BENZEN: ISTORIC, STRUCTURĂ, PROPRIETĂȚI, DERIVAȚI, UTILIZĂRI - CHIMIE - 2025

Benzenul este un compus organic care constă din una dintre cele mai simple a tuturor hidrocarburilor aromatice. Formula sa chimică este C ₆ H ₆ , din care este cunoscut faptul că raportul dintre carbon și hidrogen este egal cu 1; adică că pentru fiecare carbon există un hidrogen legat de acesta.

Deși aspectul său fizic este cel al unui lichid incolor, se găsește în mod natural în produsele petroliere și petroliere. Mirosul său este foarte caracteristic, deoarece seamănă cu un amestec de clei, bitum și benzină; pe de altă parte, este un lichid volatil și inflamabil.

Sticlă cu benzen. Sursa: Air1404

Imaginea de mai sus arată un recipient sau o sticlă cu benzen, probabil de puritate non-analitică. Dacă sunt descoperite, vaporii de benzen s-ar răspândi imediat în laborator. Din acest motiv, acest lichid, utilizat în mod obișnuit ca solvent simplu, este manipulat în interiorul unei hote de fum.

Fiind formula sa C ₆ H ₆ , chimiștii din secolul XIX au ridicat numeroase structuri posibile care ar corespunde raportului C / H egal cu 1. Nu numai aceasta, dar molecula de benzen trebuia să aibă legături speciale în așa fel încât să poată fi explicată stabilitatea sa neobișnuită față de reacțiile de adăugare; tipic pentru alchene și polene.

Astfel, legăturile lor au reprezentat o enigmă pentru chimiștii din acea vreme; până când a fost introdusă proprietatea numită aromaticitate. Înainte de a fi considerat un hexaciclotrien (cu trei legături C = C), benzenul este mult mai mult decât atât, și este un alt exemplu al multor exemple de sinergie în chimie.

În chimia organică, benzenul este un simbol clasic, baza structurală a mai multor compuși poliaromatici. Din hexagonul său, derivații interminabili sunt obținuți prin substituție electrofilă aromatică; un inel din ale cărui margini este țesută structura care definește compuși noi.

De fapt, derivații săi se datorează utilizărilor industriale vaste pentru care au nevoie de benzen ca materie primă. De la prepararea lipiciilor și fibrelor textile, la materiale plastice, cauciucuri, pigmenți, medicamente și explozibili. Pe de altă parte, benzenul se găsește în mod natural în vulcani, focuri sălbatice, benzină și în fumul de țigară.

Istorie

Descoperire și nume

Descoperirea sa datează din 1825, de obicei atribuită lui Michael Faraday, când a colectat și a făcut experimente cu un produs petrolier rămas din gazul folosit pentru iluminat. Acest lichid conținea un raport C / H apropiat de 1, motiv pentru care l-a numit „hidrogen carburat”.

Chimistul Auguste Laurent a numit ciudatul hidrocarbură „feno”, derivat din cuvântul grecesc „phaínein” care înseamnă luminos (deoarece a fost obținut după arderea gazului). Cu toate acestea, această denumire nu a fost acceptată de comunitatea științifică și a prevalat doar ca „fenil”, pentru a se referi la radicalul derivat din benzen.

Din guma de benzoin, chimistul Eilhard Mitscherlich, nouă ani mai târziu, a reușit să producă același compus; Prin urmare, a existat o altă sursă pentru același hidrocarbon, pe care l-a botezat drept „benzină”. Cu toate acestea, nu au luat în considerare și numele potrivit pentru a presupune că era un alcaloid, cum ar fi chinina.

Astfel, au înlocuit denumirea „benzină” cu „benzol”. Cu toate acestea, din nou au existat contradicții și discrepanțe din cauza faptului că termenul „benzol” a confundat hidrocarbura pentru un alcool. Atunci s-a născut numele „benzen”, folosit mai întâi în Franța și Anglia.

Productie industriala

Nici gazul de iluminat și nici guma benzoină nu au fost surse adecvate pentru generarea benzenului la scară largă. Charles Mansfield, în colaborare cu August Wilhelm von Hofmann, a reușit în 1845 să izoleze benzenul (douăzeci de ani după descoperirea sa) de gudronul de cărbune, un produs secundar al producției de cocs.

Așa a început producția industrială de benzen din gudronul de cărbune. Disponibilitatea benzenului în cantități masive a facilitat studiul proprietăților sale chimice și a permis să fie legată de alți compuși cu reactivități similare. August Wilhelm von Hofmann însuși a inventat cuvântul „aromatic” pentru benzen și compușii săi.

Structuri istorice

Visul lui August Kekulé

Friedrich August Kekulé este creditat cu structura hexagonală și ciclică a benzenului în jurul anului 1865, care rezultă dintr-un vis ciudat cu Uroboros, șarpele care își mușcă propria coadă desenând un cerc. Astfel, el a crezut că benzenul poate fi considerat ca un inel hexagonal, iar alți chimiști au ridicat structuri posibile, care sunt prezentate mai jos:

Structuri pentru inelul de benzen propus de-a lungul istoriei. Sursa: Jü

Unele dintre structurile superioare ar putea contabiliza stabilitatea benzenului.

Carte, inele și prismă

Rețineți că a treia structură nu este chiar un inel, ci o prismă triunghiulară, propusă de Albert Ladenburg în 1869; în stânga sa, una sub forma unei cărți deschise, propusă de Sir James Dewar în 1867; și în dreapta sa, unul cu toți hidrogenii îndreptați spre centrul inelului, propus de Henry Edward Armstrong în 1887.

Prima structură, propusă de Adolf Karl Ludwig Claus în 1867, este de asemenea destul de particulară, deoarece legăturile CC sunt încrucișate. Iar ultimul a fost inelul „serpentin” al lui Kekulé, visat în 1865.

Care a fost „câștigătorul”? A cincea structură (de la stânga la dreapta), propusă în 1899 de Johannes Thiele.

În acest caz, a fost considerat pentru prima dată hibridul de rezonanță, care a combinat cele două structuri Kekulé (întoarceți primul inel din dreapta pentru a-l observa) și a explicat extraordinar delocalizarea electronilor și, odată cu acesta, stabilitatea până atunci neobișnuită a benzen.

Structura benzenului

Inel aromatic de benzen. Sursa: Benjah-bmm27

Mai sus este structura propusă de Thiele folosind un model de sfere și bare.

Molecula de benzen este plană, cu atomii de hidrogen îndreptați spre exterior din laturile inelului. Toți atomii de carbon au hibridizare sp ² , cu un orbital p disponibil pentru a stabili sistemul aromatic în care se delocalizează șase electroni.

Aceste sp ² atomi de carbon sunt mai electronegative decât hidrogeni și , prin urmare, prima retragere de electroni densitate la această din urmă (C _sp2 ^δ- -H ^{δ +} ). În consecință, centrul inelului are o concentrație mai mare de electroni decât laturile sale.

Mai precis, sistemul aromatic poate fi reprezentat ca un nor sau o placă electronică extinsă pe ambele părți ale inelului hexagonal; iar la mijloc, pe laturi sau margini, o deficiență electronică formată din hidrogeni cu o încărcare parțială pozitivă.

Datorită acestei distribuții a sarcinilor electrice, moleculele de benzen pot interacționa între ele prin forțe dipol-dipol; Atomii H ^{+ +} sunt atrași de centrul aromatic al unui inel vecin (acest lucru va fi reprezentat mai jos).

De asemenea, centrii aromatici pot fi stivați unul peste altul pentru a favoriza inducerea dipolilor instantanee.

Rezonanţă

Structuri și hibrid de rezonanță a benzenului. Sursa: Edgar181 din Wikipedia.

Cele două structuri Kekulé sunt prezentate în partea de sus a imaginii, iar sub ele, hibridul prin rezonanță. Deoarece cele două structuri se întâlnesc din nou în același timp, hibridul este reprezentat de un cerc desenat la mijloc (similar cu cel al unei „gogoși hexagonale”).

Cercul hibrid este important, deoarece indică caracterul aromatic al benzenului (și cel al multor alți compuși). În plus, el subliniază că legăturile nu sunt atât de lungi cât CC și nici nu sunt la fel de scurte ca C = C; mai degrabă, lungimea lor este între ambele extreme. Astfel, benzenul nu este considerat un polen.

Acest lucru a fost demonstrat prin măsurarea lungimilor legăturilor CC (139 pm) de benzen, care sunt puțin mai alungite decât legăturile CH (109 pm).

cristale

Structura ortomombică a cristalului de benzen. Sursa: Ben Mills

Benzenul este un lichid la temperatura camerei. Forțele sale intermoleculare înseamnă că, deși nu au un moment dipol atât de pronunțat, își pot ține moleculele împreună într-un lichid care fierbe la 80 ° C. Când temperatura scade sub 5ºC, benzenul începe să înghețe și astfel se obțin cristalele corespunzătoare.

Inelele de benzen pot adopta modele structurale definite în solidul lor. Dipolii lor îi determină să se „înclineze” spre stânga sau spre dreapta, formând rânduri capabile să fie reproduse de o celulă unitară ortorombică. Astfel, cristalele de benzen sunt ortorombe.

Rețineți în imaginea de sus că înclinarea inelelor favorizează interacțiunile dintre H ^{δ +} și centrii aromatici, menționate în subsecțiunile anterioare.

Proprietăți

Masa moleculara

78,114 g / mol.

Aspectul fizic

Lichid incolor cu un miros asemănător benzinei.

Punct de fierbere

80 ° C

Punct de topire

5,5 ° C.

punct de aprindere

-11ºC (cană închisă).

Temperatură de autoaprindere

497,78 ° C.

Densitate

0,8765 g / ml la 20 ° C.

Solubilitate

Un litru de apă clocotită abia poate dizolva 3,94 g de benzen. Caracterul său apolar îl face practic nemiscibil cu apa. Cu toate acestea, este miscibil cu alți solvenți, cum ar fi etanolul, eterii, acetona, uleiurile, cloroformul, tetraclorura de carbon etc.

Densitatea vaporilor

2,8 în raport cu aerul (adică de aproape trei ori mai dens).

Presiunea de vapori

94,8 mm Hg la 25 ° C.

Căldura de ardere

-3267,6 kJ / mol (pentru benzen lichid).

Căldură de vaporizare

33,83 kJ / mol.

Tensiune de suprafata

28,22 mN / m la 25 ° C.

Indicele de refracție

1.5011 la 20 ° C.

Instrumente financiare derivate

Hidrogenii benzenului pot fi înlocuiți cu alte grupuri sau atomi. Poate exista una sau mai multe substituții, crescând gradul de substituție până când niciunul dintre cei șase hidrogeni originali nu rămâne.

De exemplu, să presupunem benzenul ca Ph-H, unde H este oricare dintre cei șase hidrogeni ai săi. Amintind că centrul inelului are o densitate mai mare de electroni, atrage electrofile, care atacă inelul pentru a înlocui H într-o reacție numită substituție aromatică electrofilă (SEAr).

Dacă acest H este înlocuit cu un OH, vom avea Ph-OH, fenol; fiind înlocuit cu un CH ₃ , Ph-CH ₃ , toluen; dacă este NH ₂ , Ph-NH ₂ , anilină; sau dacă este CH ₂ CH ₃ , Ph-CH ₂ CH ₃ , etilbenzen.

Derivații pot fi identici sau mai toxici decât benzenul sau, dimpotrivă, pot deveni atât de complexe încât au un efect farmacologic de dorit.

Aplicații

Este un solvent bun pentru o mare varietate de compuși, prezent de exemplu în vopsele, lacuri, adezivi și acoperiri.

De asemenea, poate dizolva uleiuri, grăsimi sau ceară, motiv pentru care a fost utilizat ca solvent de extracție pentru esențe. Această proprietate a fost folosită de Ludwig Roselius în 1903 pentru a decafeina cafeaua, operație aflată deja în uz din cauza toxicității benzenului. La fel, a fost folosit în trecut pentru degresarea metalelor.

În una dintre utilizările sale clasice, nu acționează ca un solvent, ci ca un aditiv: creșterea numărului octanic de benzină, înlocuind plumbul în acest scop.

Derivații benzenului pot avea diferite utilizări; unii servesc ca pesticide, lubrifianți, detergenți, materiale plastice, explozibili, parfumuri, coloranți, lipici, medicamente etc. Dacă în structura sa se observă un inel de benzen, este destul de probabil ca sinteza sa să pornească de la benzen.

Printre cei mai importanți derivați ai săi se numără: cumenul, xilenul, anilina, fenolul (pentru sinteza rășinilor fenolice), acidul benzoic (conservant), ciclohexanul (pentru sinteza de nailon), nitrobenzenul, resorcinolul și etilbenzenul.

Nomenclatură

Nomenclatura derivaților benzenului variază în funcție de gradul de substituție, care sunt grupările substituente și de pozițiile lor relative. Astfel, benzenul poate suferi substituții mono, di, tri, tetra etc.

Când cele două grupuri sunt atașate de carbuni adiacenți, se folosește denumirea „orto”; dacă există un carbon între separarea lor, „meta”; și dacă carbonii sunt în poziții opuse, „para”.

Imaginile de mai jos prezintă exemple de derivați de benzen cu numele respective guvernate de IUPAC. De asemenea, sunt însoțite de nume comune sau tradiționale.

Monoderivative ale benzenului. Sursa: Gabriel Bolívar.

Alți derivați ai benzenului. Sursa: Gabriel Bolívar.

Rețineți că, în benzen trisubstituit, indicatorii orto, para și meta nu mai sunt utili.

Toxicitate

Benzenul este un compus care trebuie manipulat cu grijă. Având în vedere mirosul său particular, efectele negative imediate pot fi sufocarea, amețelile, durerile de cap, tremururile, somnolența, greața și chiar moartea (cu expunere ridicată). Dacă este ingerat, pe lângă cele menționate mai sus, poate provoca dureri severe de stomac și convulsii.

În plus, efectele pe termen lung sub expunere constantă la acest lichid sunt cancerigene; crește șansele ca individul să sufere de un tip de cancer, în special cancer de sânge: leucemie.

În sânge poate scădea concentrația globulelor roșii, provocând anemie și, de asemenea, afectează măduva osoasă și ficatul, unde este asimilat de organism pentru a genera și mai mulți derivați de benzen toxici; de exemplu, hidroxichinona. De asemenea, se acumulează în rinichi, inimă, plămâni și creier.

Referințe

1. Morrison, RT și Boyd, RN (1987). Chimie organica. (Ediția a V-a). Addison-Wesley Iberoamericana.
2. Carey, FA (2008). Chimie organica. (Ediția a VI-a). McGraw-Hill, Interamerica, Editores SA
3. Graham Solomons TW, Craig B. Fryhle. (2011). Chimie organica. Aminele. (Ediția a 10-a.) Wiley Plus.
4. Centrul Național de Informații Biotehnologice. (2019). Benzen. Baza de date PubChem. CID = 241, Recuperat din: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov
5. Wikipedia. (2019). Benzen. Recuperat de la: en.wikipedia.org
6. Garcia Nissa. (2019). Ce este Benzenul? - Utilizări, structură și formulă. Studiu. Recuperat din: studiu.com
7. Centre pentru controlul și prevenirea bolilor. (4 aprilie 2018). Date despre benzen. Recuperat din: Emergency.cdc.gov
8. Organizația Mondială a Sănătății. (2010). Expunerea la benzen: o preocupare majoră pentru sănătatea publică. . Recuperat din: cine.int
9. Fernández Germán. (Sf). Probleme cu nomenclatura benzenului. Chimie organica. Recuperat de la: quimicaorganica.org