Referat Structura Benzenului

Mai jos puteti citi fragmente din Referat Structura Benzenului si de asemenea puteti face Download Referat Structura benzenului

Citeste fragmente din Referat Structura Benzenului

Structura Benzenului C6H6 Structura Kekulé a benzenului Ce este structura Kekulé? Kekulé a fost primul care a sugerat o structură sensibilă pentru benzen. Carbonii sunt aranjaţi în formă de hexagon, şi el a sugerat alternanţa legăturilor simple şi duble între ei. Fiecare atom de carbon are un atom de hidrogen ataşat. Această diagramă e deseori simplificată, nescriind nici un atom de H sau de C. În acest tip de diagramă, există câte un atom de C la fiecare colţ. Trebuie numărate legăturile rămase la fiecare carbon pentru a ne da seama câţi atomi de H sunt ataşaţi acelui atom de carbon. În acest caz, fiecare carbon are trei legături cu atomii vecini de acelaşi fel. Deoarece atomii de carbon sunt tetra-valenţi, fiecare dintre ei are ataşat câte un atom de hidrogen. Probleme ale structurii Kekulé Cu toate că structura Kekulé a fost o încercare reuşită la vremea ei, sunt câteva probleme destul de serioase în legătură cu ea. Probleme cu reacţiile chimice Din cauza celor trei legături duble, ne-am aştepta ca benzenul să dea reacţii asemănătoare etenei. Etena suferă reacţii de adiţie în care legătura dublă dintre doi atomi de carbon se rupe, transformându-se în legătură simplă, electronii rămaşi fiind folosiţi pentru legarea cu atomii adiţionali. În cazul benzenului, acest lucru se petrece foarte rar. În schimb, acesta suferă reacţii de substituţie, în care unul din atomii de hidrogen este înlocuit de alt atom. Probleme cu forma Benzenul este o moleculă plană, şi structura Kekulé nu contrazice acest lucru. Problema este că legăturile simple C-C şi cele duble C=C au lungimi diferite: Legătura C-C are o lungime de 0.154 nm Legătura C=C are o lungime de 0.134 nm Ar însemna că hexagonul ar fi neregulat dacă ar avea structura Kekulé, cu laturi mai scurte şi mai lungi alternând. La benzenul real toate legăturile sunt exact la fel – cu o lungime între valorile celor de C-C şi C=C , de 0.139 nm. Benzenul real este o moleculă cu forma unui hexagon perfect regulat. Probleme cu stabilitatea benzenului Benzenul real este mult mai stabil decât ne-ar arăta formula Kekulé. De fiecare dată când trebuie să facem un calcul termochimic bazat pe structura Kekulé, obţinem un rezultat ce diferă de realitate cam cu 150 kJ mol-1. Acest lucru e cel mai uşor arătat folosind variaţiile de entalpie la hidrogenare. Reacţia de hidrogenare este o reacţie de adiţie a hidrogenului. Dacă, de exemplu, hidrogenăm etena, obţinem etanul: H2C=CH2  +  H2 –> CH3–CH3 Pentru a face o comparaţie cu benzenul (structură ciclică), îl vom compara cu ciclohexena. Ciclohexena, C6H10, este o structură ciclică de 6 atomi de carboni, conţinând doar o singură legătura dublă C=C. Când adiţionăm hidrogen la ciclohexenă obţinem ciclohexanul, C6H12. Structurile ciclohexenei şi ciclohexanului sunt de obicei simplificate în acelaşi mod ca şi structura Kekulé – lăsând la o parte toţi atomii de carbon şi hidrogen. Ecuaţia adiţiei poate fi scrisă, deci, astfel: Variaţia entalpiei în această reacţie este de -120 kJ mol-1. Cu alte cuvinte, când un mol de ciclohexenă reacţionează, 120 kJ de energie este degajată. De unde rezultă această energie? Când reacţia are loc, ruperea legăturilor (C=C şi H-H) consumă energie. Alte legături trebuie să fie făcute, ceea ce degajă energie. Deoarece legăturile făcute sunt mai puternice decât cele rupte, este degajată mai multă energie decât este absorbită la ruperea legăturilor originale, şi de aceea are loc o degajare de energie, sub formă de căldură, spre exterior. Dacă ciclul ar fi avut două legături duble iniţial (1,3-ciclohexadienă), exact de două ori mai multe legături ar fi trebuit rupte şi exact de două ori mai multe formate. Cu alte cuvinte, ne-am aştepta ca variaţia de entalpie la hidrogenarea 1,3-ciclohexadienei să fie exact de două ori cea a ciclohexenei, adică -240 kJ mol-1. De fapt, variaţia de entalpie este de -232 kJ mol-1 – valoare ce nu este departe de predicţiile noastre, neîngrijorându-ne, deoarece calculele în termochimie introduc unele erori de acest ordin de mărime. Aplicând acelaşi principiu structurii Kekulé a benzenului (adică 1,3,5-ciclohexatrienă), ne-am aştepta la o variaţie a intropiei de -360 kJ mol-1, din aceleaşi argumente ca cele de mai sus. De fapt, în realitate se obţine o valoare de -208 kJ mol-1 care nu este deloc prin preajma valorii prezise de teorie. Acest lucru este mai uşor de observat pe o diagramă a entropiei. Observăm că în fiecare caz reacţia are loc cu degajare de energie, şi în fiecare caz produsul de reacţie este acelaşi – ciclohexanul. Acest lucru înseamnă că toate reacţiile ajung în final la acelaşi punct. Liniile îngroşate, săgeţile groase şi numerele bold reprezintă variaţiile reale. Variaţiile prezise sunt schematic arătate prin linii şi săgeţi punctate. "ecât predicţiile formulei Kekulé. Cu cât o substanţă se află mai jos pe această diagramă, cu atât mai stabilă este. Aceasta înseamnă că benzenul real este cam cu 150 kJ mol-1 mai stabil decât o arată formula Kekulé. Această creştere a stabilităţii benzenului este cunoscută ca energia de delocalizare sau energia de rezonanţă a benzenului. Primul termen este mai uzitat în literatura de specialitate. Dar de ce este benzenul mult mai stabil decât ne sugerează formula Kekulé? Modelul orbital al moleculei de benzen Construcţia modelului orbital Benzenul este alcătuit din atomi de hidrogen (1s1) şi atomi de carbon (1s22s22px12py1). Fiecare atom de carbon trebuie să se lege de alţi trei atomi( un H şi doi C) şi n-are destui electroni pe orbitalul 2p pentru a satisface numărul de legături, deci trebuie să treacă unul din electronii 2s2 în orbitalul p, formând astfel structura cuantică de mai jos, cu toţi cei 3 electroni ai orbitalului 2p având acelaşi spin. Acelaşi lucru se întâmplă întotdeauna când carbonul formează legături. Deoarece carbonul se leagă doar cu trei alţi atomi, când atomii de carbon hibridizează orbitalii extremi înaintea formării legăturilor, este suficient să hibridizeze doar trei din orbitali, nu toţi patru. Pentru legături folosesc doar doi din cei trei electroni 2p şi pe cel 2s rămas, unul din cei trei electroni 2p rămănând neschimbat. Orbitalii astfel formaţi se numesc hibrizi sp2 , deoarece sunt alcătuiţi dintr-un electron s şi doi electroni p, după rearanjare. Orbitalii hibrizi sp2 se aranjează la maximă depărtare unul de celălalt, adică la 120° unul de celălalt, într-un plan. Orbitalul p este perpendicular pe planul celor trei. Fiecare atom de carbon arată acum asemenea diagramei din dreapta. Exact astfel se întâmplă şi la etenă. La benzen, diferenţa este că fiecare atom de carbon se uneşte cu doi atomi similari de carbon, nu doar cu unul. Fiecare atom de carbon foloseşte hibrizii sp2 pentru a forma legături sigma cu alţi doi atomi de carbon şi un atom de hidrogen. Următoarea schemă sugerează legăturile sigma formate, lăsând pentru moment orbitalii p nelegaţi. Doar o parte a ciclului este schiţată deoarece desenul se complică dacă se încearcă schiţarea mai multora. De observat că electronul p de la fiecare carbon se suprapune cu cei din ambele părţi ale sale. Aceste suprapuneri latererale produc un sistem de legături pi, ce sunt situate pe tot inelul de atomi de carbon. Deoarece electronii nu mai sunt în preajma a doar doi atomi de carbon, ci sunt împrăştiaţi pe tot inelul de carboni, electronii sunt numiţi delocalizaţi. Cei şase electroni delocalizaţi intră în trei orbitali moleculari – câte doi în fiecare. În consens cu marea majoritate a descrierilor legăturilor în benzen, vom schiţa unul din aceşti orbitali moleculari pentru simplitate. În diagramă, legăturile sigma sunt sugerate prin linii simple pentru a nu crea confuzii. Cele două inele de deasupra şi dedesubtul planului molecular reprezintă un orbital molecular. Cei doi electroni delocalizaţi ai acestui orbital pot fi găsiţi oriunde în aceste două inele. Cei alţi patru electroni se pot găsi în alţi doi orbitali moleculari similari (dar nu identici). Legarea modelului orbital de proprietăţile benzenului. Forma benzenului Aceasta este explicată cu uşurinţă. Benzenul este un hexagon regulat deoarece toate legăturile sunt identice. Delocalizarea electronilor înseamnă că nu există legături duble sau simple. Stabilitatea energetică a benzenului. Aceasta e pusă pe seama delocalizării. Ca un principiu general, cu cât electronii sunt mai împrăştiaţi – în alte cuvinte, cu cât sunt mai delocalizaţi – cu atât molecula devine mai stabilă. Stabilitatea în plus a benzenului este cunoscută sub numele de „energie de delocalizare”. De ce moleculele de benzen nu sunt predispuse la reacţii de adiţie? Cu electronii delocalizaţi, benzenul este cam cu 150 kJ mol-1 mai stabil. Dacă am adăuga alţi atomi la ciclul benzenului ar trebui să folosim din electronii delocalizaţi pentru a forma legături. Acest lucru ar scădea deranja delocalizarea, sistemul devenind mai puţin stabil. Deoarece o cantitate de 150 kJ pentru un mol de benzen ar trebui să fie furnizată pentru a rupe delocalizarea, acest lucru este foarte puţin probabil. Simbolul pentru benzen Cu toate că se întâlneşte destul de des şi simbolul ce sugerează structura Kekulé, vom folosi şi simbolul din dreapta, conform structurii orbitale. Hexagonul sugerează inelul de şase atomi de carbon, fiecare având câte un hidrogen ataşat. În acest caz numărarea legăturilor nu dă numărul de hidrogeni pentru fiecare atom de carboni. Cercul reprezintă electronii delocalizaţi. Este esenţial să includem şi cercul, dacă nu-l desenăm vom reprezenta ciclohexanul, nu benzenul. PAGE PAGE - 1 - 쥁@