Будова молекули бензену

Молекула бензену складається з шести атомів Карбону і шести атомів Гідрогену. Довгий час залишалися невідомими хімічна природа і будова молекули бензену.

Як дуже ненасичена сполука (С₆Н₆) порівняно з С₆Н₁₄, він проявляє властивості насичених вуглеводнів:

· не знебарвлює бромну воду і розчин калійперманганату;

· при певних умовах вступає в реакції заміщення.

Було встановлено, що однозаміщені С₆Н₅Х не мають ізомерів, що свідчить про рівноцінність всіх атомів Гідрогену та Карбону. Вперше формулу будови бензену було запропоновано в 1865 р. німецьким хіміком Августом Кекуле.

Для встановлення порядку хімічних зв’язків, що відповідають цій формулі, пропонувалося кілька десятків структурних формул, наприклад:

Структура Структура Структура Структура Структура

Ладенбурга Дюара Амстронга– Клауса Тіле

Байєра

Структура Кекуле

З усіх наведених формул дійсно відповідають реальній будові молекули C₆H₆ і найкраще її описують дві останні формули. Кожна з них має свої переваги і недоліки.

Молекула C₆H₆ є плоским шестикутником, у вершинах якого знаходяться атоми Карбону в стані sp²-гібридизації (що зумовлює плоску будову молекули).

Кожен з атомів Карбону за рахунок своїх sp²-гібридних орбіталей сполучається з двома сусідніми атомами Карбону в циклі, а також із атомом Гідрогену, негібридизовані р -орбіталі від кожного з шести атомів Карбону зорієнтовані перпендикулярно площині шестикутника; таким чином, у площині шестикутника утворюються σ-зв’язки, а над і під площиною кільця негібридизовані р -орбіталі перетинаються за принципом утворювання
π-зв’язків, але вони при цьому утворюються не з окремих π-зв’язків (перетинаються не попарно), а утворюють суцільну π-електронну циклічну хмарину, що характеризуються зі стереометрії як тор (бублик), тобто над і під площиною кільця молекули C₆H₆ знаходяться дві тороїдальні хмарини π-електронної густини.

Будову системи σ-зв’язки та π-зв’язків у молекулі бензену можна відобразити такими схемами׃

Вигляд збоку Вигляд зверху

У вказаній π-електронній системі молекули бензену електронна густина розподілена абсолютно рівномірно між усіма атомами Карбону, а кожен
р- електрон не «прив’язаний» жорсткодо «свого» карбонового атома, а знаходиться у сумісному користуванні всіх шести атомів Карбону.

Такий розподіл (урівномірнений, урівноважений) між кількома атомами Карбону називається делокалізацією електронної густини. В такій системі, що формально складається з чергованих подвійних і простих зв’язків, довжина яких відповідно (0,134 нм) і (0,154 нм), в дійсності відбувається кон’югація зв’язків (зчеплення й усереднення), довжина утвореного зв’язку 0,141 нм. При утворенні кон’югованої системи виділяється певна порція енергії порівняно з сумою енергій простих і подвійних зв’язків, що відповідають формулам Кекуле. Ця різниця (163 кДж/моль) між ефективною сумою енергій простих (3·338,6 кДж/моль) і подвійних (3·610,3 кДж/моль) зв’язків та реальною вивіреною енергією молекул називається статичним ефектом кон’югації і характеризує стабільність молекули бензену. Чим більша енергія виділяється при утворенні такої структури, тим стабільніша сама структура, а ця стабільність визначає і хімічні властивості бензену. На прикладі бензену, його гомологів та інших груп ароматичних сполук, було зроблено узагальнення залежності ароматичних властивостей від будови молекули; це узагальнення включаєтакі умови׃

– плоска будова молекули;

– наявність в ній циклічної кон’югованої системи, яка має особливий вид зв’язку (ароматичний), довжина якого 0,141 нм;

– відповідність кількості негібридизованих р -електронів в цій системі правилу Хюкеля — N = 4n+2.

Дата добавления: 2015-05-24