Строение бензола. Ароматичность

УДК 547

ББК 24.23

Рецензенты: кафедра органической химии Ярославского государственного педагогического университета; В.Н.Казин, канд. хим. наук, доцент кафедры общей и биоорганической химии Ярославского государственного университета.

Колпащикова И.С., Кошкин Л.В., Кофанов Е.Р., Обухова Т.А.

К60 Органическая химия. Часть II. Арены. Галогенпроизводные углеводородов: Учебное пособие / Яросл. гос. техн. ун-т.- Ярославль, 1999.- 70 с.

ISBN 5-230-18418-3

Во второй части пособия рассмотрены основные вопросы строения и реакционной способности, типичные реакции и основные способы получения аренов и галогенпроизводных. По указанным разделам приведены контрольные работы.

Предназначено для студентов-заочников химико-технологических специальностей, а также может быть рекомендовано для студентов дневной формы обучения.

Ил. 8. Табл. 4. Библиограф. 6.

ББК 24.23

ISBN 5-230-18418-3 Ó Ярославский государственный

технический университет

АРЕНЫ

Строение бензола. Ароматичность

К аренам относятся соединения, содержащие, по крайней мере, одну бензольную группировку.

В современной химической литературе понятие “соединение ароматического ряда” означает сходство химических свойств соединения со свойствами бензола и не связаны с запахом соединений.

В соответствии с молекулярной формулой С 6 Н 6 бензол является ненасыщенным соединением и можно ожидать, что для него характерна тенденция вступать в типичные для алкенов реакции присоединения. Однако в условиях, в которых алкен быстро вступает в реакции присоединения, бензол не реагирует или реагирует медленно.

Бензол не вступает в реакции присоединения, в которых разрушилась бы p -электронная система бензольного кольца. Такая устойчивость называется кинетической . Она связана со значительной величиной энергии активации. Вместе с тем бензол достаточно легко вступает в реакции замещения. Образующиеся при этом продукты сохраняют специфическую структуру бензола.

Таблица 1.1. Сравнение химических свойств циклогексена и бензола

Вывод об устойчивости ароматической системы следует из сравнения теплот гидрирования одного моля 1,3,5-циклогексатриена, содержащего три независимые двойные и три простые связи. Можно ожидать, что теплота гидрирования 1,3,5-циклогексатриена будет равна утроенной теплоте гидрирования одного моля циклогексена: 120,4 ´ 3 =361,2 кДж.

Однако экспериментальная теплота гидрирования одного моля бензола составляет 209 кДж, что на 152 кДж меньше. Следовательно, бензол беднее энергией, чем гипотетический 1,3,5-циклогексатриен. Эта энергия называется энергией резонанса . Стабилизация за счет энергии резонанса является причиной термодинамической устойчивости .

В бензоле каждый атом углерода находится в sp 2 -состоянии и связан тремя s -связями с двумя атомами углерода и одним атомом водорода. Атомы углерода и водорода лежат в одной плоскости. Четвертый валентный электрон атома углерода находится на 2p -орбитали, перпендикулярной плоскости молекулы. Эти p -орбитали состоят из двух одинаковых долей, одна из которых лежит выше, другая - ниже плоскости кольца. 2р -орбиталь каждого атома углерода перекрывается с 2р -орбиталями обоих соседних атомов углерода. В результате образуется замкнутая шести-p -электронная система в виде двух бубликов, один из которых лежит выше, а другой ниже плоскости правильного шестиугольника (рис. 1.1а).

Благодаря коллективному взаимодействию всех шести p-электронов происходит выравнивание углерод-углеродных связей по длине и кратности: длина всех связей С-С в бензоле (0,1399 нм) является средней между длиной двойной связи в алкенах (0,134 нм) и расчетным значением длины простой связи =С-C=(0,148 нм) (рис. 1.1б). Вторым следствием коллективного p- электронного взаимодействия является электронная и связанная с ней термодинамическая и кинетическая стабилизация.

Рис. 1.1.Молекула бензола:

а - перекрывание 2р-орбиталей, образующих p- связи;

б - длины связей и валентные углы в молекуле бензола

Какие свойства должно проявлять вещество для того, чтобы его можно было отнести к ароматическим соединениям? Ароматическими являются соединения с молекулярной формулой, указывающей на высокую степень ненасыщенности, которые, однако, не реагируют как ненасыщенные, а вступают в реакции электрофильного замещения с сохранением термодинамически устойчивой ароматической системы.

Условие ароматичности определяет правило Хюккеля .

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Ароматические углеводороды (арены) - вещества, в молекулах которых содержится одно или несколько бензольных колец.

Общая формула гомологического ряда бензола C n H 2 n -6 . Простейшими представителями ароматических углеводородов являются бензол - C 6 H 6 и толуол - C 6 H 5 -CH 3 . Углеводородные радикалы, полученные из аренов носят названия: C 6 H 5 - — фенил (Ph-) и C 6 H 5 -CH 2 — — бензил.

Первые члены гомологического ряда бензола - бесцветные жидкости со специфическим запахом. Они легче водды и в ней практически нерастворимы. Хорошо растворяются в органических растворителях и сами являются хорошими растворителями.

Электронное строение бензолов

Рассмотрим строение ароматических углеводородов на примере молекулы бензола. Это химическое соединение впервые было выделено из продуктов переработки каменного угля в 1825 году, однако, для того, чтобы установить строение его молекулы потребовалось три десятилетия. В 1865 году немец Ф. А. Кекуле высказал идею о том, что атомы углерода в бензоле соединены не в виде открытой цепи, а замкнуты в цикл (рис. 1). По его представлениям молекула бензола - это замкнутый цикл, состоящий из шести атомов углерода с тремя чередующимися двойными связями. Однако Кекуле так и не смог объяснить ряд особых свойств, присущих бензолу: почему бензол не проявляет склонность к реакциям присоединения (не обесцвечивает бромную воду и перманганат калия) несмотря на наличие двойных связей и т.д.

Рис. 1. Строение молекулы бензола по Кекуле.

Согласно представлениям современной органической химии, молекула бензола является правильным плоским шестиугольником. Все шесть атомов углерода находятся в sp 2 -гибридном состоянии. Каждый атом углерода образует σ - связи с двумя атомами углерода и одним атомом водорода, лежащими в плоскости цикла. Валентные углы между тремя σ - связями равны 120 o .

Каждый атом углерода в молекуле бензола имеет одну негибридизованнуюp - орбиталь. Шесть этих орбиталей располагаются перпендикулярно плоскому σ - скелету и параллельно друг другу. При их взаимном перекрывании образуется единое π-электронное облако, т.е. осуществляется круговая делокализация электронов. Наибольшая π-электронная плотность в этой сопряженной системе располагается над плоскостью σ - скелета молекулы и охватывает все шесть атомов углеродного цикла. В результате все связи между атомами углерода в бензоле выравнены и имеют длину 0,139 нм (рис. 2).

Рис. 2. Строение молекулы бензола.

Совокупность свойств бензола называют проявлением ароматического характера, или ароматичности. Явление ароматичности подчиняется правилу Хюккеля, согласно которому ароматические молекулы должны иметь плоский циклический σ - скелет и число обобщенных π-электронов, равное (4n+2), где n = 0, 1, 2, 3 и т.д.

Примеры решения задач

ПРИМЕР 1

Задание	Плотность паров вещества 3,482 г/л. Его пиролиз дал 6 г сажи и 5,6 л водорода. Определите формулу этого вещества.
Решение	Сажа представляет собой углерод. Найдем количество вещества сажи исходя из условий задачи (молярная масса углерода равна 12 г/моль): n(C) = m(C) / M(C); n(C) = 6 / 12 = 0,5 моль. Рассчитаем количество вещества водорода: n(H 2) = V(H 2) / V m ; n(H 2) = 5,6 / 22,4 = 0,25 моль. Значит, количество вещества одного атома водорода будет равно: n(H) = 2 × 0,25 = 0,5 моль. Обозначим количество атомов углерода в молекуле углеводорода за «х», а количество атомов водорода за «у», тогда соотношение этих атомов в молекуле: х: у = 0,5: 0,5 =1:1. Тогда простейшая формула углеводорода будет выражаться составом СН. Молекулярная масса молекулы состава СН равна: М(СН) = 13 г/моль Найдем молекулярную массу углеводорода исходя из условий задачи: M (C x H y) = ρ×V m ; M (C x H y) = 3,482×22,4 = 78 г/моль. Определим истинную формулу углеводорода: k= M(C x H y)/ М(СН)= 78/13 =6, следовательно, коэффициенты «х» и «у» нужно умножить на 6 и тогда формула углеводорода примет вид C 6 H 6 . Это бензол.
Ответ	Искомый углеводород имеет состав C 6 H 6 . Это бензол.

Тип урока: урок изучения нового материала.

Вид урока: проблемная лекция.

Главная дидактическая цель урока: добиться понимания содержания учебного материала всеми учащимися.

Обучающие цели урока:

• углубить знания об углеводородах;
• познакомить учащихся с новым типом химической связи, характерным для данной группы соединений, на примере бензола; дать понятие об ароматичности;

Развивающие цели урока:

• развивать у учащихся умение выделять главное, существенное в учебном материале, сравнивать, обобщать и систематизировать, устанавливать причинно-следственные связи;
• способствовать развитию волевых и эмоциональных качеств личности;
• особое внимание обратить на развитие интереса к предмету и речи учащихся.

Воспитательные цели урока: содействовать формированию мировоззренческих идей:

• материальность мира;
• непрерывность процесса познания.

Оборудование урока:

• реактивы: бензол, р-р КМnО 4 , бромная вода;
• шаростержневая модель молекулы бензола (по Кекуле);
• опорные конспекты, таблицы.

Ход урока

Эпиграф к уроку:

«Не в количестве знаний заключается образование,
а в полном понимании и искусном применении всего
того, что знаешь».
А.Дистервег.

На прошлом уроке я задала повторить решение задач на нахождение формулы вещества и характеристику веществ изученных классов.

Решаем задачи на нахождение молекулярной формулы вещества и даем характеристику веществам, отвечающим полученному составу.

К доске:

1+2 учащихся (решают задачи по карточкам).

ЗАДАЧА № 1

Вывести формулу вещества, содержащего 82,75% углерода 17,25% водорода. Относительная плотность паров этого вещества по воздуху равна 2.

ЗАДАЧА № 2

Определите молекулярную формулу углеводорода, массовая доля углерода в котором равна 85,7% ,а водорода – 14,3%. Относительная плотность вещества по водороду равна 28.

Класс + ученик у доски:

ЗАДАЧА № 3

Какова молекулярная формула вещества, в котором массовая доля углерода равна 93,2%. Относительная плотность по водороду равна 39.

Ответ:С6Н6 истиная формула

При решении третьей задачи получили в-во состава С6Н6. К какому же из известных классов углеводородов можно отнести это вещество?

Это вещество мы не можем отнести ни к одному из изученных классов углеводородов.

Итак, проблема!, которую нам предстоит вместе решить. Сегодня мы познакомимся с новой группой углеводородов, которые называются ароматические.

ТЕМА УРОКА: Ароматические углеводороды (арены). Бензол. Строение молекулы.

Наши главные задачи сегодня:

1. Углубить знания об углеводородах, расширить представления о многообразии органических соединений.
2. Познакомиться с новым типом химической связи, характерным для данной группы углеводородов.

План лекции:

1. Арены – один из классов углеводородов.
2. История открытия бензола.
3. Строение молекулы бензола.
   а) строение бензола по Кекуле;
   б) современные представления об электронном строении бензола;
   в) понятие об ароматическом ядре и полуторной связи.

Д/з с. 51-53, оформить конспект лекции.

Сегодня на уроке мы познакомимся с новой группой углеводородов, которые называются ароматические или арены.

Ароматическими эти углеводороды были названы потому, что первые известные представители их обладали приятным запахом. Позднее оказалось, что большинство веществ, которые по хим. свойствам принадлежат к той же группе, не имеют ароматного запаха. Однако исторически сложившееся общее название этих соединений осталось за ними до наших дней.

Простейший представитель ароматических углеводородов – бензол.

Предыдущие классы углеводородов изучались на основе причинно – следственных связей: состав – строение – свойства – применение. Этот же логический принцип мы оставим и сейчас.

Состав вещества мы установили – С 6 Н 6 . Это бензол. Бензол – это тоже углеводород, но углеводород, принципиально отличающийся от тех, о которых шла речь. Что же такое бензол?

Давайте узнаем историю открытия бензола. (Сообщения учащихся).

1-й ученик.

В 1825 г. М. Фарадей выделил из светильного газа, производившегося в то время в Англии из каменного угля, жидкость, состоящую из углерода и водорода. Через несколько лет (в1834 г.)

Э.Митчерлих при перегонке бензойной кислоты получил вещество, тождественное фарадеевскому, назвал его бензином, для того чтобы подчеркнуть генетическую связь с бензойной кислотой, и установил, что оно имеет элементарный состав С 6 Н 6 (в англосаксонских странах и сейчас за бензолом сохранилось это название).

Позднее Ю. Либих рекомендовал дать этому соединению укоренившееся название – бензол (окончание – ол указывает на его маслянистый характер от лат. оleim – масло). В 1845 г. А.В.Гофманн выделил впервые бензол из каменноугольной смолы.

2-й ученик.

«Днем рождения» теории строения бензола как ароматического соединения является 27 янаря 1865 г. – день, когда была опубликована в Бюллетене Парижского химического общества информация о «Конституции ароматических веществ».

Переходим к следующему этапу: установим строение молекулы бензола. Как мы уже определили ни к одному из известных классов углеводородов бензол отнести нельзя. Но, попробуем представить себе какие могут быть варианты его формулы:

Можно еще придумать изомеры, отличающиеся положением двойных и тройных связей.

Теперь у нас есть то, что называется рабочей гипотезой. Попробуем проверить ее. Если удастся доказать правильность одной из предложенных нами структур, гипотеза превратится в теорию, если нет – будем думать дальше.

Есть очень простая реакция, которая позволяет быстро и надежно установить наличие двойных или тройных связей в ненасыщенных углеводородах. Какая?

Это присоединение брома по кратным связям. Если предположить, что верна 3-я формула, то должно получиться следующее соединение: СН 2 Вr-СНВr-CВr 2 -СВr 2 -CH 2 Вr-СН 2 Вr

Достаточно несколько раз встряхнуть непредельный углеводород с бромной водой, как желтый раствор обесцветиться.

Демонстрационный опыт.

Встряхиваем бензол с бромной водой - никакого эффекта!

Значит наши предположения неверны.

Можно попробовать присоединить к молекуле бензола не бром, а водород. В наших условиях это сделать нельзя. Но если это сделать в специальном приборе над катализатором, то можно получить из бензола углеводород с формулой

Если подействовать на него бромной водой – реакция отрицательная. Тогда остается предположить, что углеводород С 6 Н 12 имеет замкнутое циклическое строение. Это кольцо состоит из шести групп СН 2:

По- видимому, бензол тоже имеет циклическую структуру. И формула для него напрашивается такая:

С двойными связями? Но бромная вода!???

Приходится предположить , что три двойные связи, сведенные в месте в одном шестичленном кольце ведут себя как-то по-новому.

Формула бензола – шестиугольник с тремя двойными связями – подтверждается синтезом бензола из ацетилена. Из трех молекул ацетилена получается одно бензольное кольцо. При этом одна из трех связей ацетилена как бы идет на образование простой связи с углеродным атомом другой молекулы, а две остаются. В результате получаем чередование двойных и простых связей.

Так или примерно так рассуждал немецкий химик Фидрих Август Кекуле, когда в 1865 году впервые пришел к выводу, что бензол – это шестиугольник с чередующимися двойными и простыми связями.

Формула Кекуле была встречена бурными дебатами, которые не утихали еще в течение многих десятилетий. Действительно, какие-то свойства бензола эта формула хорошо объясняла , а какие-то ей противоречили.

Оказалось, что бензол все-таки может при некоторых условиях присоединять галогены, например шесть атомов хлора, по всем трем двойным связям. Но с другой стороны, атомы водорода в бензоле очень легко могут быть замещены на другие группы (мы еще поговорим об этом). Эта способность – одна из основных в комплексе свойств бензола, которая называется ароматичностью. Ароматичность (т.е. способность легко заменять атомы водорода) никак не объясняется формулой Кекуле. Далее. Для каждого двузамещенного бензола, судя по этой формуле, должны существовать два изомера . Например, для орто – ксилола это изомеры:

На самом деле никому не удавалось выделить два изомера орто – ксилола. Пришлось создателю теории строения бензола вносить «уточнения» в свою формулу. Кекуле предположил, что двойные связи не закреплены в бензоле, а все время перемещаются.

Споры вокруг теории строения бензола прекратились всего несколько десятилетий назад. Каковы же современные представления об электронном строении бензола?

Немецкий химик Э. Хюккель применил к ароматическим соединениям квантомеханическую теорию и показал, что каждый атом углерода находится в SP² гибридизированном состоянии. Что это значит?

Класс (ученик у доски).

Из четырех электронов каждого углерода один S и два P – электрона образуют три совершенно одинаковые SP² - гибридные орбитали, которые лежат в одной плоскости под углом 120° друг к другую. Две из этих орбиталей используются для перекрывания с такими же орбиталями двух соседних углеродов, а одна – для образования с атомом водорода.

Все эти электроны образуют электронный остов бензола.

Над и под каждым углеродным атомом расположена объемная восьмерка Р – электрона.

Теперь представим себе, что в бензольном кольце восьмерки Р – электронов попарно перекрываются «боками», т.е. образуют три двойные связи. Это и есть электронная модель бензола, описываемая на бумаге формулой Кекуле. (показать шаростержневую модель).

Если формула Кекуле верна, то расстояние в молекуле бензола между двумя соседними атомами углерода должны быть разными: 0,154 нм между атомами у которых р- облака не перекрываются и 0,133 нм между углеродами, связанными П – связью.

Но исследование бензола физическими методами показало, что все расстояния в молекуле строго одинаковы и длинна связи С – С равна 0,140 нм, т.е. среднему значению между длинами простой и двойной связями. Логично предположить, что каждая электронная восьмерка – орбиталь перекрывается одинаково и одновременно с такими же восьмерками двух соседей.

В проекции на плоскость молекулы эти электронные облака будут казаться перекрывающимися окружностями (показать по таблице). В молекуле образуется не три отдельные П – связи, а единая П – электронная система из шести электронов, общая для всех атомов углерода. Под влиянием этого общего для молекулы П - электронного облака и сокраается расстояние между атомами углерода с 0,154 до 0,140 нм.

Масштабная (объемная) модель молекулы бензола представлена в таблице (показать). Поскольку электронная плотность распределяется в молекуле равномерно, все связи между атомами С оказываются совершенно одинаковыми.

Таким образом, химические связи в бензоле не одинарные и не двойные, а как принято поворить полуторные, промежуточные по своему характеру. Эти связи еще называют ароматическими, они прочнее П – связей (поэтому бромная вода не обесцветилась – атомы брома не присоединяются).

Чтобы показать равномерность распределения электр. Плотности в молекуле бензола, структурную формулу его часто изображают в виде шестиугольника с окружностью внутри:

Такая структура называется бензольным или ароматическим ядром. А углеводороды, в составе молекул, в котором содержится ароматическое ядро, называются ароматическими углеводородами.

Фактически, эта структура молекулы бензола несет в себе черты строения и первой и второй структуры и представляет качественно новую систему. Давайте проведем аналогию, построенную на ваших биологических знаниях: гибрид лошади и осла – мул. Мул несет в себе признаки и лошади, и осла, но является совершенно новым животным с присущими только ему признаками. И поэтому, если мы хотим человеку, никогда не видевшему мула, описать это животное, мы можем рассказать о лошади, об осле, а потом заявить: мул – это нечто среднее.

Но и сейчас нередко еще пользуются формулой Кекуле, учитывая при этом, что она лишь условно передает строение молекулы.

Давайте подведем итог: (закрепление знаний)

1. Какие углеводороды называют ароматическими?
2. Какой вид гибридизации характерен для ароматического ядра?
3. Что собой представляет бензольное ядро?
4. Как образуется единая П – связь?
5. Назовите углы между направлениями связей в ароматическом ядре?
6. Назовите расстояние между атомами углерода?
7. Какие связи называются ароматическими (полуторными)?

Урок окончен! До свидания!

Цели урока:

• дать понятие об ароматической связи, её особенностях, установить взаимосвязь между строением бензола и его свойствами;
• закрепить умение сравнивать состав и строение углеводородов различных рядов;
• познакомить с физическими свойствами бензола;
• показать токсическое воздействие аренов на здоровье человека.

План лекции

1. Вывод молекулярной и структурной формулы бензола.
2. История открытия бензола.
3. Формула Кекуле.
4. Строение бензола.
5. Понятие “ароматичности”.
6. Возникновение термина “ароматические соединения”.
7. Физические свойства бензола.
8. Токсическое воздействие аренов на организм человека.
9. Закрепление пройденного материала.
10. Домашнее задание.

В начале урока предлагаю учащимся решить задачу на вывод формулы вещества.

Задача. При сжигании 2,5 г вещества выделилось 8,46 г углекислого газа и 1,73 г воды. Масса 1 л вещества составляет 3,5 г. Определите молекулярную и возможную структурную формулы вещества.

Решая задачу, учащиеся выводят молекулярную формулу вещества – С 6 Н 6 . Возникает проблемная ситуация: “Какое строение может иметь молекула бензола?” Опираясь на знание о непредельных углеводородах, учащиеся предлагают возможные структурные формулы для него:

НС С-СН 2 -СН 2 - С СН

Н 2 С = СН -С С-СН = СН 2 и другие.

Учащиеся делают вывод о том, что бензол является сильно ненасыщенным соединением, вспоминают качественные реакции на непредельность.

Предлагаю учащимся проверить гипотезу о непредельности бензола в ходе выполнения эксперимента. Проведя реакции бензола с бромной водой и раствором перманганата калия, ученики приходят к выводу, что бензол, являясь ненасыщенной системой, не даёт качественных реакций на непредельность, следовательно, его нельзя отнести к классу непредельных углеводородов.

Какое же строение имеет молекула бензола, и к какому классу углеводородов его можно отнести?

Прежде, чем ответить на этот вопрос, знакомлю учеников с историей открытия бензола, которая весьма интересна. В 1812 – 1815 годах в Лондоне впервые появилось газовое освещение. Светильный газ, добывавшийся из жира морских животных, доставлялся в железных баллонах. Эти баллоны помещались обычно в подвале дома, из них газ по трубкам распределялся по всему помещению. Вскоре было замечено крайне неприятное обстоятельство – в сильные холода газ терял способность давать при горении яркий свет. Владельцы газового завода в 1825 г. обратились за советом к Фарадею, который нашёл, что те составные части, которые способны гореть ярким пламенем, собираются на дне баллона в виде прозрачного жидкого слоя. При исследовании этой жидкости Фарадей открыл новый углеводород – бензол. Название этому веществу дал Либих – (суффикс –ол указывает на его маслянистый характер, от латинского oleum – масло).

В 1865 г. немецким учёным Кекуле была предложена структура молекулы бензола, которая приснилась ему в виде змеи, укусившей себя за хвост:

Но эта формула, соответствуя элементарному составу бензола, не отвечает многим его особенностям:

• бензол не даёт качественных реакций на непредельность;
• для бензола характерны реакции замещения, а не присоединения;
• формула Кекуле не в состоянии объяснить равенства расстояний между углеродными атомами, что имеет место в реальной молекуле бензола.

Чтобы выйти из этого затруднения, Кекуле допустил, что в бензоле происходит непрерывное перемещение двойных связей.

Использование современных физических и квантовых методов исследования дало возможность создать исчерпывающее представление о строении бензола.

Атомы углерода в молекуле бензола находятся во втором валентном состоянии (sp 2). Каждый атом углерода образует -связи с двумя другими атомами углерода и одним атомом водорода, лежащими в одной плоскости. Валентные углы между тремя -связями равны 120°. Таким образом, все шесть атомов углерода лежат в одной плоскости, образуя правильный шестиугольник (рис. 1):

Рис. 1. Схема образования -связей
в молекуле бензола

Каждый атом углерода имеет одну негибридную р-орбиталь. Шесть таких орбиталей располагаются перпендикулярно плоскости -связей и параллельно друг другу (рис. 2). Все шесть р-электронов взаимодействуют между собой, образуя единое -электронное облако. Таким образом, в молекуле бензола осуществляется круговое сопряжение. Наибольшая -электронная плотность в этой сопряженной системе располагается над и под плоскостью кольца (рис. 3):

В результате такого равномерного перекрывания 2р-орбиталей всех шести углеродных атомов происходит “выравнивание” простых и двойных связей – длина связи составляет 0,139 нм. Эта величина является промежуточной между длиной одинарной связи в алканах (0,154 нм) и длиной двойной связи в алкенах (0,133 нм). То есть, в молекуле бензола отсутствуют классические двойные и одинарные связи.

Круговое сопряжение дает выигрыш в энергии 150 кДж/моль. Эта величина составляет энергию сопряжения – количество энергии, которое нужно затратить, чтобы нарушить ароматическую систему бензола.

Такое электронное строение объясняет все особенности бензола. В частности, почему бензол трудно вступает в реакции присоединения – это приводит к нарушению сопряжения. Такие реакции возможны в жёстких условиях.

В настоящее время нет единого способа графического изображения молекулы бензола с учётом его реальных свойств. Но, чтобы подчеркнуть выравненность -электронной плотности в молекуле бензола, прибегают к помощи следующих формул:

Используют и формулу Кекуле, помня при этом о её недостатках.

Совокупность свойств бензола принято называть ароматичностью. В общем виде явление ароматичности было сформулировано немецким физиком Хюккелем: соединение должно проявлять ароматические свойства, если в его молекуле содержится плоское кольцо с (4n+2) -электронами, где n может принимать значения 0, 1, 2, 3 и т. д. Согласно этому правилу, системы, содержащие 6, 10, 14 -электронов, являются ароматическими.

Примерами таких соединений являются нафталин (n=2) и антрацен (n=3).

После рассмотрения строения бензола с учащимися обсуждаем ответы на вопросы:

1. Можно ли отнести бензол к непредельным углеводородам? Ответ обоснуйте.
2. К какому классу углеводородов относится бензол?
3. Что подразумевается под понятием “ароматическое соединение”?
4. Какие углеводороды называются ароматическими?

Далее знакомлю учащихся с происхождением термина “ароматические соединения”. Сообщаю, что это название возникло в начальный период развития химии. Было замечено, что соединения бензольного ряда получаются при перегонке некоторых приятно пахнущих (ароматических) веществ – природных смол и бальзамов. Однако большинство ароматических соединений не имеют запаха или пахнут неприятно. Но данный термин сохранился в химии. Ароматическими углеводородами (аренами) называются вещества, в молекулах которых содержится одно или несколько бензольных колец – циклических групп атомов углерода с особым характером связей.

Далее учащиеся знакомятся с физическими свойствами бензола, работая с учебной литературой. Им известно, что бензол – это жидкость, может находиться и в парообразном состоянии (при исследовании запаха). Знакомлю учащихся с бензолом в твёрдом виде. Температура плавления бензола 5,5°С. Основываясь на этом сведении, демонстрирую превращение жидкого бензола в белую кристаллическую массу. Для этого 4-5 мл бензола, находящегося в пробирке, опускаю в сосуд, наполненный снегом или льдом. Через несколько минут учащиеся наблюдают изменение агрегатного состояния бензола. На основании наблюдений учащиеся высказывают предположение о том, что у этого вещества должна быть молекулярная кристаллическая решетка.

Обращаю внимание учащихся на то, что бензол является сильно токсичным веществом. Вдыхание его паров вызывает головокружение и головную боль. При высоких концентрациях бензола возможны случаи потери сознания. Его пары раздражают глаза и слизистую оболочку.

Жидкий бензол легко проникает в организм через кожу, что может привести к отравлению. Поэтому работа с бензолом и его гомологами требует особой осторожности.

Материал темы “Бензол” использую для объяснения вреда курения. Исследования дёгтеобразного вещества, полученного из табачного дыма показали, что в нём содержатся, помимо никотина, ароматические углеводороды типа бензпирена,

обладающие сильными канцерогенными свойствами, т. е. эти вещества действуют как возбудители рака. Табачный дёготь при попадании на кожу и в лёгкие вызывает образование раковых опухолей. Курильщики чаще заболевают раком губы, языка, гортани, пищевода. Они намного чаще страдают стенокардией, инфарктом миокарда. Отмечаю, что около 50% ядовитых веществ курильщик выделяет в окружающее пространство, создавая вокруг себя кольцо “пассивных курильщиков”, у которых быстро появляется головная боль, тошнота, общее недомогание, а затем могут развиваться и хронические заболевания.

В конце урока провожу фронтальный опрос по вопросам:

Домашнее задание : стр.55-58, стр. 61 №1, 2 по учебнику Э. Е. Нифантьева, Л. А. Цветкова “Химия 10-11”.

Электронное и пространственное
строение бензола

10 класс (профильный уровень)

Цель. Cформировать понятие об ароматической связи, особенностях электронного строения и обусловленных ими химических свойствах бензола.

Задачи. Всесторонне рассмотреть строение бензола как наиболее важного представителя ароматических углеводородов; выяснить природу ароматичности.

Тип урока. Проблемная лекция.

Для того чтобы повысить мотивацию обучающихся для более успешного усвоения новой темы, можно заранее подготовить карточки с фамилиями учеников, перемешать их и объявить, что в конце урока нескольким школьникам из присутствующих достанутся вопросы, а вот кому, ребята узнают позже.

ХОД ЗАНЯТИЯ

Учитель. Как вы думаете, откуда произошло название «ароматические углеводороды»?

Первые представители класса ароматических углеводородов (аренов), выделенные из природных объектов, обладали своеобразным приятным запахом и получили название «ароматических». Однако сегодня в понятие «ароматический углеводород» вкладывают совсем другой смысл.

Урок целесообразно начать с рассмотрения химических свойств, сравнения и анализа полученных результатов и их обобщения.

Демонстрационные опыты

1) Горение бумаги, смоченной бензолом: указывает на возможную непредельность молекулы бензола, поскольку пламя коптящее, подобно пламени ацетилена.

2) Приливание бромной воды и раствора перманганата калия к бензолу: не подтверждает непредельный характер молекулы бензола.

Исходя из этого, обучающиеся приходят к выводу о специфичности химических свойств бензола, а следовательно, и строении молекулы.

Вопросы ученикам

1) Охарактеризуйте химические свойства бензола.

2) От чего зависят свойства вещества?

3) На что указывает коптящее пламя?

4) На что указывает отсутствие реакции с перманганатом калия и бромной водой?

Учитель записывает брутто-формулу бензола (С 6 Н 6) и предлагает составить возможные варианты структурных формул линейного и циклического строения.

Историческая справка

Может быть заранее подготовлена одним из обучающихся, а может быть сделана несколькими учениками в форме презентации.

В 1825 г. М.Фарадей выделил из светильного газа углеводород и исследовал его состав и свойства. Э.Митчерлих в 1835 г. нагреванием бензойной кислоты с негашеной известью получил углеводород, который оказался тождественным веществу, полученному Фарадеем. Митчерлих установил его формулу – С 6 Н 6 , Либих позднее назвал бензолом.

Особое внимание к этому углеводороду на протяжении уже более полутора столетий объясняется его специфическими свойствами.

Первая попытка объяснения таких свойств бензола была предпринята в 1865 г. А.Кекуле (рис. 1).

Наряду с формулой Кекуле были предложены и другие формулы бензола (рис. 2).

Учитель рассказывает о взаимодействии бензола с тремя молекулами водорода с образованием циклогексана и о получении бензола пропусканием ацетилена через нагретые до 500 °С стружки железа, отмечает, что структурная формула бензола должна соответствовать шестиугольнику с чередующимися двойными и одинарными связями.

Уравнения записываются на доске:

С 6 Н 6 + 3Н 2 -> С 6 Н 12 ,

3С 2 Н 2 -> С 6 Н 6 .

Далее учитель сообщает некоторые данные о циклическом строении бензола, акцентирует внимание на следующих моментах: на расположение всех атомов в одной плоскости и одинаковое расстояние между ядрами соседних атомов углерода. Благодаря открытию метода рентгеноструктурного анализа стало возможным объяснить строение молекулы бензола: при sp 2 -гибридизации из одной s -орбитали и двух p -орбиталей образуются три гибридные орбитали и остается одна негибридная р -орбиталь.

Гибридные орбитали образуют три -связи, а негибридные располагаются перпендикулярно плоскости и образуют единое -электронное облако.

Понятие об электронном строении бензола подкрепляется таблицами, моделями с диска «Электронный учебник. Открытая химия 2,5»; объемными моделями с диска «Учебное электронное издание. Виртуальная лаборатория. Химия. 8–11 классы».

Учитель. Давайте подумаем, если в молекуле присутствует -связь, то почему же не происходят характерные для алкенов реакции (присоединение брома и окисление перманганатом калия)?

О т в е т. Сочетание шести -связей с единой -электронной системой называется ароматической связью. Электронная плотность распределена равномерно. Следовательно, в молекуле бензола нет ни простых, ни двойных связей. Все связи между атомами углерода в бензоле равноценны, чем и обусловлены характерные для бензола свойства. Цикл из шести атомов углерода, связанных шестью -cвязями и единым -электронным облаком, называют бензольным кольцом или бензольным ядром.

Физические методы исследования показали следующее (см. таблицу).

Таблица

Строение молекулы бензола

Напоминаю, что валентный угол 120 ° соответствует sp 2 -гибридизации атомов углерода.

Итак, давайте подведем итог изучения строения молекулы бензола.

Здесь можно воспользоваться заготовленными карточками с фамилиями, а можно попробовать задать вопрос по адресу. Заранее на подготовленных карточках пишется адрес, например: «улица 1, дом 3, квартира 1», где улица – номер ряда, дом – номер парты, квартира – вариант. Вытаскивается карточка, определяется ученик, «живущий» по этому адресу, и ему задается вопрос, затем вытаскивается следующая карточка.

Примеры вопросов

1) Какова формула молекулы бензола?

2) Какой тип гибридизации у атомов углерода в этой молекуле?

3) Что такое ароматичность?

4) Как влияет строение молекулы на свойства вещества?

5) В каком году и кем был впервые получен бензол?