Тема 5. Арены (бензол и его гомологи)

Строение бензольного кольца, гомологический ряд CₙH₂ₙ₋₆, реакции замещения. 100 заданий на отработку.

Простыми словами

У бензола шесть атомов углерода замкнуты в плоское кольцо. Формально в нём три двойные связи, но ведёт он себя совсем не как алкен: бромную воду не обесцвечивает, присоединять не любит. Секрет в том, что шесть π-электронов «размазаны» по всему кольцу — и такое кольцо очень устойчиво. Вещества с ним называют аренами (ароматическими углеводородами).

Вершина шестиугольника — атом C с одним H; кружок — единое π-облако

Строение бензола

Все 6 атомов C — в sp²-гибридизации, кольцо плоское, углы $12 0^{\circ}$ . Шесть p-электронов образуют одно делокализованное π-облако над и под плоскостью кольца. Поэтому все связи C–C в бензоле одинаковые — промежуточные между одинарной и двойной.

Формула Кекуле с чередующимися двойными связями — лишь условная запись. «Чередования» в реальной молекуле нет.

Гомологический ряд

C_{n} H_{2 n - 6}, n \geq 6, M = 14 n - 6 г / моль

n

— число атомов углерода

Гомологи бензола получаются заменой атомов H кольца на алкильные радикалы.

$n$	Формула	Название	$M$ , г/моль
6	C₆H₆	бензол	78
7	C₇H₈	толуол (метилбензол)	92
8	C₈H₁₀	этилбензол и три ксилола (диметилбензолы: орто-, мета-, пара-)	106
9	C₉H₁₂	пропилбензол, триметилбензолы и др.	120

Формула гомолога бензола с $n = 6$ ? Сколько атомов C в арене $C_{7} H_{8}$ ?

$n = 6$ : $C_{6} H_{2 \cdot 6 - 6} = C_{6} H_{6}$ — сам бензол.
В $C_{7} H_{8}$ углерода $7$ ; проверка $2 \cdot 7 - 6 = 8$ ✓ — толуол.

Кольцо «съедает» 8 атомов H от алкана $C_{n} H_{2 n + 2}$ : одно замыкание цикла (−2) и три π-связи (−6). Отсюда $2 n + 2 - 8 = 2 n - 6$ .

Химические свойства

Устойчивое кольцо стремится сохраниться, поэтому для аренов характерно замещение атомов H, а присоединение идёт лишь в жёстких условиях.

Реакция	Пример
нитрование (кат. конц. $H_{2} S O_{4}$ )	$C_{6} H_{6} + HN O_{3} \to C_{6} H_{5} N O_{2} + H_{2} O$ — нитробензол
галогенирование (кат. $FeB r_{3}$ )	$C_{6} H_{6} + B r_{2} \to C_{6} H_{5} Br + HBr$
гидрирование (Ni или Pt, $t$ , давление)	$C_{6} H_{6} + 3 H_{2} \to C_{6} H_{12}$ — циклогексан
хлорирование на свету — присоединение	$C_{6} H_{6} + 3C l_{2} h ν www.reknow.ru C_{6} H_{6} C l_{6}$ — гексахлорциклогексан
окисление боковой цепи толуола ( $KMn O_{4}$ , $H^{+}$ , $t$ )	$C_{6} H_{5} - C H_{3} \to C_{6} H_{5} - COOH$ — бензойная кислота; кольцо не окисляется
горение	$2 C_{6} H_{6} + 15 O_{2} \to 12C O_{2} + 6 H_{2} O$ (коптящее пламя)

Бензол не обесцвечивает бромную воду и раствор $KMn O_{4}$ — этим он отличается от алкенов. С бромом он реагирует только с катализатором $FeB r_{3}$ , и это замещение: выделяется $HBr$ .

Метильная группа облегчает замещение в кольце: толуол нитруется легче бензола, и заместители встают в орто- и пара-положения. Так получают тротил — 2,4,6-тринитротолуол.

C_{n} H_{2 n - 6} + \frac{3 n - 3}{2} O_{2} \to n C O_{2} + (n - 3) H_{2} O

горение гомолога бензола; толуол (

n = 7

C_{7} H_{8} + 9 O_{2} \to 7C O_{2} + 4 H_{2} O

. Пламя коптящее из-за высокой доли углерода

Радикал $C_{6} H_{5} -$ называют фенилом: $C_{6} H_{5} Br$ — бромбензол (фенилбромид), $C_{6} H_{5} N H_{2}$ — фениламин (анилин).

Примеры заданий

Это несколько заданий из тренажёра, остальные — в тренажёре в начале страницы.

Гомолог бензола имеет формулу C₆H₆. Сколько в нём атомов углерода?

Показать ответ

Ответ: 6
Решение. Формула C₆H₆: n = 6.

Вычислите молярную массу гомолога бензола с 6 атомами углерода.

Показать ответ

Ответ: 78
Решение. M = 14·6 - 6 = 78 гмоль.

Какой тип реакций наиболее характерен для бензола: присоединение или замещение?

циклогексан
концентрированная серная кислота
замещение
соль железа(III), напр. FeBr₃ или FeCl₃

Показать ответ

Ответ: замещение
Решение. Устойчивое делокализованное π-облако кольца затрудняет присоединение — характерны реакции электрофильного замещения (нитрование, галогенирование, алкилирование).

Составьте уравнение полного сгорания гомолога бензола с 6 атомами углерода.

2C₆H₆ + 15O₂ → 12CO₂ + 7H₂O
2C₆H₆ + 16O₂ → 12CO₂ + 6H₂O
2C₆H₆ + 15O₂ → 13CO₂ + 6H₂O
2C₆H₆ + 15O₂ → 12CO₂ + 6H₂O

Показать ответ

Ответ: 2C₆H₆ + 15O₂ → 12CO₂ + 6H₂O
Решение. Сбалансированное уравнение: 2C₆H₆ + 15O₂ → 12CO₂ + 6H₂O.

Укажите общую формулу гомологов бензола.

CₙH₂ₙ
CₙH₂ₙ₋₂
CₙH₂ₙ₊₂
CₙH₂ₙ₋₆

Показать ответ

Ответ: CₙH₂ₙ₋₆
Решение. Общая формула гомологов бензола: CₙH₂ₙ₋₆.

Как называется первый гомолог бензола (C₇H₈, кольцо с одним метильным заместителем)?

C₆H₆
6
sp²
толуол (метилбензол)

Показать ответ

Ответ: толуол (метилбензол)
Решение. C₇H₈ — толуол, он же метилбензол: бензольное кольцо с одной группой CH₃.

Обесцвечивает ли бензол бромную воду на холоду (в отличие от алкенов)?

нет, не обесцвечивает
циклогексан
нитробензол C₆H₅NO₂
концентрированная серная кислота

Показать ответ

Ответ: нет, не обесцвечивает
Решение. В отличие от алкенов, ароматическое кольцо устойчиво к бромной воде на холоду — это качественное отличие аренов от алкенов.

Обесцвечивает ли этен (алкен) бромную воду?

да
нет

Показать ответ

Ответ: да
Решение. Алкены содержат двойную связь и легко присоединяют бром — бромная вода обесцвечивается.