наряду с другими ароматическими углеводородами: 3С₂Н₂ = С₆Н₆. Производство бензола подобным образом связано с именем Марселена Бертло. Он начал свою работу еще в середине ХІХ века. Но в результате метода Бертло, который осуществлялся в условиях высокого температурного режима, на выходе происходило не только образование бензола, а получалась сложная смесь компонентов. И только спустя почти целое столетие, в 1948 году Реппе нашел необходимый катализатор, используемый для понижения температуры реакции, которым являлся никель.

Химические свойства бензола

Данное вещество характеризуется реакциями замещения. Следует перечислить то, с чем реагирует бензол. К таким веществам относятся алкены, хлоралкены, галогены, азотная кислота и серная кислота. Бензольное кольцо разрывается при реакции, протекающей в достаточно жестких условиях, учитывая температуру и давление.

В результате алкилирования происходит образование гомологов бензола, например, этилбензол и кумол.При взаимодействии с хлором и бромом с присутствием катализатора образуется хлорбензол. Данная реакция является реакцией электрофильного замещения. Если катализаторы отсутствуют, но при этом происходит нагревание или освещение, то осуществляется радикальная реакция присоединения, в результате чего образуется смесь изомеров гексахлорциклогексана. Когда бензол взаимодействует с бромом в растворе олеума, то происходит образование гексабромбензола. При взаимодействии с галогенопроизводными алканов (реакция Фриделя – Крафтса), образуются алкилбензолы. Ароматические и жирноароматические кетоны образуются в результате реакции ацилирования по Фриделю – Крафтсу, бензола ангидридами, галогенангидридами карбоновых кислот.

Бензол взаимодействует со смесью СО и НСl осуществляется в условиях высокого давления с присутствием катализатора. В результате данной реакции образуется бензальдегид. Кроме этого, бензол восстанавливается водородом.

Бензол обладает своим специфическим строением, которое делает его достаточно устойчивым к окислению. Он не подвергается воздействию на него, например, раствора перманганата калия. Но окисление до малеинового ангидрида можно осуществить с помощью катализатора оксида ванадия. Предельным случаем окисления является горение бензола. Он легко воспламеняется и горит на воздухе сильно коптящим пламенем.

Как определить бензол

В настоящее время существует множество методов анализа бензола. Однако, для определения чистого бензола в техническому продукте, сначала определяют присутствующие примеси. Выделяют физические и химические методы анализа. Чистый бензол можно определить по температуре плавления образца. Поскольку чистый бензол имеет температуру плавления 5,5 0 С, то наличие примесей снижает данный показатель. Также бензол можно определить весовым способом. В основе данного метода лежит взаимодействие бензола с цианидом никеля в присутствии аммиака. В результате реакции образуется комплексное соединение состава, которое можно выделить и взвесить. Также осадок, образующийся в процессе реакции и имеющий светло-сиреневый окрас, также свидетельствует о наличие бензола. В основе фотометрического метода лежит способность бензола образовывать окраску в ацетоне при наличие щелочей.

Физические свойства бензола

Бензол не имеет цвета. Обладает ярко выраженным резким запахом. Плавится при температуре 5,5 0 С, закипает при 80,1 0 С. Обладает плотностью, равной 0,879 г/см 3 . Молярная масса бензола составляет 78,11 г/моль. Как и ненасыщенные водороды, горение бензола сопровождается пламенем, которое сильно коптит. В результате взаимодействия с воздухом образуются взрывоопасные смеси. Хорошо смешивается с эфиром, бензином, а также другими органическими растворителями, при взаимодействии с водой образуется азеотропная смесь, которая закипает при температуре, равной 69,25 0 С (91% бензола). Растворимость в воде 1,79 г/л в условии температуры 25 0 С.

Опасность бензола

Бензол – это наиболее распространенный ксенобиотик антропогенного происхождения. Является очень ядовитым веществом. По ГОСТу 12.1.005-88 бензол имеет второй класс опасности, к которому относятся высокоопасные вещества. Для летального исхода человеку достаточно принять перорально всего лишь 15 мл бензола. Однако, если вдыхать непродолжительное время пары бензола, то немедленное отравление не наступает. В связи с этим, очень долго не регламентировался порядок работ с бензолом. При длительном контакте с парами бензола возникает тошнота, головокружение, а при тяжелых отравлениях наступает смерть. Зачастую одним из первых признаков отравления бензолом выступает эйфория. Пары бензола способны также проникать через кожу. Жидкий бензол при попадании на кожу вызывает сильное раздражение. Также серьезные последствия для человеческого организма вызывает длительный контакт с малыми количествами бензола. Представляет собой сильный канцероген. В результате многократных исследований, было выяснено и доказано, что бензол способен вызывать следующие заболевания человека: апластическая анемия, острые лейкозы, хронический миелоидный лейкоз, миелодиспластический синдром, заболевания костного мозга.

Бензол имеет одурманивающий эффект, в результате чего может вызывать наркотическую зависимость.

При отравлении бензолом в больших количествах вызывает мгновенную потерю сознания, смерть наступает в течение нескольких минут. При этом у пострадавшего человека наблюдается синюшний окрас лица наряду с вишнево-красными слизистыми оболочками. При отравлении в более малых концентрациях наступает возбуждение, схожее с алкогольным, после чего потерпевший ощущает сонливость, слабость, может кружиться голова, присутствует тошнота, рвота, головная боль. Потеря сознания также не исключена. Зрачки расширяются и не реагируют на свет. Температура тела резко падает. Пульс становится частым, малого наполнения. Кровяное давление снижается.

В случае тяжелых отравлений, после которых пострадавшего удалось спасти, наблюдаются длительные расстройства здоровья, заключающиеся в плевритах, катаре верхних дыхательных путей, заболевании роговицы и сетчатки, поражении печени, сердечных расстройствах и т.д.

Также следует отметить, что существует так называемое хроническое отравление бензолом. При этом наблюдаются следующие симптомы: головная боль, сильная утомляемость, одышка, головокружение, слабость, нервность, сонливость или бессонница, расстройство пищеварения, тошнота, рвота, снижение аппетита, кровоточивость десен и других слизистых оболочек и т.д. Также может наблюдаться кровь в испражнениях, кровоизлияния в сетчатку. Именно наличие кровотечения наряду с лихорадкой приводят к госпитализации отравленных. Известны также случаи смертей в результате вторичных инфекций.

Также тяжелые отравления бензолом приводят к нервных расстройствам и заболеваниям, среди которых присутствуют повышенные сухожильные рефлексы, положительным симптом Бабинского, псевдотабетические расстройства с парестезиями, атаксией, параплегией, а также двигательными нарушениями.

Первая медицинская помощь при отравлении бензолом или его парами заключается в том, чтобы обеспечить пострадавшему доступ свежего воздуха (вынести на улицу из помещения, открыть окна, освободить грудную клетку от тесной одежды), в случае отсутствия дыхания необходимо произвести искусственную вентиляцию легких, для стимуляции дыхания используют кислород и лобелин. Адреналин при отравлении бензолом категорически запрещено применять. Если у пострадавшего рвота, то вводится внутривенно 40% раствор глюкозы. В случае употребления бензола внутрь, следует осуществить промывание желудка, применяя растительное масло, который хорошо абсорбирует бензол. Однако, следует данную процедуру проводить с осторожностью, так как существует риск аспирации.

Источник