BENZEN: HISTORIE, STRUKTUR, EGENSKAPER, DERIVATER, BRUKSOMRÅDER - KJEMI - 2025

Den benzen er en organisk forbindelse bestående av en av de enkleste av alle aromatiske hydrokarboner. Den kjemiske formel er C ₆ H ₆ , av hvilke det er kjent at forholdet mellom carbon og hydrogen er lik 1; det vil si at for hvert karbon er det et hydrogen knyttet til det.

Selv om dets fysiske utseende er som en fargeløs væske, finnes den naturlig i petroleum og petroleumsprodukter. Lukten er veldig karakteristisk, siden den ligner en blanding av lim, bitumen og bensin; på den annen side er det en flyktig og brennbar væske.

Flaske med benzen. Kilde: Air1404

Bildet over viser en beholder eller flaske med benzen, antagelig av ikke-analytisk renhet. Hvis de blir avdekket, ville benzendampene straks spre seg over hele laboratoriet. Av denne grunn håndteres denne væsken, ofte brukt som et enkelt løsningsmiddel, inne i en avtrekkshette.

Som sin formel C ₆ H ₆ , reiste kjemikerne i XIX århundre mange mulige strukturer som ville tilsvare nevnte C / H-forhold lik 1. Ikke bare dette, men benzenmolekylet måtte ha spesielle bindinger på en slik måte at det kunne forklares dets uvanlige stabilitet mot addisjonsreaksjoner; typisk for alkener og polyener.

Det var slik at koblingene deres representerte et gåte for datidens kjemikere; til eiendommen kalt aromatisitet ble introdusert. Før han ble vurdert som heksacyklotrien (med tre C = C-bindinger), er benzen mye mer enn det, og er et annet av mange eksempler på synergi i kjemi.

I organisk kjemi er benzen et klassisk symbol, det strukturelle grunnlaget for flere polyaromatiske forbindelser. Fra sin sekskant oppnås endeløse derivater ved aromatisk elektrofil substitusjon; en ring fra hvis kanter strukturen som definerer nye forbindelser er vevd.

Derivater skyldes faktisk den enorme industrielle bruken som de trenger benzen som råvare for. Fra tilberedning av lim og tekstilfibre, til plast, gummi, pigmenter, medikamenter og eksplosiver. På den annen side finnes benzen naturlig i vulkaner, branner, bensin og i sigarettrøyk.

Historie

Oppdagelse og navn

Oppdagelsen stammer fra 1825, vanligvis tilskrevet Michael Faraday, da han samlet inn og gjorde eksperimenter med et gjenværende oljeprodukt av gassen som ble brukt til belysning. Denne væsken inneholdt et C / H-forhold nær 1, og det er grunnen til at han kalte det 'karburert hydrogen'.

Kjemiker Auguste Laurent kalte det merkelige hydrokarbonet "feno", avledet fra det greske ordet "phaínein", som betyr lyst (fordi det ble oppnådd etter at gassen brant). Imidlertid ble dette navnet ikke akseptert av det vitenskapelige samfunnet og rådet bare som 'fenyl', for å referere til radikalet som stammer fra benzen.

Fra benzoingummi klarte kjemikeren Eilhard Mitscherlich, ni år senere, å produsere den samme forbindelsen; Derfor var det en annen kilde for det samme hydrokarbonet, som han døpte som 'benzin'. Imidlertid vurderte de heller ikke det riktige navnet for å anta at det var et alkaloid, for eksempel kinin.

Dermed erstattet de navnet 'benzine' med 'benzol'. Imidlertid var det igjen motsetninger og avvik på grunn av det faktum at uttrykket 'benzol' forvekslet hydrokarbonet for en alkohol. Det var da navnet 'benzen' ble født, brukt først i Frankrike og England.

Industriell produksjon

Verken lysgass eller benzoingummi var passende kilder for å generere benzen i stor skala. Charles Mansfield, i samarbeid med August Wilhelm von Hofmann, lyktes i 1845 å isolere benzen (tjue år etter oppdagelsen) fra kulltjære, et biprodukt fra koksproduksjon.

Slik begynte den industrielle produksjonen av benzen fra kulltjære. Tilgjengeligheten av benzen i store mengder forenklet studiet av dets kjemiske egenskaper og tillot det å være relatert til andre forbindelser med lignende reaktiviteter. August Wilhelm von Hofmann myntet selv ordet 'aromatisk' for benzen og tilhørende forbindelser.

Historiske strukturer

August Kekulés drøm

Friedrich August Kekulé tilskrives den sekskantede og sykliske strukturen av benzen rundt 1865, som stammer fra en underlig drøm med Uroboros, slangen som biter sin egen hale ved å tegne en sirkel. Dermed mente han at benzen kunne betraktes som en sekskantet ring, og andre kjemikere reiste mulige strukturer, som er vist nedenfor:

Strukturer for benzenringen foreslått gjennom historien. Kilde: Jü

Noen av de høyere strukturer kan forklare stabiliteten til benzen.

Bok, ringer og prisme

Legg merke til at den tredje strukturen ikke en gang er en ring, men et trekantet prisme, foreslått av Albert Ladenburg i 1869; til venstre for ham, en i form av en åpen bok, foreslått av Sir James Dewar i 1867; og til sin høyre, en med alle hydrogelene rettet mot sentrum av ringen, foreslått av Henry Edward Armstrong i 1887.

Den første strukturen, foreslått av Adolf Karl Ludwig Claus i 1867, er også ganske særegen, siden CC-koblingene krysses. Og den siste var Kekulés “serpentine” ring, som drømte om i 1865.

Hva var "vinneren"? Den femte strukturen (fra venstre til høyre), foreslått i 1899 av Johannes Thiele.

I dette ble resonanshybriden vurdert for første gang, som kombinerte de to Kekulé-strukturene (snu den første ringen til høyre for å observere den) og forklarte ekstraordinært delokaliseringen av elektroner og med den den inntil da uvanlige stabiliteten til benzen.

Struktur av benzen

Aromatisk benzenring. Kilde: Benjah-bmm27

Over er strukturen foreslått av Thiele ved å bruke en modell av kuler og stenger.

Benzenmolekylet er flatt, med hydrogenatomene som peker utover fra ringens sider. Alle karbonatomer har sp ^2- hybridisering , med et p orbital tilgjengelig for å etablere det aromatiske systemet der seks elektroner lokaliserer.

Disse sp ² karbonatomer er mer elektronegativt enn det hydrogener, og er derfor den tidligere trekke elektrontettheten til den sistnevnte (C _sp2 ^δ- -H ^{δ +} ). Følgelig har senteret av ringen en høyere konsentrasjon av elektroner enn sidene.

Mer presist kan det aromatiske systemet bli representert som en sky eller elektronisk pute utvidet på begge sider av den sekskantede ringen; og i midten, på sidene eller kantene, en elektronisk mangel som består av hydrogeler med en positiv delladning.

Takket være denne fordelingen av elektriske ladninger kan benzenmolekyler samvirke med hverandre gjennom dipol-dipol-krefter; H ^{5 +} -atomer tiltrekkes til det aromatiske sentrum av en nabokring (dette vil bli representert nedenfor).

De aromatiske sentrene kan også stables på toppen av den andre for å favorisere induksjon av de øyeblikkelige dipolene.

Resonance

Strukturer og resonanshybrid av benzen. Kilde: Edgar181 fra Wikipedia.

De to Kekulé-strukturene er vist øverst i bildet, og under dem, resonanshybrid. Siden de to strukturene forekommer om og om igjen på samme tid, er hybriden representert av en sirkel tegnet i midten (ligner den for en "sekskantet smultring").

Hybridsirkelen er viktig fordi den indikerer den aromatiske karakteren til benzen (og den for mange andre forbindelser). Videre påpeker han at koblingene ikke er så lange som CC, og heller ikke er så korte som C = C; snarere er deres lengde mellom begge ytterpunktene. Dermed regnes ikke benzen som en polyen.

Dette har blitt vist ved å måle lengdene på CC (139 pm) bindinger av benzen, som er litt mer langstrakte enn CH (109 pm) bindingene.

krystaller

Orthorhombic crystal strukturen av benzen. Kilde: Ben Mills

Benzen er en væske ved romtemperatur. Dens intermolekylære krefter betyr at den til tross for at den ikke har et så uttalt dipolmoment, kan holde molekylene sammen i en væske som koker ved 80 ºC. Når temperaturen synker under 5 ° C, begynner benzen å fryse: og dermed oppnås dens tilsvarende krystaller.

Benzenringer kan ta i bruk definerte strukturelle mønstre i deres faste. Dipolene deres får dem til å "vippe" til venstre eller høyre, og danner rader som kan reproduseres av en orthorhombisk enhetscelle. Dermed er benzenkrystaller ortorombiske.

Legg merke til i det øvre bildet at vippingen av ringene favoriserer samspillet mellom H ^{5 +} og de aromatiske sentrene, nevnt i tidligere underavsnitt.

Egenskaper

Molekylmasse

78,114 g / mol.

Fysisk utseende

Fargeløs væske med en bensinlignende lukt.

Kokepunkt

80 ° C.

Smeltepunkt

5,5 ° C

tenningspunkt

-11ºC (lukket kopp).

Selvantennelsestemperatur

497,78 ° C

tetthet

0,8765 g / ml ved 20 ° C.

løselighet

En liter kokende vann kan knapt løse opp 3,94 g benzen. Den apolare karakteren gjør den praktisk talt blandbar med vann. Imidlertid er det blandbart med andre løsningsmidler, som etanol, etere, aceton, oljer, kloroform, karbontetraklorid, etc.

Damptetthet

2,8 i forhold til luft (det vil si nesten tre ganger så tett).

Damptrykk

94,8 mm Hg ved 25 ° C.

Forbrenningsvarme

-3267,6 kJ / mol (for flytende benzen).

Fordampingsvarme

33,83 kJ / mol.

Overflatespenning

28,22 mN / m ved 25 ° C.

Brytningsindeks

1.5011 ved 20 ° C.

derivater

Hydrogenene av benzen kan erstattes av andre grupper eller atomer. Det kan være en eller flere substitusjoner, noe som øker substitusjonsgraden til ingen av de opprinnelige seks hydrogenene er igjen.

Anta for eksempel benzen som Ph-H, der H er hvilken som helst av de seks hydrogener. Husk at senteret av ringen har en høyere elektrontetthet, tiltrekker den elektrofiler, som angriper ringen for å erstatte H i en reaksjon som kalles elektrofil aromatisk substitusjon (SEAr).

Hvis denne H erstattes av en OH, vil vi ha Ph-OH, fenol; blir erstattet av en CH ₃ , Ph-CH ₃ , toluen; hvis det er NH ₂ , Ph-NH ₂ , anilin; eller hvis det er CH ₂ CH ₃ , Ph-CH ₂ CH ₃ , etylbenzen.

Derivatene kan være de samme eller mer giftige enn benzen, eller tvert imot kan de bli så komplekse at de har en ønskelig farmakologisk effekt.

applikasjoner

Det er et godt løsningsmiddel for en rekke forbindelser, for eksempel til stede i maling, lakk, lim og belegg.

På samme måte kan det løse opp oljer, fett eller voks, og det er derfor det har blitt brukt som et ekstraksjonsmiddel for essenser. Denne egenskapen ble brukt av Ludwig Roselius i 1903 til å koffeinfri kaffe, en operasjon som allerede er i bruk på grunn av toksisiteten til benzen. På samme måte ble det tidligere brukt til å avfette metaller.

I en av de klassiske bruksområdene fungerer den ikke som et løsningsmiddel, men som et tilsetningsstoff: å øke oktantallet av bensin og erstatte bly for dette formålet.

Derivater av benzen kan ha forskjellige bruksområder; noen tjener som sprøytemidler, smøremidler, vaskemidler, plast, eksplosiver, parfymer, fargestoffer, lim, medikamenter, etc. Hvis en benzenring blir observert i strukturen, er det ganske sannsynlig at syntesen av den er startet fra benzen.

Blant dens viktigste derivater er: kumen, xylen, anilin, fenol (for syntese av fenolharpikser), benzosyre (konserveringsmiddel), cykloheksan (for syntese av nylon), nitrobenzen, resorcinol og etylbenzen.

nomenklatur

Nomenklaturen til benzenderivater varierer avhengig av graden av substitusjon, hva substituentgruppene er og deres relative posisjoner. Således kan benzen gjennomgå substitusjoner med mono, di, tri, tetra, etc.

Når de to gruppene er festet til tilstøtende karbon, brukes betegnelsen 'ortho'; hvis det er et karbon i mellom å skille dem, 'meta'; og hvis kullene er i motsatte posisjoner, 'para'.

Bildene nedenfor viser eksempler på benzenderivater med respektive navn styrt av IUPAC. De er også ledsaget av vanlige eller tradisjonelle navn.

Monoderivativer av benzen. Kilde: Gabriel Bolívar.

Andre derivater av benzen. Kilde: Gabriel Bolívar.

Merk at i trisubstituert benzen er ikke orto-, para- og meta-indikatorene lenger nyttige.

toksisitet

Benzen er en forbindelse som må håndteres med omhu. Gitt den spesielle lukten, kan de umiddelbare negative effektene være kvelning, svimmelhet, hodepine, skjelving, døsighet, kvalme og til og med død (med høy eksponering). Hvis den svelges, i tillegg til det nevnte, kan det forårsake alvorlige magesmerter og anfall.

Videre er langtidseffektene under konstant eksponering for denne væsken kreftfremkallende; øker sjansen for at den enkelte vil lide av en eller annen type kreft, spesielt blodkreft: leukemi.

I blodet kan det redusere konsentrasjonen av røde blodlegemer, forårsake anemi, og også påvirke benmargen og leveren, der den blir assimilert av kroppen for å generere enda mer giftige benzenderivater; for eksempel hydroksykinon. Det hoper seg også opp i nyrene, hjertet, lungene og hjernen.

referanser

1. Morrison, RT og Boyd, RN (1987). Organisk kjemi. (5. utgave). Addison-Wesley Iberoamericana.
2. Carey, FA (2008). Organisk kjemi. (6. utgave). McGraw-Hill, Interamerica, Editores SA
3. Graham Solomons TW, Craig B. Fryhle. (2011). Organisk kjemi. Aminer. (10. utgave.). Wiley Plus.
4. Nasjonalt senter for informasjon om bioteknologi. (2019). Benzen. PubChem-databasen. CID = 241, gjenvunnet fra: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov
5. Wikipedia. (2019). Benzen. Gjenopprettet fra: en.wikipedia.org
6. Garcia Nissa. (2019). Hva er Benzen? - Bruk, struktur og formel. Studere. Gjenopprettet fra: study.com
7. Sentre for sykdomskontroll og forebygging. (4. april 2018). Fakta om benzen. Gjenopprettet fra: emergency.cdc.gov
8. Verdens helseorganisasjon. (2010). Eksponering for benzen: et stort folkehelseproblem. . Gjenopprettet fra: who.int
9. Fernández Germán. (SF). Benzen-nomenklaturproblemer. Organisk kjemi. Gjenopprettet fra: quimicaorganica.org