какие утверждения относительно строения молекулы бензола справедливы

Химия. 10 класс

§ 19. Ароматические углеводороды. Бензол, строение молекулы

Ароматические углеводороды. Бензол, строение молекулы

Название «ароматические соединения» возникло потому, что первые известные представители этого класса, полученные ещё в начале XIX века, обладали приятным запахом. Позднее оказалось, что большинство веществ, которые по строению и химическим свойствам принадлежат к этой же группе, не имеют приятного запаха. Однако исторически сложившееся общее название этих соединений сохранилось.

Простейшим представителем ароматических углеводородов является бензол. Его молекулярная формула C₆H₆.

Бензол — легкокипящая (t_кип = 80 °С), бесцветная, нерастворимая в воде

жидкость с характерным запахом. При охлаждении бензол легко застывает в белую кристаллическую массу с температурой плавления 5,5 °С.

Открыл бензол великий английский физик Майкл Фарадей. В 1825 году ему удалось выделить бензол из каменноугольной смолы. Позже были установлены простейшая CH и молекулярная C₆H₆ формулы бензола. Однако долгое время не удавалось установить строение молекулы данного вещества. Через сорок лет после открытия бензола немецкий химик Август Кекуле сделал правильное предположение о циклическом строении молекулы бензола и предложил следующую структурную формулу:

Представленная формула бензола называется формулой Кекуле. Формула Кекуле показывает, что молекула бензола имеет плоское строение, валентные углы равны 120°. Из формулы Кекуле также следует, что для гидрирования молекулы бензола до циклогексана требуются три молекулы водорода:

Все эти выводы подтверждаются экспериментальными данными. Однако формула Кекуле не объясняет ряд особых свойств бензола. Так, бензол не вступает в качественные реакции на двойную связь. Он, в отличие от алкенов, не обесцвечивает бромную воду и раствор перманганата калия. В присутствии катализатора бензол реагирует с галогенами, однако при этом происходит не присоединение галогена, а замещение атома водорода в молекуле бензола на галоген:

Кроме того, экспериментально установлено, что все связи углерод-углерод в молекуле бензола имеют одинаковую длину. Столь необычные свойства бензола удалось объяснить только в ХХ веке, используя современную теорию строения вещества.

Из формулы Кекуле следует, что двойные связи в молекуле бензола являются сопряжёнными. На примере бутадиена-1,3 мы видели, что сопряжение ведёт к некоторому выравниванию длин двойных и одинарных связей. В молекуле бензола сопряжение настолько сильное, что длины всех связей углерод-углерод становятся одинаковыми:

В данной формуле шестиугольник отображает σ-связи между атомами углерода, а окружность — систему π-связей.

Наряду с формулой бензола, в которой показана делокализация π-электронов, нередко пользуются формулой Кекуле, учитывая при этом, что она не совсем точно передаёт строение бензола:

Делокализация π-электронов придаёт молекуле бензола дополнительную устойчивость. Поэтому для бензола характерны реакции, в которых сопряжённая система π-связей в молекуле сохраняется. Такими реакциями являются реакции замещения (см. уравнение реакции с бромом).

Как уже отмечалось, бензол является простейшим представителем ароматических углеводородов. Его гомологи могут рассматриваться как продукты замещения одного или нескольких атомов водорода в молекуле бензола на углеводородные радикалы. Формулы и названия некоторых гомологов бензола приведены на рисунке 19.3.

Как видно, для построения названий веществ, в молекулах которых с бензольным кольцом соединено несколько углеводородных радикалов, атомы углерода бензольного кольца нумеруют таким образом, чтобы заместители получили наименьшие номера, и при помощи цифр в названии указывают положение заместителей.

Бензол С₆Н₆ — простейший представитель класса ароматических углеводородов.

Молекула бензола имеет плоское строение, валентные углы равны 120°, длины всех связей углерод-углерод одинаковы.

π -Электроны в молекуле бензола делокализованы и образуют единую сопряжённую систему π -связей.

Сопряжённая система π -связей придаёт молекуле бензола повышенную устойчивость, поэтому для бензола характерны реакции, в которых сопряжённая система сохраняется.

Источник

Какие утверждения относительно строения молекулы бензола справедливы

ХИМИЯ – это область чудес, в ней скрыто счастье человечества,

величайшие завоевания разума будут сделаны

именно в этой области.(М. ГОРЬКИЙ)

Таблица
Менделеева

Универсальная таблица растворимости

Коллекция таблиц к урокам по химии

Бензол: электронное и пространственное строение, изомерия и номенклатура

На данном уроке будет рассмотрена тема «История развития представлений о строении бензола, его строение, понятие об ароматичности». Вы узнаете, как с течением времени менялись представления о строении бензола. Вы познакомитесь с новым понятием – ароматичность.

I. Характеристика аренов

Ис­то­рия пред­став­ле­ний о стро­е­нии бен­зо­ла

Ароматические углеводороды (aрены) – это органические соединения, в молекулах которых имеется одно или несколько бензольных колец.

Бензольное кольцо, или ядро, – циклическая группа атомов углерода с особым характером связей.

1865 г. – Ав­густ Ке­ку­ле (Рис. 1) пред­по­ло­жил, что атомы уг­ле­ро­да могут за­мы­кать­ся в цикл.

1872 г. – Ке­ку­ле пред­ло­жил ги­по­те­зу, со­глас­но ко­то­рой в бен­золь­ном коль­це про­ис­хо­дит непре­рыв­ный обмен ме­ста­ми про­стых и двой­ных свя­зей:

Структурные формулы, соответствующие составу С6Н6

Со­вре­мен­ные пред­став­ле­ния о стро­е­нии бен­зо­ла

По­яв­ле­ние фи­зи­че­ских ме­то­дов ана­ли­за ве­ществ и кван­то­во­ме­ха­ни­че­ских под­хо­дов к опи­са­нию мо­ле­кул поз­во­ли­ло уста­но­вить, что атомы уг­ле­ро­да в мо­ле­ку­ле бен­зо­ла со­став­ля­ют плос­кий пра­виль­ный ше­сти­уголь­ник; связи между всеми ато­ма­ми уг­ле­ро­да имеют рав­ную длину – 0,14 нм, ко­то­рая боль­ше, чем длина двой­ной связи (0,132 нм), но мень­ше, чем длина про­стой связи (0,154 нм). Рис. 2.

или

Рис. 2. Мо­ле­ку­ла бен­зо­ла

II. Строение бензола

Видео: “Строение молекулы бензола”

Все атомы уг­ле­ро­да на­хо­дят­ся в со­сто­я­нии sp2-ги­бри­ди­за­ции. Рис. 2. Шесть π-элек­тро­нов об­ра­зу­ют общее элек­трон­ное об­ла­ко, ко­то­рое при­над­ле­жит всем шести ато­мам уг­ле­ро­да:

Рис. 3. Об­ра­зо­ва­ние свя­зей в мо­ле­ку­ле бен­зо­ла

Запомните!

В структурной формуле Кекуле – три одинарные и три двойные чередующиеся углерод-углеродные связи. Но такое изображение не передает истинного строения молекулы. В действительности углерод-углеродные связи в бензоле равноценны. Это объясняется электронным строением его молекулы.

Третья p-орбиталь атома углерода не участвует в гибридизации. Она имеет форму гантели и ориентирована перпендикулярно плоскости бензольного кольца. Такие p-орбитали соседних атомов С перекрываются над и под плоскостью кольца.

Рис. Негибридные 2p-орбитали углерода в молекуле бензола

Рис. Молекула бензола. Расположение π -электронного облака

В молекуле бензола они одинаковы и равны 0,139 нм. В случае простой и двойной связи эти расстояния составили бы соответственно 0,154 и 0,134 нм. Значит, в молекуле бензола нет чередования простых и двойных связей, а существует особая связь – “полуторная” – промежуточная между простой и двойной, так называемая ароматическая связь. Чтобы показать равномерное распределение p-электронного облака в молекуле бензола, корректнее изображать ее в виде правильного шестиугольника с окружностью внутри (окружность символизирует равноценность связей между атомами С):

Проч­ность связи между ато­ма­ми уг­ле­ро­да в цикле долж­на быть про­ме­жу­точ­ной между проч­но­стью двой­ной и оди­нар­ной связи. Но связь между ато­ма­ми С в бен­золь­ном коль­це ока­зы­ва­ет­ся зна­чи­тель­но проч­нее! По­это­му со­еди­не­ния ряда бен­зо­ла не всту­па­ют во мно­гие ре­ак­ции, ха­рак­тер­ные для непре­дель­ных со­еди­не­ний.

Аро­ма­тич­ность – спо­соб­ность цик­ли­че­ской мо­ле­ку­лы с си­сте­мой со­пря­жен­ных двой­ных свя­зей об­ра­зо­вы­вать еди­ное p-элек­трон­ное об­ла­ко с уве­ли­че­ни­ем ста­биль­но­сти мо­ле­ку­лы.

На ос­но­ве кван­то­во­ме­ха­ни­че­ских рас­че­тов Э. Хюк­кель сфор­му­ли­ро­вал кри­те­рии аро­ма­тич­но­сти:

1. Мо­ле­ку­ла (или ее часть) долж­на быть цик­ли­че­ской и плос­кой.

2. Она долж­на со­дер­жать со­пря­жен­ные p-элек­тро­ны. Это могут быть элек­тро­ны двой­ных свя­зей или непо­де­лен­ных элек­трон­ных пар ато­мов.

3. Число p-элек­тро­нов долж­но быть рав­ным 4n + 2, где n = 0,1,2… (пра­ви­ло Хюк­ке­ля)

III. Классификация аренов

1. Моноядерные

1. С₆ H ₆ – бензол, родоначальник гомологического ряда аренов ( Бен­зол – плос­кая цик­ли­че­ская си­сте­ма, со­дер­жа­щая 6 p-элек­тро­нов (n = 1).

3. С₆ H ₅ – CH =С H ₂ – стирол (винилбензол)

2. Многоядерные (конденсированные)

IV. Изомерия, номенклатура

Изо­ме­ров та­ко­го со­ста­ва может быть очень много. На­при­мер:

Изомерия обусловлена изомерией углеродного скелета имеющихся радикалов и их взаимным положением в бензольном кольце. Положение двух заместителей указывают с помощью приставок: орто- (о-), если они находятся у соседних углеродных атомов (положение 1, 2-), мета- (м-) для разделенных одним атомом углерода (1, 3-) и пара-(п-) для находящихся напротив друг друга (1, 4-).

Например, для диметилбензола (ксилола):

мета-ксилол (1,3-диметилбензол)

Радикалы ароматических углеводородов называют арильными радикалами. Радикал С₆Н₅ — называется фенил.

Источник

Урок по химии на тему «ЭЛЕКТРОННОЕ И ПРОСТРАНСТВЕННОЕ СТРОЕНИЕ МОЛЕКУЛЫ БЕНЗОЛА» (10 класс)

Ищем педагогов в команду «Инфоурок»

Тема урока: «ЭЛЕКТРОННОЕ И ПРОСТРАНСТВЕННОЕ СТРОЕНИЕ МОЛЕКУЛЫ БЕНЗОЛА»

Тип урока: сообщение новых знаний с испльзованием исторического подхода

Вид урока: лекция + элементы беседы.

Систематизирующий материал: -связи, -связи, sp 2 – гибридизация.

История Открытия Бензола

История Открытия Строения Молекулы Бензола

это наука с удивительным расцветом

Способствовать расширению у учащихся научных знаний о электронном и пространственном строении бензола;

Ознакомить учащихся с историческими сведениями о бензоле;

Формирование научно-теоретического мышления;

Изучение нового материла.

ИСТОРИЯ ОТКРЫТИЯ БЕНЗОЛА

Важнейший ароматический углеводород бензол C₆H₆

Впервые бензол описал немецкий ученый Иоганн Глаубер по профессии аптекарь в 1649 году, получив вещество перегонкой каменноугольной смолы.

ГЛАУБЕР (Glauber) Иоганн Рудольф

1604 г. – 10 марта 1670 г.

Открыт бензол был впервые в 1825 году Майклом Фарадеем.

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. Английский ученый заинтересовался странным явлением, происходившим со светильным газом.. Обнаружилось, однако, что при длительном хранении газ постепенно терял свои осветительные и тепловые свойства, а на дне баллона скапливалась жидкость, легко воспламеняющаяся. Ее то и исследовал Фарадей, а в результате выделил неизвестный углеводород, элементный состав, а так же физические и химические свойства которого попытался определить. На основании анализа он приписал ему формулу C₂H, назвал двууглеродистым водородом и доложил об открытии нового вещества Лондонскому Королевскому обществу 16 июня 1825 года.
При исследовании этой жидкости Фарадей открыл новый углеводород – бензол.

.Некоторое время бензол не привлекал особого внимания химиков. В 1833-35 годах немецкий химик Эйльхард Митчерлих обстоятельно исследовал это вещество, В 1835 году, когда немец Эйльхард Митчерлих (1796-1863) нагрел негашеную известь CaO с бензойной кислотой C₆H₅COOH (она содержится во многих ягодах, в частности, в клюкве и бруснике, и препятствует их гниению) и получил неизвестную, легкокипящую жидкость с резким запахом. Вот тогда и вспомнили об открытии Фарадея. Он назвал его «бензином» (от арабского слова, которое означает благовоние).

Эйльхард МИЧЕРЛИХ (МИТЧЕРЛИХ)

ЛИБИХ (von Liebig), Иоганн Юстус фон

12 мая 1803 г. – 18 апреля 1873

ЛОРАН (Laurent), Огюст

14 ноября 1807 г. – 15 апреля 1853 г.

Структурная формула бензола была предложена в 1865 году Августом Кекуле. В результате синтеза бензол впервые был получен французским химиком Марселеном Бертло в 1866 году.

Пьер-Эжен-Марселен БЕРТЛО (Berthelot)

КЕКУЛЕ Фридрих Август
(Kekule F. A.)

Далее перехожу к изложению строения молекулы бензола.

В 1865 г. немецким учёным Кекуле была предложена структура молекулы бензола.

ИСТОРИЯ ОТКРЫТИЯ СТРОЕНИЯ МОЛЕКУЛЫ БЕНЗОЛА

Формулу бензола он привел в статье, опубликованной в мае 1865 года. Шесть атомов углерода образовывали замкнутую цепь и были связаны друг с другом попеременно то одной, то двумя связями (единицами сродства). По мнению ученого, такая формула позволяла изобразить строение всех соединений, относящихся к ароматическим.

В последствии Кекуле вспоминал, как у него возникло представление о строении бензола: Есть два мнения

1. «Я сидел и писал учебник, но работа не двигалась, мои мысли витали где-то далеко. Я повернул мой стул к огню и задремал. Атомы снова запрыгали перед моими глазами. На этот раз небольшие группы скромно держались на заднем плане. Мой умственный взгляд мог теперь различить длинные ряды, извивающиеся подобно обезьянам. Но смотрите! Одна из обезьян захватила своих хвостом хвост соседки и в таком виде, как бы дразня, завертелась перед моими глазами. Как будто вспышка молнии разбудила меня: и на этот раз я провел остаток ночи, разрабатывая следствие из гипотезы»

Немецкий химик Фридрих Август Кекуле утверждал, что приснившееся ему кольцо в форме уробороса

ДЬЮАР (Dewar), Джеймс

20 сентября 1842 г. – 27 марта 1923

ЛАДЕНБУРГ (Ladenburg), Альберт

2 июля 1842 г. – 15 августа 1911 г.

АРМСТРОНГ (Armstrong), Генри Эдуард

6 мая 1848 г. – 13 июля 1937 г.

БАЙЕР (Baeyer), Адольф фон

31 октября 1835 г. – 20 августа 1917 г.

Нобелевская премия по химии, 1905 г.

Тиле (Thiele) Фридрих Карл Иоганнес (13.5.1865,— 17.4.1918)

Но они не получали подтверждения. Дальнейшие экспериментальные обсуждения подтвердил правоту Кекуле

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.

ПОЛИНГ (Pauling), Лайнус Карл

28 февраля 1901 г. – 19 августа 1994 г.

Нобелевская премия по химии, 1954 г.

Нобелевская премия мира, 1962 г.

При этом оказывается, что энергия, вычисленная для этой комбинации, меньше энергии, вычисленной для каждого из частных состояний (вот почему делокализация электронов ведет к энергетическому выигрышу!

Иначе говоря, с точки зрения теории резонанса формулы Кекуле следует рассматривать как две из нескольких возможных структур реального бензола, и поэтому нет ничего удивительного в том, что вычисленная для них энергия образования оказывается меньше действительной.

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):

Рис 2. Негибридные 2p-орбитали
углерода в молекуле бензола

Рис 3. Молекула бензола.
Расположение -электронного облака

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.

Физические методы исследования показали:

Тип гибридизации атомов углерода

Правильный плоский шестиугольник

Такое электронное строение объясняет все особенности бензола.

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:

Проверка усвоения темы урока

В конце урока провожу фронтальный опрос по вопросам:

Какое количество -связей образует каждый атом углерода в молекуле бензола? Сколько всего -связей имеется в ней?

Какие связи в молекуле бензола локализованы?

Почему длина связи между атомами углерода в молекуле бензола является промежуточной между одинарной и двойной?

Какая из схем правильно показывает образование -связей в молекуле бензола? Ответ мотивируйте.

Объясните, какая схема верно отображает расположение -электронного облака в молекуле бензола?

Источник