“HIDROCARBUROS AROMATICOS:

PROPIEDADES Y REACCIONES (BENCENO)”

El benceno es sin duda alguna un compuesto muy versátil y de mucha importancia en la química ya que de él surgen algunos compuestos derivados del mismo y además es uno de los mejores disolventes para el yodo azufre fósforo, gomas, ceras. Una de las cosas que también llaman la atención acerca del benceno es sin duda alguna su estructura atómica que se compone de 6 átomos de carbono cíclicos y unidos a un átomo de hidrógeno que a su vez se encuentran unidos a otro semejante por medio de ligaduras sencillas o dobles lo cual ha causado cierta controversia entre varios químicos a lo largo de la historia.

“LABORATORIO DE QUÍMICA ORGÁNICAII”

FACULTAD : Ingeniería Química y Metalúrgica

ESCUELA : Ingeniería Química

ASIGNATURA : Química Orgánica II

DOCENTE : Ing. Sumoso Delgado, Pedro

TEMA : Hidrocarburos Aromáticos: Propiedades y Reacciones (Benceno)

CICLO : IV

INTEGRANTES : Rivera Osorio, Livia Melissa

HUACHO – PERU

2015

HIDROCARBUROS AROMATICOS: PROPIEDADES Y REACCIONES (BENCENO)

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I. OBJETIVOS Determinar en el laboratorio las propiedades físicas del benceno. Determinar cualitativamente las reacciones de los hidrocarburos aromáticos frente a

reactivos particulares. El alumno obtendrá y comprobará las propiedades físicas y químicas del benceno.

II. FUNDAMENTO TEÓRICO El benceno es un hidrocarburo aromático de fórmula molecular C6H6, (originariamente a él y sus derivados se le denominaban compuestos aromáticos debido a la forma característica que poseen). En el benceno cada átomo de carbono ocupa el vértice de un hexágono regular, aparentemente tres de las cuatro valencias de los átomos de carbono se utilizan para unir átomos de carbono contiguos entre sí, y la cuarta valencia con un átomo de hidrógeno. Según las teorías modernas sobre los enlaces químicos, tres de los cuatro electrones de la capa de valencia del átomo de carbono se utilizan directamente para formar los enlaces covalentes típicos (2C-C y C-H) y el cuarto se comparte con los de los otros cinco átomos de carbono, obteniéndose lo que se denomina "la nube π (pi)" que contiene en diversos orbitales los seis electrones. El benceno es un líquido incoloro y muy inflamable de aroma dulce (que debe manejarse con sumo cuidado debido a su carácter cancerígeno), con un punto de ebullición relativamente alto.El benceno se usa en grandes cantidades en los Estados Unidos. Se encuentra en la lista de los 20 productos químicos de mayor volumen de producción. Algunas industrias usan el benceno como punto de partida para manufacturar otros productos químicos usados en la fabricación de plásticos, resinas, nilón y fibras sintéticas como lo es el kevlar y en ciertos polímeros. También se usa benceno para hacer ciertos tipos de gomas, lubricantes, tinturas, detergentes, medicamentos y pesticidas. Los volcanes e incendios forestales constituyen fuentes naturales de benceno. El benceno es también un componente natural del petróleo crudo, gasolina, el humo de cigarrillo y otros materiales orgánicos que se han quemado. Puede obtenerse mediante la destilación fraccionada del alquitrán de hulla.Se suele mostrar, en términos de estructura de Lewis, como un hexágono, plano e indeformable, carente de tensiones de anillo (transanulares), en cuyos vértices se encuentran los átomos de carbono, con tres dobles enlaces y tres enlaces simples en posiciones alternas (1=2, 3=4, 5=6; 6-1, 2-3, 4-5; o bien 1=2-3=4-5=6-1). Esta estructura difería de la de Brønsted y Lowry. Hay que resaltar que, acorde a los resultados de la espectrofotometría infrarroja, el benceno no posee ni simples ni dobles enlaces, sino un híbrido de resonancia entre ambos, de distancia de enlace promedio entre simple y doble (1,4 Angstrom apróx.). Estos resultados coinciden con la previsión de la TOM (teoría de orbitales moleculares), que calcula una distribución de tres orbitales enlazantes totalmente ocupados. A esta especial estabilidad se le llama aromaticidad y a las moléculas (iones o no, estables o intermedios de reacción) se les llama aromáticas.

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INTRODUCCIÓN La molécula de Benceno fue descubierta por Faraday en 1825, quien aisló por primera vez a partir del gas de alumbrado el compuesto, de fórmula empírica CH. Será Mitscherlich quien logró medir su masa molecular a partir de su presión de vapor, estableciéndola en 78 u, lo que correspondía a una fórmula molecular C6H6. El compuesto se había obtenido de la goma benjuí, lo que llevó a que se denominase bencina, y posteriormente benceno.Inicialmente se propusieron formas abiertas (alifáticas) para la cadena de benceno, con dos triples enlaces, sin embargo los datos experimentales que se obtenían a partir de sus reacciones eran contradictorios con estos modelos abiertos, dado que presentaba un número inusualmente bajo de isómeros. Así, por ejemplo, la monobromación del compuesto presentaba un único isómero, al igual que ocurría con la nitración. Por otro lado no respondía a las adiciones habituales de nucleófilos a enlaces múltiples.

Histórica Molécula de Benceno: Claus (1867), Dewar (1867), Ladenburg (1869), Armstrong (1887), Thiele (1899).

Esto llevó a que se propusieran diversas estructuras para comprender estos hechos, como la de Dewar, la de Klaus o la de Kekulé. Sin embargo, la estructura de Kekulé seguía presentando una incompatibilidad con la malformación 1,2 de la molécula dado que deberían formarse dos isómeros (isómeros ortos bencénicos), uno de ellos con el bromo sobre un doble enlace y el otro con ambos bencenos sobre un enlace simple. Esto llevó a Kekulé a proponer que el benceno alternaba entre dos formas, en las que los enlaces cambiaban continuamente de posición, por lo que únicamente se detectaría un isómero.

RESONANCIA DEL BENCENO La representación de los tres dobles enlaces se debe a Friedrich Kekulé, quien además fue el descubridor de la estructura anular de dicho compuesto y el primero que lo representó de esa manera.

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De todas formas, fue el Premio Nobel de Química, Linus Pauling quien consiguió encontrar el verdadero origen de este comportamiento, la resonancia o mesomería, en la cual ambas estructuras de Kekulé se superponen.

Normalmente se representa como un hexágono regular con un círculo inscrito para hacer notar que los tres dobles enlaces del benceno están deslocalizados, disociados y estabilizados por resonancia. Es decir, no "funcionan" como un doble enlace normal sino que al estar alternados, esto es, uno sí y uno no, proporcionan a la molécula sus características tan especiales. Cada carbono presenta en el benceno hibridación sp2. Estos híbridos se usarán tanto para formar los enlaces entre carbonos como los enlaces entre los carbonos y los hidrógenos. Cada carbono presenta además un orbital Pz

adicional perpendicular al plano molecular y con un electrón alojado en su interior, que se usará para formar enlaces pi.

REACTIVIDAD La reacción típica del benceno es la de sustitución aromática que sigue dos caminos alternativos:

Electrofílica (por ataque de un electrófilo) De radicales libres (por ataque de un radical libre o átomo libre)

Las reacciones de sustitución aromática más corrientes son las originadas por reactivos electrofílicos. La capacidad del benceno para actuar como un donador de electrones se debe a la polarización del núcleo bencénico. Las reacciones típicas del benceno son las de sustitución. Los agentes de sustitución utilizados con más frecuencia son:

Cloro Bromo Ácido nítrico Ácido sulfúrico concentrado y caliente

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HALOGENACIÓNEl cloro y el bromo dan derivados por sustitución de uno o más hidrógenos del benceno, que reciben el nombre de haluros de arilo.

C6H6 + Cl2 → C6H5Cl (Clorobenceno) + HCl C6H6 + Br2 → C6H5Br (Bromobenceno) + HBr

La halogenación está favorecida por las bajas temperaturas y algún catalizador, como el hierro, el tricloruro de aluminio u otro ácido de Lewis, que polariza al halógeno para que se produzca la reacción. En el caso del bromo benceno se utiliza FeBr3 como catalizador.

SULFONACIÓNCuando los hidrocarburos bencénicos se tratan con ácido sulfúrico concentrado, que es una mezcla de (H2SO4) y (SO3), se forman compuestos característicos que reciben el nombre ácidos sulfónicos. El electrófilo que reacciona puede ser HSO3

+ o SO3. Es la única reacción reversible de las que estamos considerando.

C6H6 + H2SO4H (SO3) → C6H5SO3H (Ácido bencenosulfónicos) + H2O

NITRACIÓNEl ácido nítrico fumante o una mezcla de ácidos nítrico y sulfúrico, denominada mezcla sulfonítrica, (una parte de ácido nítrico y tres de sulfúrico), produce derivados nitrados, por sustitución. El ácido sulfúrico protona al ácido nítrico que se transforma en el ion Nitronio positivo (NO2

+) que es el agente nitrante efectivo:

C6H6 + HONO2 (H2SO4) → C6H5NO2 (Nitrobenceno) + H2O

Este proceso se efectúa haciendo reaccionar el benceno con ácido nítrico y usando como catalizador ácido sulfúrico, mezcla que se conoce como sulfonítrica, generándose el ión Nitronio NO2

+, que actúa como agente electrofílico a una temperatura entre 50 a 60 °C, produciéndose en este proceso el nitro benceno y agua.

COMBUSTIÓNEl benceno es inflamable y arde con llama fuliginosa, propiedad característica de la mayoría de los compuestos aromáticos y que se debe a su alto contenido en carbono.

C6H6 +152 O2 → 6CO2 + 3H2O

HIDROGENACIÓNEl núcleo Bencénico, bajo catálisis, fija seis átomos de hidrógeno, formando el ciclohexano, manteniendo así la estructura de la cadena cerrada.

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III. MATERIALES Y REACTIVOS

a. Materiales y Equipos

6 Tubos de ensayo 01 Gradilla para tubos de

ensayo 02 Pinzas para tubo de

ensayo

01 Vaso precipitado de 250 ml

1 Pisceta Mechero Trípode Malla de asbesto

b. Reactivos

Alcohol etílico Benceno Agua de bromo Reactivo Bayer Ácido nítrico concentrado

Ácido sulfúrico concentrado Naftalina Agua destilada Aceite

IV. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

1. Experimento N°1: Prueba de Solubilidad

Toma 3 tubos de ensayo, uno con 5 ml de agua destilada, otro 5 ml de alcohol etílico y otro con 5ml de aceite. En cada uno agregue 20 gotas de Benceno diluido y pruebe su solubilidad.

H2O C6H6 INSOLUBLE C18H34O2 C6H6 C18H36O2 C2H4 SOLUBLE

C18H34O2 C2H4

C2H6O C6H6 C7H6O CH4 SOLUBLEMENTE PARCIAL

C2H6O CH4

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2. Experimento N°2: Reacción de Halogenación

Toma 2 tubos de ensayo, adiciona 5 ml de agua de Bromo y otro con 5 ml de reactivo de Bayer.Adicionar luego 3 ml de Benceno a cada tubo.

Br2 C6H6 C6H5Br HBr

Br2 HBr

KMn4 C6H6 C4H4O4 KMnO2

KMn4 KMnO2

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3. Experimento N°3: Prueba Reacción del Benceno (NITRACIÓN)

Toma un tubo de ensayo, ponga 1 ml de ácido nítrico concentrado y añada 2 ml de ácido sulfúrico concentrado, la mezcla sulfonítrica enfriar en baño maría.Lentamente adicione 2 ml de benceno agitando y enfriando ya que sus vapores son tóxicos.Se observa que en el fondo queda separado el nitrobenceno de olor característico.Luego verter el contenido en otro tubo de ensayo que contenga agua destilada la mitad.

C6H6 HNO3 C6H5NO2 H2O

HNO3 H2O

4. Experimento N°4: Prueba Reacción del Benceno (SULFONACIÓN)

Toma 1 tubo de ensayo adiciona 5 gotas de ácido sulfúrico concentrado y añade 10 gotas de benceno y calienta en el mechero con mucho cuidado un instante.

C6H6 H2SO4 C6H5SO3H H2O

H2SO4 H2O

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0

0

5. Experimento N°5: Prueba Solubilidad de la Naftalina

Triturar la naftalina y agregue unas cuantas hojuelas a 3 tubos de ensayo.Adicionar a cada tubo por separado 3 ml de agua, 3 ml de benceno y 3 ml de alcohol.Homogenizar y observar su solubilidad.

C10H8 H2O INSOLUBLE C10H8 C6H6 SOLUBLE C10H8 C2H6O C6H6O H8C2 SOLUBLE

V. CUESTIONARIO

¿Por qué en la reacción de Nitración se utiliza el ácido sulfúrico? Escriba la reacción correspondiente.El benceno reacciona con ácido nítrico concentrado y caliente dando nitrobenceno. La reacción presenta dos inconvenientes: es lenta y además el ácido nítrico concentrado y caliente puede oxidar cualquier compuesto orgánico mediante una reacción explosiva. Un procedimiento más seguro consiste en emplear una mezcla de ácido nítrico y ácido sulfúrico. El ácido sulfúrico actúa como catalizador, permitiendo que la reacción se lleve a cabo más rápidamente y a menores temperaturas.El ácido sulfúrico reacciona con el ácido nítrico generando el ion nitronio (NO2

+), que es el electrófilo de la reacción de sustitución electrofílica aromática.

2H2SO4 + HNO3 → 2HSO4- + NO2

+ + H3O+

El ion nitronio reacciona con el benceno formando el complejo sigma que pierde un protón que es atrapado por el ion bisulfato para dar lugar al nitrobenceno.

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C6H6 + NO2+ → C6H5NO2 + H+

Escriba la reacción de Halogenación del Benceno con Cl, Br y I.

Mecanismo de Halogenación del Benceno con Br

Mecanismo de Halogenación del Benceno con Cl

Mecanismo de Halogenación del Benceno con I

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VI. CONCLUSIONES El benceno es sin duda alguna un compuesto muy versátil y de mucha importancia en la química ya que de él surgen algunos compuestos derivados del mismo y además es uno de los mejores disolventes para el yodo azufre fósforo, gomas, ceras.Una de las cosas que también llaman la atención acerca del benceno es sin duda alguna su estructura atómica que se compone de 6 átomos de carbono cíclicos y unidos a un átomo de hidrógeno que a su vez se encuentran unidos a otro semejante por medio de ligaduras sencillas o dobles lo cual ha causado cierta controversia entre varios químicos a lo largo de la historia.Otra cosa interesante del benceno son su propiedad física ya que presenta un olor a quemado y además es muy flamable tiene un punto de fusión de 5,5 ° C y un punto de ebullición de 80,1 ° C.Esto fue lo más considerable acerca de este gran compuesto de muchos usos por la industria química tanto como para la fabricación de fármacos como también en la anilina y el fenol. Gracias a estos usos está incluido en los llamados compuestos aromáticos.

VII. RECOMENDACIONES Para realizar la práctica de laboratorio debemos de tener en cuenta lo siguiente.

Utilizar guantes al momento de agitar la mezcla de los reactivos. Utilizar una mascarilla para no inhalar los gases tóxicos que emanan de los

reactivos, sobretodo del Benceno que es un reactivo tóxico.

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VIII. BIBLIOGRAFIA

https://ar.answers.yahoo.com/question/index?qid=20070624133758AAoAFpw https://es.wikipedia.org/wiki/Nitraci%C3%B3n https://es.wikipedia.org/wiki/Halogenaci%C3%B3n_electrof%C3%ADlica#/media/

File:Chem-Mech-BrominationBenzene.png https://es.wikipedia.org/wiki/Sustituci%C3%B3n_electr%C3%B3fila_arom

%C3%A1tica http://html.rincondelvago.com/reacciones-quimicas-de-sustitucion-aromatica.html

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