شارح الدرس: خواص البنزين الكيمياء

في هذا الشارح، سوف نتعلم كيف نصِف خواص البنزين، ونفسِّر بنيته، ونسمِّي مشتقاته.

البنزين هو هيدروكربون حلقي يحتوي على ست ذرات من الكربون وست ذرات من الهيدروجين. وترتبط كل ذرة كربون بذرتَيْ كربون وذرة هيدروجين واحدة. الصيغة الجزيئية للبنزين هي ، ويمكن تصنيفه على أنه هيدروكربون أروماتي أو أرين.

من الشائع على نطاق واسع أن مايكل فاراداي قد اكتشف البنزين في عام 1825 عن طريق عزله عن الطبقة الزيتية التي تترسب في مصابيح الغاز. تم تحديد بنية البنزين ببطء؛ حيث عرض العلماء طرقًا مختلفة للترابط في البنزين.

وكان الكيميائي الألماني فريدريك أوجست كيكوليه قد افترض في البداية أن البنزين له بنية بسيطة وثابتة. وزعم أن البنزين هو حلقة هيدروكربون سداسية تحتوي على ترتيب حلقي من روابط الكربون-كربون أحادية () وأخرى مزدوجة () بالتبادل. بعد ذلك، عدَّل كيكوليه فرضيته؛ ففي عام 1872 أوضح أن بنية البنزين ليست ثابتة، لكن مواضع روابط الكربون-كربون المزدوجة والأحادية تتبدل بسرعة. وافترض وجود اتِّزان ديناميكي بين بنيتَيْ حلقتَيْ هيدروكربون متكافئتين بشكل أساسي.

وقد ثبت أن هذا النموذج بسيط للغاية، وتمت مراجعته لاحقًا من قبل علماء آخرين. ويفسِّر العلماء الآن الخواص الفيزيائية والكيميائية المميِّزة للبنزين في ضوء تداخلات الكثافة الإلكترونية غير المتمركِزة. وقد أوضح العلماء أن جزيئات البنزين تحتوي على حلقات ذات كثافة إلكترونية غير متمركزة، والتي تتكون عند تداخل المدارات p غير المهجَّنة في جزيئات الكربون بعضها مع بعضٍ. كل ذرة كربون بها أربعة إلكترونات تكافؤ، وتستخدم ثلاثة من هذه الإلكترونات لتكوين روابط سيجما . وتتداخل إلكترونات التكافؤ المتبقية مع بعضها لتكوين روابط ، والتي تُوزَّع على بنية حلقة الهيدروكربون بأكملها.

يفسر نموذج الإلكترون غير المتمركز بشكل واضح الخواصَّ الكيميائية والفيزيائية للبنزين، وهو الآن إحدى الفرضيات العلمية المقبولة عالميًّا. وفي الواقع، معظم الكيميائيين لا يستخدمون سوى الرسم الذي يكون عبارة عن دائرة داخل شكل سداسي لتمثيل جزيئات البنزين. ومن المفترض لهذه الصيغة الهيكلية أن توضِّح فكرة أن جزيئات البنزين تحتوي على حلقة ذات كثافة إلكترونية غير متمركِزة. توضح الدائرة أن جزيئات البنزين بها روابط تُوزَّع على بنية حلقة الهيدروكربون بأكملها. من المهم هنا توضيح أن هذه ليست سوى إحدى طرق تمثيل جزيئات البنزين. هناك بعض الكيميائيين الذين يفضلون استخدام بنية كيكوليه. يوضح الشكل التالي كيف يمكن تمثيل جزيئات البنزين في صورة دائرة داخل شكل سداسي أو من خلال بنية كيكوليه الأصلية.

في هذا الشارح، سنستخدم أحيانًا دائرة داخل شكل سداسي لتمثيل البنزين ومشتقاته. كما سنستخدم من حين لآخر بنية كيكوليه الأصلية لتمثيل البنزين ومشتقاته. واستخدام كلا النموذجين سيجعل الطلاب على دراية أكبر بنماذج تمثيل البنزين المختلفة التي يستخدمها الكيميائيون، وكتب الكيمياء المدرسية المختلفة.

تجدر الإشارة هنا إلى أن البنزين ومشتقاته ليست الجزيئات الوحيدة التي بها حلقة ذات كثافة إلكترونية غير متمركِزة. في الواقع، البنزين هو مركب واحد فقط في سلسلة كاملة من الجزيئات التي تحتوي على حلقات ذات كثافة إلكترونية غير متمركزة. وتعرف هذه الجزيئات إجمالًا باسم «المركبات الأروماتية»، وهي تتضمن جزيئات مثل النفثالين والأنثراسين وصيغتاهما الكيميائية هما: و. يوضح الشكل التالي تركيب جزيء النفثالين.

يوضح نموذج الإلكترونات غير المتمركزة الخواص المميِّزة للبنزين. ومن المعروف أن التفاعلية الكيميائية للبنزين منخفضة، وأنه لا يزيل لون ماء البروم في درجة حرارة الغرفة والضغط الجوي. وسيكون من الصعب توضيح السبب وراء عدم قدرة البنزين على إزالة لون ماء البروم إذا افترضنا أنه يحتوي على ثلاث روابط مزدوجة، لكن سيكون الأمر أسهل إذا افترضنا انتشار إلكترونات الرابطة في بنية البنزين الحلقية بأكملها. وقد تتفاعل جزيئات البروم بسهولة مع جزيئات البنزين إذا كانت تحتوي على روابط مزدوجة غنية بالإلكترونات. ويجب ألا تحتوي جزيئات البنزين على أي روابط مزدوجة غنية بالإلكترونات على الإطلاق. بدلًا من ذلك، يجب أن تحتوي على حلقات ذات كثافة إلكترونية غير متمركزة أقل تفاعلية.

كما أنه من الأسهل فهم تغير الإنثالبي لإضافة الهيدروجين للبنزين إذا استخدمنا نموذج الكثافة الإلكترونية غير المتمركزة. تغير الإنثالبي لإضافة الهديروجين للهكسين الحلقي هو: kJ⋅mol⁻¹؛ لذلك فإننا نتوقع أن يكون تغير الإنثالبي لإضافة الهيدروجين لحلقة سداسية بها ثلاث روابط مزدوجة هو kJ⋅mol⁻¹. أما تغيُّر الإنثالبي لإضافة الهيدروجين للبنزين فهو kJ⋅mol⁻¹ فقط، وهذا يعني أن جزيئات البنزين لا يمكن أن تحتوي على ثلاث روابط مزدوجة. وقيمة تغير الإنثالبي لإضافة الهيدروجين المنخفضة، تشير إلى عدم تمركز إلكترونات الرابطة في حلقة البنزين بأكملها.

وقدمت كاثلين لونسدال بعض الدلائل التجريبية المهمة، والتي ساعدت في التحقُّق من صحة نموذج الإلكترونات غير المتمركِزة في البنزين. استخدمت كاثلين لونسدال طرق تحليل حيود الأشعة السينية لتوضيح أن أطوال كل روابط الكربون-كربون في البنزين متطابقة. لكن المسافة بين ذرات الكربون المتجاورة كانت أصغر من طول معظم روابط الأحادية، وأطول من طول معظم روابط المزدوجة. وبنية البنزين مطابقة لذلك بالنسبة إلى كل ذرة كربون، وهذا يعني أن روابط الثلاثة في البنزين يجب أن تُوزَّع بشكل متساوٍ على حلقة البنزين بأكملها.

يمكن للبنزين أن يتفاعل مع مركبات مختلفة لتكوين أرينات أحادية الاستبدال أو متعددة الاستبدال. وقد وضع الاتحاد الدولي للكيمياء البحتة والتطبيقية (الأيوباك) نظامًا للتعرف على الأرينات وتصنيفها، ويستخدم معظم المتخصصين في الكيمياء العضوية نظام التسمية هذا. من السهل تصنيف معظم الأرينات الأحادية الاستبدال؛ وذلك لأنه يمكن تحديد الاسم الصحيح بمجرد تحديد السلسلة الرئيسية ومستبدلها الأحادي.

وتُصنَّف حلقة البنزين بأنها السلسلة الرئيسية ما لم ترتبط بسلسلة ألكيل لها مجموعات وظيفية مختلفة، أو بسلسلة ألكيل طويلة بشكل غير معتاد تحتوي على سبع ذرات من الكربون على الأقل. ويمكن أن يتكون المستبدل الأحادي من أنواع مختلفة من الذرات. ويمكن ألَّا يتكون سوى من ذرات الكربون والهيدروجين، ويمكن أيضًا أن يتكون من ذرات أخرى مثل ذرات الهالوجين والنيتروجين أو الأكسجين. يوضح الشكل الآتي الاسم الذي يفضِّله الأيوباك لنوع واحد من المركبات العضوية، والذي له الصيغة الكيميائية . البادئة «برومو» موضحة باللون الأحمر والمقطع «بنزين» موضح باللون الأسود.

عادةً ما تُستخدم البادئتان «إيثيل» و«بروبيل» لوصف مستبدلي و الأحاديين، في حين تُستخدم البادئتان «كلورو» و«فلورو» لوصف مستبدلي و الأحاديين. وتستخدم البادئة «نيترو» لوصف مستبدل الأحادي.

ومع هذا، فإن هناك بعض الجزيئات الشائعة تُعطى لها أسماء مثل التولوين والفينول، في حين أنها يجب أن تُسمَّى ميثيل بنزين وهيدروكسي بنزين. يوضح الشكل التالي بنيتيْ المركبين التولوين والفينول. كما يوضح أيضًا بنية جزيئات حمض البنزويك والأنيلين، والتي ينبغي أن يطلق عليها «كربوكسي بنزين» و«أمينو بنزين».

يطلق الكيميائيون أسماءً خاصة على بعض الشقوق الكيميائية التي تتكوَّن من البنزين ومشتقاته. وتُعرف هذه الشقوق باسم «شقوق الأريل». وتتكون هذه الشقوق عند نزع ذرة هيدروجين من إحدى ذرات الكربون الموجودة في الأرين. يوضح الشكل التالي بنية شق الفينيل. يتكون شق الفينيل عند نزع ذرة هيدروجين من إحدى ذرات الكربون الموجودة في جزيء البنزين. والصيغة الكيميائية لشق الفينيل هي: .

الأكثر تعقيدًا هو تسمية المركبات الأروماتية المتعددة الاستبدال؛ وذلك لأن علينا تحديد موضع كل مستبدل. عادةً ما يتم استخدام أقل أرقام ممكنة لتحديد موضع المستبدلات المختلفة. يوضح الشكل الآتي الأسماء التي تفضلها الأيوباك لجزيئي أرين مختلفين ثنائيي الاستبدال. ذرات الكربون مرتبة من واحد إلى ستة في اتجاه دوران عقارب الساعة بحيث تكون مواضع المستبدلات في المواضع ذات الأرقام الأقل في حلقة البنزين. أرقام المواضع في حلقة البنزين موضحة باللون الأحمر في الصورة الآتية.

ستلاحظ هنا أن المركب أعطى الاسم 1-برومو-2-نيترو بنزين، على الرغم من أن هناك بدائل أخرى مثل: التصنيف 1-نيترو-2-برومو بنزين. من المفترض أن نرتب البادئات أبجديًّا لأسمائها اللاتينية، وأن نرقم البادئة الأولى برقم الموضع واحد (1) لذرة الكربون، وذلك إذا كان بإمكاننا الاختيار بين أسماء المركبات العضوية المختلفة.

قد يكون من الأسهل تسمية مركبات الأرين المتعددة الاستبدال التي بها جزيء ذو حالة خاصة، مثل التولوين؛ لأن مجموعة بها تعطى تلقائيًّا رقم الموضع واحد (1) لذرة الكربون. يوضح الشكل الآتي بنية جزيء شديد الانفجار صيغته الكيميائية هي: . الاسم الأيوباك المفضل لهذا الجزيء هو 6،4،2-ثلاثي نيترو تولوين لأن مجموعة الميثيل تُعطى تلقائيًّا الرقم واحد (1) لموضع ذرة الكربون. والاسم العامي الشائع لهذا الجزيء هو TNT.

يستخدم الكيميائيون أحيانًا أسماءً غير رسمية للأرينات المتعددة الاستبدال. بعض الكيميائيين يستخدمون البادئات أورثو- (o-) وميتا- (m-) وبارا- (p-) لوصف صور المتشاكلات المختلفة لمشتقات البنزين الثنائية الاستبدال. يوضح الشكل الآتي كيفية استخدام بعض الكيميائيين للاسم «أورثو»-ثنائي كلورو البنزين أو (o-) ثنائي كلورو البنزين لوصف ما يجب تسميته بـ 2،1-ثنائي كلورو البنزين. كما يوضح إمكانية استخدام الاسمين «ميتا»-ثنائي كلورو البنزين و«بارا»-ثنائي كلورو البنزين لوصف الاسمين اللذين تستخدمهما الأيوباك، وهما 3،1-ثنائي كلورو البنزين و4،1-ثنائي كلورو البنزين.

تُستخدم البادئة «أورثو»-أو (o-) للمتشاكلات 2،1 الثنائية الاستبدال. وتستخدم البادئة «ميتا» أو (m-) للمتشاكلات 3،1 الثنائية الاستبدال، في حين تستخدم البادئة «بارا» أو (p-) للمتشاكلات 4،1 الثنائية الاستبدال. نظام التسمية هذا موضح في الشكل الآتي.

يمكن استخدام مركبات البنزين الأحادية الاستبدال لتكوين مشتقات بنزين ثنائية الاستبدال. يوضح الشكل الآتي كيفية تفاعل مركب بنزين أحادي الاستبدال مع أيونات وجزيئات معينة للحصول على الناتج «أورثو» أو «ميتا» أو«بارا»:

عادةً ما يحدد تركيب المستبدل الأصلي (A) نوع متشاكل البنزين الثنائي الاستبدال الذي تم تكوينه خلال تفاعلات الاستبدال تلك. المجموعات الموجَّهة للموضعين «أورثو» و«بارا» تزيد من إمكانية تكوين مشتقات بنزين ثنائية الاستبدال في الموضعين «أورثو» و«بارا» كما أن المجموعات الموجَّهة للموضع «ميتا» تزيد من إمكانية تكوين مشتقات ثنائية الاستبدال في الموضع «ميتا».

المجموعات الموجهة للموضعين «أورثو» و«بارا» عادةً ما تكون مجموعات مانحة للإلكترونات، في حين أن المجموعات الموجهة للموضع «ميتا» عادةً ما تكون مجموعات ساحبة للإلكترونات. لكن الهاليدات هي استثناء لذلك؛ لأن أيونات الهاليد مستبدلات ساحبة للإلكترونات وهي أيضًا مستبدلات موجهة للموضعين «أورثو» و«بارا».

يوضح الجدول الآتي بعض المجموعات الشائعة الموجهة للموضعين «أورثو» و«بارا»، وأيضًا بعض المجموعات الشائعة الموجهة للموضع «ميتا».

يوضح الجدول إمكانية تصنيف مجموعات الألكيل إلى مجموعات موجهة للموضعين «أورثو» و«بارا». هذا يشير إلى أن التولوين عادةً ما ينتج مشتقات بنزين ثنائية الاستبدال في الموضعين «أورثو» و«بارا» عند تفاعله مع محب للإلكترون. يوضح الشكل الآتي كيف يميل التولوين إلى إنتاج «أورثو» كلورو تولوين و«بارا» كلورو تولوين عند تفاعله مع جزيئات الكلور:

ويشير الجدول أيضًا إلى أن نيترو بنزين يجب أن تنتج عادةً مشتقات بنزين ثنائية الاستبدال في الموضع «ميتا». يوضح الشكل الآتي كيف يميل النيترو بنزين إلى إنتاج «ميتا» كلورونيترو بنزين عند تفاعله مع جزيئات الكلور:

من المهم هنا التأكيد على أن البادئات «أورثو» (o-) و«ميتا» (m-) و«بارا» (p-) تُستخدم لوصف صور المتشاكلات المختلفة لمشتقات البنزين الثنائية الاستبدال. ولا يمكن استخدام البادئات «أورثو» (o-) و«ميتا» (m-) و«بارا» (p-) لوصف مشتقات البنزين الثلاثية الاستبدال أو أي مشتقات بنزين أخرى بها أكثر من ثلاثة مستبدلات.

يمكن إنتاج جزيئات البنزين من خلال عمليات صناعية ومختبرية مختلفة. ويمكن تحضير البنزين من الإيثاين من خلال تفاعلات البلمرة الحلقية. وتنتج جزيئات الإيثاين البنزين عند مرورها خلال أنبوب من الحديد المسخن لدرجه الاحمرار أو النيكل:

يمكن أيضًا تحضير البنزين من الأحماض الأروماتية من خلال تفاعلات نزع الكربوكسيل. ويمكن تسخين أملاح الصوديوم مثل بنزوات الصوديوم مع جير الصودا () لإنتاج البنزين وكربونات الصوديوم ():

إعادة التشكيل المحفَّزة هي عملية كيميائية أخرى يمكن استخدامها لإنتاج البنزين من الألكانات الطويلة السلسلة. تمر جزيئات الهكسان على عامل حفاز معلق، وهو البلاتين، عند درجة حرارة تقريبًا وضغط يساوي نحو 20 atm. وينتج عن هذا التفاعل جزيئات البنزين وغاز الهيدروجين:

يمكن أيضًا الحصول على جزيئات البنزين من جزيئات الفينول. تتحول متفاعلات الفينول إلى ناتج، وهو البنزين، عندما تمر على سطح من مسحوق الزنك الساخن. يتم اختزال متفاعلات الفينول خلال هذا التفاعل الكيميائي:

يمكن أيضًا الحصول على جزيئات البنزين من صخور الفحم. يتم في البداية تسخين صخور الفحم في درجة حرارة عالية في فرن مفرغ من الهواء لإنتاج قطران الفحم السائل. يمكن للكيميائيين بعد ذلك استخدام عملية التقطير التجزيئي لاستخراج البنزين من خليط قطران الفحم السائل. ويتم الحصول على البنزين في درجة حرارة .

يتميز سائل البنزين بالعديد من الخصائص الفيزيائية والكيميائية المثيرة للاهتمام. سائل البنزين هو سائل عديم اللون ذو قابلية شديدة للاحتراق، وعندما يحترق تتصاعد ألسنة لهب ذات دخان أسود. وعادةً ما يوصف السائل بأنه ذو رائحة عطرية جيدة، ومن المعروف أيضًا أنه يمر بتفاعلات الإضافة والاستبدال الكيميائية. نقطة غليان البنزين هي ، وهو غير قابل للامتزاج مع الماء في الضغط الجوي ودرجة حرارة الغرفة.

يمر البنزين بتفاعلات الإضافة والاستبدال الكيميائية، لكن العديد من هذه العمليات الكيميائية لا تكون سهلة لأن جزيئات البنزين منخفضة التفاعلية. تحتوي جزيئات البنزين على روابط تُوزَّع على بنية حلقة الهيدروكربون بأكملها، وتميل إلى أن تكون ذات تفاعلية أقل من الألكينات الحلقية. وعادةً ما يستخدم الكيميائيون العوامل الحفازة أو الضغط ودرجات الحرارة المرتفعة من أجل زيادة معدل تفاعلات الإضافة للبنزين؛ لأن بدونها سيكون التفاعل غير فعال.