Бензол

Бензол — это органическое химическое соединение, простейший представитель ароматических углеводородов. Представляет собой бесцветную жидкость с характерным сладковатым запахом, легче воды, не смешивается с ней, но хорошо растворяется в органических растворителях. Химическая формула C₆H₆. Бензол является высокотоксичным, пожаро- и взрывоопасным веществом, канцерогеном, отнесённым к 1-й группе опасности (по классификации Международного агентства по изучению рака). В промышленности используется как исходное сырьё для синтеза широкого спектра химических продуктов: стирола, фенола, циклогексана, анилина, а также в качестве компонента моторного топлива (в ограниченных количествах).

История открытия

Впервые бензол был выделен в 1825 году английским физиком и химиком Майклом Фарадеем из конденсата светильного газа, получаемого при пиролизе китового жира. Фарадей назвал новое вещество «карбюрированным водородом». В 1833 году немецкий химик Эйльхард Мичерлих получил бензол сухой перегонкой бензойной кислоты (от которой и произошло название) и установил его эмпирическую формулу C₆H₆.

Долгое время структура бензола оставалась загадкой для химиков. Известные на тот момент теории валентности не могли объяснить, как шесть атомов углерода, имеющих четыре валентные связи, образуют соединение с таким низким содержанием водорода. В 1865 году немецкий химик Фридрих Август Кекуле предложил циклическую структуру бензола с чередующимися одинарными и двойными связями (циклогексатриен). Однако эта модель не объясняла всех свойств бензола, в частности его устойчивости к реакциям присоединения. Впоследствии, в XX веке, была разработана квантово-химическая модель, описывающая бензол как плоское кольцо с делокализованными π-электронами, образующими единую ароматическую систему.

Физические свойства

Бензол представляет собой легкоподвижную жидкость с температурой кипения +80,1 °C и температурой плавления +5,53 °C. При комнатной температуре он быстро испаряется, образуя с воздухом взрывоопасные смеси (пределы взрываемости: 1,4–8,0 % по объёму). Плотность бензола при 20 °C составляет 0,879 г/см³. Он является неполярным растворителем, хорошо растворяет жиры, смолы, каучуки, многие органические соединения, но практически нерастворим в воде.

Химические свойства

Химическое поведение бензола определяется его ароматической структурой. Для него характерны реакции замещения, а не присоединения, что отличает его от ненасыщенных углеводородов (алкенов и алкинов).

Реакции электрофильного замещения (SₑAr)

Это основной тип реакций для бензола. К ним относятся:

• Нитрование: взаимодействие с азотной кислотой (в присутствии серной кислоты) с образованием нитробензола.
• Галогенирование: реакция с хлором или бромом (в присутствии катализатора — галогенида железа(III) или алюминия) с образованием хлорбензола или бромбензола.
• Сульфирование: взаимодействие с концентрированной серной кислотой с образованием бензолсульфокислоты.
• Алкилирование (реакция Фриделя — Крафтса): присоединение алкильных групп (например, в присутствии хлорида алюминия) для получения алкилбензолов (например, толуола, этилбензола).

Реакции присоединения

Протекают в жёстких условиях (высокая температура, давление, катализаторы):

• Гидрирование: присоединение водорода (в присутствии никелевого или платинового катализатора) с образованием циклогексана.
• Хлорирование: под действием ультрафиолетового света происходит присоединение трёх молекул хлора с образованием гексахлорциклогексана (ГХЦГ).

Реакции окисления

Бензол устойчив к действию обычных окислителей (например, раствора перманганата калия). При полном окислении (горении) на воздухе образует углекислый газ и воду, при этом выделяется большое количество тепла. При неполном сгорании (например, в пламени коптящей свечи) образуется сажа.

Получение

Основным источником бензола является нефтяное и каменноугольное сырьё.

Промышленные методы

1. Каталитический риформинг нефтяных фракций: основной современный метод. В ходе процесса из насыщенных углеводородов (алканов, циклоалканов) при температуре 500–550 °C и давлении 1–4 МПа в присутствии платиновых катализаторов образуются ароматические углеводороды, включая бензол, толуол и ксилолы.
2. Пиролиз углеводородов: переработка нефтяного сырья (нафты) при высокой температуре (700–850 °C) с последующим выделением бензола из жидких продуктов пиролиза.
3. Деалкилирование толуола: химическая реакция, при которой из толуола (C₇H₈) отщепляется метильная группа, и образуется бензол. Процесс ведётся в присутствии водорода и катализатора.
4. Коксование угля: исторически первый промышленный метод. При нагревании каменного угля без доступа воздуха образуется кокс, каменноугольная смола и коксовый газ, из которых извлекают бензол и другие ароматические соединения.

Лабораторные методы

В лабораторных условиях бензол можно получить декарбоксилированием бензойной кислоты (нагреванием с натронной известью), тримеризацией ацетилена (реакция Зелинского — пропускание ацетилена через активированный уголь при 600 °C) или восстановлением фенола.

Применение

Бензол является одним из важнейших продуктов нефтехимической промышленности. Он используется как сырьё для синтеза более 100 различных химических соединений.

• Производство стирола: из стирола получают полистирол, пенопласт, сополимеры (АБС-пластик, бутадиен-стирольный каучук).
• Производство фенола: фенол используется для получения фенолформальдегидных смол, капролактама (для синтеза капрона), в производстве лекарственных средств (например, аспирина).
• Производство циклогексана: циклогексан является сырьём для синтеза капролактама, адипиновой кислоты и, в конечном счёте, нейлона (полиамида-6,6).
• Производство анилина: анилин — основа для синтеза красителей, взрывчатых веществ (тротил), лекарственных препаратов (парацетамол).
• Производство алкилбензолов: используются для получения поверхностно-активных веществ (ПАВ) — компонентов моющих средств.
• Компонент моторного топлива: ранее бензол добавляли в бензин для повышения октанового числа. В настоящее время его содержание в автомобильном топливе строго ограничено (в России — не более 1% по объёму) из-за высокой токсичности и канцерогенности.

Токсичность и опасность

Бензол является высокотоксичным и опасным веществом. Он относится к 1-му классу опасности (чрезвычайно опасные вещества). Предельно допустимая концентрация (ПДК) в воздухе рабочей зоны составляет 5 мг/м³, в атмосферном воздухе населённых мест — 0,1 мг/м³.

Пути воздействия

Основной путь поступления в организм — ингаляционный (вдыхание паров). Возможно всасывание через кожу и слизистые оболочки.

Острое отравление

При вдыхании высоких концентраций паров бензола (более 1% в воздухе) развивается острое отравление, характеризующееся наркотическим действием: головная боль, головокружение, тошнота, потеря сознания, судороги, остановка дыхания. Смерть может наступить от паралича дыхательного центра.

Хроническое отравление

Длительное воздействие малых доз бензола вызывает хроническое отравление, которое поражает в первую очередь систему кроветворения. Характерны:

• Гематотоксичность: угнетение костного мозга, приводящее к лейкопении, тромбоцитопении, анемии. В тяжёлых случаях развивается апластическая анемия.
• Канцерогенность: бензол является доказанным канцерогеном для человека. Он вызывает острый миелоидный лейкоз и другие виды лейкозов. Международное агентство по изучению рака (МАИР) классифицирует бензол как канцероген 1-й группы (доказано для человека).
• Мутагенность: бензол способен вызывать хромосомные аберрации в клетках костного мозга.
• Репродуктивная токсичность: воздействие бензола может приводить к нарушениям менструального цикла, снижению фертильности, токсическому влиянию на плод.

Меры безопасности

Работа с бензолом требует строгого соблюдения техники безопасности. Необходимо использовать герметичное оборудование, эффективную приточно-вытяжную вентиляцию, средства индивидуальной защиты (респираторы с фильтрами от органических паров, защитные очки, кислотостойкие перчатки, спецодежду). В помещениях, где проводятся работы с бензолом, запрещено использование открытого огня и курение. Хранят бензол в герметично закрытых ёмкостях, вдали от источников тепла и окислителей.

Экологические аспекты

Бензол относится к приоритетным загрязнителям окружающей среды. Основными источниками поступления в атмосферу являются выбросы промышленных предприятий (нефтехимических, коксохимических), автомобильный транспорт (испарение топлива, неполное сгорание), а также утечки при добыче, транспортировке и переработке нефти. В воде бензол медленно разлагается под действием микроорганизмов, но может накапливаться в донных отложениях. Попадая в почву, он способен мигрировать в грунтовые воды. Вследствие высокой токсичности и канцерогенности, содержание бензола в объектах окружающей среды (воздух, вода, почва) строго нормируется.

Источники

• Кнунянц И. Л. (гл. ред.) Краткая химическая энциклопедия. — М.: Советская энциклопедия, 1961. — Т. 1.
• Петров А. А., Бальян Х. В., Трощенко А. Т. Органическая химия. — М.: Высшая школа, 1981.
• Травень В. Ф. Органическая химия. — М.: Академкнига, 2004. — Т. 1.
• Гигиенические нормативы ГН 2.2.5.3532-18 «Предельно допустимые концентрации (ПДК) вредных веществ в воздухе рабочей зоны».
• International Agency for Research on Cancer (IARC). Benzene. IARC Monographs on the Evaluation of Carcinogenic Risks to Humans. Volume 100F. — Lyon, 2012.