Написать уравнение реакции гидрирования бензола

Гидрирование бензола

Гидрирование бензола осуществляется в паровой фазе при давлении1,6-2,0 МПа (16-20 атм.), температуре125-250 о С на никельхромовом катализаторе в 2-х реакторах: трубчатом реакторе со съемом тепла кипящим конденсатом и в колонном реакторе адиабатического типа.

Реакция гидрирования бензола в циклогексан протекает по уравнению:

Гидрирование бензола проводится водородом из азотоводородной фракции, поступающей с производства аммиака, а также используется отбросной водород из отделения дегидрирования анола.

Давление в системе не более 2,0 МПа и мольное соотношение газ-бензол поддерживается за счет циркуляции водорода после гидрирования с помощью циркуляционного компрессора и подачи свежего водорода с давлением 2,0-2,4 МПа.

Молярное соотношение газ — бензол поддерживается равным 8:1 регулированием подачи бензола и циркуляционного водорода.

Для исключения проскока бензола концентрация водорода в циркуляционном газе поддерживается в пределах 20-30 % об. за счет сдувок части циркуляционного газа из системы. Кроме этого необходимо иметь определенную объемную скорость бензола на катализаторе. Максимальная объемная скорость бензола на никельхромовом катализаторе 1,5 л бензола на 1 л катализатора в час. При этом обеспечивается полное превращение бензола в циклогексан.

Однако, реакция гидрирования бензола по высоте слоя катализатора проходит неравномерно: не менее 90 % бензола превращается в циклогексан на 30 % от общего объема катализатора, т.е. при высокой объемной скорости.

Особенность процесса гидрирования бензола требует разбавления катализатора в 1-ом реакторе: в верхнем слое 1 : 8, в среднем 1: 2, нижнем –чистый катализатор. Во 2-ом реакторе колонного типа загружается около 40 % общего объема катализатора без разбавления.

Реакция гидрирования- процесс экзотермический, поэтому для поддержания температуры в пределах 125-250 о С необходим съем тепла. Тепло реакции в реакторе трубчатого типа снимается кипящим конденсатом, тепло реакции во 2-ом реакторе снимается рабочей смесью за счет увеличения ее теплосодержания.

При повышении температуры реакции выше 250 о С происходит изомеризация циклогексана в метилциклопентан.

К качеству бензола предъявляются высокие требования и оно должно соответствовать нормам по ГОСТ 9572-93, представленным в таблице 2

Прежде всего, жесткие нормы установлены по содержанию серы, н- гептана, метилциклогексана и толуола. При гидрировании бензола первые 2 примеси не подвергаются изменениям, а толуол превращается в метилциклогексан.

При окислении циклогексана н- гептан и метилциклогексан окисляются до гептанона –2, который имеет точку кипения, близкую к точке кипения , циклогексанона , поэтому его трудно отделить ректификацией.

Гептанон-2 на стадиях оксимирования и перегруппировки превращается в амиды кислот , что ухудшает качество капролактама.

Следует отметить, что никельхромовый катализатор очень чувствителен к серосодержащим примесям, которые являются контактными ядами. Наиболее сильным каталитическим ядом является тиофен. Его отравляющее действие в 5 раз выше, чем сероводорода и сероуглерода.

Серосодержащие соединения хемосорбируются поверхностью катализатора необратимо отравляя его, снижается активность катализатора и степень превращения бензола.

Для обеспечения длительной эксплуатации никельхромового катализатора при содержании в бензоле и в водороде серы более 1,5 ррм предусматривается форконтактная очистка бензола и водорода на медьсодержащих катализаторах или цинковым поглотителем.

Снижение активности никельхромового катализатора вызывает также наличие аммиака в водороде в количестве более 300 мг / м 3 .

Химические свойства аренов

Арены (ароматические углеводороды) – это непредельные (ненасыщенные) циклические углеводороды, молекулы которых содержат устойчивые циклические группы атомов (бензольные ядра) с замкнутой системой сопряженных связей.

Общая формула: C_nH_2n–6 при n ≥ 6.

Химические свойства аренов

Арены – непредельные углеводороды, молекулы которых содержат три двойных связи и цикл. Но из-за эффекта сопряжения свойства аренов отличаются от свойств других непредельных углеводородов.

Для ароматических углеводородов характерны реакции:

• присоединения,
• замещения,
• окисления (для гомологов бензола).

Ароматическая система бензола устойчива к действию окислителей. Однако гомологи бензола окисляются под действием перманганата калия и других окислителей.

1. Реакции присоединения

Бензол присоединяет хлор на свету и водород при нагревании в присутствии катализатора.

1.1. Гидрирование

Бензол присоединяет водород при нагревании и под давлением в присутствии металлических катализаторов (Ni, Pt и др.).

При гидрировании бензола образуется циклогексан:

При гидрировании гомологов образуются производные циклоалканы. При нагревании толуола с водородом под давлением и в присутствии катализатора образуется метилциклогексан:

1.2. Хлорирование аренов

Присоединение хлора к бензолу протекает по радикальному механизму при высокой температуре, под действием ультрафиолетового излучения.

При хлорировании бензола на свету образуется 1,2,3,4,5,6-гексахлорциклогексан (гексахлоран).

Гексахлоран – пестицид, использовался для борьбы с вредными насекомыми. В настоящее время использование гексахлорана запрещено.

Гомологи бензола не присоединяют хлор. Если гомолог бензола реагирует с хлором или бромом на свету или при высокой температуре (300°C), то происходит замещение атомов водорода в боковом алкильном заместителе, а не в ароматическом кольце.

2. Реакции замещения

2.1. Галогенирование

Бензол и его гомологи вступают в реакции замещения с галогенами (хлор, бром) в присутствии катализаторов (AlCl₃, FeBr₃).

При взаимодействии с хлором на катализаторе AlCl₃ образуется хлорбензол:

Ароматические углеводороды взаимодействуют с бромом при нагревании и в присутствии катализатора – FeBr₃ . Также в качестве катализатора можно использовать металлическое железо.

Бром реагирует с железом с образованием бромида железа (III), который катализирует процесс бромирования бензола:

Мета-хлортолуол образуется в незначительном количестве.

При взаимодействии гомологов бензола с галогенами на свету или при высокой температуре (300 о С) происходит замещение водорода не в бензольном кольце, а в боковом углеводородном радикале.

Например, при хлорировании этилбензола:

2.2. Нитрование

Бензол реагирует с концентрированной азотной кислотой в присутствии концентрированной серной кислоты (нитрующая смесь).

При этом образуется нитробензол:

Толуол реагирует с концентрированной азотной кислотой в присутствии концентрированной серной кислоты.

В продуктах реакции мы указываем либо о-нитротолуол:

Нитрование толуола может протекать и с замещением трех атомов водорода. При этом образуется 2,4,6-тринитротолуол (тротил, тол):

2.3. Алкилирование ароматических углеводородов

• Арены взаимодействуют с галогеналканами в присутствии катализаторов (AlCl_3, FeBr₃ и др.) с образованием гомологов бензола.

• Ароматические углеводороды взаимодействуют с алкенами в присутствии хлорида алюминия, бромида железа (III), фосфорной кислоты и др.

• Алкилирование спиртами протекает в присутствии концентрированной серной кислоты.

2.4. Сульфирование ароматических углеводородов

Бензол реагирует при нагревании с концентрированной серной кислотой или раствором SO₃ в серной кислоте (олеум) с образованием бензолсульфокислоты:

3. Окисление аренов

Бензол устойчив к действию даже сильных окислителей. Но гомологи бензола окисляются под действием сильных окислителей. Бензол и его гомологи горят.

3.1. Полное окисление – горение

При горении бензола и его гомологов образуются углекислый газ и вода. Реакция горения аренов сопровождается выделением большого количества теплоты.

Уравнение сгорания аренов в общем виде:

При горении ароматических углеводородов в недостатке кислорода может образоваться угарный газ СО или сажа С.

Бензол и его гомологи горят на воздухе коптящим пламенем. Бензол и его гомологи образуют с воздухом и кислородом взрывоопасные смеси.

3.2. О кисление гомологов бензола

Гомологи бензола легко окисляются перманганатом и дихроматом калия в кислой или нейтральной среде при нагревании.

При этом происходит окисление всех связей у атома углерода, соседнего с бензольным кольцом, кроме связи этого атома углерода с бензольным кольцом.

Толуол окисляется перманганатом калия в серной кислоте с образованием бензойной кислоты:

Если окисление толуола идёт в нейтральном растворе при нагревании, то образуется соль бензойной кислоты – бензоат калия:

Таким образом, толуол обесцвечивает подкисленный раствор перманганата калия при нагревании.

Более длинные радикалы окисляются до бензойной кислоты и карбоновой кислоты:

При окислении пропилбензола образуются бензойная и уксусная кислоты:

Изопропилбензол окисляется перманганатом калия в кислой среде до бензойной кислоты и углекислого газа:

4. Ориентирующее действие заместителей в бензольном кольце

Если в бензольном кольце имеются заместители, не только алкильные, но и содержащие другие атомы (гидроксил, аминогруппа, нитрогруппа и т.п.), то реакции замещения атомов водорода в ароматической системе протекают строго определенным образом, в соответствии с характером влияния заместителя на ароматическую π-систему.

Типы заместителей в бензольном кольце

В уравнении реакции в качестве продукта записывается либо орто-толуол, либо пара-толуол.

5. Особенности свойств стирола

Стирол (винилбензол, фенилэтилен) – это производное бензола, которое имеет в своем составе двойную связь в боковом заместителе.

Общая формула гомологического ряда стирола: C_nH_2n-8.

Стирол присоединяет водород, кислород, галогены, галогеноводороды и воду в соответствии с правилом Марковникова.

При полимеризации стирола образуется полистирол:

Как и алкены, стирол окисляется водным раствором перманганата калия при обычных условиях. Обесцвечивание водного раствора перманганата калия — качественная реакция на стирол:

При жестком окислении стирола перманганатом калия в кислой среде (серная кислота) разрывается двойная связь и образуется бензойная кислота и углекислый газ:

При окислении стирола перманганатом калия в нейтральной среде при нагревании также разрывается двойная связь и образуется соль бензойной кислоты и карбонат:

Химия, Биология, подготовка к ГИА и ЕГЭ

Химические свойства бензола

В лекции о бензоле мы рассмотрели строение молекулы и определили, что бензольное кольцо — уникальная система. И у этой системы свои характеристики, отличающиеся от свойств других углеводородов.

Первая такая характеристика — прочность бензольного кольца . Прочность не просто геометрической фигуры шестиугольника, а именно системы связей и делокализованного электронного облака.

Что это означает? Это означает, что разрушить эту систему (раскрыть кольцо) возможно при специальных условиях — давление, температура, катализатор…

Для бензола и его гомологов характерны реакции замещения.

Остальные реакции идут с трудом.

Лучше, конечно, разделить химические свойства бензола и химические свойства алкилбензолов. По сути, алкилбензолы — вещества с двумя функциональными группами — бензольным кольцом и насыщенным алкильным радикалом, для которого более характерны свойства алканов.

Химические свойства бензола

Реакции замещения в бензольном кольце проходят в присутствии катализаторов: солей Al(3+) или Fe(3+):

Реакция галогенирования бензола (взаимодействие с бромом — качественная реакция на бензол):

C6H6 + Br2 = C6H5Br + HBr

Нитрование бензола (обратите внимание, в органической химии неорганические кислоты реагируют немного по-другому — с отщеплением группы -OH):

C6H6 + HO-NO2 → C6H5NO2 + H2O

Химические свойства бензола — Алкилирование — получение гомологов бензола, алкилбензолов (катализаторы реакции — галогениды алюминия: AlCl3, AlBr3 и т.д.):

С6H6 + С2H5Cl → C6H5C2H5 + HCl

Химические свойства гомологов бензола — алкилбензолов

Реакции замещения алкилбензолов:

во-первых, гомологи бензола более ракционноспособны — легче вступают в реакции,

во-вторых, эти реакции идут немного по-другому:

Галогенирование алкилбензолов:

С6H5-CH3 + Br2 (на свету) = С6H5-CH2Br + HBr

Т.е. бром идет в боковую цепь, а не в кольцо.

Чтобы бром пошел в кольцо, надо использовать катализатор — соли Al(3+)

Нитрование алкилбензолов:

С6H5-CH3 + 3HNO3 → C6H2CH3(NO2)3

тринитротолуол, он же тротил

Окисление: реакция, характерная для алкилбензолов и не характерная для самого бензола

С6H5CH3 + [O] → C6H5COOH — бензойная кислота

Гидрирование бензола и алкилбензолов:

Тут уже различий нет. при гидрировании всех аренов (температура, давление, катализатор — бензольное кольцо разорвать не так уж и просто) получаются циклоалканы, а точнее, циклогексан и циклогексан с радикалами:

С6H6 + 3 H2 → C6H12 циклогексан

С6H5CH3 + 3 H2 → C6H11-CH3 — метилциклогексан

Реакция горения: все органические вещества горят с образованием углекислого газа CO2 и воды H2O: