Benzeno é um hidrocarboneto classificado como hidrocarboneto aromático, e é a base para esta classe de hidrocarbonetos: todos os aromáticos possuem um anel benzênico (benzeno), que, por isso, é também chamado de anel aromático, possui a fórmula C6H6.
Características organolépticas e uso prático O benzeno é líquido, inflamável, incolor e tem um aroma doce e agradável. É um composto tóxico, cujos vapores, se inalados, causam tontura, dores de cabeça e até mesmo inconsciência. Se inalados em pequenas quantidades por longos períodos causam sérios problemas sanguíneos, como leucopenia.
Também é conhecido por ser carcinogênico. É uma substância usada como solvente (de iodo, enxofre, graxas, ceras, etc.) e matéria-prima básica na produção de muitos compostos orgânicos importantes como fenol, anilina, trinitrotolueno, plásticos, gasolina, borracha sintética e tintas. A benzina é uma mistura de hidrocarbonetos obtida principalmente da destilação do petróleo que possui faixa de ebulição próxima ao benzeno.
Histórico O nome benzeno deriva do ácido benzoico, que foi descoberto no século XVI, e que recebeu este nome por ter sido obtido pela primeira vez da essência do benjoeiro.Benzene, no site www.word-origins.com A destilação seca de goma de benjoim primeiramente foi descrita por Nostradamus no ano (1555), e posteriormente por Aleixo Pedemontanus (1560) e Blaise de Vigenère (1596). O nome inicial do composto, benzine, foi dado pelo químico alemão Eilhardt Mitscherlich em 1833.
O benzeno foi descoberto em 1825 por Michael Faraday (1791 - 1867) no gás de iluminação usado em Londres na época. Faraday é o mesmo cientista que descobriu vários fenômenos elétricos e determinou as leis da eletrólise. Em 1834, o químico Edilhardt Mitscherlich determinou a fórmula molecular do benzeno como sendo C6H6.
Durante muitos anos os químicos se esforçaram para descobrir como os seis átomos de carbono e os seis de hidrogênio estavam dispostos dentro da molécula do anel benzênico.
Já na metade do século XIX, vários cientistas haviam proposto diferentes fórmulas estruturais para essa molécula. Porém nenhuma dessas proposições conseguia explicar as reações apresentadas pelo benzeno. Foi então que Friedrich August Kekulé von Stradonitz, mais conhecido por apenas Kekulé (1829 - 1896), em 1865, depois de um sonho, propôs a ideia do anel hexagonal, completada no ano seguinte com a hipótese da existência de um par de estruturas em equilíbrio, com a alternância de ligações duplas.
Compostos com anel benzênico e derivados substituídos
Hidrocarbonetos aromáticos - são aqueles hidrocarbonetos que geralmente possuem um ou mais benzenos (ver ressonância nesta página). Os radicais, gerados com a perda de um hidrogênio desses hidrocarbonetos, podem ser encontrados em vários outros compostos como radicais (fenil, benzil, orto-toluil, meta-toluil, para-toluil, α-naftil, ß-naftil.) Outros compostos, como os fenóis, oxigenados, são também compostos por benzeno: fenol (hidróxi-benzeno), α-naftol, orto-metil-fenol, etc.
esquerda|500px|thumb|Derivados do benzeno
Muitas substâncias químicas importantes são derivados de benzeno, substituindo um ou mais dos seus átomos de hidrogênio com outro grupo funcional. Exemplos de derivados simples de benzeno são fenol, tolueno, e anilina, abreviadas em inglês como PhOH, PhMe, e PhNH2, respectivamente. Ligando-se anéis benzênicos tem-se bifenilo, C6H5–C6H5. Posteriores perdas de hidrogênio dão hidrocarbonetos aromáticos "fundidos", tais como o naftaleno e antraceno. O limite do processo de fusão é o material livre de hidrogênio grafite.
Em heterocíclicos, átomos de carbono no anel de benzeno são substituídos com outros elementos. Os derivados mais importantes são os anéis contendo nitrogênio. Substituindo-se um CH com N obtém-se o composto piridina, C5H5N. Embora benzeno e piridina sejam estruturalmente relacionados, benzeno não pode ser convertido em piridina. A substituição de uma segunda ligação CH com N dará, dependendo da localização do segundo N, piridazina, pirimidina, e pirazina.
O fenômeno de ressonância no benzeno Ressonância ou mesomeria é o fenômeno que ocorre quando um composto pode ser representado por duas ou mais fórmulas estruturais, apresentando a mesma posição para os núcleos dos átomos, mas diferindo pela posição dos elétrons que fazem parte da ligação. A estrutura mais provável é um híbrido resultante da combinação de todas as possíveis estruturas que descrevem o composto.
Cada uma das estruturas possíveis desse composto é chamada de estrutura ressonante ou canônica, e são modelos, já que a estrutura da molécula não pode ser representada por uma configuração mais simples que indique a menor entalpia e maior estabilidade da espécie química.
Um exemplo clássico é o benzeno cuja estrutura pode ser descrita como se segue abaixo :
250px|centro|thumb|Benzeno
As estruturas da esquerda e da direita representam formas canônica do fenômeno da ressonância encontrada no benzeno. Sua estrutura, na realidade, não é nem uma e nem outra, mas algo intermediário entre elas.
Tampouco podemos dizer que a estrutura do benzeno ora é esta ou aquela, ou seja, não há oscilação entre essas estruturas. Também não podemos dizer que o benzeno consiste de certo número de moléculas de um jeito e um certo número de moléculas do outro jeito, mas sim consiste inteiramente de uma estrutura intermediária,ou seja, a verdadeira estrutura do benzeno é IDEAL e não é possível representar. E esta estrutura intermediária e suas propriedades não necessariamente são as médias aritméticas daquelas das estruturas canônicas. Assim, por exemplo, no benzeno a distância carbono-carbono é 1,40 A, que não é a média aritmética das distâncias das ligações simples (1,53 A) e dupla (1,30 A). Na atualidade o Benzeno é representado em forma de orbitais moleculares, segundo a estrutura abaixo, com um círculo interno no hexágono indicando a ressonância.
100px|centro|thumb|Benzeno
De acordo com o modelo orbital, os carbonos do benzeno estão hibridizados na forma sp²: duas ligações com carbonos adjacentes e a outra com um átomo de hidrogênio; todas essas ligações são sigma, estando no mesmo plano. O carbono fica ainda com um orbital p não hibridizado, para formar ligação pi com o átomo vizinho; então compreende-se que esta ligação é estabelecida indiferentemente entre os átomos adjacentes, ou seja, estas ligações pi não têm localizações rígidas (são deslocalizadas) podendo ocorrer em qualquer parte da molécula. O mesmo ocorre com os elétrons pi: consideramos que estes elétrons estão distribuídos acima e abaixo ao longo de todo o plano que contém as ligações sigma. Daí decorre a representação moderna com um anel hexagonal, contendo um círculo no seu interior.NOVAIS, Vera Lúcia Duarte de. Química, v. 3. São Paulo, Ed. Atual, 1999.
Produção Traços de benzeno podem resultar quando materiais ricos em carbono passam por combustão incompleta. Isto é produzido em vulcões e incêndios florestais, e é também um componente da fumaça dos cigarros. Benzeno é o componente principal dos produtos de combustão do PVC (policloreto de vinila).
Até a Segunda Guerra Mundial, a maior parte do benzeno era produzida como um subproduto da produção de coque (ou "óleo leve de fornode coque") na indústria do aço. Entretanto, nos anos 50, a crescente demanda por benzeno, especialmente da crescente indústria dos plásticos, necessitou da produção de benzeno a partir do petróleo. Hoje, a maior parte do benzeno vem da indústria petroquímica, com somente uma pequena fração sendo produzida do carvão.
Quatro processos químicos contribuem para a produção industrial de benzeno: reforma catalítica, hidrodealquilação do tolueno, desproporcionação do tolueno, e craqueamento a vapor. Nos EUA, 50% do benzeno vem da reforma catalítica e 25% do craqueamento a vapor. Na Europa Ocidental, 50% do benzeno vem do craqueamento a vapor e 25% da reforma catalítica.
Reforma catalítica Em reforma catalítica, uma mistura de hidrocarbonetos com pontos de ebulição entre 60–200 °C é misturada com gás hidrogênio e então exposta a um catalisador bifuncional de cloreto de platina ou cloreto de rênio a 500–525 °C e pressões na faixa de 8–50 atm. Sob estas condições, hidrocarbonetos alifáticos formam anéis e perdem hidrogênio tornando-se hidrocarbonetos aromáticos. Os produtos aromáticos da reação são separados das mistura reacional (ou "reformado") por extração com qualquer um de um número de solventes, incluindo dietilenoglicol ou sulfolano, e o benzeno é então separado dos outros aromáticos por destilação. A etapa de extração de aromáticos do reformado é projetada para produzir aromáticos com o mínimo de componentes não aromáticos. O assim chamado processo "BTX (Benzeno-Tolueno-Xilenos)" consiste de tais etapas de extração e destilação. Um desses processos amplamente utilizado pela UOP LLC foi licenciado para os produtores chamado processo Udex.
Similarmente a esta esta reforma catalítica, a UOP LCC e a BP comercializaram um método partindo de GLP (principalmente propano e butano) a aromáticos.
Hidrodealquilação de tolueno A hidrodealquilação de tolueno converte tolueno a benzeno. Neste processo intensivo por hidrogênio, tolueno é misturado com hidrogênio, então passado sobre catalisador de óxido de cromo, molibdênio, ou platina a 500–600 °C e pressão de 40–60 atm. Algumas vezes, temperaturas mais altas são usadas em vez de um catalisador (na similar condição de reação). Sob estas condições, desalquilação transforma tolueno em benzeno e metano:
C6H5CH3 + H2 → C6H6 + CH4
Esta reação irreversível é acompanhada por uma reação de equilíbrio lateral que produz bifenilo (também chamado difenilo) a temperatura mais alta:
2 C6H6 H2 + C6H5-C6H5
Se o fluxo das matérias-primas contém muito em componentes não aromáticos (parafinas ou naftênicos), estes são susceptíveis à decomposição de hidrocarbonetos inferiores, tais como o metano, o que aumenta o consumo de hidrogênio.
Um rendimento de reação típico ultrapassa 95%. Algumas vezes, xilenos e aromáticos mais pesados são usados em lugar de tolueno, com eficiência semelhante.
Isso é muitas vezes chamado de metodologia "com o propósito" de produzir benzeno, comparado aos processos BTX (benzeno-tolueno-xileno) convencionais.
Dismutação de tolueno Quando a indústria química tem demandas similares, tanto para o benzeno como para o xileno, então a desproporcionação (ou ainda desproporcionamento, que é uma dismutação) de tolueno (TDP, do inglês Toluene DisProportionation) pode ser uma alternativa a hidrodealquilação do tolueno. Em termos gerais 2 moléculas de tolueno reagem e os grupos metilo são reorganizados de uma molécula para outra, produzindo assim uma molécula de benzeno e outra de xileno.
Dado qua a demanda para para-xileno (p-xileno) substancialmente excede a demanda para outros isômeros de xileno, um refinamento do processo TDP chamado TDP seletivo (em inglês selective TDP, STDP) pode ser usado. Neste processo, a corrente de xileno deixando a unidade de TDP é aproximadamente 90% para-xileno. Em alguns dos atuais sistemas catalíticos, a razão benzeno-xilenos é diminuída (mais xilenos), quando a demanda de xilenos é maior.
Craqueamento a vapor Craqueamento a vapor é o processo para a produção de etileno e outros alquenos de hidrocarbonetos alifáticos. Dependendo da matéria-prima utilizada na produção de olefinas, craqueamento a vapor pode produzir um subproduto líquido rico em benzeno chamado gasolina de pirólise. Gasolina de pirólise pode ser misturada com outros hidrocarbonetos como um aditivo de gasolina, ou destilado (no processo BTX) para ser separado em seus componentes, incluindo benzeno.
Usos Usos primordiais