Benzen

Z Wikipedii

Benzen (C₆H₆) to najprostszy związek organiczny z grupy węglowodorów aromatycznych.

Spis treści 1 Właściwości 2 Historia 3 Struktura 3.1 Struktura Kekulégo 3.2 Teoria rezonansu chemicznego 3.3 Mechanika kwantowa 4 Otrzymywanie 5 Zastosowanie

[edytuj] Właściwości

W temperaturze pokojowej benzen jest bezbarwną cieczą o charakterystycznym, ostrym zapachu. Jego gęstość wynosi 0,88 g/cm³, temperatura wrzenia 80,1 °C, a temperatura krzepnięcia 5,5°C. Bardzo słabo rozpuszcza się w wodzie (w temp. 20°C 0,18 g na 100 cm³ H₂O), lepiej w rozpuszczalnikach organicznych. Sam jest dobrym rozpuszczalnikiem dla wosków, tłuszczów, naftalenu i innych niepolarnych związków chemicznych. Pali się kopcącym płomieniem. Ciepło spalania 9470 kcal/kg.

Benzen jest związkiem trwałym chemicznie, w przeciwieństwie do alkenów nie ulega łatwo reakcji addycji. Stosunkowo łatwo natomiast zachodzi substytucja elektrofilowa do pierścienia aromatycznego, katalizowana kwasami Lewisa, nazywana często reakcją Friedla-Craftsa.

W większych ilościach benzen jest toksyczny. LD50 (szczur, doustnie) wynosi 930 mg/kg, LC50 (szczur, inhalacja) – 10 000 ppm przez 7 h. Ma silne właściwości rakotwórcze. Po spożyciu powoduje podrażnienie śluzówki żołądka, mdłości i wymioty. Przy pochłonięciu większych ilości powoduje bóle głowy, drgawki i zgon.

[edytuj] Historia

Benzen został po raz pierwszy wyodrębniony przez Faradaya w 1825 r. ze sprężonego gazu świetlnego. W 1845 inny angielski chemik, Charles Mansfield, pracując pod kierunkiem Augusta Wilhelma von Hofmanna, wyodrębnił go ze smoły węglowej. Cztery lata później Mansfield rozpoczął produkcję benzenu na skalę przemysłową bazując na tej metodzie.

[edytuj] Struktura

[edytuj] Struktura Kekulégo

Problem budowy benzenu interesował chemików już od chwili wyodrębnienia tego związku.

W 1865 r. niemiecki chemik Friedrich August Kekulé wysunął hipotezę, że benzen jest cykloheksatrienem o sześcioczłonowym pierścieniu, w którym pomiędzy atomami węgla na przemian występują wiązania pojedyncze i podwójne:

.

[edytuj] Teoria rezonansu chemicznego

Struktura Kekulégo nie tłumaczyła jednak braku właściwości charakterystycznych dla węglowodoru nienasyconego benzenu i innych związków aromatycznych. Ponadto, w miarę gromadzenia się materiału eksperymentalnego, okazywało się że wszystkie wiązania C-C w pierścieniu benzenowym są równocenne. Na podstawie badań spektroskopowych ustalono, że cząsteczka benzenu w istocie stanowi pierścień złożony z sześciu atomów węgla połączonych równocennymi wiązaniami o długości pośredniej pomiędzy długością wiązania pojedynczego (1,54 Å) i podwójnego (1,34 Å) – 1,39 Å. Stan ten można przedstawić z pomocą struktury rezonansowej:

[edytuj] Mechanika kwantowa

Zagadnienie budowy pierścienia benzenowego dobrze tłumaczy kwantowomechaniczna metoda orbitali molekularnych. Przyjmuje się hybrydyzację sp² dla atomów węgla. Zhybrydyzowane orbitale tworzą wiązania σ C-C i C-H. Pozostałe orbitale p atomów węgla (o osiach prostopadłych do płaszczyzny cząsteczki) tworza zdelokalizowane wiązanie π:

[edytuj] Otrzymywanie

Do czasów II wojny światowej główną metodą otrzymywania benzenu była ekstrakcja ze smoły pogazowej (produkt uboczny w przemyśle koksowniczym i gazowniczym). W latach 50. XX w. wzrosło zapotrzebowanie na benzen, głównie ze strony przemysłu tworzyw sztucznych i konieczna stała się jego produkcja na wielką skalę z ropy naftowej.

Obecnie, oprócz ekstrakcji ze smoły pogazowej, stosuje się następujące metody otrzymywania benzenu:

• piroliza lekkich frakcji ropy naftowej z parą wodną (kraking parowy)
• reforming lekkich frakcji ropy naftowej
• dealkilacja toluenu, polegająca na przepuszczaniu mieszaniny toluenu i wodoru nad katalizatorem (chrom, molibden lub tlenek platyny) w temperaturze 500-600°C pod ciśnieniem 40-60 atm (czasem zamiast katalizatora używa się wyższych temperatur):

C₆H₅CH₃ + H₂ → C₆H₆ + CH₄

Inne, nie stosowane na skalę przemysłową metody pozyskiwania tego związku to m. in.:

• odwodornienie cykloheksanu w temp. 300 °C na katalizatorze (najczęściej platyna osadzona na tlenku glinu)
• polimeryzacja acetylenu poprzez ogrzewanie go w obecności węgla aktywnego:

3C₂H₂ → C₆H₆

[edytuj] Zastosowanie

Benzen jest jednym z najważniejszych surowców w syntezie organicznej, służy m. in. do produkcji tworzyw sztucznych, włókien syntetycznych, barwników, leków, detergentów, pestycydów, a także do otrzymywania aniliny, fenolu i acetonu (metoda kumenowa) oraz bezwodnika maleinowego.

Sam benzen jest ze względu na swoje właściwości toksyczne i rakotwórcze rzadko używany. Był niegdyś masowo stosowany jako rozpuszczalnik dla wielu reakcji prowadzonych w skali przemysłowej – obecnie jednak zastępuje się go innymi rozpuszczalnikami, o ile tylko istnieje taka możliwość.