Формула бензола — C₆H₆. Если посчитать атомы, напрашиваются три двойные связи — значит, он должен вести себя как алкен: обесцвечивать бромную воду, легко присоединять. Но бензол бромную воду не обесцвечивает. Разгадка — в особом строении кольца.
Арены (ароматические углеводороды) — соединения, в молекулах которых есть бензольное кольцо. Родоначальник ряда — бензол C₆H₆.
Шесть атомов углерода замкнуты в правильный шестиугольник, у каждого — по атому водорода. Молекула плоская: все двенадцать атомов лежат в одной плоскости.
Немецкий химик Август Кекуле предложил формулу с чередующимися одинарными и двойными связями — по легенде, кольцо приснилось ему в виде змеи, кусающей собственный хвост. Формула Кекуле удобна для подсчёта атомов, но измерения показали: все шесть связей углерод–углерод одинаковы по длине, промежуточные между одинарной и двойной. Никакого чередования нет.
Причина: шесть p-электронов, по одному от каждого атома углерода, не закреплены за парами атомов, а обобществлены — образуют единое π-электронное облако, кольцо электронной плотности над и под плоскостью молекулы. Поэтому современный символ бензола — шестиугольник с окружностью внутри.
Ароматичность — особая устойчивость молекулы, в которой π-электроны принадлежат всему кольцу сразу, а не отдельным парам атомов.
Представь три отдельные двойные связи как три натянутые резинки: каждую можно зацепить и порвать по отдельности. Ароматическое кольцо — цельный обруч: чтобы присоединить к нему что-то, надо сломать всю конструкцию сразу, а это энергетически невыгодно.
К запаху термин почти не имеет отношения. Первые изученные соединения этого ряда приятно пахли, название закрепилось — а потом выяснилось, что дело в строении, и слово «ароматический» осталось термином о структуре.
Ломать устойчивое кольцо дорого, а заменить атом водорода, сохранив кольцо, — пожалуйста. Для бензола характерны реакции замещения:
Присоединение возможно, но только в жёстких условиях: водород присоединяется при нагревании с никелевым катализатором (получается циклогексан), хлор — на ультрафиолетовом свету (гексахлорциклогексан).
Контрольный факт для экзамена: бензол не обесцвечивает ни бромную воду, ни раствор перманганата калия. Именно так его отличают от алкенов и алкинов.
Гомологический ряд бензола описывается общей формулой CₙH₂ₙ₋₆. Второй член ряда — толуол C₆H₅–CH₃: бензольное кольцо с метильной группой. На толуоле видно взаимное влияние атомов из теории Бутлерова:
Отсюда лабораторный способ различить бензол и толуол: нагрей с раствором перманганата калия — толуол его обесцветит, бензол нет.
Состав C₈H₁₀ имеют этилбензол и три ксилола (диметилбензолы): две метильные группы стоят у соседних атомов кольца, через один или напротив друг друга — орто-, мета- и пара-изомеры. Это знакомая изомерия положения, только заместители переставляются по кольцу, а не по цепи.
Три способа из школьных заданий: тримеризация ацетилена — три молекулы C₂H₂ при нагревании над активированным углём замыкаются в кольцо (реакция Зелинского); дегидрирование циклогексана — кольцо уже готово, отщепляется водород (катализатор, нагревание); переработка нефти — главный промышленный источник. Любимая цепочка составителей ЕГЭ: метан → ацетилен → бензол → нитробензол — три превращения связывают половину курса углеводородов.
Дано: при нитровании 15,6 г бензола весь бензол превратился в нитробензол. Найти массу нитробензола.