Регистрация

Версия для слабовидящих
Человеческие чувства часто сильнее возбуждаются или смягчаются примерами, чем словами
Пьер Абеляр
Сертификат владельца сайта
Сертификат владельца сайта http://www.kuksova-irina.ru/
Центр дистанционного образования

 

 

 

 
Мир олимпиад

ФГОС урок

Высшая школа делового администрирования

Установите себе наш баннер

Показать код баннера
Сейчас на сайте: 65
Школа "Карьера"
Проголосуй за наш сайт
Оцените мой сайт





Результаты
счетчик посещений
Банк Интернет-портфолио учителей
Периодическая таблица
Таблица растворимости
Праздники сегодня

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

C6H6 бен­зол

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.

Общая формула - CnH2n-6 

Ароматические углеводороды

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

Рис. 1.

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!

SP2 –гибридизация:

  • Плоское тригональное строение
  • Угол – HCH - 120°
  • Связи σ, π
  • В бензоле нет простых и двойных связей, под влиянием единой π – электронной системы расстояние между центрами атомов углерода становится одинаковым – 0,139 нм, все связи полуторные 

 

Формула Кукуле правильно отражает равноценность шести атомов С, однако не объясняет ряд особых свойств бензола. Например, несмотря на ненасыщенность, он не проявляет склонности к реакциям присоединения: не обесцвечивает бромную воду и раствор перманганата калия, т.е. ему не свойственны типичные для непредельных соединений качественные реакции.

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.

Каждый атом С в молекуле бензола находится в состоянии sp2-гибридизации. Он связан с двумя соседними атомами С и атомом Н тремя σ -связями. В результате образуется плоский шестиугольник, где все шесть атомов С и все σ -связи С–С и С–Н лежат в одной плоскости (угол между связями С–С равен 120o).

 

Рис. Схема образования -связей в молекуле бензола

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

В результате шесть p-электронов (всех шести атомов С) образуют общее π -электронное облако и единую химическую связь для всех атомов С.

Рис. Молекула бензола. Расположение π -электронного облака

π -электронное облако обусловливает сокращение расстояния между атомами С.

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):

Единая электронная система в молекуле бензола

Ароматичность

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. С6H6 – бензол, родоначальник гомологического ряда аренов (Бен­зол – плос­кая цик­ли­че­ская си­сте­ма, со­дер­жа­щая 6 p-элек­тро­нов (n = 1).

2. С6H5 – CH3 – толуол (метилбензол)

3. С6H5 – CHH2 – стирол (винилбензол)

4. Ксилол (орто-, пара- , мета-ксилол)

2. Многоядерные (конденсированные)

1. Нафталин (n = 2) 

2. Антрацен (n = 3)

 

IV. Изомерия, номенклатура


Изо­ме­ров та­ко­го со­ста­ва может быть очень много. На­при­мер:

  • Все воз­мож­ные струк­тур­ные фор­му­лы вклю­ча­ют в себя либо двой­ные и трой­ные связи, либо трех­член­ные циклы. Такие со­еди­не­ния легко всту­па­ют в ре­ак­ции при­со­еди­не­ния и окис­ле­ния. Но бен­зол не про­яв­ля­ет таких свойств.
  • У бен­зо­ла нет раз­ли­чий между двой­ны­ми и про­сты­ми свя­зя­ми (су­ще­ству­ет толь­ко один 1,2-ди­ме­тил­бен­зол).

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):

орто-ксилол (1,2-диметилбензол) 


мета-ксилол (1,3-диметилбензол) 

пара-ксилол (1,4-диметилбензол)

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

V. Тренажеры


Тренажер №1: “Изомерия гомологов бензола

Тренажер №2: “Номенклатура гомологов бензола

ЦОРы


Видео:“Строение молекулы бензола”