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
| Cecha | Benzen |
|---|---|
| stan skupienia w 20 °C | bezbarwna ciecz |
| zapach | charakterystyczny, słodkawy |
| temperatura wrzenia | 80 °C |
| rozpuszczalność w wodzie | praktycznie nierozpuszczalny |
| gęstość | mniejsza niż wody — pływa po wodzie |
| co rozpuszcza | tłuszcze, oleje, żywice, kauczuk, siarkę, jod |
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.
| Alken (np. eten) | Benzen | |
|---|---|---|
| woda bromowa | odbarwia | nie odbarwia |
| typowa reakcja | addycja | substytucja |
| co dzieje się z wiązaniami | podwójne zanika | pierścień zostaje nienaruszony |
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
| Nazwa | Wzór | Co to jest |
|---|---|---|
| toluen (metylobenzen) | C₆H₅ — CH₃ | rozpuszczalnik farb i klejów, mniej szkodliwy niż benzen |
| styren (winylobenzen) | C₆H₅ — CH = CH₂ | monomer polistyrenu, czyli styropianu |
| fenol | C₆H₅ — OH | środek odkażający, surowiec do tworzyw |
| naftalen | C₁₀H₈ | dwa połączone pierścienie; dawne kulki na mole |
| nitrobenzen | C₆H₅ — NO₂ | surowiec do barwników i leków |
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.
- Węgiel: 6 atomów → 6 CO₂.
- Wodór: 6 atomów → 3 H₂O.
- 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
- Dlaczego benzen ma wzór C₆H₆, a nie C₆H₁₄ jak heksan?
- Zapisz równanie nitrowania benzenu i nazwij produkt organiczny.
- Benzen pali się kopcącym płomieniem. Z czego to wynika?
- 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.