Benzenul (cunoscut și sub denumirea mai puțin frecventă de benzol) este o hidrocarbură cu un nucleu aromatic care are formula chimică C6H6. Este întâlnit în cărbuni, petrol și se obține în mod natural prin arderea incompletă a compușilor bogați în carbon. Are proprietăți de solvent pentru iod, sulf și fosfor.
Până la Al Doilea Război Mondial, benzenul rezulta ca produs secundar al procedurii de formare a cocsului. După anii 1950, hidrocarbura a fost extrasă din petrol. Există patru metode de laborator din care se obține: reformare catalitică, hidrodezalchilarea toluenului, disproporționarea toluenului și cracare cu abur. Participă la reacții de substituție, oxidare și adiție. Etimologic, cuvântul provine de la rășina „benzoe” care prin sublimare formează acidul benzoic.
Au fost emise numeroase formule pentru benzen. Formula propusă de Kekulé în 1865 implica o aranjare ciclică a atomilor de carbon în care legăturile simple alternează cu cele duble, însă această structură nu explica în totalitate proprietățile hidrocarburii. Erich Hückel în 1931 a demonstrat prin teoria orbitalilor moleculari că benzenul este reprezentat de un ciclu de șase atomi de carbon, în interiorul lui fiind un cerc sau o linie circulară punctată pentru a sugera delocalizarea electronilor din legătura C-C.
Compusul organic este incolor, extrem de inflamabil și volatil, având un punct de solidificare de 5,5 °C și cel de fierbere fiind de 80,1 °C. La 20 °C are o densitate de 0,88 g·cm și este mai solubil în solvenți organici decât în apă. Face parte din categoria substanțelor cancerigene, fiind evitat a fi folosit ca solvent industrial și înlocuit prin derivații metilați ai benzenului ca toluenul și xilenii. Este un solvent foarte utilizat în industria chimică și reprezintă un precursor important al sintezei chimice de medicamente, plastic, gumă sintetică sau coloranți.
Istoric Descoperire Cuvântul „benzen” provine de la numele rășinii arborelui Styrax benzoin, numită „benzoe”. Aceasta a fost folosită în farmaciile europene începând cu secolul 15, fiind un produs originar din Asia de Sud-Est, denumirea ei fiind derivată de la expresia arabică „luban jawi”. Prin sublimarea acestei rășini se formează acidul benzoic, numit și „flori de benzoe”, iar hidrocarbura derivată din acesta a fost numită „benzin”, „benzol” sau „benzen”.Pan's Directory of Incense Ingredients . panspantry.co.uk. Accesat la 7 noiembrie 2009.Acidum Benzoicum. henriettesherbal.com. Accesat la 7 noiembrie 2009.
Benzenul a fost izolat de Michael Faraday în anul 1825 dintr-o fracțiune de gaz depus în procesul de lichefiere a gazul de iluminat, numindu-l bicarburet of hydrogen. El a observat că substanța este o hidrocarbură care avea o formulă moleculară ce putea fi scrisă ca un multiplu de CxHy.K. C. Nicolaou, Tamsyn Montagnon, Molecules that changed the world, pg.2, Wiley-VCH. ISBN 978-3-527-30983-2. Justus von Liebig a redenumit compusul, numindu-l „benzen” sau „benzol” în 1834.William H. Brock, Justus Von Liebig: The Chemical Gatekeeper , Cambridge University Press, 1997. ISBN 0-521-56224-4 În 1883, Eilhard Mitscherlich l-a obținut din decarboxilarea acidului benzoic și a oxidului de calciu, denumindu-l „benzin”.
C6H5COOH + CaO -> C6H6 + CaCO3
În 1836, chimistul francez Auguste Laurent a intitulat substanța „phène”, cuvântul devenind ulterior rădăcină pentru fenol și pentru radicalul fenil.Henry Marshall Leicester , The historical background of chemistry, Chapman & Hall, 1956, pg. 177. ASIN: B0000CJJFI În 1845, August Wilhelm von Hofmann a izolat substanța din gudroanele rezultate din distilarea uscată a cărbunilor de pământ.Avram, pg. 264 În 1855, acesta a folosit pentru prima dată termenul „aromatic” pentru a numi caracterul compușilor chimici înrudiți cu benzenul. În 1868, Marcellin Berthelot a sintetizat benzenul prin trimerizarea acetilenei.Russian Journal of Applied Chemistry, MAIK Nauka/Interperiodica, vol. 77, pg. 1909-1912. ISSN 1070-4272 În petrol, compusul a fost identificat ulterior, iar în cel din România a fost descoperit de Petru Poni în 1900 și de Lazăr Edeleanu în 1901.
Formule propuse thumb|right|300px|Diverse reprezentări ale benzenuluiModul de aranjare a atomilor din structura benzenului a fost îndelung disputată. După ce Stanislao Cannizzaro a descoperit formula moleculară adevărată a compusului (C6H6), multe teorii au fost emise fără explicația ulterioară a proprietăților chimice, cum ar fi cea prezentată de James Dewar (denumit benzen Dewar), 3-prismanul propus de Albert Ladenburg, benzvalenul, benzenul Claus. În cadrul teoriei valențelor parțiale au fost propuse pentru benzen formule cu valențe parțial centrice (E. Armstrong în 1887) și cu valențe parțiale compensate (J. Thiele în 1899).Avram, pg. 265 Johann Josef Loschmidt a prezentat prima formulă corectă în 1861, aceasta reprezentând baza interpretării corecte a structurii benzenului de către Friedrich August Kekulé von Stradonitz în 1865. Savantul german a declarat că i-a venit ideea reprezentării benzenului ca un cerc în care atomii de carbon sunt uniți prin legături duble alternate cu cele simple de la imaginea unui șarpe care-și urmărea propria coadă. Ulterior, el a modificat teoria sa, considerând benzenul un amestec de ciclohexatriene aflate în echilibru rapid.Benzene. ch.ic.ac.uk. Accesat la 4 noiembrie 2009. thumb|left|200px|Întrepătrunderea orbitalilor p ai carbonului și formarea orbitalilor moleculari delocalizați Kekulé a afirmat că benzenul este alcătuit dintr-un hexagon ciclic regulat plan, cu laturile având lungimea de 1,39Å și unghiurile având măsura de 120°. El a evidențiat faptul că majoritatea reprezentărilor sunt echivalente, mai exact, legăturile duble alternate cu cele simple pot fi așezate oriunde pe ciclu. De asemenea, utilizând teoria orbitalilor hibrizi, a afirmat că benzenul are în structura sa șase atomi de carbon (situați în vârfurile hexagonului și uniți între ei prin trei duble legături σ conjugate, fiecare atom având hibridizarea sp2) și din șase atomi de hidrogen, formându-se legături σ carbon-hidrogen. Orbitalul p nehibridizat al unui atom de carbon se întrepătrunde cu vecinii lui, formând orbitali moleculari extinși pe toți atomii ciclului. Datorită acestei întrepătrunderi, deasupra și dedesubtul planului se formează două domenii de densitate electronică mare. Atomul de carbon saturat al benzenului rezultă din această delocalizare a electronilor orbitalilor moleculari extinși.C.D. Nenițescu, Chimie Organică, vol 1. Editura Didactică și Pedagogică, București, 1980, pg 310 Structura ciclică a benzenului a fost confirmată de cristalograful Kathleen Lonsdale.Woman of substance. rsc.org. Accesat la 4 noiembrie 2009.
Structură left|thumb|200px|Reprezentarea celor două forme mezomere ale benzenului thumb|right|69px|Reprezentarea corectă a benzenului Prin studiul spectrelor de difracție cu raze X pe ținte pure de benzen, s-a determinat echivalența tuturor legăturilor carbon-carbon din benzen, acestea având lungimea de 140 pm. Ele sunt mai mari decât una dublă (135 pm) și mai mici decât una simplă (147 pm). Această valoare este determinată de delocalizarea(dislocarea) electronilor legăturilor C-C, aceștia fiind distribuiți în mod egal pe fiecare dintre cei șase atomi de carbon, molecula putând fi reprezentată ca o suprapunere a două reprezentări mezomere).Cuza Olga, Curs de bazele Chimiei Organice. Hidrocarburi. Universitatea din București, 2008-2009. Delocalizarea electronilor π este cunoscută sub numele de aromaticitate, aceasta conferind benzenului o mare stabilitate. Pentru a exprima acest lucru, se utilizează formule în care se scrie într-un hexagon regulat un cerc cu linie continuă sau punctată.
Metoda orbitalilor moleculari permite descrierea mai exactă a structurii benzenului. Aceasta a fost elaborată de Erich Hückel în 1931 și necesită calculul unui determinant de șase linii și șase coloane pentru a putea obține diagrama energetică a benzenului.Avram, pg 267
550px|thumb|Stabilitatea benzenului datorată delocalizării electronilor|400px
Proprietăți fizice și stare naturală Benzenul se întâlnește în gazul de huilă, în petrol și în produsele lichide ale distilării uscate a numeroșilor compuși organici bogați în carbon (huilă, lignit).Hidrocarburi Este un lichid incolor, extrem de inflamabil și volatil, având un indice de refracție de 1,50.Volatile Organic Compounds . ace.mmu.ac.uk. Accesat la 7 noiembrie 2009.Jacques Denis,Jean Briant,Jean-Claude Hipeaux, Physico-chimie des lubrifiants: analyses et essais. Édition Technip., Paris. ISBN 2-7108-0726-2 Viscozitatea sa este mai slabă decât cea a apei.Process for the preparation of polyisocyanates with a biuret structure. FreePatentsOnline. Accesat la 7 noiembrie 2009. Benzenul se solidifică la 5,5 °C, temperatura de fierbere fiind de 80,1 °C.Benzene. accessscience.com. Accesat la 7 noiembrie 2009.Benzene. National Toxicology Program. Accesat la 7 noiembrie 2009. La 20 °C are o densitate de 0,88 kg/L și o presiune de vapori de 110 Pa. Este foarte solubil în solvenți organici polari, iar în apă se solubilizează mai greu. Coeficientul de expansiune termică al benzenului la 20 °C este de 0,001187 K−1. Are un miros caracteristic, cu un prag de detectare de 1,5 la 900 mg/m3 în aer. Amestecul format din vapori de benzen și aer este foarte inflamabil, compusul aprinzându-se la -11 °C. Zona de sablare se situează între 1,2 procente de volum (39 g/m3) ca limita inferioară de explozie și 8,6 procente de volum (280 g/m3) ca limită superioară de explozie. Energia minimă de aprindere este de 0,2 mJ,Benzol. biade.itrust.de. Accesat la 7 noiembrie 2009. iar temperatura de combustie este de 555 °C.E. Brandes, W. Möller, „Sicherheitstechnische Kenndaten - Band 1: Brennbare Flüssigkeiten und Gase, Wirtschaftsverlag NW – Verlag für neue Wissenschaft GmbH”, Bremerhaven 2003. Benzenul arde cu o flacără galbenă, formând apă și dioxid de carbon, fumegând, indicând astfel conținutul ridicat de carbon. Puterea calorică a compusului este de 40580 kJ/kg, entalpia molară fiind de 3257,6 kJ/mol pentru starea lichidă și 3301 kJ/mol pentru cea gazoasă.Tabelas Termodinamica. slideshare.net. Accesat la 7 noiembrie 2009.
La spectroscopia în infraroșu, benzenul prezintă trei benzi de absorbție ale vibrațiilor de valență la 3003, 3071 și 3091 cm−1. Vibrațiile de deformație provoacă absorbții intense între 860– 1000 cm−1.Avram, pg. 282 Benzenul are în spectrul ultraviolet trei maxime de absorbție, acestea având valorile 184 nm, 203,5 nm și 256 nm.Avram, pg. 283 Dezecranarea protonilor aromatici se datorează existenței norului de electroni π extins asupra ciclului.Avram, pg. 271 Astfel, în spectrul RMN benzenul prezintă un singur semnal la δ 7,224 ppm.Avram,pg 281
Obținere Benzenul este obținut din compușii bogați în carbon care suferă o ardere incompletă. Se obține în mod natural din vulcani și din incendiile forestiere, fiind prezent și în multe alte produse de ardere inclusiv în fumul de țigară.Benzene . toverdict.com. Accesat la 11 decembrie 2009. Până la Al Doilea Război Mondial, cantități însemnate de benzen rezultau ca produs secundar în procesul producerii cocsului utilizat în industria fierului.UNESCO - CONVENTION DU PATRIMOINE MONDIAL BUREAU DU COMITÉ DU PATRIMOINE MONDIAL - ÉVALUATIONS DES BIENS CULTURELS (2001) În anii 1950, cererea de benzen a înregistrat o creștere substanțială, în special în industria maselor plastice, necesitând astfel extragerea mult mai productivă al acestuia din petrol. În prezent, benzenul se obține mai ales în industria petrochimică, producerea compusului din cărbune fiind foarte puțin utilizată.Pittsburgh Post-Gazette - Jan 12, 1974. Google News. Accesat la 19 decembrie 2009Aromatics On-line: benzene. toluene, xylenes - Aromatic Industry . aromaticsonline.net. Accesat la 19 decembrie 2009.Donald L. Burdick, William L. Leffler, „Petrochemicals in nontechnical language”, Ed. Pinwill, ediția a treia, p. 24.