Номер 1, страница 197 - гдз по химии 10 класс учебник Еремин, Кузьменко

Параграф 36. Ароматические углеводороды. Строение бензольного кольца, номенклатура, изомерия, физические свойства. Глава 3. Углеводороды - номер 1, страница 197.

Условие.

1. Какие свойства бензола доказывают, что в его молекуле нет двойных связей?

Решение.

Решение 2.

Существует несколько ключевых свойств бензола, которые доказывают отсутствие в его молекуле классических двойных связей, характерных для алкенов. Эти свойства можно разделить на химические и физические (структурные).

Химические свойства:

• Тип реакций. Для соединений с двойными связями (алкенов) характерны реакции присоединения. В этих реакциях происходит разрыв π-связи и присоединение атомов или групп атомов к молекуле. Бензол же, в отличие от алкенов, вступает преимущественно в реакции замещения, при которых сохраняется стабильная ароматическая система. Например, реакция бромирования бензола требует катализатора (например, $FeBr_3$) и приводит к замещению атома водорода, а не к присоединению брома по несуществующей двойной связи:
  $C_6H_6 + Br_2 \xrightarrow{FeBr_3} C_6H_5Br + HBr$

• Отношение к окислителям. Алкены легко окисляются водным раствором перманганата калия ($KMnO_4$), обесцвечивая его (реакция Вагнера). Бензол очень устойчив к действию окислителей и не обесцвечивает раствор перманганата калия в обычных условиях. Это свидетельствует о высокой стабильности его молекулы и отсутствии легко окисляющихся двойных связей.

• Отношение к бромной воде. Аналогично реакции с $KMnO_4$, алкены обесцвечивают бромную воду ($Br_2(aq)$) за счет реакции присоединения. Бензол с бромной водой не реагирует.

Физические и структурные доказательства:

• Длины связей. Если бы в молекуле бензола чередовались одинарные и двойные связи (структура Кекуле), то в ней должны были бы присутствовать связи двух разных длин: длина одинарной связи C–C составляет примерно $0,154 \text{ нм}$, а двойной C=C – $0,134 \text{ нм}$. Однако рентгеноструктурный анализ и другие физические методы показывают, что все шесть углерод-углеродных связей в молекуле бензола абсолютно одинаковы. Их длина составляет $0,139 \text{ нм}$ (или $139 \text{ пм}$), что является промежуточным значением между длиной одинарной и двойной связи. Это указывает на то, что π-электроны не локализованы в виде трех отдельных двойных связей, а равномерно распределены по всему кольцу, образуя единую сопряженную π-электронную систему.

• Энергия гидрирования. Энергия, выделяющаяся при гидрировании (присоединении водорода) одной двойной связи в циклогексене, составляет около $120 \text{ кДж/моль}$. Если бы в бензоле было три изолированные двойные связи, то при его полном гидрировании до циклогексана должно было бы выделиться $3 \times 120 = 360 \text{ кДж/моль}$. Однако экспериментально измеренная теплота гидрирования бензола составляет всего $208 \text{ кДж/моль}$. Разница в энергии ($360 - 208 = 152 \text{ кДж/моль}$) называется энергией стабилизации или энергией делокализации (резонанса). Эта дополнительная стабильность объясняется образованием единой ароматической π-системы и доказывает, что структура бензола – это не просто циклогексатриен.

Ответ: Отсутствие в молекуле бензола локализованных двойных связей доказывается его склонностью к реакциям замещения, а не присоединения; устойчивостью к окислителям (например, $KMnO_4$) и бромной воде; одинаковой длиной всех углерод-углеродных связей, которая является промежуточной между длиной одинарной и двойной связи; а также значительно меньшей (по сравнению с теоретически рассчитанной для трех двойных связей) теплотой гидрирования, что свидетельствует о высокой стабильности молекулы за счет делокализации π-электронов.