Бензол и его негативное влияние на организм. Бензол: технологии производства

Бензол является важным органическим химическим соединением с химической формулой C 6 H 6 . Молекула бензола состоит из 6 атомов углерода, соединенных в кольцо с 1 атомом водорода, присоединенным к каждому из них. Поскольку он содержит только атомы углерода и водорода, бензол классифицируется как углеводород.

Бензол является естественным компонентом сырой нефти и является одним из элементарных нефтехимических продуктов. Из-за циклической непрерывной связи pi между атомами углерода бензол классифицируется как ароматический углеводород, второй [n] -annulene (-анулен). Это иногда сокращенно Ph -H. Бензол — бесцветная и легковоспламеняющаяся жидкость со сладким запахом и отвечает за аромат вокруг бензозаправочных станций. Он используется в основном в качестве предшественника при производстве химикатов с более сложной структурой, таких как этилбензол и кумол, из которых производятся миллиарды килограммов. Поскольку бензол имеет высокое октановое число, он является важным компонентом бензина.

Поскольку бензол является канцерогенным веществом человека, большинство непромышленных применений ограничены.

Структура бензола

Рентгеновская дифракция показывает, что все шесть углерод- углеродных связей в бензоле имеют одинаковую длину, при 140 пикометров (pm). Длина связей C-C больше, чем двойная связь (135 мкм), но короче, чем простая связь (147 мкм). Это промежуточное расстояние согласуется с делокализацией электронов: электроны для связи С-С распределены поровну между каждым из шести атомов углерода. Бензол имеет 6 атомов водорода — меньше, чем соответствующий исходный алкан, гексан. Молекула плоская. Описание МО включает в себя образование трех делокализованных π- орбиталей, охватывающих все шесть атомов углерода, в то время как описание VB включает суперпозицию резонансных структур. Вполне вероятно, что эта стабильность способствует особым молекулярным и химическим свойствам, известным как ароматичность. Для точного отражения природы связи бензол часто изображается с кругом внутри гексагональной структуры атомов углерода.

Производные бензола происходят достаточно часто в качестве компонента органических молекул, которые Юникодский консорциум выделил в Техническом блоке символ с кодом U + 232C, чтобы представить его с тремя двойными связями и U + 23E3 для делокализованной версии.

Производные бензола

Многие важные химические соединения получают из бензола, заменяя один или несколько его атомов водорода другой функциональной группой. Примерами простых производных бензола являются фенол, толуол и анилин, сокращенно PhOH, PhMe и PhNH 2 соответственно. Связывание бензольных колец дает бифенил, C 6 H 5 -C 6 H 5 . Дальнейшая потеря водорода дает «конденсированные» ароматические углеводороды, такие как нафталин и антрацен. Пределом процесса слияния является водородная аллотроп углерода, графит.

В гетероциклах атомы углерода в бензольном кольце заменяются другими элементами. Наиболее важные вариации содержат азот. Замена одного CH на N дает соединение пиридина, C 5 H 5 N. Хотя бензол и пиридин структурно связаны, бензол не может быть превращен в пиридин. Замена второй связи СН с N дает, в зависимости от расположения второго N, пиридазина, пиримидина и пиразина.

Производство бензола

Четыре химических процесса способствуют промышленному производству бензола: каталитический риформинг, гидродеалкилирование толуола, диспропорционирование толуола и паровое крекинг. Согласно Токсикологическому профилю ATSDR для бензола, между 1978 и 1981 годами каталитические переформаты составляли примерно 44-50% от общего объема производства бензола в США.

Каталитический риформинг

При каталитическом риформинге смесь углеводородов с температурой кипения между 60-200 ° С смешивают с газообразным водородом, а затем подвергают воздействию бифункционального хлорида платины или хлорида хлорида рения при температуре 500-525 ° С и давлениях от 8 до 50 атм. В этих условиях алифатические углеводороды образуют кольца и теряют водород, чтобы стать ароматическими углеводородами. Затем ароматические продукты реакции отделяют от реакционной смеси (реформируют) экстракцией любым из нескольких растворителей, включая диэтиленгликоль или сульфолан, и затем бензол отделяют от других ароматических соединений путем дистилляции. Стадия экстракции ароматических соединений из риформата предназначена для получения ароматических соединений с наименьшими неароматическими компонентами. Восстановление ароматических соединений, обычно называемых BTX (бензол, толуол и изомеры ксилола), включает такие стадии экстракции и дистилляции. Существует много лицензионных процессов, доступных для извлечения ароматических соединений.

Подобно этому каталитическому риформингу, UOP и BP коммерциализировали метод из СНГ (главным образом пропан и бутан) в ароматические соединения.

Толуоловое гидродеалкилирование

Толуоловое гидродеалкилирование превращает толуол в бензол. В этом водородо-интенсивном процессе толуол смешивают с водородом, затем пропускают через катализатор на основе хрома, молибдена или оксида платины при 500-600 ° С и давлении 40-60 атм. Иногда вместо катализатора (при аналогичном состоянии реакции) используются более высокие температуры. В этих условиях толуол подвергается деалкилированию до бензола и метана:

C 6 H 5 CH 3 +H 2 → C 6 H 6 + CH 4

Эта необратимая реакция сопровождается равновесной побочной реакцией, при которой получается бифенил (ака дифенил) при более высокой температуре:

2С 6 H 6 ⇌ H 2 + C 6 H 5 — C 6 H 5

Если поток сырья содержит много неароматических компонентов (парафинов или нафтенов), они вероятно, разлагаются на более низкие углеводороды, такие как метан, что увеличивает потребление водорода.

Типичный выход реакции превышает 95%. Иногда вместо толуола используют ксилолы и более тяжелые ароматические соединения с аналогичной эффективностью.

Это часто называют «целевой» методологией для получения бензола по сравнению с обычными процессами экстракции БТХ (бензол-толуол-ксилол).

Дисперсионация толунов

Если химический комплекс имеет аналогичные требования как для бензола, так и для ксилола, то диспропорционирование толуола (TDP) может быть привлекательной альтернативой гидродеалкилированию толуола. В широком смысле 2 молекулы толуола реагируют и метильные группы перегруппированы из одной молекулы толуола в другую, получая одну молекулу бензола и одну молекулу ксилола.

Учитывая, что спрос на параксилен (п- ксилол) существенно превышает спрос на другие изомеры ксилола, может быть использовано уточнение процесса TDP, называемого селективным TDP (STDP). В этом процессе поток ксилола, выходящий из блока TDP, составляет приблизительно 90% параксилола. В некоторых существующих каталитических системах даже отношение бензол к ксилолам уменьшается (больше ксилолов), когда потребность в ксилолах выше.

Паровой крекинг

Паровой крекинг представляет собой процесс получения этилена и других алкенов из алифатических углеводородов. В зависимости от исходного сырья, используемого для получения олефинов, паровое крекинг может давать обогащенный бензолом жидкий побочный продукт, называемый пиролизным бензином. Пиролизный бензин можно смешивать с другими углеводородами в качестве бензиновой добавки или направлять в процессе экстракции для извлечения ароматических углеводородов BTX (бензола, толуола и ксилолов).

Другие методы

Несмотря на отсутствие коммерческого значения, существует много других путей к бензолу. Например, фенол и галобензолы могут быть восстановлены металлами. Бензойную кислоту и ее соли подвергают декарбоксилированию бензолу. Через реакцию соединение диазония с анионом гипофосфорной кислоты дает бензол. Тримеризация ацетилена дает бензол.

Реакции бензола

Наиболее распространенные реакции бензола включают замещение протона другими группами. Электрофильное ароматическое замещение является общим методом дериватизации бензола. Бензол является достаточно нуклеофильным, что он подвергается замещению ионами ацилия и алкильными карбокатионами с получением замещенных производных.

Электрофильное ароматическое замещение бензола

Наиболее распространенным примером этой реакции является этилирование бензола.

Ацилирование Фриделя-Крафтса бензолом ацетилхлоридом

В 1999 году было произведено бензола около 24 700 000 тонн. Очень поучительным, но менее промышленным значением является алкилирование Фриделя-Крафтса бензола (и многих других ароматических колец) с использованием алкилгалогенида в присутствии сильного катализатора кислоты Льюиса. Аналогичным образом ацилирование Фриделя-Крафтса является родственным примером электрофильного ароматического замещения. Реакция включает ацилирование бензола (или многих других ароматических колец) ацилхлоридом с использованием сильного катализатора кислоты Льюиса, такого как хлорид алюминия или хлорид железа (III).

Сульфонирование, хлорирование, нитрование

Используя электрофильное ароматическое замещение, многие функциональные группы вводят в структуру бензола. Сульфирование бензола связано с использованием олеума, смеси серной кислоты с триоксидом серы. Сульфированные производные бензола являются полезными детергентами. При нитровании бензол реагирует с ионами нитрония (NO 2 +), который является сильным электрофилом, полученным путем объединения серной и азотной кислот. Нитробензол является предшественником анилина. Хлорирование достигается хлором с получением хлорбензола в присутствии катализатора, такого как трихлорид алюминия.

Гидрирование

— углеводород, представитель ароматических (бензольных) соединений. Представляет собой бесцветную, прозрачную, сильно преломляющую свет легкоподвижную жидкость с характерным "ароматическим" запахом; легко испаряется при обычной комнатной температуре; кипит при температуре 80,5°С и застывает на холоде в кристаллическую массу, плавящуюся при +6°С; легко растворим в эфире, спирте, хлороформе и других растворителях, за исключением воды. Бензол — растворяющее средство для жиров, смол, масел, асфальта, алкалоидов, серы, фосфора, йода; на воздухе горит светлым, сильно коптящим пламенем и дает легко воспламеняющиеся пары.

Использование в промышленности

Бензол — один из наиболее распространенных химических продуктов и самое распространенное ароматическое соединение . В физическом весе пластмасс около 30%, в каучуках и резинах — 66%, в синтетических волокнах — до 80% приходится на ароматические углеводороды, родоначальником которых является бензол.

Бензол является важнейшим сырьем для химической промышленности, поскольку он используется и как исходный реагент для синтеза самых разнообразных соединений, и как растворитель для других реакций (бензол растворяет практически все органические соединения, это своего рода "органическая вода").

Острые отравления в производственных условиях возникают редко: при авариях, чистке цистерн из-под этих веществ, при применении их в составе быстро сохнущих красок при работе в замкнутых помещениях, при переливании в плохо вентилируемых помещениях.

Легкая форма отравления бензолом напоминает опьянение: могут наблюдаться головная боль, головокружение, звон в ушах, спутанность сознания, рвота. В более выраженных случаях — потеря сознания, мышечные подергивания, которые могут перейти в судороги, зрачки расширены, плохо реагируют на свет, дыхание учащено, затем замедляется, температура тела снижается, кожные покровы бледные. Пульс слабого наполнения, учащен, артериальное давление падает.

Хроническое отравление бензолом вызывает головную боль, головокружение, слабость, быструю утомляемость, раздражительность, расстройство сна, плохой аппетит, неприятные ощущения в области сердца, кровоточивость десен, носовые кровотечения, появление синяков на теле. Ранним признаком хронического отравления являются функциональные изменения нервной системы: неврастенический или астенический синдром с вегетативной дисфункцией.

При появлении симптомов отравления необходимо срочно обратиться в медицинское учреждение.

Материал подготовлен на основе информации открытых источников

В молекулах которых содержится бензольное кольцо, или ядро, - циклическая группа атомов углерода с особым характером связей.

Простейшим представителем аренов является бензол C 6 H 6 . Гомологический ряд бензола имеет общую формулу C n H 2n -6 .

Первую структурную формулу бензола предложил в 1865 г. немецкий химик Ф.А. Кекуле:

Атомы С в молекуле бензола образуют правильный плоский шестиугольник, хотя часто его рисуют вытянутым.

Приведенная формула 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 sp 2 -гибридизации. Он связан с двумя соседними атомами С и атомом Н тремя -связями. В результате образуется плоский шестиугольник, где все шесть атомов С и все -связи С-С и С-Н лежат в одной плоскости (угол между связями С-С равен 120 o). 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. В результате шесть p -электронов (всех шести атомов С) образуют общее -электронное облако и единую химическую связь для всех атомов С.

Электронное облако обусловливает сокращение расстояния между атомами С. В молекуле бензола они одинаковы и равны. 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) .

Однако часто пользуются и формулой Кекуле с указанием двойных связей (II), помня, однако, о ее недостатках:

Физические свойства. Бензол - бесцветная, летучая, огнеопасная жидкость со своеобразным запахом. В воде практически нерастворим, но служит хорошим растворителем для многих органических веществ. Горит сильно коптящим пламенем (92,3 % массы приходится на углерод). Пары бензола с воздухом образуют взрывчатую смесь. Жидкий бензол и пары бензола ядовиты. Температура кипения бензола 80,1 °С. При охлаждении он легко застывает в белую кристаллическую массу с температурой плавления 5,5 °С.

Химические свойства. Ядро бензола обладает большой прочностью. Этим и объясняется склонность аренов к реакциям замещения. Они протекают легче, чем у предельных углеводородов.

Реакция замещения (ионный механизм).

1) Гидрирование . Бензол присоединяет водород при низкой температуре в присутствии катализатора - никеля или платины, образуя циклогексан:

2) Галогенирование. Бензол при ультрафиолетовом облучении присоединяет хлор, образуя гексахлорциклогексан (гексахлоран):

Реакции окисления .

1) Бензол очень устойчив к окислителям. В отличие от непредельных углеводородов он не обесцвечивает бромную воду и раствор KMnO 4 .

2) Бензол на воздухе горит коптящим пламенем:

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

Арены, таким образом, могут вступать как в реакции замещения, так и в реакции присоединения, однако условия этих превращений значительно отличаются от аналогичных превращений предельных и непредельных углеводородов. Эти реакции бензола внешне схожи с реакциями алканов и алкенов, но протекают по другим механизмам.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Бензол (циклогексатриен – 1,3,5) – органическое вещество, простейший представитель ряда ароматических углеводородов.

Формула – С 6 Н 6 (структурная формула – рис. 1). Молекулярная масса – 78, 11.

Рис. 1. Структурные и пространственная формулы бензола.

Все шесть атомов углерода в молекуле бензола находятся в sp 2 гибридном состоянии. Каждый атом углерода образует 3σ-связи с двумя другими атомами углерода и одним атомом водорода, лежащие в одной плоскости. Шесть атомов углерода образуют правильный шестиугольник (σ-скелет молекулы бензола). Каждый атом углерода имеет одну негибридизованную р-орбиталь, на которой находится один электрон. Шесть р-электронов образуют единое π-электронное облако (ароматическую систему), которое изображают кружочком внутри шестичленного цикла. Углеводородный радикал, полученный от бензола носит название C 6 H 5 – — фенил (Ph-).

Химические свойства бензола

Для бензола характерны реакции замещения, протекающие по электрофильному механизму:

— галогенирование (бензол взаимодействует с хлором и бромом в присутствии катализаторов – безводных AlCl 3 , FeCl 3 , AlBr 3)

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

— нитрование (бензол легко реагирует с нитрующей смесью – смесь концентрированных азотной и серной кислот)

— алкилирование алкенами

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

Реакции присоединения к бензолу приводят к разрушению ароматической системы и протекают только в жестких условиях:

— гидрирование (реакция протекает при нагревании, катализатор – Pt)

— присоединение хлора (протекает под действием УФ-излучения с образованием твердого продукта – гексахлорциклогексана (гексахлорана) – C 6 H 6 Cl 6)

Как и любое органическое соединение бензол вступает в реакцию горения с образованием в качестве продуктов реакции углекислого газа и воды (горит коптящим пламенем):

2C 6 H 6 +15O 2 → 12CO 2 + 6H 2 O.

Физические свойства бензола

Бензол – жидкость без цвета, но обладающая специфическим резким запахом. Образует с водой азеотропную смесь, хорошо смешивается с эфирами, бензином и различными органическими растворителями. Температура кипения – 80,1С, плавления – 5,5С. Токсичен, канцероген (т.е. способствует развитию онкологических заболеваний).

Получение и применение бензола

Основные способы получения бензола:

— дегидроциклизация гексана (катализаторы – Pt, Cr 3 O 2)

CH 3 –(CH 2) 4 -CH 3 → С 6 Н 6 + 4H 2 ;

— дегидрирование циклогексана (реакция протекает при нагревании, катализатор – Pt)

С 6 Н 12 → С 6 Н 6 + 4H 2 ;

— тримеризация ацетилена (реакция протекает при нагревании до 600С, катализатор – активированный уголь)

3HC≡CH → C 6 H 6 .

Бензол служит сырьем для производства гомологов (этилбензола, кумола), циклогексана, нитробензола, хлорбензола и др. веществ. Ранее бензол использовали в качестве присадки к бензину для повышения его октанового числа, однако, сейчас, в связи с его высокой токсичностью содержание бензола в топливе строго нормируется. Иногда бензол используют в качестве растворителя.

Примеры решения задач

ПРИМЕР 1

Задание

Запишите уравнения, с помощью которых можно осуществить следующие превращения: CH 4 → C 2 H 2 → C 6 H 6 → C 6 H 5 Cl.

Решение

Для получения ацетилена из метана используют следующую реакцию: 2CH 4 → C 2 H 2 + 3Н 2 (t = 1400C). Получение бензола из ацетилена возможно по реакции тримеризации ацетилена, протекающей при нагревании (t = 600C) и в присутствии активированного угля: 3C 2 H 2 → C 6 H 6 . Реакция хлорирования бензола с получением в качестве продукта хлорбензола осуществляется в присутствии хлорида железа (III): C 6 H 6 + Cl 2 → C 6 H 5 Cl + HCl.

ПРИМЕР 2

Задание	К 39 г бензола в присутствии хлорида железа (III) добавили 1 моль бромной воды. Какое количество вещества и сколько граммов каких продуктов при этом получилось?
Решение	Запишем уравнение реакции бромирования бензола в присутствии хлорида железа (III): C 6 H 6 + Br 2 → C 6 H 5 Br + HBr. Продуктами реакции являются бромбензол и бромоводород. Молярная масса бензола, рассчитанная с использованием таблицы химических элементов Д.И. Менделеева – 78 г/моль. Найдем количество вещества бензола: n(C 6 H 6) = m(C 6 H 6) / M(C 6 H 6); n(C 6 H 6) = 39 / 78 = 0,5 моль. По условию задачи бензол вступил в реакцию с 1 моль брома. Следовательно, бензол находится в недостатке и дальнейшие расчеты будем производить по бензолу. Согласно уравнению реакции n(C 6 H 6): n(C 6 H 5 Br) : n(HBr) = 1:1:1, следовательно n(C 6 H 6) = n(C 6 H 5 Br) = : n(HBr) = 0,5 моль. Тогда, массы бромбензола и бромоводорода будут равны: m(C 6 H 5 Br) = n(C 6 H 5 Br)×M(C 6 H 5 Br); m(HBr) = n(HBr)×M(HBr). Молярные массы бромбензола и бромоводорода, рассчитанные с использованием таблицы химических элементов Д.И. Менделеева – 157 и 81 г/моль, соответственно. m(C 6 H 5 Br) = 0,5×157 = 78,5 г; m(HBr) = 0,5×81 = 40,5 г.
Ответ	Продуктами реакции являются бромбензол и бромоводород. Массы бромбензола и бромоводорода – 78,5 и 40,5 г, соответственно.