Ароматичні вуглеводні з конденсованими бензольними ядрами, їхня класифікація

Урок 77. Ароматичні вуглеводні з конденсованими бензольними ядрами, їхня класифікація

---

Мета уроку: з’ясувати сутність конденсованих ароматичних систем, їхню структуру та класифікацію, навести приклади поліциклічних ароматичних вуглеводнів – нафталін, антрацен, фенантрен, показати залежність хімічних властивостей від будови конденсованої системи.

Очікувані результати для вчителя:

Очікувані результати для учнівства:

Ключові слова

• ароматичні вуглеводні
• конденсовані системи
• спряження
• реакції заміщення, приєднання та окиснення

План уроку

1. Мотивація (4 хв.).
2. Конденсовані ароматичні системи (10 хв.).
3. Хімічні властивості конденсованих ароматичних вуглеводнів (13 хв.)
4. Практикуємось (15 хв.).
5. Рефлексія (3 хв.)

---

Дружня порада для вчителя

Тривалість: 4 хв.

• Чому ароматичні вуглеводні часто мають характерний запах?
• Як пояснити невисоу хімічну активність бензену?
• Чому довжини зв’язків між атомами Карбону в бензеновому ядрі відрізняються від довжин простого С-С та подвійного С=С зв’язків?

Пригаймо, що згідно із сучасними уявленнями молекула бензену – плоский правильний шестикутник, на вершинах якого розміщуються атоми Карбону, електронні орбіталі якого зазнають sp²-гібридизації, а тому кут між осями цих орбіталей становить 120°. Довжина всіх С–С-зв’язків однакова та є проміжною між довжинами простих (близько 154 пм) і подвійних (близько 134 пм) зв’язків.

Незважаючи на ненасиченість зв’язків, структура ароматичних сполук виявляє дуже високу стабільність. Ця властивість – ароматичністю – є результатом утворення спряженої π-електронної системи, в якій електронна густина рівномірно розподілена між усіма атомами Карбону. Завдяки цьому двожини зв’язків між атомами Карбону «вирівнюються» та становлять 139 пм, що є проміжним між довжинами простих та подвійних зв’язків. Саме утворенням єдиної ароматичної π-системи і пояснюється певна хімічна інертність – більша стабільність молекули бензену.

---

Дружня порада для вчителя

Тривалість: 10 хв.

Існують ароматичні вуглеводні, у молекулах яких містяться два або більше бензенових ядра, що мають спільні атоми Карбону. Такі вуглеводні називають конденсованими.

Джерело: мережа Інтернет

Завдання 1. Нафтален – біла летка кристалічна речовина із характерним запахом, що використовують як інсектицид. Під час нагрівання нафтален легко плавиться (Т_пл. = 80,3 °С) і навіть сублімується. Розгляньте формулу та світлину, на якій зображено нафтален. Дайте відповіді на питання. 

• Яка молекулярна формула нафталену?
• Чи є нафтален ароматичним вуглеводнем? Чому?
• Як застосовують нафтален у побуті?
• Про які особливості будови кристалічного стану нафталену свідчать його фізичні властивості?

____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

У молекулі нафталену, як і в молекулі бензену, атоми Карбону перебувають у sp²-гібридному стані. За рахунок перекривання – спряження – негібридизованих р-орбіталей утворюється єдина ароматична π-електронна система:

Проте в молекулі нафтену на відміну від бензену не всі зв’язки між атомами Карбону є однаковими: зв’язки С₁-С₂ – коротші (близько 0,136 нм), а С₂-С₃ – довші (0,142 нм) порівняно із молекулою бензену:

Різні довжини зв’язків свідчать про нерівномірний розподіл π-електронної густини поблизу атомів Карбону нафталенової системи: на α-атомах Карбону вона вища, аніж на β-атомах. Така нерівномірність порушує стабільність молекули, а тому нафтален активніший у хімічних реакціях порівняно з бензеном.

Ароматичні вуглеводні із конденсованими бензеновими ядрами класифікують за різними ознаками:

1. За кількістю бензенових ядер:

• дициклічні (або біциклічні):______________________________________________________________________________________________________________ ;
• трициклічні:______________________________________________________________________________________________________________ ;
• поліциклічні______________________________________________________________________________________________________________ .

2. За характером конденсації:

• лінійні:______________________________________________________________________________________________________________ ;
• кутові:______________________________________________________________________________________________________________ ;
• тощо.

Завдання 2. Серед наведених нижче структурних формул знайдіть приклади кожного із загаданих вище типів конденсованих ароматичних систем за кількістю бензенових ядер та за характером конденсації. Наведіть їхні назви у відповідних рядках

---

Дружня порада для вчителя

Тривалість: до 10 хв.

Особливості електронної будови молекул нафталену зумовлюють його більшу хімічну активність, а тому він легше вступає в реакції окиснення, приєднання (гідрогенування або відновлення) та заміщення.

Як і для молекули бензену, галогенування нафталену в умовах реакції електрофільного заміщення відбувається у присутності каталізатора: ферум(3+) хлориду, алюміній броміду тощо. Але у результаті нерівномірного розподілу електронної густини таке заміщення відбувається переважно в α-положення:

При нітруванні нітрувальною сумішшю – суміш 100 %-ої нітратної кислоти та концентрованої сульфатної кислоти – відносний вихід α-нітронафталену становить не менше 95 %:

Завдання 3. В умовах реакції сульфування за температури 80 °С утворюється α-нафталенсульфокислота, яка при підвищенні температури до 160 °С ізомеризується, перетворюючись у β-ізомер. Складіть рівняння реакції сульфування за різних температур. Висловіть припущення щодо причин ізомеризації α-нафталенсульфокислоти при нагріванні.

Унаслідок меншої стабільності молекули нафталену порівняно з бензеном, нафтален легше, аніж бензен, вступає в реакції приєднання. Гідрогенування відбувається на поверхні нікелевого каталізатора уже за температури 200 °С:

Завдання 4. Складіть рівняння реакції повного гідрогенування нафталену з утворенням декаліну С₁₀H₁₈. Складіть структурну формулу продукту реакції. Пригадайте значення слів «тетра» і «дека» у назва продуктах гідрогенування – тетралін і декалін відповідно – та поясніть їхнє походження.

Окиснення нафталену ванадій(V) оксидом супроводжується руйнуванням одного бензенового ядра з утворенням фталевого ангідриду, який знаходить широке застосування у виробництві барвників (наприклад, фенолфталеїн), лікарських засобів (наприклад, фталазол) тощо:

Завдання 5. Складіть рівняння реакції окиснення антрацену у присутності ванадій(V) оксиду. Врахуйте, що результатом такої реакції є руйнування двох бензенових ядер, а молекулярна формула продукту реакції – С₁₀H₂O₆

---

Дружня порада для вчителя

Тривалість: 15 хв.

4. 1. У 1819 році із кам’яновугільної смоли був виділений вуглеводень, будову молекули якої вдалося встановити лише за 49 років німецьким хіміком Карлом Гребе (у 1868 році). Сьогодні сферою застосування цього вуглеводню є використання у виробництві різноманітних барвників, лікарських засобів тощо.

Продукти повного окиснення вуглеводню кількістю речовини 0,05 моль – карбон(IV) оксид та вода. Їх послідовно пропустили крізь дві склянки: першу – з фосфор(V) оксидом, другу – з концентрованим розчином лугу. Унаслідок повного поглинання продуктів згоряння вуглеводню маси склянок збільшилися: першої – на 3,6 г, а другої – на 22,0 г.

4. 1.1. Виведіть молекулярну формулу вуглеводню.

4. 1.2. Розрахуйте тепловий ефект реакції згоряння (кДж/моль) цього вуглеводню, якщо при повному окисненні його кількістю речовини 0,05 моль виділяється 257,5 кДж теплоти.

4. 2. Широкого застосування у будівництві в якості суперпластифікатора бетону знаходить α-нафталенсульфокислота та деякі її похідні. Ця ароматична сульфокислота може бути отримана у процесі сульфування нафталену концентрованою сульфатною кислотою за температури 80 °С. Обчисліть відносний вихід продукту реакції (%), якщо при сульфуванні 12,8 г нафталену було одержано 17,68 г α-нафталенсульфокислоти.

---

Дружня порада для вчителя

Тривалість: до 3 хв.

Вправа «3-2-1».

Учням пропонується висловитися по темі

• 3 факти / терміни / поняття, які сьогодні дізналися;
• 2 навички, які протягом заняття вдалося сформувати або навчитися;
• 1 питання, яке залишилось та потребує глибшого вивчення.

---

1. Викресліть у наведеному нижче тексті слова, що не стосуються нафталену.

«Нафтален, як бензен, антрацен та фенантрен, належить до багатоядерних насичених ароматичних сполук. Вступає в реакції повного та часткового окиснення, заміщення – з хлором та натрієм, приєднання – з воднем та етеном. Використовують у побуті для приваблювання молі, .в органічному синтезі. У промисловості нафтален добувають у результаті переробки кам’яного вугілля й перегонки нафти.»

2. При гідрогенуванні 6,4 г нафталену на нікелевому каталізаторі за температури 200 °С було одержано 5,94 г тетраліну. Обчисліть відносний вихід продукту реакції (%).

Урок 77. Ароматичні вуглеводні з конденсованими бензольними ядрами, їхня класифікація

Робочий аркуш учнівства

---

Мета уроку: з’ясувати сутність конденсованих ароматичних систем, їхню структуру та класифікацію, навести приклади поліциклічних ароматичних вуглеводнів – нафталін, антрацен, фенантрен, показати залежність хімічних властивостей від будови конденсованої системи.

Очікувані результати для учнівства:

Ключові слова

• ароматичні вуглеводні
• конденсовані системи
• спряження
• реакції заміщення, приєднання та окиснення

План уроку

1. Мотивація (4 хв.).
2. Конденсовані ароматичні системи (10 хв.).
3. Хімічні властивості конденсованих ароматичних вуглеводнів (13 хв.)
4. Практикуємось (15 хв.).
5. Рефлексія (3 хв.)

---

• Чому ароматичні вуглеводні часто мають характерний запах?
• Як пояснити невисоу хімічну активність бензену?
• Чому довжини зв’язків між атомами Карбону в бензеновому ядрі відрізняються від довжин простого С-С та подвійного С=С зв’язків?

Пригаймо, що згідно із сучасними уявленнями молекула бензену – плоский правильний шестикутник, на вершинах якого розміщуються атоми Карбону, електронні орбіталі якого зазнають sp²-гібридизації, а тому кут між осями цих орбіталей становить 120°. Довжина всіх С–С-зв’язків однакова та є проміжною між довжинами простих (близько 154 пм) і подвійних (близько 134 пм) зв’язків.

Незважаючи на ненасиченість зв’язків, структура ароматичних сполук виявляє дуже високу стабільність. Ця властивість – ароматичністю – є результатом утворення спряженої π-електронної системи, в якій електронна густина рівномірно розподілена між усіма атомами Карбону. Завдяки цьому двожини зв’язків між атомами Карбону «вирівнюються» та становлять 139 пм, що є проміжним між довжинами простих та подвійних зв’язків. Саме утворенням єдиної ароматичної π-системи і пояснюється певна хімічна інертність – більша стабільність молекули бензену.

____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

---

Існують ароматичні вуглеводні, у молекулах яких містяться два або більше бензенових ядра, що мають спільні атоми Карбону. Такі вуглеводні називають конденсованими.

Джерело: мережа Інтернет

Завдання 1. Нафтален – біла летка кристалічна речовина із характерним запахом, що використовують як інсектицид. Під час нагрівання нафтален легко плавиться (Т_пл. = 80,3 °С) і навіть сублімується. Розгляньте формулу та світлину, на якій зображено нафтален. Дайте відповіді на питання. 

• Яка молекулярна формула нафталену?
• Чи є нафтален ароматичним вуглеводнем? Чому?
• Як застосовують нафтален у побуті?
• Про які особливості будови кристалічного стану нафталену свідчать його фізичні властивості?

____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

У молекулі нафталену, як і в молекулі бензену, атоми Карбону перебувають у sp²-гібридному стані. За рахунок перекривання – спряження – негібридизованих р-орбіталей утворюється єдина ароматична π-електронна система:

Проте в молекулі нафтену на відміну від бензену не всі зв’язки між атомами Карбону є однаковими: зв’язки С₁-С₂ – коротші (близько 0,136 нм), а С₂-С₃ – довші (0,142 нм) порівняно із молекулою бензену:

Різні довжини зв’язків свідчать про нерівномірний розподіл π-електронної густини поблизу атомів Карбону нафталенової системи: на α-атомах Карбону вона вища, аніж на β-атомах. Така нерівномірність порушує стабільність молекули, а тому нафтален активніший у хімічних реакціях порівняно з бензеном.

Ароматичні вуглеводні із конденсованими бензеновими ядрами класифікують за різними ознаками:

1. За кількістю бензенових ядер:

• дициклічні (або біциклічні):______________________________________________________________________________________________________________ ;
• трициклічні:______________________________________________________________________________________________________________ ;
• поліциклічні______________________________________________________________________________________________________________ .

2. За характером конденсації:

• лінійні:______________________________________________________________________________________________________________ ;
• кутові:______________________________________________________________________________________________________________ ;
• тощо.

Завдання 2. Серед наведених нижче структурних формул знайдіть приклади кожного із загаданих вище типів конденсованих ароматичних систем за кількістю бензенових ядер та за характером конденсації. Наведіть їхні назви у відповідних рядках

---

Особливості електронної будови молекул нафталену зумовлюють його більшу хімічну активність, а тому він легше вступає в реакції окиснення, приєднання (гідрогенування або відновлення) та заміщення.

Як і для молекули бензену, галогенування нафталену в умовах реакції електрофільного заміщення відбувається у присутності каталізатора: ферум(3+) хлориду, алюміній броміду тощо. Але у результаті нерівномірного розподілу електронної густини таке заміщення відбувається переважно в α-положення:

При нітруванні нітрувальною сумішшю – суміш 100 %-ої нітратної кислоти та концентрованої сульфатної кислоти – відносний вихід α-нітронафталену становить не менше 95 %:

Завдання 3. В умовах реакції сульфування за температури 80 °С утворюється α-нафталенсульфокислота, яка при підвищенні температури до 160 °С ізомеризується, перетворюючись у β-ізомер. Складіть рівняння реакції сульфування за різних температур. Висловіть припущення щодо причин ізомеризації α-нафталенсульфокислоти при нагріванні.

Унаслідок меншої стабільності молекули нафталену порівняно з бензеном, нафтален легше, аніж бензен, вступає в реакції приєднання. Гідрогенування відбувається на поверхні нікелевого каталізатора уже за температури 200 °С:

Завдання 4. Складіть рівняння реакції повного гідрогенування нафталену з утворенням декаліну С₁₀H₁₈. Складіть структурну формулу продукту реакції. Пригадайте значення слів «тетра» і «дека» у назва продуктах гідрогенування – тетралін і декалін відповідно – та поясніть їхнє походження.

Окиснення нафталену ванадій(V) оксидом супроводжується руйнуванням одного бензенового ядра з утворенням фталевого ангідриду, який знаходить широке застосування у виробництві барвників (наприклад, фенолфталеїн), лікарських засобів (наприклад, фталазол) тощо:

Завдання 5. Складіть рівняння реакції окиснення антрацену у присутності ванадій(V) оксиду. Врахуйте, що результатом такої реакції є руйнування двох бензенових ядер, а молекулярна формула продукту реакції – С₁₀H₂O₆

---

4. 1. У 1819 році із кам’яновугільної смоли був виділений вуглеводень, будову молекули якої вдалося встановити лише за 49 років німецьким хіміком Карлом Гребе (у 1868 році). Сьогодні сферою застосування цього вуглеводню є використання у виробництві різноманітних барвників, лікарських засобів тощо.

Продукти повного окиснення вуглеводню кількістю речовини 0,05 моль – карбон(IV) оксид та вода. Їх послідовно пропустили крізь дві склянки: першу – з фосфор(V) оксидом, другу – з концентрованим розчином лугу. Унаслідок повного поглинання продуктів згоряння вуглеводню маси склянок збільшилися: першої – на 3,6 г, а другої – на 22,0 г.

4. 1.1. Виведіть молекулярну формулу вуглеводню.

4. 1.2. Розрахуйте тепловий ефект реакції згоряння (кДж/моль) цього вуглеводню, якщо при повному окисненні його кількістю речовини 0,05 моль виділяється 257,5 кДж теплоти.

4. 2. Широкого застосування у будівництві в якості суперпластифікатора бетону знаходить α-нафталенсульфокислота та деякі її похідні. Ця ароматична сульфокислота може бути отримана у процесі сульфування нафталену концентрованою сульфатною кислотою за температури 80 °С. Обчисліть відносний вихід продукту реакції (%), якщо при сульфуванні 12,8 г нафталену було одержано 17,68 г α-нафталенсульфокислоти.

---

Вправа «3-2-1».

Учням пропонується висловитися по темі

• 3 факти / терміни / поняття, які сьогодні дізналися;
• 2 навички, які протягом заняття вдалося сформувати або навчитися;
• 1 питання, яке залишилось та потребує глибшого вивчення.

____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

---

1. Викресліть у наведеному нижче тексті слова, що не стосуються нафталену.

«Нафтален, як бензен, антрацен та фенантрен, належить до багатоядерних насичених ароматичних сполук. Вступає в реакції повного та часткового окиснення, заміщення – з хлором та натрієм, приєднання – з воднем та етеном. Використовують у побуті для приваблювання молі, .в органічному синтезі. У промисловості нафтален добувають у результаті переробки кам’яного вугілля й перегонки нафти.»

2. При гідрогенуванні 6,4 г нафталену на нікелевому каталізаторі за температури 200 °С було одержано 5,94 г тетраліну. Обчисліть відносний вихід продукту реакції (%).