Areny – benzen, budowa i właściwości

Poznaliśmy już węglowodory z łańcuchem prostym i rozgałęzionym. Dziś łańcuch zamknie się w pierścień — i okaże się, że taka cząsteczka zachowuje się zupełnie inaczej, niż można by się spodziewać.

Czym są areny

Areny (węglowodory aromatyczne) to węglowodory zawierające w cząsteczce pierścień benzenowy.

Nazwa „aromatyczne” pochodzi z XIX wieku: pierwsze poznane związki tej grupy miały wyraźny, często przyjemny zapach. Dziś wiemy, że nie zapach je łączy, tylko budowa — ale nazwa została.

Najważniejszym arenem, od którego zaczyna się cała rodzina, jest benzen.

Budowa benzenu

Wzór sumaryczny benzenu to C₆H₆. Sześć atomów węgla i tylko sześć wodorów — bardzo mało jak na sześć węgli. Dla porównania: heksan, czyli alkan o sześciu węglach, ma wzór C₆H₁₄.

Sześć atomów węgla tworzy zamknięty pierścień — sześciokąt. Każdy z nich ma przyłączony jeden atom wodoru:

			H
			|
			C
		/		\
H	—	C		C	—	H
		|		|
H	—	C		C	—	H
		\		/
			C
			|
			H

Teraz pojawia się problem. Każdy atom węgla musi mieć cztery wiązania. W pierścieniu ma dwa do sąsiadów i jedno do wodoru — czyli trzy. Zostaje jedno wolne.

Rozwiązał to niemiecki chemik Friedrich Kekulé w 1865 roku: zaproponował, żeby w pierścieniu na przemian występowały wiązania pojedyncze i podwójne. Wtedy liczba wiązań się zgadza. Legenda głosi, że pomysł przyszedł mu we śnie o wężu gryzącym własny ogon.

Co pokazały późniejsze badania

Wzór Kekulégo prawie się zgadza — z jednym ale. Gdyby w pierścieniu rzeczywiście były trzy wiązania podwójne i trzy pojedyncze, to wiązania miałyby różną długość i cząsteczka reagowałaby jak alken. Tymczasem pomiary pokazały, że wszystkie sześć wiązań jest jednakowych — ani pojedyncze, ani podwójne, lecz coś pośredniego.

Elektrony, które miałyby tworzyć wiązania podwójne, nie siedzą w jednym miejscu, tylko krążą po całym pierścieniu. Mówimy, że są zdelokalizowane. Dlatego dziś benzen rysuje się najczęściej jako sześciokąt z kółkiem w środku — kółko oznacza właśnie te wspólne elektrony.

Trzy sposoby zapisu tego samego: wzór sumaryczny C₆H₆, sześciokąt z trzema kreskami podwójnymi (wzór Kekulégo) i sześciokąt z kółkiem (zapis współczesny). Na sprawdzianie uznawane są oba rysunki.

Właściwości fizyczne

I jedna rzecz, o której trzeba powiedzieć wprost: benzen jest trujący i rakotwórczy. Działa na szpik kostny i układ krwiotwórczy. Dlatego w szkolnych pracowniach się go nie używa, a w przemyśle zastąpiono go bezpieczniejszymi rozpuszczalnikami. Benzen znajduje się natomiast w dymie papierosowym i w spalinach — i to jest jego najczęstsze źródło w codziennym życiu.

Właściwości chemiczne

Tu zaczyna się najciekawsza część tematu. Benzen ma w pierścieniu coś w rodzaju wiązań podwójnych — a mimo to nie zachowuje się jak alken.

Benzen nie odbarwia wody bromowej ani roztworu KMnO₄.

Pierścień z krążącymi elektronami jest bardzo trwały i cząsteczka „broni go” przed rozbiciem. Dlatego benzen zdecydowanie woli substytucję — wymianę wodoru na coś innego, przy zachowaniu pierścienia — niż addycję, która pierścień by zniszczyła.

Spalanie

2 C₆H₆ + 15 O₂ → 12 CO₂ + 6 H₂O

Benzen pali się mocno kopcącym, żółtym płomieniem. Powód jest ten sam co przy acetylenie: bardzo dużo węgla przypada na jeden atom wodoru, więc tlenu brakuje i część węgla wydziela się jako sadza.

Substytucja — dwie reakcje do zapamiętania

Bromowanie (wobec katalizatora, np. FeBr₃):

C₆H₆ + Br₂ → C₆H₅Br + HBr

Produkt to bromobenzen. Zwróć uwagę, że obok powstaje bromowodór HBr — to znak rozpoznawczy substytucji.

Nitrowanie (stężony HNO₃ wobec stężonego H₂SO₄):

C₆H₆ + HNO₃ → C₆H₅NO₂ + H₂O

Produkt to nitrobenzen, oleista ciecz o zapachu gorzkich migdałów. Nitrowanie jest pierwszym krokiem w produkcji wielu barwników i leków.

Addycja — tylko w ostrych warunkach

Pierścień da się rozbić, ale trzeba go do tego zmusić:

C₆H₆ + 3 H₂ → C₆H₁₂ (katalizator Ni, wysoka temperatura i ciśnienie)

C₆H₆ + 3 Cl₂ → C₆H₆Cl₆ (silne światło)

Pierwsza reakcja daje cykloheksan, druga — heksachlorocykloheksan, dawniej stosowany jako środek owadobójczy. Zauważ, że przyłączają się trzy cząsteczki — tyle, ile „wiązań podwójnych” przypisuje pierścieniowi wzór Kekulégo.

Pochodne benzenu, które warto znać

Zapis C₆H₅ — oznacza pierścień benzenowy, któremu zabrano jeden wodór, żeby zrobić miejsce na podstawnik. Nazywa się go grupą fenylową.

Przykłady krok po kroku

Przykład 1 — rozróżnienie dwóch cieczy

W dwóch nieopisanych probówkach są: heksen C₆H₁₂ i benzen C₆H₆. Jak je odróżnić?

Dodajemy do obu wodę bromową.

• Probówka, w której roztwór się odbarwi, zawiera heksen — węglowodór nienasycony przyłącza brom.
• Probówka, w której barwa pozostanie, zawiera benzen — pierścień aromatyczny nie przyłącza bromu w tych warunkach.

Przykład 2 — uzgodnienie spalania

Uzgodnij całkowite spalanie benzenu: C₆H₆ + O₂ → CO₂ + H₂O.

1. Węgiel: 6 atomów → 6 CO₂.
2. Wodór: 6 atomów → 3 H₂O.
3. Tlen po prawej: 6 · 2 + 3 = 15 atomów → 15 : 2 = 7,5 cząsteczki O₂. Ułamek — mnożymy wszystko przez 2.

2 C₆H₆ + 15 O₂ → 12 CO₂ + 6 H₂O

Przykład 3 — produkt substytucji

Zapisz reakcję benzenu z chlorem wobec katalizatora i nazwij produkty.

W obecności katalizatora zachodzi substytucja — jeden wodór zostaje zastąpiony chlorem:

C₆H₆ + Cl₂ → C₆H₅Cl + HCl

Produkty to chlorobenzen i chlorowodór.

Przykład 4 — ile wodoru przyłączy pierścień

Ile cząsteczek wodoru trzeba, żeby z benzenu otrzymać cykloheksan?

Pierścień odpowiada trzem wiązaniom podwójnym, a każde przyłącza jedną cząsteczkę H₂:

C₆H₆ + 3 H₂ → C₆H₁₂

Odpowiedź: trzy cząsteczki.

Trzy najczęstsze błędy

„Benzen odbarwia wodę bromową, bo ma wiązania podwójne.” Nie odbarwia. To właśnie najczęściej sprawdzane zdanie w całym temacie.

Pomylenie benzenu z benzyną. Benzen to jeden konkretny związek C₆H₆. Benzyna to mieszanina kilkudziesięciu węglowodorów otrzymywana z ropy naftowej.

Zapomniany drugi produkt substytucji. Przy bromowaniu obok bromobenzenu zawsze powstaje HBr. Jeśli go nie ma, równanie jest niepełne.

Sprawdź się

1. Dlaczego benzen ma wzór C₆H₆, a nie C₆H₁₄ jak heksan?
2. Zapisz równanie nitrowania benzenu i nazwij produkt organiczny.
3. Benzen pali się kopcącym płomieniem. Z czego to wynika?
4. Podaj nazwę i wzór związku, z którego powstaje styropian.

Rozwiązania. (1) Bo sześć atomów węgla tworzy zamknięty pierścień, w którym elektrony są wspólne — na wodory zostaje tylko po jednym miejscu przy każdym węglu. (2) C₆H₆ + HNO₃ → C₆H₅NO₂ + H₂O; produkt to nitrobenzen. (3) Bo w cząsteczce przypada bardzo dużo węgla na jeden wodór; tlenu nie starcza na spalenie całego węgla i wydziela się sadza. (4) Styren (winylobenzen) C₆H₅ — CH = CH₂; w wyniku polimeryzacji daje polistyren.

Do zapamiętania

• Areny zawierają pierścień benzenowy; najważniejszy z nich to benzen C₆H₆.
• Sześć atomów węgla tworzy pierścień, a elektrony są w nim wspólne (zdelokalizowane) — stąd zapis z kółkiem w środku sześciokąta.
• Benzen to bezbarwna, nierozpuszczalna w wodzie ciecz o temperaturze wrzenia 80 °C; jest trujący i rakotwórczy.
• Nie odbarwia wody bromowej — ulega substytucji, nie addycji: C₆H₆ + Br₂ → C₆H₅Br + HBr.
• Spala się kopcącym płomieniem: 2 C₆H₆ + 15 O₂ → 12 CO₂ + 6 H₂O.
• Ważne pochodne: toluen, styren (monomer styropianu), fenol, naftalen.