Страница 61 - гдз по химии 10 класс учебник Еремин, Кузьменко

1. Какое свойство бензола доказывает, что в его молекуле нет двойных связей?

Ключевым свойством бензола, доказывающим отсутствие в его молекуле классических (локализованных) двойных связей, является его химическое поведение, которое кардинально отличается от поведения непредельных углеводородов (алкенов).

Соединения, содержащие двойные связи (алкены), легко вступают в реакции присоединения. Типичными качественными реакциями на двойную связь являются обесцвечивание бромной воды и раствора перманганата калия. Эти реакции протекают в обычных условиях за счет разрыва менее прочной $\pi$-связи. Например, реакция этена с бромной водой:
$CH_2=CH_2 + Br_2 \rightarrow CH_2Br-CH_2Br$

Если бы структура бензола ($C_6H_6$) соответствовала формуле Кекуле с тремя чередующимися двойными связями, он должен был бы проявлять свойства, характерные для непредельных соединений. Однако на практике наблюдается иное:
1. Бензол не обесцвечивает бромную воду и водный раствор перманганата калия в обычных условиях. Это доказывает, что его связи не являются типичными двойными связями.
2. Для бензола наиболее характерны реакции замещения, в которых сохраняется стабильная ароматическая система, а не реакции присоединения, которые бы ее разрушили. Например, бромирование бензола происходит только в присутствии катализатора ($FeBr_3$) и является реакцией замещения, а не присоединения:
$C_6H_6 + Br_2 \xrightarrow{FeBr_3} C_6H_5Br + HBr$

Кроме химических свойств, физические данные также подтверждают этот вывод. Установлено, что все шесть связей между атомами углерода в молекуле бензола абсолютно одинаковы. Их длина составляет 0,139 нм, что является средним значением между длиной одинарной C–C связи (0,154 нм) и двойной C=C связи (0,134 нм). Это говорит об отсутствии как чисто одинарных, так и чисто двойных связей. Вместо этого в бензоле существует единая делокализованная $\pi$-электронная система, которая и обуславливает его уникальные свойства (ароматичность).

Ответ: Основным свойством бензола, доказывающим отсутствие в его молекуле классических двойных связей, является его устойчивость к реакциям присоединения (он не обесцвечивает бромную воду и раствор перманганата калия) и склонность к реакциям замещения, при которых сохраняется ароматическое кольцо.

2. Сколько электронов содержит ароматическая система: а) бензола; б) толуола?

Ароматическая система — это циклическая, планарная, сопряженная система, содержащая определенное количество делокализованных $\pi$-электронов. Согласно правилу Хюккеля, система является ароматической, если число $\pi$-электронов в ней равно $4n+2$, где $n$ — целое неотрицательное число (0, 1, 2, ...). Электроны, входящие в ароматическую систему, — это электроны, находящиеся на p-орбиталях, которые образуют единое $\pi$-электронное облако.

а) бензола

Молекула бензола ($C_6H_6$) представляет собой шестичленный углеродный цикл. В этом цикле каждый из шести атомов углерода находится в состоянии $sp^2$-гибридизации и имеет одну негибридизованную p-орбиталь, перпендикулярную плоскости кольца. Каждый атом углерода предоставляет один электрон в общую $\pi$-систему.
Эти шесть p-орбиталей перекрываются, образуя единое циклическое $\pi$-электронное облако над и под плоскостью кольца. Таким образом, в ароматической системе бензола участвуют 6 электронов (по одному от каждого атома углерода).
Это соответствует правилу Хюккеля: $4n+2 = 6$. Решая уравнение, получаем $4n = 4$, следовательно, $n=1$. Так как $n$ является целым числом, бензол является ароматическим соединением.
Ответ: Ароматическая система бензола содержит 6 электронов.

б) толуола

Толуол (метилбензол, $C_6H_5CH_3$) — это производное бензола, в котором один атом водорода в бензольном кольце замещен на метильную группу ($-CH_3$).
Ароматичность соединения определяется структурой кольца. В толуоле ароматической системой является само бензольное кольцо. Метильная группа ($-CH_3$) является заместителем и связана с кольцом простой $\sigma$-связью. Атомы углерода и водорода в метильной группе не участвуют в формировании сопряженной $\pi$-системы кольца, так как они не имеют p-орбиталей, участвующих в сопряжении.
Следовательно, ароматическая система толуола идентична ароматической системе бензола. Она также образована шестью $sp^2$-гибридизованными атомами углерода в цикле и содержит 6 делокализованных $\pi$-электронов.
Ответ: Ароматическая система толуола содержит 6 электронов.

3. Напишите структурные формулы всех изомерных ароматических углеводородов состава $C_8H_{10}$.

Решение

Молекулярная формула $C_8H_{10}$ соответствует общей формуле гомологов бензола $C_nH_{2n-6}$ (при $n=8$). Следовательно, искомые соединения являются алкилбензолами, то есть содержат бензольное кольцо и один или несколько алкильных заместителей.

Атомы углерода, не входящие в бензольное кольцо ($8-6=2$), могут образовывать либо одну этильную группу ($-C_2H_5$), либо две метильные группы ($-CH_3$). Это приводит к следующим изомерам:

1. Этилбензол

К бензольному кольцу присоединена одна этильная группа. Так как все положения для одного заместителя в кольце эквивалентны, существует только один изомер с таким строением.

Структурная формула: $C_6H_5-CH_2-CH_3$

2. 1,2-Диметилбензол (орто-ксилол)

К бензольному кольцу присоединены две метильные группы, расположенные у соседних атомов углерода (в положениях 1 и 2).

Структурная формула: $o-C_6H_4(CH_3)_2$

3. 1,3-Диметилбензол (мета-ксилол)

Две метильные группы в бензольном кольце разделены одним атомом углерода (расположены в положениях 1 и 3).

Структурная формула: $m-C_6H_4(CH_3)_2$

4. 1,4-Диметилбензол (пара-ксилол)

Две метильные группы расположены на противоположных сторонах бензольного кольца (в положениях 1 и 4).

Структурная формула: $p-C_6H_4(CH_3)_2$

Ответ: Существует 4 изомерных ароматических углеводорода состава $C_8H_{10}$. Их структурные формулы: $C_6H_5-CH_2-CH_3$ (этилбензол), $o-C_6H_4(CH_3)_2$ (1,2-диметилбензол), $m-C_6H_4(CH_3)_2$ (1,3-диметилбензол), $p-C_6H_4(CH_3)_2$ (1,4-диметилбензол).

4. Приведите по одному примеру реакций присоединения и замещения с участием бензола.

Реакция присоединения

Реакции присоединения для бензола, в отличие от непредельных углеводородов (алкенов и алкинов), протекают в жестких условиях, так как они ведут к разрушению энергетически выгодной ароматической системы. Примером такой реакции является гидрирование (присоединение водорода) бензола, которое приводит к образованию циклогексана. Реакция протекает при высокой температуре и давлении в присутствии металлического катализатора (например, никеля, платины или палладия).

Уравнение реакции гидрирования бензола:

$C_6H_6 + 3H_2 \xrightarrow{t, p, Ni} C_6H_{12}$

В этой реакции три двойные связи в бензольном кольце разрываются, и к каждому атому углерода присоединяется по одному атому водорода, в результате чего образуется насыщенный циклический углеводород — циклогексан.

Ответ: Примером реакции присоединения для бензола является его гидрирование с образованием циклогексана: $C_6H_6 + 3H_2 \rightarrow C_6H_{12}$.

Реакция замещения

Для бензола и других аренов наиболее характерны реакции электрофильного замещения ($S_EAr$), в ходе которых происходит замена атома водорода в бензольном кольце на другую частицу или группу атомов с сохранением устойчивой ароматической системы. Классическим примером является нитрование бензола. Реакция проводится с использованием нитрующей смеси, состоящей из концентрированных азотной и серной кислот. Серная кислота выступает в роли катализатора и водоотнимающего средства.

Уравнение реакции нитрования бензола:

$C_6H_6 + HNO_3 \xrightarrow{H_2SO_4 (\text{конц.}), 50-60^{\circ}C} C_6H_5NO_2 + H_2O$

В результате реакции один атом водорода в молекуле бензола замещается на нитрогруппу ($-NO_2$), и образуются продукты — нитробензол и вода.

Ответ: Примером реакции замещения для бензола является его нитрование с образованием нитробензола и воды: $C_6H_6 + HNO_3 \rightarrow C_6H_5NO_2 + H_2O$.

5. Назовите по два простых и два сложных вещества, с которыми реагирует бензол. Напишите уравнения реакций.

Бензол ($C_6H_6$) — это ароматический углеводород, для которого характерны реакции электрофильного замещения, а также реакции присоединения в жёстких условиях.

1. Водород ($H_2$). Бензол вступает в реакцию гидрирования (присоединения) при высокой температуре, давлении и в присутствии металлических катализаторов (Ni, Pt, Pd). В результате реакции ароматическое кольцо разрушается, и образуется циклогексан.

Уравнение реакции:

$C_6H_6 + 3H_2 \xrightarrow{t, p, Ni} C_6H_{12}$

Ответ: простое вещество - водород; продукт реакции - циклогексан.

2. Хлор ($Cl_2$). Бензол реагирует с хлором по механизму электрофильного замещения в присутствии катализатора — кислоты Льюиса (например, $AlCl_3$ или $FeCl_3$). В этой реакции один атом водорода в бензольном кольце замещается на атом хлора.

Уравнение реакции:

$C_6H_6 + Cl_2 \xrightarrow{FeCl_3} C_6H_5Cl + HCl$

Ответ: простое вещество - хлор; продукт реакции - хлорбензол.

1. Азотная кислота ($HNO_3$). Бензол реагирует с нитрующей смесью (смесь концентрированных азотной и серной кислот) при нагревании. Это реакция электрофильного замещения (нитрование), в результате которой образуется нитробензол.

Уравнение реакции:

$C_6H_6 + HNO_3 (конц.) \xrightarrow{H_2SO_4 (конц.), t} C_6H_5NO_2 + H_2O$

Ответ: сложное вещество - азотная кислота; продукт реакции - нитробензол.

2. Серная кислота ($H_2SO_4$). Бензол реагирует с концентрированной серной кислотой или олеумом при нагревании. Это реакция электрофильного замещения (сульфирование), продуктом которой является бензолсульфокислота.

Уравнение реакции:

$C_6H_6 + H_2SO_4 (конц.) \xrightarrow{t} C_6H_5SO_3H + H_2O$

Ответ: сложное вещество - серная кислота; продукт реакции - бензолсульфокислота.

6. Приведите по одному примеру реакций, показывающих сходство бензола с этиленовыми углеводородами и отличие от них.

Сходство бензола с этиленовыми углеводородами

Сходство бензола и этиленовых углеводородов (алкенов) проявляется в их способности вступать в реакции присоединения, так как оба класса соединений являются ненасыщенными. В частности, и бензол, и алкены могут быть гидрированы (присоединять водород) в присутствии катализаторов.

Пример – реакция гидрирования. Бензол присоединяет три молекулы водорода при жестких условиях (высокая температура, давление и катализатор, например, никель), превращаясь в циклогексан:

$C_6H_6 + 3H_2 \xrightarrow{t, p, Ni} C_6H_{12}$

Аналогично, этилен (представитель этиленовых углеводородов) присоединяет одну молекулу водорода, образуя этан:

$CH_2=CH_2 + H_2 \xrightarrow{t, Ni} CH_3-CH_3$

Эта способность к реакциям присоединения является их общим свойством.

Ответ: Сходство бензола с этиленовыми углеводородами показывает реакция гидрирования (присоединения водорода), в которую вступают оба вещества.

Отличие бензола от этиленовых углеводородов

Основное отличие заключается в реакционной способности. Бензол, обладая устойчивой ароматической системой, гораздо труднее вступает в реакции присоединения и не вступает в качественные реакции, характерные для алкенов. Вместо этого для бензола типичны реакции замещения.

Пример – взаимодействие с бромом. Этиленовые углеводороды легко обесцвечивают бромную воду в обычных условиях, вступая в реакцию электрофильного присоединения:

$CH_2=CH_2 + Br_2(водн.) \rightarrow CH_2Br-CH_2Br$

Бензол же с бромной водой в обычных условиях не реагирует. Реакция с бромом (без воды) идет только в присутствии катализатора (например, $FeBr_3$) и представляет собой реакцию замещения, а не присоединения. При этом ароматическая система сохраняется:

$C_6H_6 + Br_2 \xrightarrow{FeBr_3} C_6H_5Br + HBr$

Таким образом, различное поведение в реакции с бромом демонстрирует фундаментальное отличие в химических свойствах.

Ответ: Отличие бензола от этиленовых углеводородов показывает реакция с бромной водой: этилен её обесцвечивает, вступая в реакцию присоединения, а бензол не реагирует. Бензол вступает с бромом в реакцию замещения только в присутствии катализатора.

7. Почему ароматические углеводороды горят коптящим пламенем?

Решение

Ароматические углеводороды горят коптящим пламенем по нескольким взаимосвязанным причинам, главной из которых является высокое массовое содержание углерода в их молекулах.

Основная причина — высокая массовая доля углерода. В молекулах ароматических углеводородов, по сравнению с другими классами углеводородов (например, алканами), содержится относительно мало атомов водорода по сравнению с атомами углерода. Это приводит к высокой массовой доле углерода ($\omega(C)$). Давайте сравним:

• Метан ($CH_4$, алкан): $\omega(C) \approx 75\%$
• Этен ($C_2H_4$, алкен): $\omega(C) \approx 85.7\%$
• Бензол ($C_6H_6$, арен): $\omega(C) \approx 92.3\%$
• Ацетилен ($C_2H_2$, алкин): $\omega(C) \approx 92.3\%$

Как видно, у бензола, простейшего ароматического углеводорода, массовая доля углерода такая же высокая, как у ацетилена, который известен своим ярким и очень коптящим пламенем. Для полного сжигания такого большого количества углерода до углекислого газа ($CO_2$) требуется значительное количество кислорода.

Вторая причина — недостаток кислорода и неполное сгорание. Реакция полного сгорания бензола выглядит так:

$2C_6H_6 + 15O_2 \rightarrow 12CO_2 + 6H_2O$

При горении на открытом воздухе, где концентрация кислорода составляет около $21\%$, его поступление в зону горения часто бывает недостаточным для окисления всего углерода. В результате происходит неполное сгорание, и вместо углекислого газа образуются мелкодисперсные частицы чистого углерода — сажа ($C$), а также угарный газ ($CO$). Именно эти раскаленные в пламени частицы сажи делают его светящимся и коптящим.

Третья причина — термическая устойчивость ароматического кольца. Бензольное кольцо — очень стабильная структура. При высоких температурах в пламени и недостатке кислорода происходит не столько распад молекул на атомы, сколько их термическая полимеризация. Устойчивые ароматические фрагменты могут объединяться, образуя более крупные полициклические ароматические углеводороды (ПАУ), которые являются предшественниками частиц сажи. Этот процесс дополнительно способствует образованию копоти.

Ответ: Ароматические углеводороды горят коптящим пламенем из-за очень высокой массовой доли углерода в их молекулах. При горении в обычных условиях на воздухе кислорода не хватает для полного окисления всего углерода до $CO_2$, что приводит к неполному сгоранию с образованием раскаленных частиц несгоревшего углерода (сажи), которые и создают копоть.