Цель работы: познакомиться с лабораторным способом получения бензола. Изучить некоторые физические и химические свойства бензола и его гомологов. Сравнить реакционную способность бензола и толуола. Познакомиться со свойствами полиядерных ароматических соединений на примере нафталина.
Реактивы и материалы: бензол (марки «хч»); специально очищенные толуол, ксилол, нафталин, хлорбензол, хлористый бензил; концентрированные кислоты: азотная, соляная; 10%-ный раствор брома в четыреххлористом углероде; бромная вода; 1%-ный раствор перманганата калия; 0,2 н раствор нитрата серебра; натронная известь; восстановленное железо; лед или снег; синяя лакмусовая бумага.
Оборудование: газоотводная трубка, набор пробирок, фарфоровая чашечка, три стакана объемом 100 мл, спиртовка.
Опыт 1. Получение бензола из бензойной кислоты. Изучение свойств бензола
В ступке готовят тонко измельченную смесь из 2 г бензойной кислоты и 4 г натронной извести. Полученную смесь пересыпают в пробирку и закрывают пробкой с газоотводной трубкой. Конец газоотводной трубки опускают в сухую пробирку, охлаждаемую водой со льдом (или снегом). Пробирку со смесью тщательно прогревают в пламени спиртовки до образования прозрачного раствора. При дальнейшем нагревании в приемной пробирке образуется бензол, который обычно кристаллизуется. Он имеет характерный запах. К исходной смеси добавляют 1-2 капли концентрированной соляной кислоты. Опишите наблюдаемые явления. Полученный бензол разделяют на три пробирки. В первую добавляют 1 мл воды, во вторую - 1 мл этанола, в третью - 1 мл диэтилового эфира. Взбалтывают содержимое пробирок и наблюдают растворимость в данных растворителях. Помещают в фарфоровую чашечку одну каплю бензола и поджигают его. (Опыт проводят в вытяжном шкафу!)
В две пробирки наливают по 0,5 мл очищенного бензола. В первую добавляют 1 мл бромной воды, во вторую - 1 мл раствора перманганата калия и одну каплю раствора серной кислоты, смеси энергично встряхивают и дают отстояться. (Опыт проводят в вытяжном шкафу!)
Вопросы и задания
Напишите уравнение реакции получения бензола.
Какое агрегатное состояние имеет бензол? Сделайте вывод о растворимости бензола в воде и органических растворителях.
Опишите наблюдаемое явление при взаимодействии с соляной кислотой продуктов реакции в пробирке, в которой получали бензол. Напишите уравнение реакции.
Составьте уравнение горения бензола на воздухе. Отметьте характер горения и сравните с горением метана.
Сделайте вывод о растворимости брома в воде и бензоле. С чем можно сравнить химическое отношение бензола к брому - с алканами или с алкенами?
Происходит ли на холоде реакция бензола с раствором перманганата калия? Объясните разное отношение к окислителям ациклических и ароматических углеводородов.
Опыт 2. Сульфирование ароматических соединений
В две пробирки помещают по три капли бензола и толуола, в третью - несколько кристаллов нафталина. В каждую пробирку приливают по 4-5 капель концентрированной серной кислоты и нагревают на кипящей водяной бане при постоянном встряхивании. Нафталин частично возгоняется и кристаллизуется на стенках пробирки выше уровня жидкости, его необходимо повторно расплавить, прогревая всю пробирку. Для каждого углеводорода отмечают время, необходимое для получения однородного раствора. После этого пробирки охлаждают в холодной воде и добавляют в них по 0,5 мл воды. Если сульфирование прошло полностью, образуется прозрачный раствор, так как сульфо- кислоты хорошо растворимы в воде.
Вопросы и задания
Напишите уравнения сульфирования аренов. Какие производные получаются? В какое положение идет замещение на сульфогруп- пу в толуоле и нафталине?
Расположите в ряд по увеличению реакционной способности в реакции сульфирования бензол, толуол и нафталин.
Почему сульфопроизводные аренов растворимы в воде? По какому признаку можно судить о полном сульфировании продуктов?
Опыт 3. Нитрование бензола и толуола
В плоскодонной колбочке (или стакане) осторожно при охлаждении в холодной бане смешивают 2 мл концентрированной азотной кислоты с 3 мл концентрированной серной кислоты. {Опыт проводят в вытяжном шкафу!) Охлажденную смесь делят на две пробирки и постепенно отдельными каплями добавляют по 1,5 мл в одну бензол, в другую - толуол, постоянно встряхивая. При этом следят, чтобы температура реакционной смеси не превышала 50-60 °С. После добавления арена смесь встряхивают 3-5 минут и выливают в стаканчик, содержащий 20 мл воды. Нитросоединения оседают в виде тяжелых маслянистых капель и имеют характерный запах. Нитросоединения ядовиты, поэтому после опыта их необходимо слить в специальные склянки.
Вопросы и задания
Напишите уравнения нитрования аренов и назовите продукты реакций. В какое положение идет замещение на нитрогруппу в толуоле?
Сравните время образования нитропроизводных бензола и толуола и отметьте их цвет.
Опыт 4. Нитрование нафталина
В пробирку с 0,3 г нафталина добавляют 2 мл концентрированной азотной кислоты (р = 1,4 г/см). Смесь размешивают стеклянной палочкой и нагревают пять минут на кипящей водяной бане. Далее горячий раствор выливают в стакан с холодной водой. При охлаждении нитронафталин кристаллизуется.
Вопросы и задания
Напишите уравнение нитрования нафталина. В какое положение идет замещение на нитрогруппу в нафталине? Отметьте цвет полученного продукта.
Опыт 5. Бромирование бензола, толуола и нафталина
В три сухие пробирки помещают по 1 мл бензола, толуола и 0,1 г нафталина. (Опыт проводят в вытяжном шкафу!) В каждую пробирку добавляют по 1 мл раствора брома в четыреххлористом углероде. Пробирки осторожно нагревают в пламени спиртовки до слабого кипения. После охлаждения в пробирку с бензолом добавляют несколько крупинок порошка восстановленного железа и снова осторожно подогревают смесь 2-3 минуты. Затем содержимое пробирки выливают в пробирку с 2 мл воды. Аналогично проводят опыт и с толуолом.
Вопросы и задания
Возможно ли протекание реакции бензола, толуола и нафталина с раствором брома в четыреххлористом углероде? Напишите уравнения соответствующих реакций.
Зачем добавляют восстановленное железо? Сделайте выводы о бромировании аренов с присутствием железа и без него. Какой из них бромируется легче, почему? Напишите уравнения бромирования бензола и толуола в присутствии железа и без него. Сравните химическое отношение бензола к брому с алканами или алкенами.
Опыт 6. Окисление гомологов бензола
В две пробирки наливают по 0,5 мл толуола и о-ксилола. В каждую пробирку добавляют равное количество раствора перманганата калия, подкисленного каплей раствора серной кислоты. Содержимое пробирок встряхивают в течение двух минут.
Вопросы и задания
Опишите наблюдаемые явления и составьте уравнения окисления гомологов бензола. Какие продукты образуются в результате реакций?
Оцените способность к окислению в ряду аренов: бензол, толуол, о -ксилол.
Опыт 7. Изучение подвижности галогена в бензольном ядре и боковой цепи
В две пробирки помещают по 0,5 мл хлорбензола и хлористого бензила, добавляют пятикратное количество воды и нагревают до кипения. К горячим растворам приливают по капле раствора нитрата серебра.
Вопросы и задания
Объясните наблюдаемые явления.
Напишите уравнения реакции с нитратом серебра.
В общем выводе о работе ответьте на следующие вопросы.
Какова реакционная способность аренов в реакциях замещения и присоединения по сравнению с алканами, алкенами, алкинами? Какие реакции наиболее характерны для аренов?
Сравните реакционную способность нафталина и бензола в реакциях электрофильного замещения.
Сделайте вывод об отношении бензола и его гомологов к окислителям.
