Benzen ve vücut üzerindeki olumsuz etkileri. Benzen: üretim teknolojileri

Benzen, C6H6 kimyasal formülüne sahip önemli bir organik kimyasal bileşiktir. Benzen molekülü, her birine 1 hidrojen atomunun bağlı olduğu bir halkaya bağlı 6 karbon atomundan oluşur. Benzen yalnızca karbon ve hidrojen atomları içerdiğinden hidrokarbon olarak sınıflandırılır.

Benzen ham petrolün doğal bir bileşenidir ve temel petrokimyasallardan biridir. Karbon atomları arasındaki döngüsel sürekli pi bağı nedeniyle benzen, aromatik bir hidrokarbon, ikinci [n]-annulen (-anulen) olarak sınıflandırılır. Bu bazen Ph -H olarak kısaltılır. Benzen, tatlı bir kokuya sahip, renksiz ve yanıcı bir sıvıdır ve benzin istasyonlarının etrafındaki aromanın sorumlusudur. Milyarlarca kilogramın üretildiği etilbenzen ve kümen gibi daha karmaşık kimyasalların üretiminde öncelikli olarak öncü olarak kullanılır. Benzen yüksek oktan sayısına sahip olduğundan benzinin önemli bir bileşenidir.

Benzen insanlar için kanserojen olduğundan, endüstriyel olmayan kullanımların çoğu sınırlıdır.

benzenin yapısı

X-ışını kırınımı, benzendeki altı karbon-karbon bağının tamamının 140 pikometrede (pm) aynı uzunlukta olduğunu göstermektedir. Bağlantı uzunluğu daha fazlaçift ​​bağdan (135 µm) daha kısa, ancak tek bağdan (147 µm) daha kısadır. Bu ara mesafe elektron delokalizasyonu ile tutarlıdır: C-C bağının elektronları altı karbon atomunun her biri arasında eşit olarak dağıtılır. Benzen, karşılık gelen ana alkan heksandan daha az olan 6 hidrojen atomuna sahiptir. Molekül düzdür. MO açıklaması, altı karbon atomunun tümünü kapsayan üç delokalize π yörüngesinin oluşumunu içerirken, VB tanımı, rezonans yapılarının bir üst üste binmesini içerir. Bu stabilitenin özel moleküler ve kimyasal özellikler aromatiklik olarak bilinir. Bağın doğasını doğru bir şekilde yansıtmak için benzen genellikle karbon atomlarından oluşan altıgen bir yapı içinde bir daire ile gösterilir.

Benzen türevleri, organik moleküllerin bir bileşeni olarak yeterince sık meydana gelir ve Unicode Konsorsiyumu, Teknik Blokta, onu üç çift bağla temsil etmek için U+232C koduyla ve lokalize olmayan versiyon için U+23E3 koduyla bir sembol tahsis etmiştir.

Benzen türevleri

Birçok önemli kimyasal bileşikler benzenden bir veya daha fazla hidrojen atomunun başka bir fonksiyonel grupla değiştirilmesiyle hazırlanır. Basit benzen türevlerinin örnekleri sırasıyla PhOH, PhMe ve PhNH2 olarak kısaltılan fenol, toluen ve anilindir. Benzen halkalarının bağlanması bifenili, C6H5-C6H5'i verir. Daha fazla hidrojen kaybı, naftalin ve antrasen gibi "yoğunlaştırılmış" aromatik hidrokarbonların oluşmasına neden olur. Füzyon işleminin sınırı karbon, grafitin hidrojen allotropudur.

Heterosikllerde benzen halkasındaki karbon atomlarının yerini başka elementler alır. En önemli varyasyonlar nitrojen içerir. Bir CH'nin bir N ile değiştirilmesi piridin bileşiğini (C5H5N) üretir. Benzen ve piridin yapısal olarak ilişkili olmasına rağmen benzen piridin'e dönüştürülemez. İkinci CH bağının N ile ikamesi, ikinci N'nin konumuna bağlı olarak piridazin, pirimidin ve pirazini verir.

Benzen üretimi

Dört kimyasal işlem benzenin endüstriyel üretimine katkıda bulunur: katalitik reformasyon, toluen hidrodealkilasyonu, toluenin orantısızlaştırılması ve buharla parçalanması. Benzen için ATSDR Toksikoloji Profiline göre, 1978 ile 1981 yılları arasında katalitik yeniden biçimlendirmeler Amerika Birleşik Devletleri'ndeki toplam benzen üretiminin yaklaşık %44-50'sini oluşturuyordu.

Katalitik reformlama

Katalitik reformlamada, kaynama noktası 60-200 °C arasında olan bir hidrokarbon karışımı, hidrojen gazı ile karıştırılır ve daha sonra 500-525 °C sıcaklıklarda ve 8 ila 50 atm arasında değişen basınçlarda iki işlevli platin klorür veya renyum klorüre maruz bırakılır. Bu koşullar altında alifatik hidrokarbonlar halkalar oluşturur ve hidrojen kaybederek aromatik hidrokarbonlara dönüşür. Aromatik reaksiyon ürünleri daha sonra, dietilen glikol veya sülfolan dahil çeşitli çözücülerden herhangi biriyle ekstraksiyon yoluyla reaksiyon karışımından (yeniden oluşturulmuş) ayrılır ve daha sonra benzen, damıtma yoluyla diğer aromatik bileşiklerden ayrılır. Reformattan aromatik ekstraksiyon adımı, en az miktarda aromatik olmayan bileşen içeren aromatik bileşikler üretmek üzere tasarlanmıştır. Yaygın olarak BTX (benzen, toluen ve ksilen izomerleri) olarak adlandırılan aromatik bileşiklerin geri kazanımı, aşağıdaki ekstraksiyon ve damıtma adımlarını içerir. Aromatik bileşiklerin ekstraksiyonu için birçok lisanslı proses mevcuttur.

Bu katalitik reformasyona benzer şekilde, UOP ve BP, yöntemi LPG'den (esas olarak propan ve bütan) aromatiklere kadar ticarileştirdi.

Toluen hidrodealkilasyonu

Toluen hidrodealkilasyonu tolueni benzene dönüştürür. Hidrojen yoğun bu işlemde toluen hidrojenle karıştırılır, ardından 500-600 °C'de ve 40-60 atm basınçta krom, molibden veya platin oksit katalizöründen geçirilir. Bazen bir katalizör yerine (benzer reaksiyon durumunda), daha fazlası yüksek sıcaklıklar. Bu koşullar altında toluen, benzen ve metanla Dealkilasyona uğrar:

C 6 H 5 CH 3 + H 2 → C 6 H 6 + CH 4

Bu geri dönüşü olmayan reaksiyona, daha yüksek sıcaklıkta bifenil (diğer adıyla bifenil) üreten bir denge yan reaksiyonu eşlik eder:

2C 6 H 6 ⇌ H 2+C6 saat5-C6 saat 5

Besleme akışı birçok aromatik olmayan bileşen (parafinler veya naftenler) içeriyorsa, bunların metan gibi daha düşük hidrokarbonlara ayrışarak hidrojen tüketimini artırması muhtemeldir.

Tipik reaksiyon verimleri %95'i aşar. Bazen benzer etkinliğe sahip toluen yerine ksilenler ve daha ağır aromatik bileşikler kullanılır.

Bu genellikle geleneksel BTX (benzen-toluen-ksilen) ekstraksiyon işlemleriyle karşılaştırıldığında benzen üretimi için "hedefli" bir metodoloji olarak anılır.

Tolunların dağılımı

Bir kimyasal kompleksin hem benzen hem de ksilen için benzer gereksinimleri varsa, o zaman tolüenin orantısızlaştırılması (TDP), tolüenin hidrodealkilasyonuna çekici bir alternatif olabilir. Geniş anlamda, 2 toluen molekülü reaksiyona girer ve metil grupları bir toluen molekülünden diğerine yeniden düzenlenerek bir benzen molekülü ve bir ksilen molekülü üretilir.

Paraksilene (p-ksilen) olan talebin, diğer ksilen izomerlerine olan talebi önemli ölçüde aştığı göz önüne alındığında, seçici TDP (STDP) adı verilen TDP işleminin geliştirilmiş bir versiyonu kullanılabilir. Bu işlemde TDP ünitesinden çıkan ksilen akışının yaklaşık %90'ı paraksilen'dir. Mevcut bazı katalitik sistemlerde, ksilen talebi yüksek olduğunda benzenin ksilene oranı bile azalır (daha fazla ksilen).

Buhar çatlaması

Buharla parçalama, alifatik hidrokarbonlardan etilen ve diğer alkenlerin üretilmesi için bir işlemdir. Olefinleri üretmek için kullanılan hammaddeye bağlı olarak buharla parçalama, piroliz benzini adı verilen benzen açısından zengin bir sıvı yan ürün üretebilir. Piroliz benzini, bir benzin katkı maddesi olarak diğer hidrokarbonlarla harmanlanabilir veya BTX aromatik hidrokarbonların (benzen, toluen ve ksilenler) geri kazanılması için bir ekstraksiyon işlemine gönderilebilir.

Diğer yöntemler

Ticari açıdan önemli olmasa da benzene ulaşmanın birçok başka yolu vardır. Örneğin fenol ve halobenzenler metaller tarafından indirgenebilir. Benzoik asit ve tuzları benzen ile dekarboksile edilir. Reaksiyon yoluyla diazonyumun hipofosforik asit anyonuyla birleşimi benzen üretir. Asetilenin trimerizasyonu benzen üretir.

Benzen reaksiyonları

Benzenin en yaygın reaksiyonları, bir protonun diğer gruplarla değiştirilmesini içerir. Elektrofilik aromatik ikame, benzen türevlendirmesi için yaygın bir yöntemdir. Benzen, ikame edilmiş türevler üretmek için asil iyonları ve alkil karbokatyonlarla ikame edilecek kadar yeterince nükleofiliktir.

Bu reaksiyonun en yaygın örneği benzenin etilasyonudur.

1999 yılında yaklaşık 24.700.000 ton benzen üretildi. Güçlü bir Lewis asidi katalizörünün varlığında bir alkil halojenür kullanılarak benzenin (ve diğer birçok aromatik halkanın) Friedel-Crafts alkilasyonu çok öğretici, ancak daha az endüstriyel öneme sahiptir. Benzer şekilde, Friedel-Crafts asilasyonu da elektrofilik aromatik ikamenin ilgili bir örneğidir. Reaksiyon, benzenin (veya diğer birçok aromatik halkanın), alüminyum klorür veya demir (III) klorür gibi güçlü bir Lewis asidi katalizörü kullanılarak bir asil klorürle asilasyonunu içerir.

Sülfonasyon, klorlama, nitrasyon

Elektrofilik aromatik ikame kullanılarak benzen yapısına birçok fonksiyonel grup eklenir. Benzenin sülfonasyonu, sülfürik asit ve sülfür trioksit karışımı olan oleumun kullanımını içerir. Sülfonatlanmış benzen türevleri kullanışlı deterjanlardır. Nitratlamada benzen, sülfürik ve nitrik asitlerin birleşiminden oluşan güçlü bir elektrofil olan nitronyum iyonlarıyla (NO2+) reaksiyona girer. Nitrobenzen anilinin öncüsüdür. Klorlama, alüminyum triklorür gibi bir katalizör varlığında klorobenzen üretmek için klor ile gerçekleştirilir.

Hidrojenasyon

- aromatik (benzen) bileşiklerin temsilcisi hidrokarbon. Karakteristik "aromatik" bir kokuya sahip, renksiz, şeffaf, yüksek oranda kırılan, kolayca hareket edebilen bir sıvıdır; normal oda sıcaklığında kolayca buharlaşır; 80,5°C sıcaklıkta kaynar ve soğukta sertleşerek +6°C'de eriyen kristalimsi bir kütleye dönüşür; Su hariç eter, alkol, kloroform ve diğer solventlerde kolaylıkla çözünür. Benzen yağlar, reçineler, yağlar, asfalt, alkaloidler, kükürt, fosfor, iyot için bir çözücüdür; havada hafif, oldukça dumanlı bir alevle yanar ve oldukça yanıcı buharlar üretir.

Endüstriyel kullanım

Benzen en yaygın kimyasallardan biri ve en yaygın aromatik bileşiktir. Plastiklerin fiziksel ağırlığının yaklaşık %30'u, kauçuklarda - %66'sı, sentetik elyaflarda - %80'e kadarı, atası benzen olan aromatik hidrokarbonlardır.

Benzen en önemli hammaddedir. kimyasal endüstri hem çok çeşitli bileşiklerin sentezi için bir başlangıç ​​​​reaktifi olarak hem de diğer reaksiyonlar için bir çözücü olarak kullanıldığından (benzen neredeyse tüm organik bileşikleri çözer; bir tür "organik sudur").

Endüstriyel koşullarda akut zehirlenme nadiren meydana gelir: kazalar sırasında, bu maddeleri içeren tankları temizlerken, çabuk kuruyan boyaların bir parçası olarak kullanıldığında, kapalı alanlarda çalışırken, yetersiz havalandırılan alanlara dökülürken.

Benzen zehirlenmesinin hafif bir şekli sarhoşluğa benzer: baş ağrısı, baş dönmesi, kulak çınlaması, kafa karışıklığı ve kusma meydana gelebilir. Daha ciddi vakalarda - bilinç kaybı, kas seğirmesi, kasılmalara dönüşebilir, gözbebekleri genişler, ışığa iyi tepki vermez, nefes alma hızlıdır, sonra yavaşlar, vücut ısısı düşer, cilt soluklaşır. Nabız zayıf, hızlı, atardamar basıncı düşme.

Kronik benzen zehirlenmesi nedenleri baş ağrısı, baş dönmesi, halsizlik, yorgunluk, sinirlilik, uyku bozukluğu, iştahsızlık, kalpte rahatsızlık, diş eti kanaması, burun kanaması, vücutta morluklar. Kronik zehirlenmenin erken belirtisi fonksiyonel değişikliklerdir gergin sistem: otonomik fonksiyon bozukluğu ile birlikte nevrastenik veya astenik sendrom.

Zehirlenme belirtileri ortaya çıkarsa derhal tıbbi bir tesise başvurmalısınız.

Materyal açık kaynaklardan alınan bilgilere dayanarak hazırlandı

Moleküller, özel bir bağ yapısına sahip bir siklik karbon atomu grubu olan bir benzen halkası veya çekirdeği içerir.

Arenlerin en basit temsilcisi benzen C6H6'dır. Benzenin homolog serisi Genel formül C N H2 N-6 .

Benzenin ilk yapısal formülü 1865 yılında Alman kimyager F.A. tarafından önerildi. Kekule:

Benzen molekülündeki C atomları, genellikle uzun bir şekilde çizilmesine rağmen düzenli, düz bir altıgen oluşturur.

Yukarıdaki formül altı C atomunun denkliğini doğru bir şekilde yansıtmaktadır ancak benzenin bazı özel özelliklerini açıklamamaktadır. Örneğin, doymamış olmasına rağmen ilave reaksiyonlara eğilim göstermez: bromlu suyun ve potasyum permanganat çözeltisinin rengini bozmaz; doymamış bileşiklere özgü niteliksel reaksiyonlarla karakterize edilmez.

Kekule yapısal formülünde üç adet tek ve üç adet çift alternatif karbon-karbon bağı bulunmaktadır. Ancak böyle bir görüntü molekülün gerçek yapısını yansıtmamaktadır. Gerçekte benzendeki karbon-karbon bağları eşdeğerdir. Bu, molekülünün elektronik yapısıyla açıklanmaktadır.

Bir benzen molekülündeki her C atomu bu durumda sp 2-hibridizasyon. İki komşu C atomuna ve bir H atomuna üç bağla bağlanır. Sonuç olarak, altı C atomunun tamamının ve tüm C-C ve C-H bağlarının aynı düzlemde (aralarındaki açı) yer aldığı düz bir altıgen oluşur. C-C bağlantıları 120 o'ya eşit). Üçüncü P Karbon atomunun -orbitali hibridizasyona katılmaz. Bir dambıl şeklindedir ve benzen halkasının düzlemine dik olarak yönlendirilmiştir. Çok P-Komşu C atomlarının yörüngeleri halka düzleminin üstünde ve altında örtüşür. Sonuç olarak altı P-elektronlar (altı C atomunun tamamı), ortak bir -elektron bulutu ve tüm C atomları için tek bir kimyasal bağ oluşturur.

Elektron bulutu C atomları arasındaki mesafenin azalmasına neden olur, benzen molekülünde bunlar aynı ve eşittir. Bu, benzen molekülünde tek ve çift bağların değişimi olmadığı, ancak basit ve çift arasında özel bir bağ - "bir buçuk" - ara madde olduğu anlamına gelir; aromatik bağlantı. Benzen molekülündeki p-elektron bulutunun düzgün dağılımını göstermek için, onu içinde bir daire bulunan normal bir altıgen şeklinde tasvir etmek daha doğrudur (daire, C atomları arasındaki bağların denkliğini sembolize eder).

Bununla birlikte, çift bağları (II) gösteren Kekulé formülü, eksiklikleri akılda tutularak sıklıkla kullanılır:

Fiziki ozellikleri. Benzen, kendine özgü bir kokuya sahip, renksiz, uçucu, yanıcı bir sıvıdır. Suda pratik olarak çözünmez ancak birçok organik madde için iyi bir çözücü görevi görür. Oldukça dumanlı bir alevle yanar (kütlenin %92,3'ü karbondur). Benzen buharları havayla birlikte patlayıcı bir karışım oluşturur. Sıvı benzen ve benzen buharı zehirlidir. Benzenin kaynama noktası 80,1 °C'dir. Soğutulduğunda kolayca katılaşarak 5,5°C erime noktasına sahip beyaz kristal bir kütleye dönüşür.

Kimyasal özellikler. Benzen çekirdeği büyük bir güce sahiptir. Bu, arenlerin ikame reaksiyonlarına girme eğilimini açıklar. Doymuş hidrokarbonlara göre daha kolay ilerlerler.

Reaksiyon ikame (iyonik mekanizma).

1) Hidrojenasyon. Benzen, nikel veya platin gibi bir katalizör varlığında düşük sıcaklıkta hidrojen ekleyerek sikloheksan oluşturur:

2) Halojenasyon. Benzen, ultraviyole ışınlama altında klor ile birleşerek hekzaklorosikloheksan (heksakloran) oluşturur:

Tepkiler oksidasyon .

1) Benzen oksitleyici maddelere karşı çok dayanıklıdır. Doymamış hidrokarbonlardan farklı olarak bromlu suyun ve KMnO 4 çözeltisinin rengini bozmaz.

2) Benzen havada dumanlı bir alevle yanar:

2C 6 H 6 + 15O 2 12CO2 + 6H 2 O.

Dolayısıyla Arenler hem ikame hem de katılma reaksiyonlarına girebilir, ancak bu dönüşümlerin koşulları doymuş ve doymamış hidrokarbonların benzer dönüşümlerinden önemli ölçüde farklıdır. Benzenin bu reaksiyonları yüzeysel olarak alkanların ve alkenlerin reaksiyonlarına benzer, ancak farklı mekanizmalarla ilerler.

TANIM

Benzen(sikloheksatrien – 1,3,5) – organik madde bir dizi aromatik hidrokarbonun en basit temsilcisi.

Formül – C6H6 (yapısal formül – Şekil 1). Molekül ağırlığı – 78.11.

Pirinç. 1. Benzenin yapısal ve uzaysal formülleri.

Benzen molekülündeki altı karbon atomunun tümü sp2 hibrit durumundadır. Her karbon atomu, aynı düzlemde bulunan diğer iki karbon atomu ve bir hidrojen atomu ile 3σ bağı oluşturur. Altı karbon atomu düzenli bir altıgen (benzen molekülünün σ-iskeleti) oluşturur. Her karbon atomunun, bir elektron içeren, melezleşmemiş bir p yörüngesi vardır. Altı p-elektron, altı üyeli bir halkanın içinde bir daire olarak gösterilen tek bir π-elektron bulutu (aromatik sistem) oluşturur. Benzenden elde edilen hidrokarbon radikaline C6H5- - fenil (Ph-) adı verilir.

Benzenin kimyasal özellikleri

Benzen, elektrofilik bir mekanizma yoluyla meydana gelen ikame reaksiyonları ile karakterize edilir:

- halojenasyon (benzen, katalizörlerin varlığında klor ve brom ile reaksiyona girer - susuz AlCl3, FeCl3, AlBr3)

C6H6 + Cl2 = C6H5-Cl + HC1;

- nitrasyon (benzen, nitratlama karışımıyla kolayca reaksiyona girer - konsantre nitrik ve sülfürik asitlerin bir karışımı)

- alkenlerle alkilasyon

C6H6 + CH2 = CH-CH3 → C6H5-CH(CH3)2;

Benzen ilave reaksiyonları aromatik sistemin tahrip olmasına yol açar ve yalnızca zorlu koşullar altında meydana gelir:

— hidrojenasyon (reaksiyon ısıtıldığında meydana gelir, katalizör Pt'dir)

- klor ilavesi (UV radyasyonunun etkisi altında katı bir ürün oluşumuyla oluşur - hekzaklorosikloheksan (heksakloran) - C 6 H 6 Cl 6)

Herhangi biri gibi organik bileşik benzen, reaksiyon ürünleri olarak karbondioksit ve su oluşturmak üzere yanma reaksiyonuna girer (dumanlı bir alevle yanar):

2C 6 H 6 +15O 2 → 12CO2 + 6H 2 O.

Benzenin fiziksel özellikleri

Benzen renksiz bir sıvıdır ancak kendine özgü keskin bir kokusu vardır. Su ile azeotropik bir karışım oluşturur, eterler, benzin ve çeşitli organik çözücüler ile iyi karışır. Kaynama noktası – 80.1C, erime noktası – 5.5C. Toksik, kanserojen (yani kanserin gelişimini teşvik eder).

Benzenin hazırlanması ve kullanımı

Benzen elde etmenin ana yöntemleri:

— heksanın dehidrosiklizasyonu (katalizörler – Pt, Cr3O2)

CH3-(CH2)4-CH3 → C6H6 + 4H2;

- sikloheksanın dehidrojenasyonu (reaksiyon ısıtıldığında meydana gelir, katalizör Pt'dir)

C6H12 → C6H6 + 4H2;

- asetilenin trimerizasyonu (reaksiyon 60°C'ye ısıtıldığında meydana gelir, katalizör aktif karbondur)

3HC≡CH → C6H6.

Benzen, homologların (etilbenzen, kümen), sikloheksan, nitrobenzen, klorobenzen ve diğer maddelerin üretimi için hammadde görevi görür. Daha önce benzen, oktan sayısını artırmak için benzine katkı maddesi olarak kullanılıyordu, ancak artık yüksek toksisitesi nedeniyle yakıttaki benzen içeriği sıkı bir şekilde düzenleniyor. Benzen bazen çözücü olarak kullanılır.

Problem çözme örnekleri

ÖRNEK 1

ÖRNEK 2