Урок № 39-40
Тема уроку: Хімічні властивості бензену: окиснення, приєднання, заміщення. Гомологи бензену. Взаємний вплив атомів у молекулі ( на прикладі толуену). Уявлення про орієнтацію замісників у бензеновому ядрі.
Мета уроку: формувати в учнів знання про хімічні властивості бензену та його похідних, про реакції приєднання й заміщення в бензольному кільці; ознайомити учнів з головними способами одержання бензену, використанням бензену та його похідних; сформувати уявлення про гомологи бензену; розглянути причинно-наслідкову залежність між складом, будовою та властивостями бензену та його гомологами; розвивати вміння складати структурні формули, на основі будови молекули передбачати властивості речовин; вміння складати хімічні рівняння на прикладі властивостей бензену; прогнозувати, висловлювати припущення, наводити аргументи й докази, працювати в групах і за комп’ютерами; виховувати прагнення до підвищення особистих знань, розвивати нестандартне мислення, показати значимість хімічних знань для сучасної людини, сприяти формуванню особистісних якостей: толерантність, упевненість у своїх знаннях, уміння зосереджуватись,формувати предметну та екологічну компетентності.
Унаочнення: ПСХЕ,підручник
ХІД УРОКУ
ММ№1 ЗП
I. Організація класу
II. Актуалізація опорних знань.
Мотивація навчальної діяльності
1. Відповіді учнів біля дошки
♦ Які фізичні властивості мають бензен та його гомологи?
♦ Поясніть, як впливатиме на властивості аренів наявність бензольного кільця.
♦ . Складіть рівняння реакцій узаємодії з хлором бензену і пропану (на світлі). Поясніть, у чому відмінність цих реакцій. Зробіть висновок. Обговорення результатів завдань. Відмінність у тому, що реакція а) — приєднання, б) — заміщення.
Запишіть рівняння горіння бензену:
C6H6 + 7,5O2 6CO2 + 3H2O + Q (кіптяве полум’я)
III. Вивчення нового матеріалу
ХІМІЧНІ ВЛАСТИВОСТІ АРЕНІВ
Бензольне ядро має високу міцність, чим і пояснюється схильність ароматичних вуглеводнів до реакцій заміщення. На відміну від алканів, які також схильні до реакцій заміщення, ароматичні вуглеводні характеризуються більшою рухливістю атомів Гідрогену в ядрі, тому реакції галогенування, нітрування, сульфірування та інші відбуваються у значно більш м’яких умовах, ніж в алканів.
Електрофільне заміщення в бензені
Незважаючи на те що бензен за складом є ненасиченою сполукою, для нього не характерні реакції приєднання. Типовими реакціями бензольного кільця є реакції заміщення атомів Гідрогену — реакції електрофільного заміщення.
Розглянемо приклади найбільш характерних реакцій цього типу.
Галогенування
Під час узаємодії бензену з галогеном (у цьому випадку — з хлором) атом Гідрогену ядра заміщається галогеном:
Реакції галогенування здійснюються в присутності каталізатора; як такий найчастіше використовують хлориди Алюмінію або Феруму.
Нітрування
У разі дії на бензен нітрувальної суміші атом Гідрогену заміщається нітрогрупою (нітрувальна суміш — це суміш концентрованих нітратної та сульфатної кислот у співвідношенні 1:2 відповідно).
Сульфатна кислота в цій реакції відіграє роль каталізатора й засобу, що відщеплює воду.
Алкілування (реакція Фріделя — Крафтса)
У процесі дії на бензен алкілгалогенідів у присутності каталізатора (алюміній хлориду) відбувається заміщення алкілом атома Гідрогену бензольного ядра.
Слід відзначити, що реакція алкілування є загальним способом одержання гомологів бензену — алкілбензенів.
Незважаючи на схильність бензену до реакцій заміщення, він у жорстких умовах вступає також у реакції приєднання.
Гідрування
Приєднання водню здійснюється виключно в присутності каталізаторів і за підвищеної температури. Бензен гідрується з утворенням циклогексану, а похідні бензену дають похідні циклогексану.
На сонячному світлі під впливом ультрафіолетового випромінювання бензен приєднує хлор і бром з утворенням гексагалогенідів, які внаслідок нагрівання втрачають три молекули галогеноводню й утворюють тригалогенбензени.
Завдання. Запишіть рівняння бромування бензену.
Окиснення
Бензольне ядро є більш стійким до окиснення, ніж алкани. Навіть калій перманганат, нітратна кислота, гідроген пероксид за звичайних умов на бензен не діють. У разі ж дії окисників на гомологи бензену найближчий до ядра атом Карбону бічного ланцюга окислюється до карбоксильної групи й утворює ароматичну кислоту.
За наявності в бензольному кільці кількох замісників можна окислити послідовно всі наявні ланцюги. Ця реакція застосовується для визначення будови ароматичних вуглеводнів.
Застосування
Ароматичні вуглеводні є важливою сировиною для виробництва різних синтетичних матеріалів, барвників, фізіологічно активних речовин. Так, бензен є продуктом для одержання барвників, медикаментів, засобів захисту рослин та ін. Толуен використовується як сировина у виробництві вибухових речовин, фармацевтичних препаратів, а також як розчинник. Вінілбензен (стирол) застосовується для одержання полімерного матеріалу — полістиролу.
ММ№2 ЗП
Гомологи можна розглядати як похідні бензену, в якому один або декілька атомів Гідрогену заміщені різними вуглеводневими радикалами.
Ізомерія та номенклатура.
Ізомерія в ряду гомологів бензену зумовлена як структурними відмінностями будь-якого бічного відгалуження (наприклад ізопропілбензен та пропілбензен), так і взаємним розташуванням замісників у ядрі (наприклад: орто-, мета-, та пара-положення).
Розрізняють три види номенклатур: тривіальна, раціональна, систематична. За систематичною IUPAC номенклатурою нумерація замісників у ядрі змінюється в порядку старшості і в такому напрямку, щоб замісники, що є в бензеновому кільці, набули найменші номери (правило локантів).
Залишки похідних аренів матимуть такі назви:
10.2.4. Методи добування бензену та його гомологів.
1. У промислових масштабах бензен та його гомологи виділяють із нафти, збагаченої аренами, шляхом простої перегонки; із нафти, збагаченої аліфатичними вуглеводнями, – шляхом ароматизації, риформінгу, платформінгу та іншими способами.
2. Синтез бензену із ацетилену (М. Зелінський, Казанський):
3. Дегідрування циклогексану:
4. Гомологи бензену можна синтезувати за реакцією Вюрца-Фіттіга, (1864 р.) – взаємодією суміші ароматичних та аліфатичних галогенопохідних з натрієм:
5. Реакція Фріделя-Крафтса (1871 р.), яка полягає у дії аліфатичних галогенопохідних на бензен у присутності каталізаторів – галогенідів перехідних M (AlCl3, FeBr3, CrI3, SnCl4, ZnCl2 безводні):
6. Алкілювання бензену алкенами:
Толуен, або толуол, перший гомолог бензену, — це безбарвна летка рідина з різким запахом, легко спалахує, має слабку наркотичну дію. Належить до третього класу небезпеки і входить до складу нафти. Толуен є сировиною для одержання вибухової речовини тринітротолуену. У результаті застосування фарб та розчинників концентрація то- луену в повітрі будівель може перевищувати його концентрацію в атмосфері. Цей вуглеводень — канцерогенна речовина, що викликає головний біль, сп’яніння, нудоту, блювоту, погіршує зір, подразнює шкіру та очі. Пари толуену діють наркотично. Також під впливом толуену відбуваються розлад рівноваги, втрата свідомості, функціональні порушення центральної нервової системи. Викликає аномалії розвитку плода і провокує патології вагітності. Толуен виділяють під час видобутку та виробництва нафтопродуктів, лаків і фарб, а також виділяють цю канцерогенну речовину бензоколонки й добавки до пестицидів. Джерелами толуену у квартирних та офісних умовах є копіювальні апарати, лазерні принтери, клеючі матеріали, герметики, килимові покриття, шпалери, лакофарбові матеріали, розчинники фарб, деякі клеї, розчинники для зняття лаку нігтів.
Зміна забарвлення розчину в першому випадку (знебарвлення) говорить про здатність толуену до окиснення, чого немає в бензену. Чим викликана ця відмінність властивостей? Учні відзначають, що причина в будові, а саме у відмінності в метильний радикал, який є в толуені. Сам бензен стійкий до окиснення, отже, у толуені окиснюється не бензенове кільце, а метильний радикал. Але метан, як і бензен, стійкий до дії калій перманганату. Чому група атомів CH3 − була стійкою в метані, а в толуені набула здатності до окиснення? Виявляється, відповідно до засад теорії хімічної будови О. М. Бутлерова, групи атомів впливають один на одного. Бензенове ядро полегшує окисну здатність метильної групи. Розглянемо вплив метилу на бензенове ядро. Будучи донором електронної густини, метильна група в толуені збільшує електронну густину в орто- і па- ра-положеннях бензенового ядра. У результаті впливу CH3 -групи на фенільний радикал толуен нітрується легше, ніж бензен. Атоми Гідрогену в бензеновому ядрі більш рухливі в орто- й пара-положеннях. Наводимо рівняння реакції, даємо назву утвореному продукту (2,4,6-тринітротолуен), порівнюємо продукти нітрування бензену й толуену.
Вплив орієнтантів на реакцію заміщення в бензеновому ядрі (кільці)
Заміщення Гідрогену в бензеновому кільці призводить до утворення різних похідних бензену. Електронна густина в молекулі бензену розподілена рівномірно, будь-яка група, сполучена з бензеновим кільцем, порушує цю однаковість. Електронодонори збільшують електронну густину на кільці, а електроноакцептори — зменшують. Місце вступу другого замісника, визначається природою вже існуючого. Усі замісники-орієнтанти за характером дії діляться на такі види: Орієнтанти I роду (електронодонори) –OH, −NH2, –Hal, R– ( −CH3, −C2H 5 тощо), спрямовують замісник у орто- і пара-положення кільця і прискорюють реакцію заміщення порівняно з бензеном.
1. Застосування бензену та його гомологів.
• Отрутохімікати.• Розчинники.• Вибухові речовини.• Добавки до пального.
• Органічний синтез, наприклад, одержання аніліну, фенолу, стиролу й полістиролу, лікарських препаратів.
ММ№3 АП
Первинне застосування одержаних знань
Тестування
Варіант I
1. Загальна формула ароматичних вуглеводнів:
1) C n H 2n-2; 2) C n H 2n-6; 3) C n H 2n; 4) C H n 2n+2.
2. Бензену не властиві:
1) рідкий агрегатний стан 2) характерний запах;3) температура кипіння 80,1С; 4) добра розчинність у воді.
3. Відстань між атомами Карбону в бензені скорочується за рахунок:
1) циклічної будови молекули;2) розташування гібридних орбіталей у одній
площині;3) впливу -електронної хмари;4) рівномірного розподілу електронної густини.
4. Речовини із загальною формулою C H n 2n-6 належать до класу:
1) алканів;2) алкенів;3) алкінів;4) аренів.
5. У молекулі бензену шість атомів Карбону утворюють:
1) правильний шестикутник;2) неправильний шестикутник;3) трикутник з бічними відгалуженнями;4) квадрат з бічними відгалуженнями.
6. Стан гібридизації атомів Карбону в молекулі бензену:
1) sp; 2) sp2; 3) sp3; 4) sp і sp2.
7. Під час хлорування бензену на світлі утворюється:
1) хлорбензен; 2) 1,2,3-трихлорбензен; 3) бромбензен; 4) гексахлорциклогексан.
8. У результаті взаємодії бензену з бромом у присутності каталізатора FeBr3 утворюється:
1) бромбензен, 2) гексабромциклогексан; 3) 1,3,5-трибромбензен; 4) 1,2-дибромбензен.
9. Бензен, як і ненасичені вуглеводні, вступає в реакції:
1) полімеризації; 2) гідрогалогенування; 3) окиснення розчином калій перманганату;
4) гідрування.
Варіант II
1. Ароматичні вуглеводні інакше називають:
1) бензоловими; 2) пахучими; 3) аренами;
4) цикловуглеводнями.
2. Будова молекули бензену 1865 р. запропонував учений:
1) А. Кекуле; 2) М. Зелінський; 3) А. Вюрц; 4) А. Зайцев.
3. Бензен горить:1) яскравим полум’ям; 2) жовтуватим полум’ям; 3) виділяючи мало кіптяви; 4) виділяючи багато кіптяви.
4. Хімічний зв’язок у бензені називають:1) одинарний;2) подвійний;3) потрійний;4) ароматичний.
5. Вкажіть формулу ароматичного вуглеводню: 1) C2H6; 2) C8H16 ; 3)C12H26; 4) C7H8.
6. Речовина C6H5C2H5 − має ізомерів:1) 2; 2) 4; 3) 5; 4) 3.
7. Продуктом окиснення толуену калій перманганатом є:
1) бензиловий спирт;2) бензойна кислота;3) бензен;4) о-ксилен.
8. У результаті реакції нітрування толуену утворюється:
1) 2,3,4-тринітротолуен;2) 2,3-динітротолуен;3) 3-нітротолуен;4) 2,4,6-тринітротолуен.
Варіант III
1. Ароматичне кільце міститься в молекулі:
1) гексану;2) циклогексану;3) гексену;4) 1,4-диметилбензену.
2. Гомологами є:
1) C 3H 4 і C4H8; 2) C 6H6 і C 7H8; 3) C H 6 6 і C H 7 12 ; 4) C H 2 2 і C H 6 6.
3. Цикл є в молекулі: 1) бутану;2) пентану;3) ацетилену;4) бензену.
4. Речовина 1,3-диметилбензен має іншу назву:
1) пара-ксилол;2) крезол;3) мета-ксилол;4) орто-ксилол.
5. Число -зв’язків у молекулі бензену дорівнює:1) 12; 2) 18; 3) 6; 4) 24.
6. Кожен атом Карбону в молекулі бензену перебуває в стані:
1) порушення;2) динамічної рівноваги;3) самополяризації;4) sp2 -гібридизації.
7. Як можна відрізнити толуен від бензену?
1) За кольором полум’я;2) за розчинністю у воді;3) за дією бромної води;4) за дією розчину калій перманганату.
8. Продукт реакції нітрування бензену:1) 1,4-динітробензен;2) нітробензен;3) 1,3,5-тринітробензен;4) суміш нітробензену і хлорбензену.
9. Характерні властивості бензену:1) безбарвний газ;2) з різким запахом;3) практично не розчиняється у воді;4) горить безбарвним полум’ям;5) вступає в реакції заміщення;6) вступає в реакції приєднання;7) легко окиснюється;8) легко полімеризується. Які з наведених властивостей відповідають дійсності? 1) усі; 2) 3, 4, 5, 8; 3) 2, 4, 5, 6; 4) 2, 3, 5, 6.
Варіант IV
1. Атоми Карбону в sp2 -гібридному стані містяться в молекулі:
1) аренів;2) алкінів;3) циклоалканів;4) алканів.
2. Визначте вуглеводень, що випав з ряду:1) C 7 H8; 2) C 6H 6; 3) C 8H10 ; 4) C5 H 4.
3. У молекулі бензену атоми Карбону пов’язані:
1) трьома простими і трьома подвійними зв’язками;2) шістьма -зв’язками;3) шістьма - і шістьма -зв’язками;4) шістьма -зв’язками і єдиною системою ізшести -електронів.
4. Гібридні орбіталі в бензені розташовані під кутом: 1) 10928; 2) 120; 3) 180; 4) 90.
5. Відстань між ядрами атомів Карбону в бензені:1) 0,120 нм; 2) 0,140 нм;3) 0,134 нм; 4) 0,154 нм.
6. Бензен, як і насичені вуглеводні, вступає в реакції:
1) гідрування;2) заміщення водню на галоген;3) ізомеризації;4) приєднання галогену.
9. Під час тримеризації метилацетилену утворюється:
1) бензен;2) толуен;3) 1,3,5-тринітробензен;4) 1,2,3-тринітробензен.
2. Складіть формули гомологів бензену складу C8H10 і назвіть їх.
3. Порівняйте будову й фізичні властивості етену, етину й бензену.
Оцінювання роботи учнів на уроці.
V. Підбиття підсумків уроку
Оцінювання роботи учнів на уроці.
VI. Домашнє завдання
Опрацювати матеріал параграфа, відповісти на запитання до нього, виконати вправи.