Benzenul

Structura

Formula moleculară C₆H₆ arată o hidrocarbură foarte nesaturată, dar benzenul nu decolorează apa de brom și nu se oxidează cu permanganat de potasiu, ca alchenele. În 1865, August Kekulé a propus un ciclu de șase atomi de carbon cu legături duble și simple alternante. Măsurătorile au arătat însă că toate cele șase legături C–C au aceeași lungime, circa 1,39 Å, între legătura simplă (1,54 Å) și cea dublă (1,33 Å). Explicația este delocalizarea: fiecare atom de carbon este hibridizat sp², molecula este plană, cu unghiuri de 120°, iar cei șase electroni π formează un nor comun deasupra și dedesubtul ciclului (sextetul aromatic). De aceea nucleul se desenează și ca un hexagon cu un cerc înscris.

Proprietățile fizice

Benzenul este un lichid incolor, cu miros caracteristic, insolubil în apă și mai ușor decât ea (densitate circa 0,88 g/cm³). Fierbe la circa 80 °C și se solidifică la circa 5,5 °C. Este un bun solvent pentru grăsimi, lacuri și iod, dar este toxic și cancerigen, așa că utilizarea lui este restrânsă.

Reacțiile de substituție

Substituția înlocuiește un atom de hidrogen al nucleului cu un alt atom sau grup, iar nucleul aromatic rămâne intact. Fiecare reacție are catalizatorul ei:

• halogenarea cere o halogenură de fier(III); fără catalizator și la lumină, clorul nu substituie, ci se adiționează;
• nitrarea se face cu amestec sulfonitric și dă nitrobenzen, un lichid gălbui, din care se obține anilina;
• sulfonarea dă acidul benzensulfonic, din care se poate obține fenolul;
• alchilarea (Friedel–Crafts) introduce un radical alchil: cu clorură de metil se obține toluenul, iar cu propenă izopropilbenzenul (cumenul), materie primă pentru fenol și acetonă; acilarea introduce un radical acil și dă cetone aromatice.

Un al doilea substituent nu intră la întâmplare: substituenții de ordinul I (radicali alchil, –OH, –NH₂, halogeni) orientează în pozițiile orto și para, iar cei de ordinul al II-lea (–NO₂, –SO₃H, –COOH) în poziția meta. De exemplu, nitrarea nitrobenzenului dă m-dinitrobenzen.

Reacțiile de adiție

Adiția distruge sextetul aromatic, de aceea cere condiții energice. Cu hidrogen, pe nichel, la temperatură și presiune, se obține ciclohexanul. Cu clor, la lumină, se adiționează trei molecule și se formează hexaclorociclohexanul, folosit în trecut ca insecticid.

Oxidarea și arderea

Agenții oxidanți obișnuiți, ca permanganatul de potasiu, nu atacă nucleul benzenic. Numai cu oxigen, la circa 500 °C, pe pentaoxid de vanadiu, nucleul se rupe și se formează anhidrida maleică. Benzenul arde cu flacără fumegândă, din cauza conținutului mare de carbon. Omologii lui, ca toluenul, se oxidează la catena laterală, nu la nucleu (vezi capitolul Arene).

Obținerea și naftalina

Benzenul se obține industrial din petrol (prin reformare catalitică) și din gudroanele de la cocsificarea cărbunilor; se poate obține și prin trimerizarea acetilenei la 600–800 °C, o reacție importantă mai ales pentru legătura dintre alchine și arene. Naftalina, C₁₀H₈, cu două nuclee benzenice condensate, dă aceleași tipuri de reacții, dar mai ușor; ea este prezentată în capitolul Arene.

Exemplu rezolvat 1: nitrobenzenul, cu randament.

Ce masă de nitrobenzen se obține din 46,8 g de benzen, dacă randamentul nitrării este 75%? (Mase atomice: C 12, H 1, N 14, O 16.)

1. $n_{{\mathrm{C}}_6{\mathrm{H}}_6}=\frac{46,8}{78}=0,6$ mol.
2. Practic se formează $0,6\cdot 0,75=0,45$ mol de C₆H₅–NO₂.
3. $M_{{\mathrm{C}}_6{\mathrm{H}}_5\mathrm{N}{\mathrm{O}}_2}=72+5+14+32=123$ g/mol, deci $m=0,45\cdot 123=55,35$ g.

Exemplu rezolvat 2: hidrogenarea.

Ce volum de hidrogen (c.n.) este necesar pentru hidrogenarea totală a 31,2 g de benzen?

1. $n_{{\mathrm{C}}_6{\mathrm{H}}_6}=\frac{31,2}{78}=0,4$ mol.
2. Fiecare mol de benzen adiționează 3 mol de H₂: $n_{{\mathrm{H}}_2}=1,2$ mol.
3. $V=1,2\cdot 22,4=26,88$ L.

Exemple rezolvate

Exemplul 3: nivel de examen, conversia utilă și conversia totală

Se clorurează 312 g de benzen, în prezență de FeCl₃. Amestecul organic final conține monoclorobenzen, diclorobenzen și benzen nereacționat în raport molar $5:2:1$. Calculează masa de monoclorobenzen, masa de clor consumată, conversia utilă (în monoclorobenzen) și conversia totală.

1. $n_{{\mathrm{C}}_6{\mathrm{H}}_6}=\frac{312}{78}=4$ mol, împărțiți în $5+2+1=8$ părți: 2,5 mol C₆H₅Cl, 1 mol C₆H₄Cl₂ și 0,5 mol C₆H₆ nereacționat.
2. Masa de monoclorobenzen: $2,5\cdot 112,5=281,25$ g.
3. Clorul: 1 mol de Cl₂ pentru fiecare mol de derivat monoclorurat și 2 mol pentru fiecare mol de derivat diclorurat: $2,5+2\cdot 1=4,5$ mol, adică $4,5\cdot 71=319,5$ g.
4. Conversia utilă: $\frac{2,5}{4}\cdot 100=62,5\%$; conversia totală: $\frac{2,5+1}{4}\cdot 100=87,5\%$.

Verificare: s-au transformat $4-0,5=3,5$ mol de benzen, adică 87,5% din 4 mol.

Exemplul 4: identificarea produsului de alchilare

Prin alchilarea benzenului cu o alchenă se obține o arenă cu masa molară 120 g/mol. Identifică arena și calculează procentul de carbon din ea.

1. Arenele mononucleare CₙH₂ₙ₋₆ au $M=14n-6$; $14n-6=120$ dă $n=9$: C₉H₁₂.
2. Alchena are $9-6=3$ atomi de carbon, deci este propena, iar produsul este izopropilbenzenul, C₆H₅–CH(CH₃)₂.
3. Procentul de carbon: $\frac{9\cdot 12}{120}\cdot 100=90\%$.

La itemii despre arene, compară reactantul, condițiile și produsul înainte să alegi răspunsul. Clorul în prezență de $\mathrm{FeC}{\mathrm{l}}_3$ substituie un H al nucleului și dă clorobenzen; la lumină, fără catalizator, se adiționează la benzen și dă hexaclorociclohexan. La nitrare se folosește amestecul sulfonitric, iar la alchilarea cu propenă produsul este izopropilbenzenul, nu propilbenzenul liniar.

Exemplu în formatul examenului (complement simplu). Se obțin $15,6$ g izopropilbenzen prin alchilarea benzenului aflat în exces cu propenă, la randament $80\%$. Ce volum de propenă, măsurat în condiții normale, trebuie introdus? Se dau $M({\mathrm{C}}_9{\mathrm{H}}_{12})=120$ g/mol și $V_m=22,4$ L/mol.

• A. $2,91$ L
• B. $3,64$ L
• C. $4,48$ L
• D. $5,60$ L
• E. $7,28$ L

1. Ecuația arată raportul $1:1$ dintre propenă și izopropilbenzen: ${\mathrm{C}}_6{\mathrm{H}}_6+{\mathrm{C}}_3{\mathrm{H}}_6\to {\mathrm{C}}_9{\mathrm{H}}_{12}$.
2. Masa de produs reprezintă $15,6/120=0,13$ mol obținuți practic.
3. La randament $80\%$, cantitatea de propenă necesară este $0,13/0,80=0,1625$ mol.
4. Volumul este $0,1625\cdot 22,4=3,64$ L. Răspuns corect: B.

Valoarea $2,91$ L este cantitatea teoretică calculată direct din produsul obținut, fără corectarea randamentului. Celelalte volume ar însemna alte cantități de propenă decât cele cerute de raportul molar și de randamentul dat. În problemele cu conversie, benzenul rămas nereacționat nu se adună la produsul dorit; conversia utilă și conversia totală se calculează separat.

Înainte de calcul, procentul de randament se transformă în fracția $0,80$; folosirea numărului $80$ în numitor ar micșora artificial volumul de o sută de ori.

Înainte și după

• Înainte: capitolul Arene, cu seria omoloagă și denumirea; reacțiile de substituție la alcani și de adiție la alchene; acetilena.
• După: fenolul, unde grupa –OH activează nucleul; anilina, obținută din nitrobenzen; calculele chimice cu conversie și randament.

Unde apare la examen

• Admiterea la Medicină, UMFCD: tematica pentru 2026 cere capitolul „Arene” din manualul de clasa a X-a de la Grup Editorial Art (paginile 71–87), iar din manualul de clasa a XI-a conversia și randamentul și reacțiile de halogenare, alchilare, nitrare și sulfonare ale compușilor aromatici (tematica de admitere UMFCD 2026). Formatul testului este pe pagina Admitere Medicină UMFCD.
• Programa de clasa a X-a numește halogenarea și nitrarea benzenului, toluenului și naftalinei, iar la curriculumul diferențiat sulfonarea, alchilarea, acilarea, orientarea substituției, adiția hidrogenului și a clorului la benzen și oxidarea la nucleu (programa de chimie, clasa a X-a, OMECI 5099/2009).
• Bacalaureatul, chimie organică: programa de examen cere formulele și proprietățile fizice ale benzenului, toluenului și naftalinei, halogenarea și nitrarea lor și alchilarea benzenului cu propenă (programa de bacalaureat, anexa 2 la OMENCS 5070/2016).

Greșeli frecvente

• Greșit: Benzenul se comportă ca o alchenă.
  Corect: nu decolorează apa de brom și nu reacționează cu $\mathrm{KMn}{\mathrm{O}}_4$; reacțiile lui caracteristice sunt substituțiile.
• Greșit: Clorul dă mereu clorobenzen cu benzenul.
  Corect: cu $\mathrm{FeC}{\mathrm{l}}_3$, la întuneric, are loc substituția; la lumină, fără catalizator, are loc adiția și se formează hexaclorociclohexanul.
• Greșit: Legăturile din benzen sunt alternant simple și duble.
  Corect: toate cele șase legături C–C sunt egale; formula Kekulé este doar o reprezentare.
• Greșit: Cu $\mathrm{KMn}{\mathrm{O}}_4$ în mediu acid, toluenul se oxidează la nucleu.
  Corect: se oxidează catena laterală și se obține acidul benzoic; nucleul rămâne.
• Greșit: Conversia utilă și conversia totală au aceeași valoare.
  Corect: conversia utilă se calculează numai pentru produsul dorit, cea totală pentru tot reactantul transformat (exemplul 3).

Înainte și după

Întrebări frecvente