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| Sistematico Nome | benzene |
| Abbreviazioni | PhH |
| Nomi tradizionali | asciugacapelli (Laurent, 1837), fenil idrogeno, benzene |
| Chimica. formula | C₆H₆ |
| Stato | liquido |
| Massa molare | 78,11 g/mol |
| Densità | 0,8786 g/cm³ |
| Viscosità dinamica | 0,0652 Pa/sec |
| Energia ionizzata | 9,24 ± 0,01 eV |
| T. sciogliere. | 5,5° |
| T. kip. | 80,1° |
| T. rev. | -11° |
| T. svsp. | 562° |
| Eccetera. raffica | 1,2 ± 0,1% in volume |
| Pressione del vapore | 75 ± 1 mmHg |
| solubilità in acqua | 0,073 g/100 ml |
| GOST | GOST 5955-75 |
| reg. numero CAS | 71-43-2 |
| PubChem | 241 |
| reg. numero EINECS | 200-753-7 |
| SORRISI | C1=CC=CC=C1 |
| InChi | |
| RTEC | CY1400000 |
| CHEBI | 16716 |
| ChemSpider | 236 |
| Tossicità | tossico, ha proprietà cancerogene e narcotiche |
| AVVERTENZA | PERICOLOSAMENTE! |
| I dati sono forniti per condizioni standard (25°, 100 kPa) se non diversamente specificato. | |
Proprietà chimiche
Le reazioni di sostituzione sono caratteristiche del benzene: il benzene reagisce con alcheni, cloroalcani, alogeni, acido nitrico e solforico. Le reazioni di scissione dell'anello benzenico avvengono in condizioni difficili (temperatura, pressione).
- Interazione con alcheni (alchilazione), a seguito della reazione si formano omologhi del benzene, ad esempio etilbenzene e cumene:
- Interazione con cloro e bromo in presenza di un catalizzatore per formare clorobenzene (reazione di sostituzione elettrofila):
- In assenza di catalizzatore, quando riscaldato o illuminato, si verifica una reazione di addizione radicalica con formazione di una miscela di isomeri di esaclorocicloesano
- Quando il benzene reagisce con il bromo in una soluzione di oleum, si forma l'esabromobenzene:
- Interazione con derivati alogeni di alcani (alchilazione del benzene, reazione di Friedel-Crafts) per formare alchilbenzeni:
- La reazione di acilazione di Friedel-Crafts di anidridi di benzene, alogenuri di acido carbossilico porta alla formazione di chetoni aromatici e grassi aromatici:
6 6 + 6 5 COCl → AlCl 3 6 5 COC 6 5 + HCl
Nella prima e nella seconda reazione si forma acetofenone (metilfenilchetone), la sostituzione del cloruro di alluminio con cloruro di antimonio consente di ridurre la temperatura di reazione a 25 ° C. Nella terza reazione si forma benzofenone (difenilchetone).
- La reazione di formilazione - l'interazione del benzene con una miscela di CO e HCl, procede ad alta pressione e sotto l'azione di un catalizzatore, il prodotto di reazione è la benzaldeide:
- Reazioni di solfonazione e nitrazione (sostituzione elettrofila):
- Riduzione del benzene con idrogeno (idrogenazione catalitica):
Reazioni di ossidazione
Il benzene, per la sua struttura, è molto resistente all'ossidazione, non risente, ad esempio, di una soluzione di permanganato di potassio. Tuttavia, l'ossidazione ad anidride maleica può essere effettuata utilizzando un catalizzatore di ossido di vanadio:
- reazione di ozonolisi. Inoltre, il benzene subisce ozonolisi, ma il processo è più lento rispetto agli idrocarburi insaturi:
Il risultato della reazione è la formazione di dialdeide - gliossale (1,2-etandiale).
- reazione di combustione. La combustione del benzene è il caso limite dell'ossidazione. Il benzene è altamente infiammabile e brucia nell'aria con una fiamma molto fumosa:
Struttura
Per composizione, il benzene appartiene agli idrocarburi insaturi (serie omologa n 2n−6), ma a differenza degli idrocarburi della serie dell'etilene, 2 4 , mostra proprietà inerenti agli idrocarburi insaturi (sono caratterizzati da reazioni di addizione), solo in condizioni difficili, ma il benzene è più incline a reazioni di sostituzione. Questo "comportamento" del benzene è spiegato dalla sua struttura speciale: la presenza di atomi sullo stesso piano e la presenza di una nuvola di 6π-elettroni coniugati nella struttura. L'idea moderna della natura elettronica dei legami nel benzene si basa sull'ipotesi di Linus Pauling, che ha proposto di rappresentare la molecola del benzene come un esagono con un cerchio inscritto, sottolineando così l'assenza di doppi legami fissi e la presenza di un singola nuvola di elettroni che copre tutti e sei gli atomi di carbonio del ciclo.
Nella letteratura specializzata e popolare, il termine anello benzenico, riferendosi, di regola, alla struttura del carbonio del benzene senza tener conto di altri atomi e gruppi associati agli atomi di carbonio. L'anello benzenico fa parte di molti composti diversi.
Produzione
Oggi, ci sono diversi fondamentali vari modi produzione di benzene.
Applicazione
Trasporto di benzene in treno effettuata in autocisterne specializzate
Una parte significativa del benzene risultante viene utilizzata per la sintesi di altri prodotti:
- circa il 50% del benzene viene convertito in etilbenzene (alchilazione del benzene con etilene);
- circa il 25% del benzene viene convertito in cumene (alchilazione del benzene con propilene);
- circa il 10-15% del benzene viene idrogenato a cicloesano;
- circa il 10% del benzene viene speso per la produzione di nitrobenzene;
- Il 2-3% del benzene viene convertito in alchilbenzeni lineari;
- circa l'1% del benzene viene utilizzato per la sintesi del clorobenzene.
In quantità molto minori, il benzene viene utilizzato per la sintesi di altri composti. Occasionalmente e in casi estremi, a causa della sua elevata tossicità, il benzene viene utilizzato come solvente.
Inoltre, il benzene fa parte della benzina. Negli anni '20 e '30, il benzene fu aggiunto ru de alla benzina di linea per aumentarne il numero di ottani, ma negli anni '40 tali miscele non potevano competere con le benzine ad alto numero di ottani. A causa dell'elevata tossicità, il contenuto di benzene nel carburante è limitato dagli standard moderni all'introduzione fino all'1%.
Azione biologica e tossicologia
Il benzene è uno degli xenobiotici antropogenici più comuni.
Il benzene è altamente tossico. La dose letale minima per somministrazione orale è di 15 ml, la media è di 50-70 ml. Con una breve inalazione di vapore di benzene, non si verifica un avvelenamento immediato, quindi, fino a poco tempo fa, la procedura per lavorare con il benzene non era particolarmente regolamentata. A dosi elevate, il benzene provoca nausea e vertigini e, in alcuni casi gravi, l'avvelenamento può essere fatale. Il primo segno di avvelenamento da benzene è spesso l'euforia. I vapori di benzene possono penetrare nella pelle integra. Il benzene liquido è piuttosto irritante per la pelle. Se il corpo umano è esposto a un'esposizione a lungo termine al benzene in piccole quantità, le conseguenze possono essere anche molto gravi.
Il benzene è un forte cancerogeno. Gli studi mostrano l'associazione del benzene con malattie come l'anemia aplastica, la leucemia acuta (mieloide, linfoblastica), la leucemia mieloide cronica, la sindrome mielodisplastica e le malattie del midollo osseo.
Meccanismo di trasformazione ed effetto mutageno del benzene
Esistono diverse varianti del meccanismo di trasformazione del benzene nel corpo umano. Nella prima variante, la molecola del benzene viene idrossilata dal sistema di ossidazione microsomiale con la partecipazione del citocromo P450. Secondo il meccanismo, il benzene viene prima ossidato in un epossido altamente reattivo, che viene ulteriormente convertito in fenolo. Inoltre, vengono generati radicali liberi (specie reattive dell'ossigeno) a causa dell'elevata attivazione di P450 secondo la reazione:
Meccanismo molecolare della mutagenesi del benzene
Il benzene lo è promutageno, acquisisce proprietà mutagene solo dopo la biotrasformazione, a seguito della quale si formano composti altamente reattivi. Uno di questi è l'epossido di benzene. A causa dell'elevato stress angolare del ciclo epossidico, i legami -C-O-C- si rompono e la molecola diventa elettrofila, reagisce facilmente con i centri nucleofili delle basi azotate delle molecole acidi nucleici soprattutto DNA.
Il meccanismo di interazione del ciclo epossidico con i centri nucleofili - gruppi amminici di basi azotate (reazione di arilazione) procede come reazione di sostituzione nucleofila 2 . Di conseguenza, si formano addotti di DNA legati in modo covalente abbastanza forti; tali derivati sono più spesso osservati nella guanina (perché la molecola della guanina ha importo massimo centri nucleofili), ad esempio N7-fenilguanina. Gli addotti del DNA risultanti possono portare a un cambiamento nella struttura nativa del DNA, interrompendo così il corretto corso di trascrizione e replicazione. Qual è la fonte delle mutazioni genetiche. L'accumulo di epossido negli epatociti (cellule epatiche) porta a conseguenze irreversibili: un aumento dell'arilazione del DNA e contemporaneamente un aumento dell'espressione (sovraespressione) di proteine mutanti che sono il prodotto di una mutazione genetica; inibizione dell'apoptosi; trasformazione cellulare e persino morte. Oltre alla pronunciata genotossicità e mutagenicità, il benzene ha una forte mielotossicità e attività cancerogena, in particolare questo effetto si manifesta nelle cellule del tessuto mieloide (le cellule di questo tessuto sono molto sensibili a tali effetti degli xenobiotici).
Benzene e abuso di sostanze
Il benzene ha un effetto stupefacente su una persona e può portare alla tossicodipendenza.
Avvelenamento acuto
A concentrazioni molto elevate - perdita di coscienza quasi istantanea e morte in pochi minuti. Il colore del viso è cianotico, le mucose sono spesso rosso ciliegia. A concentrazioni più basse - eccitazione, simile all'alcol, poi sonnolenza, debolezza generale, vertigini, nausea, vomito, mal di testa, perdita di coscienza. Si osservano anche contrazioni muscolari, che possono trasformarsi in convulsioni toniche. Le pupille sono spesso dilatate e non rispondono alla luce. La respirazione è prima accelerata, poi rallentata. La temperatura corporea scende bruscamente. Polso accelerato, ripieno piccolo. La pressione sanguigna si abbassa. Sono stati segnalati casi di gravi aritmie cardiache.
Dopo un grave avvelenamento che non porta direttamente alla morte, a volte si osservano disturbi della salute a lungo termine: pleurite, catarri delle prime vie respiratorie, malattie della cornea e della retina, danni al fegato, disturbi cardiaci, ecc. Un caso di vasomotorio nevrosi con gonfiore del viso e delle estremità, disturbi della sensibilità e convulsioni subito dopo l'avvelenamento acuto da vapori di benzene. A volte la morte si verifica qualche tempo dopo l'avvelenamento.
avvelenamento cronico
Nei casi più gravi si hanno: mal di testa, stanchezza estrema, mancanza di respiro, vertigini, debolezza, nervosismo, sonnolenza o insonnia, indigestione, nausea, talvolta vomito, mancanza di appetito, aumento della minzione, mestruazioni, sanguinamento persistente dalla mucosa orale, in particolare le gengive, spesso si sviluppa. , e il naso, che dura per ore e anche giorni. A volte si verifica un'emorragia persistente dopo l'estrazione del dente. Numerose piccole emorragie (emorragie) nella pelle. Sangue nelle feci, sanguinamento uterino, emorragia retinica. Di solito è l'emorragia, e spesso la febbre di accompagnamento (temperatura fino a 40° e oltre) che porta l'avvelenato in ospedale. In questi casi, la prognosi è sempre grave. La causa della morte sono a volte infezioni secondarie: ci sono casi di infiammazione cancrena del periostio e necrosi della mascella, grave infiammazione ulcerosa delle gengive, sepsi generale con endometrite settica.
A volte, con grave avvelenamento, si sviluppano sintomi di malattie nervose: un aumento dei riflessi tendinei, clono bilaterale, un sintomo di Babinsky positivo, un disturbo di sensibilità profonda, disturbi pseudo-tabetici con parestesia, atassia, paraplegia e disturbi motori (segni di danno al colonne posteriori del midollo spinale e del tratto piramidale).
I cambiamenti più tipici nel sangue. Il numero di eritrociti è generalmente ridotto drasticamente, fino a 1-2 milioni e meno. Anche il contenuto di emoglobina diminuisce drasticamente, a volte fino al 10%. L'indice di colore in alcuni casi è basso, a volte vicino al normale ea volte alto (soprattutto con grave anemia). Si notano anisocitosi e poichilocitosi, puntura basofila e comparsa di eritrociti nucleari, aumento del numero di reticolociti e del volume degli eritrociti. Più tipica è una forte diminuzione del numero di leucociti. A volte inizialmente leucocitosi, rapidamente sostituita da leucopenia, accelerazione della VES. I cambiamenti nel sangue non si sviluppano contemporaneamente. Molto spesso, il sistema leucopoietico viene colpito prima, poi la trombocitopenia si unisce. La sconfitta della funzione eritroblastica si verifica spesso anche più tardi. In futuro, potrebbe svilupparsi un quadro caratteristico di grave avvelenamento: anemia aplastica.
Gli effetti dell'avvelenamento possono persistere e persino progredire mesi e anni dopo la cessazione del lavoro con il benzene.
Primo soccorso per avvelenamento e trattamento
In caso di avvelenamento acuto con benzene (vapori di benzene), la vittima deve essere prima portata all'aria aperta, in caso di arresto respiratorio viene eseguita la respirazione artificiale alla normalizzazione, ossigeno e lobelina vengono utilizzati come stimolanti respiratori. L'uso dell'adrenalina come analettico è severamente vietato! In caso di vomito, soluzione di glucosio per via endovenosa al 40%, in caso di disturbi circolatori - iniezione di soluzione di caffeina. Se l'avvelenamento si è verificato per via orale e il benzene è entrato nello stomaco, è necessario risciacquarlo con olio vegetale (il benzene si assorbe bene), la procedura deve essere eseguita con cautela, poiché l'aspirazione è possibile. Con un lieve avvelenamento, il paziente viene mostrato a riposo. Negli stati eccitati, sono necessari sedativi. In caso di anemia si effettuano trasfusioni di sangue, vitamina B12, acido folico, in caso di leucopenia - vitamina B6, pentossile. In caso di diminuzione dell'immunità (stato di immunodeficienza) - immunostimolanti.
L'azione del benzene sulle biomembrane
Le membrane biologiche sono strutture supramolecolari: un doppio strato lipidico, in cui sono integrate (incorporate) o attaccate sulla superficie delle molecole di proteine, polisaccaridi. I lipidi che compongono le biomembrane sono per loro natura composti anfifili (amofili), cioè capaci di dissolversi sia in sostanze polari che non polari, per la presenza in esse di gruppi polari, i cosiddetti. "testa"(carbossilici -COOH, idrossile -OH, gruppi amminici -NH 2 e altri) e cosiddetti non polari. "code"(radicali idrocarburici - alchili, arili, strutture policicliche come colestan e altri).
Il benzene è un efficace solubilizzante delle membrane biologiche, dissolve rapidamente i gruppi apolari (i cosiddetti idrocarburi "code") lipidi, principalmente colesterolo, che fa parte delle membrane. Il processo di solubilizzazione è limitato dalla concentrazione di benzene, più è, più veloce procede questo processo. Nel processo di solubilizzazione viene rilasciata energia, rompendo letteralmente il doppio strato lipidico (doppio strato lipidico), che porta alla completa distruzione (distruzione della struttura) della membrana e successiva apoptosi cellulare (durante la distruzione delle biomembrane si attivano i recettori di membrana (tale come: CD95, TNFR1, DR3, DR4 e altri) che attivano l'apoptosi cellulare).
Azione sulla pelle
Con il frequente contatto delle mani con il benzene, si osservano pelle secca, screpolature, prurito, arrossamento (di solito tra le dita), gonfiore e vesciche simili al miglio. A volte, a causa di lesioni cutanee, i lavoratori sono costretti a lasciare il lavoro.
La concentrazione massima consentita è 5 mg/m 3 .
Sicurezza
Lavorare con il benzene comporta il rischio di avvelenamento e gravi problemi di salute. Il benzene è un liquido altamente volatile (volatilità 320 mg/l a 20°C) con un alto grado accensione, pertanto, quando si lavora con esso, è necessario osservare le precauzioni di sicurezza per lavorare con liquidi infiammabili. I vapori di benzene sono molto pericolosi, poiché possono formare miscele esplosive con l'aria. Attualmente, l'uso del benzene come solvente organico è fortemente limitato a causa della tossicità e degli effetti cancerogeni dei suoi vapori e degli effetti negativi sulla pelle. Lavorare con il benzene in laboratorio prevede anche la sua limitazione (rigorosamente regolamentata). Si consiglia di utilizzare il benzene negli esperimenti solo in piccoli volumi (non più di 50 ml), il lavoro deve essere eseguito esclusivamente con guanti di gomma fluorurata (il lattice si dissolve e si gonfia se esposto al benzene).
- conservare vicino a fonti di calore, fiamme libere, forti ossidanti, prodotti alimentari e così via,
- lasciare aperti contenitori contenenti benzene, fumo,
- utilizzare contenitori di benzene per uso alimentare, lavarsi le mani, stoviglie,
- lavorare in una stanza chiusa e poco ventilata con una temperatura dell'aria superiore a 30 ° C,
- utilizzare un grande volume di una sostanza come solvente,
- lavorare senza dispositivi di protezione della pelle delle mani, degli occhi e degli organi respiratori.
Ecologia
Il benzene è una sostanza pericolosa per l'ambiente, un tossico di origine antropica. Le principali fonti di benzene che entrano nel ambiente co liquame o le emissioni nell'aria sono le industrie petrolchimiche e del coke, la produzione e il trasporto di carburanti. Dai serbatoi, il benzene si volatilizza facilmente, è in grado di trasformarsi dai suoli in piante, il che rappresenta una seria minaccia per gli ecosistemi.
Il benzene ha la proprietà di accumularsi, grazie alla sua lipofilia è in grado di depositarsi nelle cellule del tessuto adiposo degli animali, avvelenandoli così.
PRTSVSH (F) FGBOU VPO
Dipartimento di "Sicurezza antincendio"
Test
nella disciplina "Teoria della combustione e delle esplosioni"
Compito numero 1
Determinare le quantità teoriche specifiche e il volume d'aria necessari per la combustione completa del vapore di benzene. Le condizioni in cui si trova l'aria sono caratterizzate dalla temperatura Tv e dalla pressione Pv e dal vapore di benzene - temperatura Tg e pressione Pg. Esprimere i risultati del calcolo nelle seguenti unità: ; ;;;
Dati iniziali (N - numero del gruppo, n - numero secondo l'elenco degli studenti:
TV=300+(-1) N *2*N-(-1) n *0,2*n= 277,6 K
Pv \u003d?10 3 \u003d 95900 Pa;
Тg=300?(?1) N?2?N?(?1) n?0,2?n= 321,6 K;
Pr \u003d?10 3 \u003d 79400 Pa.
С6Н6+7.5О2+7.5?3.76N2=6CO2+3pO+7.5?3.76N2+Qp (1),
dove Qp è il calore di una reazione chimica. A partire dal data equazioneè possibile determinare i coefficienti stechiometrici del benzene e dell'ossigeno molecolare: Vg = 1, V0 = 7,5
2. Quantità teorica specifica di aria - il numero di kilomoli di aria necessari per la combustione completa di un kilomol di benzene è calcolato dalla formula:
dove 4,76 è la quantità di aria che contiene un'unità di ossigeno, \u003d è il rapporto tra i coefficienti stechiometrici dell'ossigeno molecolare (Vo) e del benzene (Vg)
Sostituendo in (d) i valori di Vo e Vg, otteniamo:
3. Il volume d'aria necessario per la combustione completa di un chilomole di benzene è determinato come segue:
dove è il volume di un kilomole di aria alla temperatura Tv e alla pressione Pv. Il valore viene calcolato utilizzando la formula
dove 22,4 è il volume molare del gas in condizioni normali, Po = 101325 Pa è la pressione normale, To = 273 K è la temperatura normale.
Sostituendo Tv, To, Pv, Po in (5), otteniamo
Il volume d'aria teorico specifico è calcolato dalla formula (4):
4. Il volume d'aria necessario per la combustione completa di un volume unitario di combustibile gassoso è determinato come segue:
dove è il volume di un chilomole di carburante - vapore di benzene alla temperatura Tg e alla pressione Pg. Dato che
e sostituendo (8) e (5) in (7), otteniamo la seguente espressione per il volume d'aria teorico specifico:
Calcoliamo il valore di questo parametro del processo di combustione:
Il volume d'aria necessario per la combustione completa di un chilogrammo di benzene è determinato come segue:
dove - la massa molare del carburante è la massa di un chilomole di benzene, espressa in chilogrammi. La massa molare del benzene è numericamente uguale al suo peso molecolare si trova dalla formula:
Ac?nc + An?nn, UiAi?ni (11)
dove Ac e An sono i pesi atomici di carbonio e idrogeno, nc e nn sono i numeri di atomi di carbonio nella molecola di benzene. Sostituendo i valori Ac = 12, nc = 6, An = 1, nn = 6, otteniamo:
Troviamo il volume teorico specifico dell'aria sostituendo i valori di n nella e nella formula (10):
Risultato del calcolo:
Compito numero 2
Determinare la quantità teorica specifica, il volume e la composizione dei prodotti della combustione del benzene, se sono noti il coefficiente di eccesso d'aria c, la temperatura Tp e la pressione Pp dei prodotti della combustione, la temperatura Tg e la pressione Pg del vapore di benzene. Esprimere i risultati del calcolo in frazioni molari (in percentuale) e nelle seguenti unità: ; ;;
Dati iniziali:
c=1,5+(?1) N?0,1?N?(?1) n?0,01?n = 0,2;
Rp \u003d?10 3 \u003d 68400 Pa;
Tp=1600?(?1) N?20?N?(?1) n?2?n = 1816 K;
Тg=273?(?1) N?2?N+(?1) n?0,2?n = 295,4 K;
Rg \u003d?10 3 \u003d 111600 Pa;
soluzione (N=11, n=2).
1. Scriviamo l'equazione stechiometrica per la reazione della combustione del benzene in aria:
C 6 H 6 +7,5O 2 +7,5? 3,76N 2 \u003d 6CO 2 + 3H 2 O + 7,5? 3,76N 2 + Qp, (1)
dove Qp è il calore di una reazione chimica. Da questa equazione, determiniamo i seguenti coefficienti stechiometrici:
V CO2 \u003d 6, V pO \u003d 3, V C6H6 \u003d 1, V O2 \u003d 7,5, V N2 \u003d 7,5? 3,76
2. Determinare la quantità stimata di prodotti della combustione di un chilomole di carburante:
Sostituendo in (2) i valori dei coefficienti stechiometrici dei prodotti della combustione e del combustibile si ottiene:
3. Quantità teorica specifica di aria: il numero di kilomoli di aria necessari per la combustione completa di un kilomol di carburante, determiniamo utilizzando la formula:
Dove 4,76 è la quantità di aria che contiene un'unità di ossigeno,
Rapporto dei coefficienti stechiometrici dell'ossigeno molecolare e del benzene.
Sostituendo in (4) i valori V O2 =7.5 e V C6H6 =1 otteniamo:
4. La quantità in eccesso di aria che cade su 1 Kmol di carburante è determinata dall'espressione:
aria comburente vapore benzene
Sostituendo in questa espressione i valori
37,7(0,2-1)=30,16(7)
5. La quantità totale di prodotti della combustione per quantità unitaria di sostanza combustibile è determinata dalla somma:
Dopo aver sostituito i valori e otteniamo:
6. Le frazioni molari dei prodotti della combustione, espresse in percentuale, sono determinate come segue:
Nelle formule (9) per le frazioni molari di azoto e ossigeno nei prodotti della combustione, 0,79 e 0,21 sono le frazioni molari di queste sostanze nell'aria, il cui eccesso porta ad un aumento della proporzione di azoto e alla comparsa di ossigeno nei prodotti della combustione.
7. Per determinare i volumi specifici e i prodotti della combustione, è necessario calcolare il loro volume molare - il volume di un chilomole di gas nelle condizioni in cui si trovano i prodotti:
dove 22,4 è il volume di un kilomole di gas in condizioni normali, T 0 \u003d 273K - temperatura normale, Po \u003d 101325 Pa - pressione normale.
Sostituendo in (10) i valori, Po, To, otteniamo:
Il volume dei prodotti che si formano durante la combustione di un chilogrammo di carburante, esclusa l'aria in eccesso, è calcolato come segue:
dove - la massa molare del carburante è la massa di un chilomole di benzene, espressa in chilogrammi. La massa molare del benzene si trova con la formula:
dove Ac e An sono i pesi atomici di carbonio (12) e idrogeno (1), n c e n n sono i numeri di atomi di carbonio (6) e idrogeno (6) nelle molecole di benzene (C 6 H 6).
Sostituendo i valori, e in (12) otteniamo
Il volume d'aria in eccesso per 1 chilogrammo di carburante è determinato come segue:
dove è il volume di un kilomole di aria in eccesso, che fa parte dei prodotti della combustione. Poiché la temperatura e la pressione dell'aria in eccesso corrispondono alla temperatura e alla pressione dei prodotti della combustione, quindi \u003d \u003d 220,7.
Sostituendo questo valore, così come nella (14), otteniamo:
Per calcolare il volume specifico dei prodotti della combustione completa del carburante, assumiamo che il vapore di benzene abbia una temperatura Tg alla pressione:
dove è il volume di un kilomole di vapore di benzene alla temperatura Tg e alla pressione Pg. Il volume molare del carburante si calcola con la formula:
Sostituendo il valore ottenuto, e tali valori in (17), otteniamo:
Volume d'aria in eccesso per uno metro cubo vapore di benzene, è definito come segue:
Sostituzione in (20) valori \u003d 30.16 , \u003d e
dà il seguente risultato:
Il volume specifico totale dei prodotti della combustione, tenendo conto dell'aria in eccesso, è determinato dalla somma
Risultato del calcolo:
X CO2 \u003d%; X H2O \u003d 4,4%; X N2 =%; X O2 \u003d 11,7%
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Lezione:Proprietà chimiche del benzene
Riso. 1. Molecola di benzene
Rompere la nuvola di elettroni p nella molecola di benzene è difficile. Pertanto, il benzene entra nelle reazioni chimiche molto meno attivamente dei composti insaturi.
Affinché il benzene entri in reazioni chimiche, sono necessarie condizioni piuttosto difficili: una temperatura elevata e in molti casi un catalizzatore. Nella maggior parte delle reazioni, l'anello benzenico stabile viene mantenuto.
1. Bromurazione.
È necessario un catalizzatore (ferro (III) o bromuro di alluminio) e anche piccole quantità di acqua non devono entrare. Il ruolo del catalizzatore è che la molecola di bromo è attratta da uno degli atomi di bromo verso l'atomo di ferro. Di conseguenza, si polarizza: una coppia di elettroni di legame passa all'atomo di bromo associato al ferro:
Br+…. Br-FeBr 3.
Br+ è un forte elettrofilo. È attratto dalla nuvola di sei elettroni dell'anello benzenico e la rompe, formandosi legame covalente con un atomo di carbonio:
L'anione bromo potrebbe unirsi al catione risultante. Ma la riduzione del sistema aromatico dell'anello benzenico è energeticamente più favorevole dell'aggiunta dell'anione bromo. Pertanto, la molecola entra in uno stato stabile espellendo uno ione idrogeno:
Tutte le reazioni di sostituzione elettrofila nell'anello benzenico procedono secondo un meccanismo simile.
2. nitrazione
Il benzene ei suoi omologhi reagiscono con una miscela di acido solforico e nitrico concentrato (miscela nitrante). Nella miscela nitrante, in equilibrio, è presente uno ione nitronio NO 2+, che è un elettrofilo:
3. solfonazione.
Il benzene e altri areni, quando riscaldati, reagiscono con acido solforico concentrato o oleum - una soluzione di SO 3 in acido solforico:
4 . Alchilazione di Friedel-Crafts
5. Alchilazione con alcheni
Queste reazioni sono energeticamente sfavorevoli, quindi procedono solo se riscaldate o irradiate.
1. Idrogenazione.
Quando riscaldati, a pressione elevata e in presenza di un catalizzatore Ni, Pt o Pd, il benzene e altri areni aggiungono idrogeno per formare cicloesano:
2. Clorazione del benzene.
Sotto l'azione delle radiazioni ultraviolette, il benzene aggiunge cloro. Se un pallone di vetro al quarzo con una soluzione di cloro in benzene viene esposto alla luce solare, la soluzione scolorirà rapidamente, il cloro si combinerà con il benzene per formare 1,2,3,4,5,6-esaclorocicloesano, noto come esaclorano(precedentemente usato come insetticida):
3. benzene bruciante.
A differenza degli alcani, la fiamma del benzene e di altri idrocarburi aromatici è brillante e fumosa.
Riassumendo la lezione
In questa lezione hai studiato l'argomento "Proprietà chimiche del benzene". Utilizzando questo materiale, sei stato in grado di farti un'idea delle proprietà chimiche del benzene, nonché delle condizioni difficili necessarie affinché il benzene reagisca con altre sostanze.
Bibliografia
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4. Khomchenko GP, Khomchenko I.G. Raccolta di problemi di chimica per coloro che entrano nelle università. - 4a ed. - M.: RIA "New Wave": Editore Umerenkov, 2012. - 278 p.
Compiti a casa
1. No. 13, 14 (pag. 62) Rudzitis G.E., Feldman F.G. Chimica: Chimica organica. Grado 10: libro di testo per le istituzioni educative: livello base / G. E. Rudzitis, F.G. Feldman. - 14a edizione. - M.: Istruzione, 2012.
2. Perché i composti aromatici differiscono nelle proprietà chimiche dagli idrocarburi sia saturi che insaturi?
3. Scrivere le equazioni per le reazioni di combustione di etilbenzene e xilene.
DEFINIZIONE
Benzene(cicloesatriene - 1,3,5) - materia organica, il rappresentante più semplice di un certo numero di idrocarburi aromatici.
Formula - C 6 H 6 (formula strutturale - Fig. 1). Massa molecolare – 78, 11.
Riso. 1. Formule strutturali e spaziali del benzene.
Tutti e sei gli atomi di carbonio nella molecola del benzene sono nello stato ibrido sp 2. Ogni atomo di carbonio forma legami 3σ con altri due atomi di carbonio e un atomo di idrogeno che giace sullo stesso piano. Sei atomi di carbonio formano un esagono regolare (scheletro σ della molecola del benzene). Ogni atomo di carbonio ha un orbitale p non ibridato, che contiene un elettrone. Sei elettroni p formano una singola nuvola di elettroni π (sistema aromatico), che è raffigurata come un cerchio all'interno di un ciclo a sei membri. Il radicale idrocarburico derivato dal benzene è chiamato C 6 H 5 - - fenile (Ph-).
Proprietà chimiche del benzene
Il benzene è caratterizzato da reazioni di sostituzione che procedono secondo il meccanismo elettrofilo:
- alogenazione (il benzene interagisce con cloro e bromo in presenza di catalizzatori - AlCl 3 anidro, FeCl 3, AlBr 3)
C 6 H 6 + Cl 2 \u003d C 6 H 5 -Cl + HCl;
- nitrazione (il benzene reagisce facilmente con una miscela nitrata - una miscela di acido nitrico e solforico concentrato)
- alchilazione con alcheni
C 6 H 6 + CH 2 \u003d CH-CH 3 → C 6 H 5 -CH (CH 3) 2;
Le reazioni di addizione al benzene portano alla distruzione del sistema aromatico e procedono solo in condizioni difficili:
- idrogenazione (la reazione procede a riscaldamento, il catalizzatore è Pt)
- aggiunta di cloro (si verifica sotto l'azione dei raggi UV con la formazione di un prodotto solido - esaclorocicloesano (esaclorano) - C 6 H 6 Cl 6)
Come qualsiasi composto organico il benzene entra in una reazione di combustione con la formazione come prodotti di reazione diossido di carbonio e acqua (brucia con una fiamma fumosa):
2C 6 H 6 + 15O 2 → 12CO 2 + 6H 2 O.
Proprietà fisiche del benzene
Il benzene è un liquido incolore, ma ha un odore pungente specifico. Forma una miscela azeotropica con acqua, si mescola bene con eteri, benzina e vari solventi organici. Punto di ebollizione - 80,1°C, punto di fusione - 5,5°C. Tossico, cancerogeno (cioè contribuisce allo sviluppo del cancro).
Ottenere e utilizzare il benzene
I principali metodi per ottenere il benzene:
— deidrociclizzazione dell'esano (catalizzatori - Pt, Cr 3 O 2)
CH 3 -(CH 2) 4 -CH 3 → C 6 H 6 + 4H 2;
- deidrogenazione del cicloesano (la reazione procede per riscaldamento, il catalizzatore è Pt)
DO 6 H 12 → DO 6 H 6 + 4 H 2;
– trimerizzazione dell'acetilene (la reazione procede quando riscaldata a 600°C, il catalizzatore è carbone attivo)
3HC≡CH → C 6 H 6 .
Il benzene funge da materia prima per la produzione di omologhi (etilbenzene, cumene), cicloesano, nitrobenzene, clorobenzene e altre sostanze. In precedenza, il benzene veniva utilizzato come additivo alla benzina per aumentarne il numero di ottano, tuttavia, ora, a causa della sua elevata tossicità, il contenuto di benzene nel carburante è rigorosamente regolato. A volte il benzene è usato come solvente.
Esempi di problem solving
ESEMPIO 1
| Esercizio | Annota le equazioni con cui puoi eseguire le seguenti trasformazioni: CH 4 → C 2 H 2 → C 6 H 6 → C 6 H 5 Cl. |
| Decisione | Per ottenere l'acetilene dal metano si usa la seguente reazione: 2CH 4 → C 2 H 2 + 3H 2 (t = 1400°C). L'ottenimento del benzene dall'acetilene è possibile mediante la reazione di trimerizzazione dell'acetilene, che avviene per riscaldamento (t = 600°C) e in presenza di carbone attivo: 3C 2 H 2 → C 6 H 6 . La reazione di clorurazione del benzene per ottenere il clorobenzene come prodotto viene effettuata in presenza di cloruro di ferro (III): C 6 H 6 + Cl 2 → C 6 H 5 Cl + HCl. |
ESEMPIO 2
| Esercizio | A 39 g di benzene in presenza di cloruro di ferro (III) è stata aggiunta 1 mole di acqua di bromo. Quale quantità della sostanza e quanti grammi di quali prodotti ha prodotto questo risultato? |
| Decisione | Scriviamo l'equazione per la reazione di bromurazione del benzene in presenza di cloruro di ferro (III): C 6 H 6 + Br 2 → C 6 H 5 Br + HBr. I prodotti di reazione sono bromobenzene e acido bromidrico. Massa molare del benzene, calcolata utilizzando la tabella elementi chimici DI. Mendeleev - 78 g/mol. Trova la quantità di sostanza benzenica: n(C 6 H 6) = m(C 6 H 6) / M(C 6 H 6); n(C 6 H 6) = 39/78 = 0,5 mol. A seconda delle condizioni del problema, il benzene ha reagito con 1 mole di bromo. Di conseguenza, il benzene scarseggia e verranno effettuati ulteriori calcoli per il benzene. Secondo l'equazione di reazione n (C 6 H 6): n (C 6 H 5 Br) : n (HBr) \u003d 1: 1: 1, quindi n (C 6 H 6) \u003d n (C 6 H 5 Br) \u003d: n(HBr) = 0,5 mol. Quindi, le masse di bromobenzene e acido bromidrico saranno uguali: m(C 6 H 5 Br) = n(C 6 H 5 Br) × M(C 6 H 5 Br); m(HBr) = n(HBr)×M(HBr). Masse molari di bromobenzene e acido bromidrico, calcolate utilizzando la tabella degli elementi chimici di D.I. Mendeleev - 157 e 81 g/mol, rispettivamente. m(C 6 H 5 Br) = 0,5×157 = 78,5 g; m(HBr) = 0,5 x 81 = 40,5 g. |
| Risposta | I prodotti di reazione sono bromobenzene e acido bromidrico. Le masse di bromobenzene e acido bromidrico sono rispettivamente di 78,5 e 40,5 g. |
Il primo gruppo di reazioni sono le reazioni di sostituzione. Abbiamo detto che gli areni non hanno legami multipli nella struttura molecolare, ma contengono un sistema coniugato di sei elettroni, che è molto stabile e conferisce ulteriore forza all'anello benzenico. Pertanto, nel reazioni chimiche prima avviene la sostituzione degli atomi di idrogeno e non la distruzione dell'anello benzenico.
Abbiamo già riscontrato reazioni di sostituzione parlando di alcani, ma per loro queste reazioni hanno proceduto secondo un meccanismo radicale, mentre gli areni sono caratterizzati da un meccanismo ionico di reazioni di sostituzione.
Primo proprietà chimica - alogenazione. Sostituzione di un atomo di idrogeno con un atomo di alogeno: cloro o bromo.
La reazione procede quando riscaldata e sempre con la partecipazione di un catalizzatore. Nel caso del cloro, può essere cloruro di alluminio o cloruro di ferro tre. Il catalizzatore polarizza la molecola dell'alogeno, con conseguente rottura del legame eterolitico e si ottengono ioni.
Lo ione cloruro caricato positivamente reagisce con il benzene.
Se la reazione avviene con il bromo, allora il tribromuro di ferro o il bromuro di alluminio agisce come catalizzatore.
È importante notare che la reazione avviene con bromo molecolare e non con acqua di bromo. Il benzene non reagisce con l'acqua di bromo.
L'alogenazione degli omologhi del benzene ha le sue caratteristiche. Nella molecola del toluene il gruppo metilico facilita la sostituzione nell'anello, la reattività aumenta e la reazione procede in condizioni più miti, cioè già a temperatura ambiente.
È importante notare che la sostituzione avviene sempre nelle posizioni ortho e para, quindi si ottiene una miscela di isomeri.
Secondo proprietà - nitrazione del benzene, introduzione di un gruppo nitro nell'anello benzenico.
Si forma un liquido giallastro pesante con l'odore di mandorle amare: nitrobenzene, quindi la reazione può essere qualitativa per il benzene. Per la nitrazione viene utilizzata una miscela nitrante di acido nitrico e solforico concentrato. La reazione avviene per riscaldamento.
Lascia che ti ricordi che per la nitrazione degli alcani nella reazione di Konovalov è stato utilizzato acido nitrico diluito senza l'aggiunta di acido solforico.
Nella nitrazione del toluene, così come nell'alogenazione, si forma una miscela di orto- e para-isomeri.
Terzo proprietà - alchilazione del benzene con aloalcani.
Questa reazione consente l'introduzione di un radicale idrocarburico nell'anello benzenico e può essere considerata un metodo per ottenere omologhi del benzene. Il cloruro di alluminio viene utilizzato come catalizzatore, che promuove la decomposizione della molecola di aloalcano in ioni. Necessita anche di riscaldamento.
Il quarto proprietà - alchilazione del benzene con alcheni.
In questo modo, ad esempio, si possono ottenere cumene o etilbenzene. Il catalizzatore è cloruro di alluminio.
2. Reazioni di addizione al benzene
Il secondo gruppo di reazioni è quello di addizione. Abbiamo detto che queste reazioni non sono caratteristiche, ma sono possibili in condizioni piuttosto difficili con la distruzione della nuvola di elettroni pi e la formazione di sei legami sigma.
Quinto proprietà nell'elenco generale - idrogenazione, aggiunta di idrogeno.
Temperatura, pressione, nichel catalizzatore o platino. Il toluene è in grado di reagire allo stesso modo.
sesto proprietà - clorazione. Si noti che stiamo parlando specificamente dell'interazione con il cloro, poiché il bromo non entra in questa reazione.
La reazione procede sotto forte irraggiamento ultravioletto. Si forma esaclorocicloesano, un altro nome per esaclorano, un solido.
È importante ricordarlo per il benzene non possibile reazioni di addizione di alogenuri di idrogeno (idroalogenazione) e addizione di acqua (idratazione).
3. Sostituzione nella catena laterale degli omologhi benzenici
Il terzo gruppo di reazioni riguarda solo gli omologhi del benzene: questa è una sostituzione nella catena laterale.
settimo una proprietà nell'elenco generale è l'alogenazione nell'atomo di carbonio alfa nella catena laterale.
La reazione avviene quando riscaldata o irradiata, e sempre solo al carbonio alfa. Mentre l'alogenazione continua, il secondo atomo di alogeno tornerà alla posizione alfa.
4. Ossidazione di omologhi benzenici
Il quarto gruppo di reazioni è l'ossidazione.
L'anello benzenico è troppo forte, quindi benzene non si ossida permanganato di potassio - non scolorisce la sua soluzione. Questo è molto importante da ricordare.
D'altra parte, gli omologhi del benzene vengono ossidati con una soluzione acidificata di permanganato di potassio quando riscaldati. E questa è l'ottava proprietà chimica.
Risulta acido benzoico. Si osserva scolorimento della soluzione. In questo caso, non importa quanto sia lunga la catena di carbonio del sostituente, si rompe sempre dopo il primo atomo di carbonio e l'atomo alfa viene ossidato in un gruppo carbossilico con formazione di acido benzoico. Il resto della molecola viene ossidato nell'acido corrispondente o, se è un solo atomo di carbonio, in anidride carbonica.
Se l'omologo del benzene ha più di un sostituente idrocarburico sull'anello aromatico, l'ossidazione avviene secondo le stesse regole: il carbonio in posizione alfa viene ossidato.
In questo esempio si ottiene un acido aromatico bibasico, chiamato acido ftalico.
In particolare noto l'ossidazione del cumene, isopropilbenzene, con l'ossigeno atmosferico in presenza di acido solforico.
Questo è il cosiddetto metodo cumene per la produzione di fenolo. Di norma, si deve fare i conti con questa reazione in questioni relative alla produzione di fenolo. Questa è la via industriale.
nono proprietà - combustione, completa ossidazione ossigeno. Il benzene e i suoi omologhi bruciano trasformandosi in anidride carbonica e acqua.
Scriviamo l'equazione per la combustione del benzene in forma generale.
Secondo la legge di conservazione della massa, dovrebbero esserci tanti atomi a sinistra quanti sono gli atomi a destra. Perché, dopotutto, nelle reazioni chimiche, gli atomi non vanno da nessuna parte, ma l'ordine dei legami tra loro cambia semplicemente. Quindi ci saranno tante molecole di anidride carbonica quanti sono gli atomi di carbonio in una molecola di arene, poiché la molecola contiene un atomo di carbonio. Cioè n molecole di CO 2. Ci sarà la metà delle molecole d'acqua degli atomi di idrogeno, cioè (2n-6) / 2, che significa n-3.
Ci sono lo stesso numero di atomi di ossigeno a sinistra ea destra. A destra ci sono 2n dall'anidride carbonica, perché in ogni molecola ci sono due atomi di ossigeno, più n-3 dall'acqua, per un totale di 3n-3. A sinistra, c'è lo stesso numero di atomi di ossigeno - 3n-3, il che significa che ci sono la metà delle molecole, perché la molecola contiene due atomi. Cioè (3n-3)/2 molecole di ossigeno.
Pertanto, abbiamo compilato l'equazione per la combustione degli omologhi del benzene in una forma generale.