Лабораторная работа № 3 АРЕНЫ

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.