Зимой железнодорожную цистерну с бензолом отправляют с приспособлением для разогрева, потому что груз в ней застывает уже при плюс 5,5 градуса, и перед сливом груз приходится разогревать. Приспособление для разогрева прописано в ГОСТ 8448-2019 «Бензол каменноугольный и сланцевый. Технические условия», который действует с 1 марта 2020 года и заменил стандарт 1978 года, сохранив его таблицу норм почти без изменений. Каждая строка его таблицы норм при чтении оборачивается школьным свойством бензола, и дальше разбор идет по этим строкам, пока они не сойдутся со строками экзаменационной работы.
Уголь, нефть и пять марок
Стандарт распространяется на бензол, получаемый при термической переработке каменных углей и сланцев, и делит его на пять марок. Первой стоит высшей очистки, за ней две марки для синтеза, высший и первый сорт, потом марка для нитрации, и замыкает ряд технический бензол. Внешний вид у всех пяти описан одной строкой: прозрачная жидкость без взвеси и воды, цветом не темнее раствора 0,003 грамма бихромата калия в одном кубическом дециметре воды.
У нефтяного бензола свой документ, ГОСТ 9572-93, введенный 1 января 1995 года, где бензол выделяют из продуктов риформинга, пиролиза и гидродеалкилирования толуола, а у марки высшей очистки основного вещества требуется не меньше 99,9 процента. Угольный бензол в лаборатории воспроизводят иначе, ацетилен пропускают над активированным углем при температуре около 600 градусов, и три молекулы ацетилена сшиваются в одно кольцо, этот способ связан с именем Зелинского.
В обоих стандартах речь об одном веществе с формулой C6H6. Шесть атомов углерода лежат в одной плоскости и образуют правильный шестиугольник, длина каждой связи между ними 0,140 нанометра, угол 120 градусов. Слово «ароматический» в химии закреплено за таким типом строения кольца, запах жидкости здесь ни при чем. Гомологи описываются общей формулой CnH2n-6, и состав C8H10 отвечает четырем веществам, этилбензолу и трем ксилолам.
Строка о температуре кристаллизации
У бензола высшей очистки стандарт требует температуру кристаллизации не ниже 5,4 градуса. Марки для синтеза застывают при 5,3 и выше, марке для нитрации отпущено 5,2, у технического эта строка не нормирована. Между чистым веществом и высшей маркой остается одна десятая градуса, и каждая следующая десятая вниз выдает примеси, которые понижают температуру замерзания.
Лаборант охлаждает пробу в пробирке с термометром и смотрит, на какой отметке столбик перестает опускаться. Пробу отбирают из каждой цистерны, и средняя проба по стандарту составляет не меньше одного кубического дециметра.
Плотность и пределы перегонки
Плотность при 20 градусах у бензола высшей очистки лежит между 0,878 и 0,880 грамма на кубический сантиметр, у марок для синтеза и нитрации нижняя граница 0,877, у технического 0,875. Все пять марок легче воды. При встряхивании бензол собирается верхним слоем с резкой границей, поскольку с водой он практически не смешивается.
Пределы перегонки записаны через интервал, в который должно уложиться 95 процентов объема пробы. Высшей очистке отведено не больше полуградуса, у марок для синтеза интервал на одну десятую шире, для нитрации 0,7, технический бензол может растянуть перегонку на целый градус. В интервал любой марки обязана попадать температура кипения чистого бензола, 80,1 градуса.
Бромное число ноль целых шесть сотых
Бромное число стандарт измеряет в граммах брома на 100 кубических сантиметров бензола и нормирует только у двух марок: не больше 0,06 для нитрации и 0,4 у технического. Лаборант добавляет к пробе бром и считает, сколько его связалось. Шесть сотых грамма означают, что сам бензол бром не присоединяет, и весь связанный бром ушел на непредельные примеси. Бромная вода при встряхивании с бензолом желтой и остается.
Чтобы бром все же вошел в молекулу, нужен катализатор, бромид железа FeBr3, и тогда один атом водорода в кольце уходит, на его место встает бром, и вместе с бромбензолом из колбы выходит бромоводород. Хлор с хлоридом алюминия AlCl3 дает хлорбензол тем же способом, а галогеналкан с тем же катализатором ставит в кольцо алкильную группу, так из бензола и хлорметана выходит толуол. Алкены на кислотном катализаторе делают то же, этилен превращает бензол в этилбензол, пропен в кумол.
Присоединение к кольцу идет только силой. Водород присоединяется на никеле или платине при нагревании под давлением, и из бензола получается циклогексан. Хлор присоединяется без катализатора, но на свету, и получается гексахлорциклогексан C6H6Cl6. Перманганат калия с бензолом не реагирует вовсе, малиновый раствор при встряхивании с ним цвет не меняет.
Окраска серной кислоты и марка для нитрации
Строка об окраске серной кислоты задана номером шкалы. Высшей очистке и обеим маркам для синтеза отпущен номер 0,1, у марки для нитрации норма чуть мягче, 0,15, технический бензол имеет право окрашивать кислоту до четырех десятых. Лаборант смешивает пробу с концентрированной кислотой на холоде и сравнивает цвет кислотного слоя со шкалой. Чистый бензол концентрированную кислоту не окрашивает, цвет кислоте дают тиофен и непредельные примеси.
Тиофен и сероуглерод тянутся за бензолом из угля, и стандарт считает их отдельными строками. Сероуглерода в бензоле высшей очистки допускается не больше 0,00005 процента по массе, марке для нитрации отпущено 0,005, а у технического бензола в этой строке прочерк. Тиофена высшей очистке положено столько же, сколько сероуглерода, у марки для нитрации норма доходит до 0,02.
Марка для нитрации названа по своему назначению: из нее нитрующей смесью получают нитробензол. Нитрогруппа, войдя в кольцо, направляет следующий заместитель в мета-положение, так же ведут себя карбоксильная, сульфо- и альдегидная группы. Алкильные группы, гидроксил, аминогруппа и галогены отправляют новый заместитель в орто- и пара-положения, поэтому у толуола хлор с хлоридом железа встает рядом с метильной группой или напротив нее. Тот же хлор на свету кольцо не трогает и уходит в боковую цепь, получается хлористый бензил. Перманганат калия, который бензол оставлял малиновым, толуол при нагревании окисляет по метильной группе: в кислой среде до бензойной кислоты, в нейтральной до бензоата калия.
Коптящее пламя
Температура вспышки в закрытом тигле у бензола минус 11 градусов, поэтому хранят его в герметичных стальных резервуарах, обогреваемых и теплоизолированных, которые подключены к системе улавливания газов. Горит бензол коптящим пламенем, часть углерода вылетает из огня несгоревшей сажей: на шесть атомов углерода в молекуле приходится всего шесть атомов водорода, и кислорода на весь углерод в пламени не хватает. При полном сгорании в избытке кислорода из одного моля бензола выходит шесть молей углекислого газа и три моля воды, и это отношение, шесть к трем, единственное, что остается от молекулы после опыта. По объему углекислого газа и массе воды состав арена восстанавливают обратно, тем же путем идут и расчеты в задачах на вывод формулы.
| Тип | Реагенты | Условия | Продукт |
|---|---|---|---|
| Замещение | Бензол + Br₂ | FeBr₃ | Бромбензол + HBr |
| Замещение | Бензол + Cl₂ | AlCl₃ или FeCl₃ | Хлорбензол + HCl |
| Замещение | Бензол + HNO₃ | нитрующая смесь | Нитробензол + H₂O |
| Замещение | Бензол + CH₃Cl | AlCl₃ | Толуол + HCl |
| Замещение | Бензол + CH₂=CH₂ | H⁺, t | Этилбензол |
| Замещение | Бензол + CH₃CH=CH₂ | H⁺, t | Кумол (изопропилбензол) |
| Присоединение | Бензол + 3H₂ | Ni или Pt, t, p | Циклогексан |
| Присоединение | Бензол + 3Cl₂ | свет (hν) | Гексахлорциклогексан C₆H₆Cl₆ |
| Без реакции | Бензол + Br₂ (вода) | без катализатора | реакции нет, окраска сохраняется |
| Без реакции | Бензол + KMnO₄ | любая среда | реакции нет |
| Толуол, цепь | Толуол + Cl₂ | свет | Хлористый бензил C₆H₅CH₂Cl + HCl |
| Толуол, кольцо | Толуол + Cl₂ | FeCl₃ | орто- и пара-хлортолуол + HCl |
| Толуол, окисление | Толуол + KMnO₄ | H₂SO₄, t | Бензойная кислота C₆H₅COOH |
| Толуол, окисление | Толуол + KMnO₄ | H₂O, t | Бензоат калия C₆H₅COOK |
| Стирол, цепь | Стирол + Br₂ (вода) | без катализатора | (1,2-дибромэтил)бензол, окраска уходит |
| Получение | 3 C₂H₂ | C акт., 600 °C | Бензол |
| Получение | Циклогексан | Pt, 300 °C | Бензол + 3H₂ |
| Получение | Гексан | Pt, t | Бензол + 4H₂ (риформинг) |
| Получение | C₆H₅COONa + NaOH | сплавление | Бензол + Na₂CO₃ |
Условие над стрелкой определяет продукт: один и тот же хлор на свету идет в боковую цепь толуола, а с хлоридом железа в кольцо. В задании 32 уравнения засчитывают только со структурными формулами органических веществ.
Арены в экзаменационной работе 2027 года
Работа по химии по проекту ФИПИ повторяет прошлогоднюю: 34 задания, 56 первичных баллов, 210 минут. Арены разложены по шести заданиям. В задании 11 из перечня веществ выбирают гомологи или изомеры, за него дают 1 балл, столько же стоит задание 12 о свойствах углеводородов и кислородсодержащих соединений и задание 16 о генетической связи. Задание 14 на соответствие «вещество и продукт реакции» приносит 2 балла, в первой части по этой теме оно самое дорогое, две ошибки в парах обнуляют его, а во второй части цепочка превращений в задании 32 стоит 5 баллов и задача на вывод формулы в задании 33 еще 3 балла.
Задача 33 с ареном решается в три шага. Сначала из массовых долей, плотности паров или продуктов сгорания получают состав. Затем состав подставляют в общую формулу CnH2n-6, и молярная масса 106 граммов на моль дает восемь атомов углерода. Третьим шагом по второй части условия выбирают изомер: окисление перманганатом до двухосновной кислоты значит ксилол, терефталевая кислота значит пара-изомер.
Тренировочная цепочка, составленная для этой статьи, собирает тему в пять звеньев. Карбид кальция водой переводят в ацетилен, ацетилен над углем в бензол, бензол с этиленом в этилбензол, этилбензол дегидрированием в стирол, а стирол бромной водой в (1,2-дибромэтил)бензол. Уравнения в задании 32 засчитывают только со структурными формулами органических веществ.
Самая частая ошибка в работах, когда бром присоединяют к бензолу без катализатора и без света, а перманганат обесцвечивают бензолом. Среду при окислении толуола забывают, и тогда в кислом растворе появляется соль, а в нейтральном кислота. Дороже всего обходится задание 14, где пару продуктов хлорирования толуола записывают наоборот и за две ошибки получают 0 баллов, тогда как нитрогруппа, поставленная у толуола в мета-положение, стоит одного балла за пару в том же задании 14 или за звено в цепочке задания 32, где структурная формула с группой не на своем месте считается неверным уравнением. Среди изомеров C8H10 в перечне задания 11 обычно узнают два или три из четырех.
Лист пополам и четыре формулы от руки
Дома на арены разумно отвести два вечера по сорок минут. Первый вечер уходит на лист, сложенный пополам: слева выпускник выписывает реакции замещения, справа присоединения, и у каждой строки ставит условие. Во второй вечер толуол идет отдельно, на одной половине листа боковая цепь, на другой кольцо, а внизу от руки четыре изомера C8H10. Через три дня попросите перерисовать оба листа с закрытой тетрадью. Отчим, сдававший химию сам, в такой вечер нередко вставляет слово: «Я написал, что бензол бромную воду обесцвечивает, и до сих пор помню красную ручку».
Заявление на участие в ЕГЭ подают до 1 февраля, и к этому сроку арены разумно закрыть, потому что дальше фенол и ароматические кислоты опираются на кольцо. Если после двух вечеров реакции все еще путаются, стоит прийти на бесплатную первую встречу в classicum.ru, которая устроена как консультация с методистом. Занятия идут онлайн, в малых группах.
Куда двигаться дальше
Частые вопросы про арены и бензол
Чем стирол отличается от бензола в пробе с бромной водой и где это проверяют?
У стирола к кольцу пришита винильная группа с двойной связью, и бром присоединяется именно к ней, желтая окраска уходит, кольцо остается нетронутым. Бензол в той же пробирке цвет брома сохраняет. Различие проверяют в задании 14 среди пар «вещество и продукт» и в последнем звене цепочек задания 32.
Почему в задании 32 не засчитывают молекулярные формулы?
Запись C8H10 одинаково подходит этилбензолу и трем ксилолам, и по ней проверяющий не видит, какое вещество выпускник имел в виду. Структурная формула показывает положение заместителей и саму двойную связь в стироле. Без нее уравнение считают незаписанным, и балл за звено пропадает.
Засчитают ли мета-изомер при нитровании толуола?
Нет, метильная группа относится к ориентантам первого рода и направляет нитрогруппу в орто- и пара-положения. Мета-нитротолуол в ответе проверяющий отметит как ошибку в продукте. То же правило определяет продукты бромирования толуола с катализатором.
Откуда слово «бензин» и почему это не бензол?
Название «бензин» в 1834 году предложил Мичерлих для вещества, которое теперь известно как бензол, а Либих вскоре заменил его на «бензол». Позже слово «бензин» перешло на нефтяную фракцию, смесь углеводородов для двигателей. Бензол остается одним веществом с формулой C6H6, у бензина единой формулы нет.
