Benzena dan efek negatifnya pada tubuh. Benzena: teknologi produksi

Benzena merupakan senyawa kimia organik penting dengan rumus kimia C 6 H 6. Sebuah molekul benzena terdiri dari 6 atom karbon yang terhubung dalam sebuah cincin dengan 1 atom hidrogen yang terikat pada masing-masing atom tersebut. Karena hanya mengandung atom karbon dan hidrogen, benzena diklasifikasikan sebagai hidrokarbon.

Benzena adalah komponen alami minyak mentah dan merupakan salah satu produk petrokimia unsur. Karena ikatan pi kontinu siklik antara atom karbon, benzena diklasifikasikan sebagai hidrokarbon aromatik, yang kedua adalah [n] -annulena (-anulen). Kadang-kadang disingkat Ph-H. Benzena adalah cairan tidak berwarna dan mudah terbakar dengan bau manis dan bertanggung jawab atas bau di sekitar pompa bensin. Ini digunakan terutama sebagai prekursor dalam produksi bahan kimia yang lebih kompleks seperti etilbenzena dan kumena, yang menghasilkan miliaran kilogram. Karena benzena memiliki angka oktan yang tinggi, itu merupakan komponen penting dari bensin.

Karena benzena adalah karsinogen manusia, sebagian besar penggunaan non-industri terbatas.

Struktur benzena

Difraksi sinar-X menunjukkan bahwa keenam ikatan karbon-karbon dalam benzena memiliki panjang yang sama, pada 140 pikometer (pm). Panjang ikatan C-C lebih panjang dari ikatan rangkap (135 m), tetapi lebih pendek dari ikatan tunggal (147 m). Jarak antara ini konsisten dengan delokalisasi elektron: elektron untuk ikatan C-C didistribusikan secara merata antara masing-masing dari enam atom karbon. Benzena memiliki 6 atom hidrogen - kurang dari alkana induk yang sesuai, heksana. Molekulnya datar. Deskripsi MO mencakup pembentukan tiga orbital terdelokalisasi yang mencakup keenam atom karbon, sedangkan deskripsi VB mencakup superposisi struktur resonansi. Kemungkinan stabilitas ini berkontribusi pada sifat molekuler dan kimia khusus yang dikenal sebagai aromatisitas. Untuk secara akurat mencerminkan sifat ikatan, benzena sering digambarkan dengan lingkaran dalam struktur heksagonal atom karbon.

Turunan benzena cukup sering muncul sebagai komponen molekul organik, yang telah disorot oleh Konsorsium Unicode di Blok Teknis simbol dengan kode U + 232C untuk mewakilinya dengan tiga ikatan rangkap dan U + 23E3 untuk versi terdelokalisasi.

Turunan benzena

Banyak senyawa kimia penting diperoleh dari benzena dengan mengganti satu atau lebih atom hidrogennya dengan gugus fungsi lain. Contoh turunan benzena sederhana adalah fenol, toluena dan anilin, masing-masing disingkat sebagai PhOH, PhMe dan PhNH2. Menghubungkan cincin benzena menghasilkan bifenil, C 6 H 5 -C 6 H 5. Hilangnya hidrogen lebih lanjut menghasilkan hidrokarbon aromatik "terkondensasi" seperti naftalena dan antrasena. Batas proses fusi adalah alotrop karbon hidrogen, grafit.

Dalam heterosiklus, atom karbon pada cincin benzena digantikan oleh unsur lain. Varietas yang paling penting mengandung nitrogen. Mengganti satu CH untuk N menghasilkan senyawa piridin, C 5 H 5 N. Meskipun benzena dan piridin terikat secara struktural, benzena tidak dapat diubah menjadi piridin. Mengganti ikatan CH kedua dengan N memberikan, tergantung pada lokasi N kedua, piridazin, pirimidin dan pirazin.

Produksi benzena

Empat proses kimia berkontribusi pada produksi industri benzena: reformasi katalitik, hidrodealkilasi toluena, disproporsionasi toluena, dan perengkahan uap. Menurut Profil Toksikologi ATSDR untuk Benzena, antara 1978 dan 1981, konversi katalitik menyumbang sekitar 44-50% dari total produksi benzena AS.

Reformasi katalitik

Dalam catalytic reforming, campuran hidrokarbon dengan titik didih antara 60-200 ° C dicampur dengan gas hidrogen, dan kemudian terpapar platinum klorida bifungsional atau renium klorida klorida pada suhu 500-525 ° C dan tekanan dari 8 hingga 50 ATM. Dalam kondisi ini, hidrokarbon alifatik membentuk cincin dan kehilangan hidrogen menjadi hidrokarbon aromatik. Produk reaksi aromatik kemudian dipisahkan dari campuran reaksi (direformasi) dengan ekstraksi dengan salah satu dari beberapa pelarut, termasuk dietilena glikol atau sulfolan, dan kemudian benzena dipisahkan dari senyawa aromatik lainnya dengan distilasi. Tahap ekstraksi senyawa aromatik dari reformate dimaksudkan untuk mendapatkan senyawa aromatik dengan komponen non aromatik terkecil. Pengurangan senyawa aromatik, yang biasa disebut sebagai BTX (isomer benzena, toluena dan xilena), melibatkan langkah-langkah ekstraksi dan distilasi tersebut. Ada banyak proses berlisensi yang tersedia untuk pemulihan senyawa aromatik.

Mirip dengan reformasi katalitik ini, UOP dan BP mengkomersialkan metode dari LPG (terutama propana dan butana) menjadi aromatik.

Hidrodealkilasi toluena

Hidrodealkilasi toluena mengubah toluena menjadi benzena. Dalam proses intensif hidrogen ini, toluena dicampur dengan hidrogen, kemudian dilewatkan melalui katalis berbasis kromium, molibdenum atau platinum oksida pada 500-600 ° C dan tekanan 40-60 atm. Terkadang suhu yang lebih tinggi digunakan sebagai pengganti katalis (dalam keadaan reaksi yang serupa). Dalam kondisi ini, toluena didealkilasi menjadi benzena dan metana:

C 6 H 5 CH 3 + H 2 → C 6 H 6 + CH 4

Reaksi ireversibel ini disertai dengan reaksi samping kesetimbangan yang menghasilkan bifenil (a-difenil) pada suhu yang lebih tinggi:

2C 6 H 6 H 2 + C6 H5 - C6 H 5

Jika aliran umpan mengandung banyak komponen non-aromatik (parafin atau naftena), ini cenderung terurai menjadi hidrokarbon yang lebih rendah seperti metana, yang meningkatkan konsumsi hidrogen.

Hasil reaksi tipikal lebih dari 95%. Xilena dan aromatik yang lebih berat kadang-kadang digunakan sebagai pengganti toluena dengan kemanjuran yang serupa.

Ini sering disebut sebagai metodologi "bertarget" untuk memproduksi benzena dibandingkan dengan proses ekstraksi BTX (benzena-toluena-xilena) konvensional.

Dispersi tolunes

Jika kompleks kimia memiliki persyaratan yang sama untuk benzena dan xilena, maka disproporsionasi toluena (TDP) dapat menjadi alternatif yang menarik untuk hidrodealkilasi toluena. Secara garis besar, 2 molekul toluena bereaksi dan gugus metil disusun ulang dari satu molekul toluena ke molekul lainnya, menghasilkan satu molekul benzena dan satu molekul xilena.

Mengingat bahwa permintaan paraxylene (p-xylene) secara signifikan melebihi permintaan untuk isomer xilena lainnya, penyempurnaan proses TDP yang disebut TDP selektif (STDP) dapat digunakan. Dalam proses ini, aliran xilena yang meninggalkan unit TDP kira-kira 90% para-xilena. Dalam beberapa sistem katalis yang ada, bahkan rasio benzena terhadap xilena berkurang (lebih banyak xilena) ketika permintaan xilena lebih tinggi.

Retak uap

Perengkahan uap adalah proses untuk menghasilkan etilen dan alkena lainnya dari hidrokarbon alifatik. Tergantung pada bahan baku yang digunakan untuk membuat olefin, perengkahan uap dapat menghasilkan produk sampingan cair yang kaya benzena yang disebut bensin pirolisis. Bensin pirolisis dapat dicampur dengan hidrokarbon lain sebagai aditif bensin atau dikirim selama proses ekstraksi untuk memulihkan aromatik BTX (benzena, toluena dan xilena).

Metode lain

Meskipun tidak penting secara komersial, ada banyak rute lain ke benzena. Misalnya, fenol dan halobenzena dapat direduksi dengan logam. Asam benzoat dan garamnya didekarboksilasi dengan benzena. Melalui reaksi, kombinasi diazonium dengan anion asam hipofosfat menghasilkan benzena. Trimerisasi asetilena menghasilkan benzena.

Reaksi benzena

Reaksi benzena yang paling umum melibatkan substitusi kelompok lain untuk proton. Substitusi aromatik elektrofilik adalah metode umum untuk derivatisasi benzena. Benzena cukup nukleofilik sehingga mengalami substitusi dengan ion asil dan karbokation alkil untuk menghasilkan turunan tersubstitusi.

Substitusi aromatik elektrofilik dari benzena

Contoh paling umum dari reaksi ini adalah etilasi benzena.

Asilasi Friedel-Crafts dengan benzena dengan asetil klorida

Pada tahun 1999, sekitar 24.700.000 ton benzena diproduksi. Sangat instruktif, tetapi kurang industri, adalah alkilasi Friedel-Crafts dari benzena (dan banyak cincin aromatik lainnya) menggunakan alkil halida dengan adanya katalis asam Lewis yang kuat. Demikian pula, asilasi Friedel-Crafts adalah contoh terkait dari substitusi aromatik elektrofilik. Reaksi melibatkan asilasi benzena (atau banyak cincin aromatik lainnya) dengan asil klorida menggunakan katalis asam Lewis yang kuat seperti aluminium klorida atau besi (III) klorida.

Sulfonasi, klorinasi, nitrasi

Menggunakan substitusi aromatik elektrofilik, banyak gugus fungsi dimasukkan ke dalam struktur benzena. Sulfonasi benzena dikaitkan dengan penggunaan oleum, campuran asam sulfat dengan sulfur trioksida. Turunan benzena tersulfonasi adalah deterjen yang berguna. Selama nitrasi, benzena bereaksi dengan ion nitronium (NO 2 +), yang merupakan elektrofil kuat yang diperoleh dengan menggabungkan asam sulfat dan asam nitrat. Nitrobenzena adalah prekursor anilin. Klorinasi dicapai dengan klorin untuk menghasilkan klorobenzena dengan adanya katalis seperti aluminium triklorida.

Hidrogenasi

- hidrokarbon, perwakilan dari senyawa aromatik (benzena). Ini adalah cairan yang tidak berwarna, transparan, sangat membiaskan cahaya, sangat mobile dengan bau "aromatik" yang khas; mudah menguap pada suhu kamar normal; mendidih pada suhu 80,5 ° C dan membeku dalam dingin menjadi massa kristal yang meleleh pada + 6 ° C; Mari kita mudah larut dalam eter, alkohol, kloroform dan pelarut lainnya, kecuali air. Benzena - zat pelarut untuk lemak, resin, minyak, aspal, alkaloid, belerang, fosfor, yodium; di udara terbakar dengan nyala api yang ringan dan sangat berasap dan mengeluarkan uap yang mudah terbakar.

penggunaan industri

Benzena adalah salah satu produk kimia yang paling umum dan senyawa aromatik yang paling melimpah. Dalam berat fisik plastik, sekitar 30%, dalam karet dan karet - 66%, dalam serat sintetis - hingga 80% jatuh pada hidrokarbon aromatik, nenek moyangnya adalah benzena.

Benzena adalah bahan baku yang paling penting untuk industri kimia, karena digunakan baik sebagai reagen awal untuk sintesis berbagai senyawa, dan sebagai pelarut untuk reaksi lain (benzena melarutkan hampir semua senyawa organik, ini adalah jenis dari "air organik").

Keracunan akut dalam kondisi industri jarang terjadi: dalam kasus kecelakaan, membersihkan tangki dari bawah zat ini, saat menggunakannya dalam komposisi cat yang cepat kering saat bekerja di ruang terbatas, saat menuangkan di ruangan yang berventilasi buruk.

Bentuk ringan keracunan benzena menyerupai keracunan: sakit kepala, pusing, telinga berdenging, kebingungan, dan muntah dapat terjadi. Dalam kasus yang lebih jelas - kehilangan kesadaran, otot berkedut, yang dapat berubah menjadi kejang, pupil melebar, bereaksi buruk terhadap cahaya, pernapasan cepat, kemudian melambat, suhu tubuh menurun, kulit pucat. Denyut nadi lemah, dipercepat, tekanan darah turun.

Keracunan benzena kronis menyebabkan sakit kepala, pusing, lemas, kelelahan, lekas marah, gangguan tidur, nafsu makan yang buruk, ketidaknyamanan pada jantung, gusi berdarah, mimisan, memar pada tubuh. Tanda awal keracunan kronis adalah perubahan fungsional pada sistem saraf: sindrom neurasthenic atau asthenic dengan disfungsi otonom.

Jika gejala keracunan muncul, Anda harus segera menghubungi fasilitas medis.

Materi disiapkan berdasarkan informasi dari sumber terbuka

Molekul yang mengandung cincin benzena, atau nukleus, adalah kelompok atom karbon siklik dengan karakter ikatan khusus.

Perwakilan paling sederhana dari arena adalah benzena C 6 H 6. Deret homolog benzena memiliki rumus umum C n H2 n-6 .

Formula struktural pertama benzena diusulkan pada tahun 1865 oleh ahli kimia Jerman F.A. Kekule:

Atom C dalam molekul benzena membentuk segi enam datar yang teratur, meskipun sering digambarkan memanjang.

Rumus di atas dengan tepat mencerminkan kesetaraan enam atom C, tetapi tidak menjelaskan sejumlah sifat khusus benzena. Misalnya, meskipun tidak jenuh, ia tidak menunjukkan kecenderungan reaksi adisi: ia tidak menghitamkan air brom dan larutan kalium permanganat, mis. itu tidak menunjukkan reaksi kualitatif khas senyawa tak jenuh.

Dalam rumus struktur Kekule ada tiga ikatan karbon-karbon tunggal dan tiga rangkap. Tetapi gambar seperti itu tidak menunjukkan struktur molekul yang sebenarnya. Faktanya, ikatan karbon-karbon dalam benzena adalah setara. Ini karena struktur elektronik molekulnya.

Setiap atom C dalam molekul benzena dalam keadaan sp 2 -hibridisasi. Hal ini terikat pada dua atom C tetangga dan atom H oleh tiga -ikatan. Akibatnya, segi enam datar terbentuk, di mana keenam atom C dan semua ikatan C-C dan C-H terletak pada bidang yang sama (sudut antara ikatan C-C adalah 120 o). Ketiga P-orbital atom karbon tidak berpartisipasi dalam hibridisasi. Ini memiliki bentuk halter dan berorientasi tegak lurus terhadap bidang cincin benzena. Seperti P-orbital atom C tetangga tumpang tindih di atas dan di bawah bidang cincin. Akibatnya, enam P-elektron (keenam atom C) membentuk awan -elektron umum dan ikatan kimia tunggal untuk semua atom C.

Awan elektron menyebabkan pengurangan jarak antara atom C. Dalam molekul benzena, mereka adalah sama dan setara. Ini berarti bahwa dalam molekul benzena tidak ada pergantian ikatan sederhana dan rangkap, tetapi ada ikatan khusus - "satu setengah" - perantara antara ikatan sederhana dan ganda, yang disebut aromatik koneksi. Untuk menunjukkan distribusi seragam awan p-elektron dalam molekul benzena, lebih tepat untuk menggambarkannya sebagai segi enam biasa dengan lingkaran di dalamnya (lingkaran melambangkan kesetaraan ikatan antara atom C).

Namun, rumus Kekule juga sering digunakan, yang menunjukkan ikatan rangkap (II), mengingat kekurangannya:

Properti fisik. Benzena adalah cairan yang tidak berwarna, mudah menguap, mudah terbakar dengan bau yang khas. Ini praktis tidak larut dalam air, tetapi berfungsi sebagai pelarut yang baik untuk banyak zat organik. Itu terbakar dengan api yang sangat berasap (92,3% dari massa adalah karbon). Uap benzena dengan udara membentuk campuran yang mudah meledak. Benzena cair dan uap benzena beracun. Titik didih benzena adalah 80,1 ° C. Ketika didinginkan, ia dengan mudah membeku menjadi massa kristal putih dengan titik leleh 5,5 ° C.

Sifat kimia. Inti benzena sangat kuat. Ini menjelaskan kecenderungan arena untuk reaksi substitusi. Mereka melanjutkan lebih mudah daripada hidrokarbon jenuh.

Reaksi substitusi (mekanisme ionik).

1) Hidrogenasi... Benzena menambahkan hidrogen pada suhu rendah dengan adanya katalis - nikel atau platinum, membentuk sikloheksana:

2) halogenasi. Di bawah iradiasi ultraviolet, benzena menempel klorin untuk membentuk heksaklorosikloheksana (heksaklorana):

Reaksi oksidasi .

1) Benzena sangat tahan terhadap oksidan. Tidak seperti hidrokarbon tak jenuh, ia tidak menghitamkan air brom dan larutan KMnO 4.

2) Benzena terbakar di udara dengan nyala berasap:

2C 6 H 6 + 15O 2 12CO 2 + 6H 2 O.

Dengan demikian, arena dapat masuk ke dalam reaksi substitusi dan adisi; namun, kondisi transformasi ini berbeda secara signifikan dari transformasi analog hidrokarbon jenuh dan tak jenuh. Reaksi benzena ini secara lahiriah mirip dengan reaksi alkana dan alkena, tetapi berlangsung menurut mekanisme yang berbeda.

DEFINISI

Benzena(siklohexatriena - 1,3,5) adalah zat organik, perwakilan paling sederhana dari sejumlah hidrokarbon aromatik.

Rumus - C 6 H 6 (rumus struktur - Gambar 1). Berat molekul - 78, 11.

Beras. 1. Rumus struktural dan spasial benzena.

Keenam atom karbon dalam molekul benzena berada dalam keadaan hibrid sp 2. Setiap atom karbon membentuk ikatan 3σ dengan dua atom karbon lain dan satu atom hidrogen, terletak pada bidang yang sama. Enam atom karbon membentuk segi enam biasa (kerangka dari molekul benzena). Setiap atom karbon memiliki satu orbital p tidak hibridisasi yang mengandung satu elektron. Enam elektron p membentuk awan elektron tunggal (sistem aromatik), yang digambarkan sebagai lingkaran di dalam siklus beranggota enam. Radikal hidrokarbon yang diperoleh dari benzena disebut C 6 H 5 - - fenil (Ph-).

Sifat kimia benzena

Untuk benzena, reaksi substitusi yang terjadi melalui mekanisme elektrofilik adalah karakteristik:

- halogenasi (benzena berinteraksi dengan klorin dan bromin dengan adanya katalis - AlCl 3 anhidrat, FeCl 3, AlBr 3)

C 6 H 6 + Cl 2 = C 6 H 5 -Cl + HCl;

- nitrasi (benzena mudah bereaksi dengan campuran nitrasi - campuran asam nitrat dan asam sulfat pekat)

- alkilasi dengan alkena

C 6 H 6 + CH 2 = CH-CH 3 → C 6 H 5 -CH (CH 3) 2;

Reaksi adisi pada benzena menyebabkan penghancuran sistem aromatik dan hanya berlangsung dalam kondisi yang parah:

- hidrogenasi (reaksi berlangsung dengan pemanasan, katalis - Pt)

- penambahan klorin (berlangsung di bawah aksi radiasi UV dengan pembentukan produk padat - hexachlorocyclohexane (hexachlorane) - C 6 H 6 Cl 6)

Seperti senyawa organik lainnya, benzena masuk ke dalam reaksi pembakaran dengan pembentukan karbon dioksida dan air sebagai produk reaksi (terbakar dengan nyala berasap):

2C 6 H 6 + 15O 2 → 12CO 2 + 6H 2 O.

Sifat fisik benzena

Benzena adalah cairan tidak berwarna, tetapi dengan bau menyengat yang spesifik. Membentuk campuran azeotropik dengan air, bercampur dengan baik dengan eter, bensin, dan berbagai pelarut organik. Titik didihnya adalah 80,1C, titik lelehnya 5,5C. Toksik, karsinogen (yaitu, berkontribusi pada perkembangan kanker).

Mendapatkan dan menggunakan benzena

Metode utama untuk memproduksi benzena:

- dehidrosiklisasi heksana (katalis - Pt, Cr 3 O 2)

CH 3 - (CH 2) 4 -CH 3 → C 6 H 6 + 4H 2;

- dehidrogenasi sikloheksana (reaksi berlangsung dengan pemanasan, katalisnya adalah Pt)

C 6 H 12 → C 6 H 6 + 4H 2;

- trimerisasi asetilen (reaksi berlangsung saat dipanaskan hingga 600C, katalisnya adalah karbon aktif)

3HC≡CH → C 6 H 6.

Benzena berfungsi sebagai bahan baku untuk produksi homolog (etilbenzena, kumena), sikloheksana, nitrobenzena, klorobenzena, dan zat lainnya. Sebelumnya, benzena digunakan sebagai aditif untuk bensin untuk meningkatkan angka oktannya, namun sekarang, karena toksisitasnya yang tinggi, kandungan benzena dalam bahan bakar distandarisasi secara ketat. Kadang-kadang benzena digunakan sebagai pelarut.

Contoh pemecahan masalah

CONTOH 1

Olahraga

Tuliskan persamaan yang dapat digunakan untuk melakukan transformasi berikut: CH 4 → C 2 H 2 → C 6 H 6 → C 6 H 5 Cl.

Larutan

Untuk mendapatkan asetilena dari metana, reaksi berikut digunakan: 2CH 4 → C 2 H 2 + 3H 2 (t = 1400C). Produksi benzena dari asetilena dimungkinkan dengan reaksi trimerisasi asetilena yang berlangsung selama pemanasan (t = 600C) dan dengan adanya karbon aktif: 3C 2 H 2 → C 6 H 6. Reaksi klorinasi benzena untuk mendapatkan klorobenzena sebagai produk dilakukan dengan adanya besi (III) klorida: C 6 H 6 + Cl 2 → C 6 H 5 Cl + HCl.

CONTOH 2

Olahraga	Untuk 39 g benzena dengan adanya besi (III) klorida ditambahkan 1 mol air brom. Berapa jumlah zat dan berapa gram produk apa yang Anda dapatkan?
Larutan	Mari kita tulis persamaan reaksi brominasi benzena dengan adanya besi (III) klorida: C 6 H 6 + Br 2 → C 6 H 5 Br + HBr. Produk reaksinya adalah bromobenzena dan hidrogen bromida. Massa molar benzena, dihitung menggunakan tabel unsur kimia D.I. Mendeleev - 78 g / mol. Mari kita cari jumlah zat benzena: n (C 6 H 6) = m (C 6 H 6) / M (C 6 H 6); n (C 6 H 6) = 39/78 = 0,5 mol. Berdasarkan kondisi masalah, benzena direaksikan dengan 1 mol brom. Akibatnya, pasokan benzena terbatas dan kami akan membuat perhitungan lebih lanjut untuk benzena. Berdasarkan persamaan reaksi n (C 6 H 6) : n (C 6 H 5 Br): n (HBr) = 1: 1: 1, maka n (C 6 H 6) = n (C 6 H 5 Br) =: n (HBr) = 0,5 mol. Maka, massa bromobenzena dan hidrogen bromida akan sama: m (C 6 H 5 Br) = n (C 6 H 5 Br) × M (C 6 H 5 Br); m (HBr) = n (HBr) × M (HBr). Massa molar bromobenzena dan hidrogen bromida, dihitung menggunakan tabel unsur kimia D.I. Mendeleev - masing-masing 157 dan 81 g / mol. m (C 6 H 5 Br) = 0,5 x 157 = 78,5 g; m (HBr) = 0,5 × 81 = 40,5 g.
Menjawab	Produk reaksinya adalah bromobenzena dan hidrogen bromida. Massa bromobenzena dan hidrogen bromida berturut-turut adalah 78,5 dan 40,5 g.