Бензол в химии: получение и свойства (формула, подробное описание и применение)

Что такое бензол

Это органическое вещество, прозрачная жидкость со сладковатым запахом по химическому строению, относится к простейшим ароматическим углеводородам.

Основными природными источниками бензола в природе являются уголь и нефть в лабораторных условиях, его полимеризация (образование) из ацетилена возможна промышленными способами получения бензола — коксованием угля, а также каталитическим риформингом и пиролизом бензина нефтяных фракций.

Химическая формула бензола — c6h6. Эта циклическая структура из шести атомов углерода была открыта в 1865 году немецким химиком Фридрихом Августом Кекуле, а впервые в чистом виде бензол был открыт еще раньше: в 1825 году английский физик Фарадей выделил его светящийся газ.

К физическим свойствам бензола относятся плохая растворимость в воде, смешиваемость с органическими растворителями, высокая горючесть, взрывоопасность, его плавление происходит при температуре от 5,5 до 6,0 °С, испарение при 79,6-80,5 °С и кипение при 80,1 °С Он легче, чем вода, благодаря малой относительной плотности (0,88 г/см3), легко растворим в эфире и спирте.

Химические свойства бензола обусловлены его принадлежностью к группе непредельных углеводородов с циклическим строением. Поэтому для него характерны реакции окисления и замещения. Методика промышленной разработки была предложена немецким ученым Гофманом, который выделил вещество из смолы, угля.

Бензол высокотоксичен, токсическое действие проявляется:

• ингаляционный – при вдыхании паров;
• трансдермально: при непосредственном контакте с кожей или слизистыми оболочками;
• перорально — при неправильном употреблении жидкости внутрь.

Сохранилось и дошло до наших дней немало интересных фактов о бензоле, связанных с изучением его строения и свойств. Так, немецкий ученый Гофман, читая студентам лекцию о физических свойствах углеводородов, всегда приводил слова дамы, знавшей, что запах бензола такой же, как у выстиранных перчаток. И мысль о кольцевой структуре углеводородов бензол якобы явился химику Кекуле во сне: змея, состоящая из шести атомов углерода, свернулась в кольцо и укусила себя за хвост.

История

Впервые бензолсодержащие смеси, образующиеся при перегонке каменноугольной смолы, были описаны немецким химиком Иоганном Глаубером в его книге Furni novi philosophici, вышедшей в 1651 году. Бензол как индивидуальное вещество описал Михаэль Фарадей, выделивший это вещество в 1825 г из легкого газового конденсата, полученного из коксующегося угля. Затем, в 1833 г., был получен бензол — при сухой перегонке кальциевой соли бензойной кислоты. И немецкий физик-химик Эйльхард Митчерлих после этого получения стал называть вещество бензол.

В 1860-х годах было известно, что отношение числа атомов углерода к атомам водорода в молекуле бензола аналогично таковому у ацетилена, а его эмпирическая формула — cnhn. Всерьез к изучению бензола отнесся немецкий химик Фридрих Август Кекуле, которому в 1865 году удалось предложить правильную циклическую формулу этого соединения. Известна история о том, что Кекуле представлял себе бензол в виде змеи из шести атомов углерода. Идея цикличности соединения пришла ему в голову во сне, когда воображаемая змея укусила его за хвост. Фридриху Кекуле удалось в то время более полно описать свойства бензола.

Физические свойства

Бесцветная жидкость со специфическим резким запахом температура плавления = 5,5 °С, температура кипения = 80,1 °С, плотность = 0,879 г/см³, молярная масса = 78,11 г/моль подобно ненасыщенным углеводородам, бензол горит с очень коптящим пламенем, образует взрывоопасные смеси с воздухом, хорошо смешивается с эфиром, бензином и другими органическими растворителями, образует с водой азеотропную смесь с температурой кипения 69,25 °С (бензол 91%), растворимость в воде 1,79 г/л (при 25 °С).

Химические свойства

Для бензола характерны реакции замещения: бензол реагирует с алкенами, хлоралканами, галогенами, азотной и серной кислотами. Реакции расщепления бензольного кольца протекают в неблагоприятных условиях (температура, давление):

• взаимодействие с алкенами (алкилирование), в результате реакции образуются гомологи бензола, например, этилбензол и кумол:

c6h6 + h2c = ch2 →alcl3∗hcl c6h5ch2ch3c6h6 + ch2 = ch − ch3 →alcl3 ∗ hcl c6h5ch(ch3)2;

• взаимодействие с хлором и бромом в присутствии катализатора с образованием хлорбензола (реакция электрофильного замещения):

c6h6 + cl2 →fecl3 c6h5cl + hcl;

• в отсутствие катализатора при нагревании или освещении происходит реакция радикального присоединения с образованием смеси изомеров гексахлорциклогексана:

c6h6 + 3cl2 →t,hν c6h6cl6;

• при взаимодействии бензола с бромом в растворе олеума образуется гексабромбензол:

c6h6 + 6br2 →h2so4 ∗ so3 c6br6 + 6hbr;

• взаимодействие с галогенпроизводными алканов (алкилирование бензола, реакция Фриделя-Крафтса) с образованием алкилбензолов:

• реакция ацилирования Фриделя-Крафтса бензольных ангидридов и галогенидов карбоновых кислот приводит к образованию ароматических кетонов и ароматических жиров:

c6h6 + (ch3co)2o → alcl3 c6h5coch3 + ch3cooh

c6h6 + c6h5cocl → alcl3 c6h5coc6h5 + hcl.

В первой и второй реакциях образуется ацетофенон (метилфенилкетон), замена хлорида алюминия на хлорид сурьмы позволяет снизить температуру реакции до 25 °С, в третьей реакции образуется бензофенон (дифенилкетон):

• реакция формилирования — взаимодействие бензола со смесью со и НСl, протекает при высоком давлении и под действием катализатора, продуктом реакции является бензальдегид:

c6h6 + co + hcl →alcl3 c6h5coh + hcl;

• реакции сульфирования и нитрования (электрофильное замещение):

c6h6 + hno3 → h2so4 c6h5no2 + h2oc6h6 + h2so4 → c6h5so3h + h2o;

• восстановление бензола водородом (каталитическое гидрирование):

c6h6 + 3h2 →ni/pd,pt;t c6h12.

Реакции окисления

Бензол, благодаря своему строению, очень устойчив к окислению, на него не действует, например, раствор перманганата калия, однако окисление до малеинового ангидрида можно проводить с использованием оксидно-ванадиевого катализатора v:

• реакция озонолиза Бензол также подвергается озонолизу, но процесс протекает медленнее, чем с непредельными углеводородами:

Результатом реакции является образование диальдегида — глиоксаля (1,2-этандиала).

• реакция горения горение бензола является предельным случаем окисления бензола легко воспламеняется и горит на воздухе с очень дымным пламенем:

2c6h6 + 15o2 → 12co2 + 6h2o.

Биологическое действие и токсикология

Бензол является одним из наиболее распространенных антропогенных ксенобиотиков.

Бензол высокотоксичен, минимальная смертельная доза при пероральном приеме 15 мл, средняя 50-70 мл, при кратковременном вдыхании паров бензола, немедленного опьянения не наступает, поэтому до последнего времени методика работы с бензолом не отрабатывалась. Особенно регулируемый в больших дозах, бензол вызывает тошноту и головокружение, а в некоторых тяжелых случаях отравление может привести к летальному исходу. Первым признаком отравления бензолом обычно является эйфория, пары бензола могут проникать через неповрежденную кожу. Жидкий бензол сильно раздражает кожу. Если организм человека длительное время подвергается воздействию бензола в небольших количествах, последствия также могут быть очень серьезными.

Бензол является сильным канцерогеном. Исследования показывают связь бензола с такими заболеваниями, как апластическая анемия, острый лейкоз (миелоидный, лимфобластный), хронический миелоидный лейкоз, миелодиспластический синдром и заболевания костного мозга.

Механизм трансформации и мутагенное воздействие бензола

Существует несколько вариантов механизма превращения бензола в организме человека. В первом варианте молекула бензола гидроксилируется системой микросомального окисления с участием цитохрома р450.Согласно механизму, бензол сначала окисляется до высокореакционноспособного эпоксида, который затем превращается в фенол, кроме того, образуются свободные радикалы (активные формы кислорода) из-за высокой активации p450 по реакции:

cyt p450 + nadph + h- + o2 → cyt p450 + nadp+ + hooh,
ху → 2oh,
c6h6 + ой → c6h5oh.

Биотрансформация бензола, механизм i цифрами обозначены: 1 бензол, 2 оксид бензола, 3 эпоксибензол, 4 фенол, 5 катехол, 6 гидрохинон.

Бензол и токсикомания

Бензол оказывает одуряющее действие на человека и может привести к наркомании.

Острое отравление

При очень высоких концентрациях почти мгновенная потеря сознания и смерть в течение минуты. Окраска лица цианотичная, слизистые часто вишнево-красные, при более низких концентрациях: возбуждение, алкогольное, затем сонливость, общая слабость, головокружение, тошнота, рвота, головная боль, потеря сознания. Также наблюдаются мышечные спазмы, которые могут перерасти в тонические судороги. Зрачки часто расширены и не реагируют. Дыхание сначала учащается, затем замедляется. температура тела падает резко учащается пульс, малое наполнение артериальное давление снижается случаи тяжелых сердечных известна аритмия.

После тяжелых отравлений, не приводящих непосредственно к летальному исходу, иногда наблюдаются длительные расстройства здоровья: плеврит, катар верхних дыхательных путей, заболевания роговицы и сетчатки, поражение печени, расстройство сердца и др. случай вазомоторного невроза с отек лица и конечностей, расстройства чувствительности и судороги вскоре после острого отравления парами бензола; смерть иногда наступает через некоторое время после отравления.

Хроническое отравление

В тяжелых случаях отмечаются: головные боли, сильная утомляемость, одышка, головокружение, слабость, нервозность, сонливость или бессонница, расстройство пищеварения, тошнота, иногда рвота, отсутствие аппетита, учащение мочеиспускания, менструации, непрекращающиеся кровотечения из слизистой оболочки полости рта, особенно десен, нередко развивается и в носу, длящаяся часами и даже днями, иногда возникают стойкие кровотечения, после удаления зуба многочисленные мелкие кровоизлияния (кровоизлияния) на коже.

Кровь в кале, маточные кровотечения, ретинальные кровоизлияния обычно, именно кровотечение и часто сопровождающее его повышение температуры тела (температура до 40° и более), приводит отравленных в больницу в таких случаях, прогноз всегда тяжелый, вторичные инфекции являются иногда причина смерти: известны случаи гангренозного воспаления надкостницы и некроза челюсти, тяжелого язвенного воспаления десны, общего сепсиса с септическим эндометритом.

Иногда при тяжелых отравлениях развиваются симптомы нервных заболеваний: повышение сухожильных рефлексов, двусторонний клонус, положительный симптом Бабинского, нарушение глубокой чувствительности, псевдотабетические расстройства с парестезиями, атаксией, параплегией, двигательные расстройства (признаки поражения задней столбы спинного мозга и пирамидные пути).

Наиболее характерны изменения в крови число эритроцитов обычно резко снижено, до 1-2 млн и менее резко падает и содержание гемоглобина, иногда до 10% цветной показатель в ряде случаев низкий, иногда близкий к норме и иногда высокие (особенно при выраженной анемии) отмечают анизоцитоз и пойкилоцитоз, базофильную пунктировку и появление ядерных эритроцитов, увеличение числа ретикулоцитов и объема эритроцитов, более характерно резкое снижение числа лейкоцитов.

Иногда вначале лейкоцитоз, быстро переходящий в лейкопению, ускорение изменения СОЭ в крови развиваются неодновременно чаще чаще поражается лейкопоэтическая система, позже включается тромбоцитопения может развиться интоксикация – апластическая анемия.

Явления интоксикации могут сохраняться и даже прогрессировать спустя месяцы и годы после прекращения работы с бензолом.

Структура

Бензол по составу относится к непредельным углеводородам (гомологический ряд cnh2n−6), но в отличие от углеводородов этиленового ряда, c2h4, проявляет свойства, присущие непредельным углеводородам (для них характерны реакции присоединения), только в жестких условиях, а вот бензол более Склонно такое «поведение» бензола объясняется его особым строением: наличием атомов в одной плоскости и наличием в структуре облака сопряженных 6π-электронов.

Современное понимание электронной природы связей в бензоле основано на гипотезе Лайнуса Полинга, который предложил представить молекулу бензола в виде шестиугольника с вписанной окружностью, подчеркнув таким образом отсутствие фиксированных двойных связей и наличие единственного электрона облако, покрывающее шесть атомов углерода цикла.

В специальной и популярной литературе распространен термин бензольное кольцо, который относится, как правило, к углеродной структуре бензола без учета других атомов и групп, связанных с атомами углерода. Бензольное кольцо входит в состав многих различных соединений.

Производство

На сегодняшний день существует несколько принципиально различных способов производства бензола:

1. Коксования угля этот процесс был исторически первым и служил основным источником бензола вплоть до Второй мировой войны, в настоящее время доля бензола, получаемого этим способом, составляет менее 10%, следует добавить, что бензол, полученный из каменноугольной смолы, в нем содержится значительное количество тиофена, что делает указанный бензол непригодным сырьем для ряда технологических процессов.
2. Каталитический риформинг (ароматизация) бензиновых фракций нефти этот процесс является основным источником получения бензола в США в Западной Европе, России и Японии, в этом процессе получают 40-60% от общего количества вещества, помимо бензола образуются толуол и ксилолы ввиду того, что толуол образуется в количествах, превышающих потребность, он также частично трансформируется в:
   • бензол — методом гидродеалкилирования;
   • смесь бензола и ксилолов — диспропорционированием.
3. Пиролиз бензина и более тяжелых нефтяных фракций. При этом способе получается до 50% бензола вместе с бензолом, в некоторых случаях образуются толуол и ксилолы, вся эта фракция направляется на стадию деалкилирования, где и толуол, и ксилолы превращаются в бензол.
4. Получение бензола повторной тримеризацией ацетилена — при пропускании ацетилена при 400 °С над активированным углем с хорошим выходом образуется бензол и другие ароматические углеводороды: 3c2h2 → c6h6. Получение бензола из ацетилена связано с именем Марселина Бертло, работа которого началась в 1851 году. Однако продукт реакции Бертло, протекавшей при высокой температуре, представлял собой, кроме бензола, сложную смесь компонентов только в 1948 г. Реппе удалось найти подходящий катализатор, никель, для снижения температуры реакции, механизм реакции был полностью описан только в 2020 г сотрудниками Института органической химии на севере.

Применение

Значительная часть получаемого бензола используется для синтеза других продуктов:

• около 50% бензола превращается в этилбензол (алкилирование бензола этиленом);
• около 25% бензола превращается в кумол (алкилирование бензола пропиленом);
• около 10-15% бензола гидрируют до циклогексана;
• около 10% бензола расходуется на производство нитробензола;
• 2-3% бензола превращается в линейные алкилбензолы;
• около 1% бензола используется для синтеза хлорбензола.

В значительно меньших количествах бензол применяют для синтеза некоторых других соединений изредка и в крайних случаях, из-за его высокой токсичности, бензол применяют в качестве растворителя.

Кроме того, бензол входит в состав бензина.В 1920-х и 1930-х годах бензол добавляли в прямогонный бензин для повышения его октанового числа, но к 1940-м годам такие смеси уже не могли конкурировать с высокооктановыми бензинами, поскольку из-за высокой токсичности , содержание бензола в топливе ограничивается современными нормами введением до 1 %.

Примеры решения задач

Пример 1.

Пример 2.