МБОУ Бейская средняя общеобразовательная школа-интернат
среднего (полного) общего образования
Преподаватель – организатор ОБЖ Маланчик Павел Иванович.
План - конспект урока по черчению для 8 класса
Тема урока : Чертежи разверток поверхностей геометрических тел
Цель урока : Научить выполнять проецирование предмета на 3 плоскости. Развивать пространственное мышление. Воспитывать аккуратность при выполнении чертежей.
Методы : Беседа, объяснение, демонстрация, самостоятельная работа .
Оборудование : Учебник, плакат, чертежные инструменты, модели.
Тип урока : Изучение нового материала
Структура урока
Орг. момент – 2-3 мин.
Анализ графической работы – 5 мин.
Закрепление - 25 мин.
Заключительная часть – 3 мин.
Ход урока
Орг. момент.
Здравствуйте, садитесь.
Тема сегодняшнего урока – «Чертежи разверток поверхностей геометрических тел ». Запишите её в тетрадь чертёжным шрифтом (тема написана на доске), а я в это время раздам вам ваши работы.
Постановка цели урока, мотивация предстоящей деятельности, (желательно чтобы цели своей деятельности на уроке поставили сами дети, человека два – три достаточно
Анализ выполнения графической работы.
Общие ошибки вынести на доску, отметить лучшие работы .
Новый материал
Чертежи разверток поверхностей призм и цилиндров.
В ходе объяснения демонстрировать вырезанные развёртки, показать развёртки выполненные детьми в прошедшие годы.
Для изготовления ограждений станков, вентиляционных труб и некоторых других изделий вырезают из листового материала их развертки.
Развертка поверхностей любой прямой призмы представляет собой плоскую фигуру, составленную из боковых граней - прямоугольников и двух оснований - многоугольников.
Например, у развертки поверхностей шестиугольной призмы (рис. 139, б) все грани - равные между собой прямоугольники шириной а и высотой /i, a основания - правильные шестиугольники со стороной, равной а.
Таким образом, можно построить чертеж развертки поверхностей любой призмы.
Развертка поверхностей цилиндра состоит из прямоугольника и двух кругов (рис. 140, б). Одна сторона прямоугольника равна высоте цилиндра, другая - длине окружности основания. На чертеже развертки к прямоугольнику пристраивают два круга, диаметр которых равен диаметру оснований цилиндра.
Чертежи разверток поверхностей конуса и пирамиды.
Развертка поверхностей конуса представляет собой плоскую фигуру, состоящую из сектора - развертки боковой поверхности и круга - основания конуса (рис. 141, б).
Построения выполняются так:
1. Проводят осевую линию и из точки s" на ней описывают радиусом, равным длине s"a" образующей конуса, дугу окружности. На ней откладывают длину окружности основания конуса.
Точку s соединяют с концевыми точками дуги. 2. К полученной фигуре - сектору пристраивают круг. Диаметр этого круга равен диаметру основания конуса.
Длину окружности при построении сектора можно определить
по формуле С = nD.
Угол а подсчитывают по формуле 
,
d - диаметр окружности основания,
R - длина образующей конуса, ее можно подсчитать по теореме Пифагора.
Чертеж развертки поверхностей пирамиды строят так
(рис. 142, б).
Из произвольной точки О описывают дугу радиуса R, равного длине бокового ребра пирамиды. На этой дуге откладывают четыре отрезка, равные стороне основания. Крайние точки соединяют прямыми с точкой О. Затем пристраивают квадрат, равный основанию пирамиды.
Обратите внимание, как оформляют чертежи разверток. Над изображением пишут «Развертка» с чертой внизу. От линий сгиба, которые проводят штрихпунктирной с двумя точками, проводят линии-выноски и пишут на полке «Линии сгиба».
Построение разверток выполняется обычно графическими приемами, с применением способов, предлагаемых начертательной геометрией.
Поверхности деталей, ограниченных плоскостями или развертывающимися кривыми поверхностями, могут быть развернуты и совмещены с плоскостью точно. В этом случае на развертке сохраняются точки (отрезки), лежащие на поверхности, причем каждой точке (отрезку прямой) на развертке соответствует вполне определенная и единственная точка (отрезок прямой) на поверхности детали, и наоборот.
На рисунке изображены развертки поверхностей многогранных тел и тел вращения.
Построение развертки поверхности многогранника сводится к определению натуральной величины каждой его грани. Сначала вычерчивают развертку боковой поверхности, затем к одной из граней присоединяют основания многогранника (одно или два - в зависимости от того, призма это или пирамида
Примеры разверток многогранников и тел вращения
Закрепление
Совместно с детьми выполнить и оформить развёртки геометрических тел:
Цилиндра, Конуса, Призмы, Пирамиды.
В ходе построения ещё раз остановиться на особенностях выполнения этой работы. Демонстрировать вырезанные развёртки, показать развёртки выполненные детьми в прошедшие годы.
Заключительная часть
Подведение итога.
Что вам понравилось на сегодняшнем уроке?
Что вас не устраивало на этом уроке (темп, объём и т. п.)?
Добились ли вы поставленных целей? Все ли успели выполнить работу?
Что усвоили? (здесь возможно стоит задать вопросы, смотря по времени)
Домашняя работа : Выполнить развёртку и склеить её. (Любое геометрическое тело на выбор, размеры h – не менее 70мм
Цель задания
- построение разверток поверхностей с нанесением линии пересечения поверхностей.
Дано:
Чертеж " ".
Необходимо:
Построить развертку цилиндра и обозначить на ней линию взаимного пересечения поверхностей цилиндра и полусферы.
Мы уже чертили развертку цилиндра, поэтому повторим изученный материал. Тем более исходный чертеж и метод построения исходного чертежа отличается, от предыдущего.
Алгоритм построения развертки цилиндра
- Строим развертку боковой поверхности цилиндра.
- Делим основание цилиндра на 12 равных частей.
- Измеряем хорду между двумя любыми соседними точками деления окружности основания и откладываем это расстояние по нижней стороне развертки цилиндра.
- Пристраиваем основания цилиндра к любой образующей боковой поверхности.
- Наносим на развертку боковой поверхности цилиндра линию пересечения конуса и цилиндра.
Так как у нас только одна проекция (фронтальная) взаимного пересечения цилиндра и полусферы, то построим только профильную проекцию цилиндра. Профильную проекцию цилиндра со всеми вспомогательными построениями нужными для построения развертки цилиндра, выделим тонкими линиями и будет считать вспомогательными построениями.
Более подробно смотрите в видеоуроке.
Видео "Развертка цилиндра"
Этот видеоурок и статья входят в профессиональный бесплатный самоучитель Автокад, который подходит как для начинающих пользователей, так и уже давно работающих в Автокад.
Конспект урока черчения.
Тема: Чертежи разверток некоторых геометрических тел.
Цели:
- закрепить понятиегеометрические тела;
Способствовать самостоятельному изучению построению разверток геометрических тел;
Развивать пространственные представления и мышление, умение работать с информационными источниками;
Воспитывать чувство времени, ответственности в коллективе.
Тип урока: урок изучения нового материала
Материальное обеспечение: модели геометрических тел, карточки - задания, учебники, чертежные принадлежности, чертежная бумага.
ХОД УРОКА:
1.Организационная часть.
Очень правильно, очень мудро,
Да не будет помехой лень,
Утром говорить всем: «Доброе … (утро)»,
Ну а днем говорить: «Добрый..(день)».
Просмотр готовности учащихся к уроку.
Готов ли ты начать урок!
Всё ли на месте? Всё ли в порядке:
Книжки, ручки, карандаши и тетрадки?
Есть у нас девиз такой:
Всё, что надо под рукой!
2. Актуализация знаний
На прошлых уроках мы рассмотрели некоторые геометрические тела, научились строить их чертежи. Давайте вспомним, какие геометрические тела бывают?
Я показываю, а учащиеся называют.
Давайте проверим, как вы усвоили пройденный материал.
Каков порядок расположения проекций? (фронтальная, горизонтальная и профильная).
Один работает у доски (Юра), выполняя проекции конуса, а остальные работают самостоятельно в своих тетрадях.
Высота конуса L= 40 мм, а диаметр основания 30 мм.
3. Изучение нового материала.
Сообщение темы урока.
Сегодня мы продолжим работу с геометрическими телами, тема сегодняшнего урока: «Чертежи разверток некоторых геометрических тел».
На уроке мы должны научиться самостоятельно, выполнять развёртку некоторых геометрических тел.
С развёртками поверхностей мы часто встречаемся в обыденной жизни, на производстве, в строительстве. Чтобы изготовить упаковку для сока, конфет, духов, праздничную коробочку или кулёк и т.п., надо уметь строить развёртки поверхностей геометрических тел.
Рассмотрите развёртки упаковок и скажите, из каких геометрических фигур они состоят?
А что же такое развёртка? Откроем учебники на странице 63 и прочитаем определение.
А теперь я покажу вам порядок выполнения развёртки некоторых геометрических тел.
Развёртка поверхности пирамиды.
Для того чтобы выполнить развёртку, давайте определим из каких фигур состоит пирамида.
Боковая поверхность пирамиды состоит из четырех равных треугольников. Для построения треугольника необходимо знать величины его сторон. Равные ребра пирамиды служат боковыми сторонами граней (треугольниками). Из произвольной точки описываем дугу радиусом, равным длине бокового ребра пирамиды. На этой дуге откладываем четыре отрезка, равные стороне основания. Крайние точки соединяем прямыми с центром описанной дуги. Затем пристраиваем квадрат, равный основанию пирамиды.
Развёртка поверхностей цилиндра.
Развёртка боковой поверхности цилиндра состоит из прямоугольника и двух кругов. Одна сторона прямоугольника равна высоте цилиндра, другая – длине окружности основания.
Длина окружности высчитывается по формуле: L= Пи*D.
На чертеже развёртки к прямоугольнику пристраивают два круга, диаметр которых равен диаметру основания цилиндра.
При оформлении чертежей развёрток над изображением фигуры наносят знак -
Линии сгиба должны проводиться штрихпунктирной линией с двумя точками.
Всё понятно? Для закрепления нового материала выполним по карточкам практическую работу в парах. А один у доски выполнит развёртку куба.
4. Практическая работа в парах. Прежде чем начать работу, скажите, пожалуйста, с какими инструментами и с каким материалом вы будете работать?
5. Подведение итогов.
Что нового узнали на уроке?
С чем познакомились?
Где применяются?
Чему научились?
6. Рефлексия.
Понравился вам урок?
Довольны вы своей работой на уроке?
У вас на парте лежат смайлики.
Выберите того смайлика который соответствует оценки вашей работы на уроке.
7. Оценивание учащихся.
Я вам благодарен за урок, за то, что вы хорошо работали. Надеюсь, что интерес к изучению черчения у вас не угаснет.
До свидания!
Карточка-задание. Развертка цилиндра (страница 65. рис 137).
Высота Н = 40мм, D = 40мм.
Карточка-задание. Развертка пирамиды (страница 64. рис 134).
50мм, А = 40мм.
Карточка-задание. Развертка треугольной призмы (страница 65. рис 136).
Высота призмы Н = 40мм, сторона основания А = 30мм
Карточка-задание. Развертка куба (страница 64. рис 132).
Сторона куба А = 30мм.
Датавведения 1974-07-01
Настоящий стандарт устанавливает основные требования к выполнениючертежей деталей, сборочных, габаритных и монтажных на стадии разработки рабочейдокументации для всех отраслей промышленности.
(Измененнаяредакция, Изм. № 8,).
1.ОБЩИЕ ТРЕБОВАНИЯ К РАБОЧИМ ЧЕРТЕЖАМ
1.1. Общие положения
1.1.1. При разработке рабочих чертежей предусматривают:
а) оптимальное применение стандартных и покупных изделий, а такжеизделий, освоенных производством и соответствующих современному уровню техники;
б) рационально ограниченную номенклатуру резьб, шлицев и других конструктивныхэлементов, их размеров, покрытий и т.д.;
в) рационально ограниченную номенклатуру марок и сортаментовматериалов, а также применение наиболее дешевых и наименее дефицитныхматериалов;
г) необходимую степень взаимозаменяемости, наивыгоднейшие способыизготовления и ремонта изделий, а также их максимальное удобство обслуживания вэксплуатации.
1.1.1а. Рабочие чертежи набумажном носителе (в бумажной форме) и электронные чертежи могут быть выполненына основе электронной модели детали и электронной модели сборочной единицы (ГОСТ2.052 ).
Общие требования к электронным документам - по ГОСТ2.051
1.1.2. Приссылках в чертежах изделий серийного и массового производства на техническиеусловия последние должны быть зарегистрированы в установленном порядке (вгосударствах, где государственная регистрация технических условий обязательна).
Допускается давать ссылки на технологическиеинструкции, когда требования, установленные этими инструкциями, являютсяединственными, гарантирующими требуемое качество изделия; при этом они должныбыть приложены к комплекту конструкторской документации на изделие при передачеее другому предприятию.
Не допускается давать ссылки на документы, определяющие форму и размерыконструктивных элементов изделий (фаски, канавки и т.п.), если в соответствующихстандартах нет условного обозначения этих элементов. Все данные для ихизготовления должны быть приведены на чертежах.
(Измененнаяредакция, Изм. № 4, 10,).
1.1.3. На рабочих чертежах не допускается помещать технологическиеуказания. В виде исключения допускается:
а) указывать способы изготовления и контроля, если они являютсяединственными, гарантирующими требуемое качество изделия, например, совместнаяобработка, совместная гибка или развальцовка и т.п.;
б) давать указания по выбору вида технологической заготовки (отливки,поковки и т.п.);
в) указывать определенный технологический прием, гарантирующийобеспечение отдельных технических требований к изделию, которые невозможновыразить объективными показателями или величинами, например, процесс старения,вакуумная пропитка, технология склеивания, контроль, сопряжения плунжерной парыи др.
1.1.4. Для изделий основного единичного* и вспомогательногопроизводства на чертежах, предназначенных для использования на конкретномпредприятии, допускается помещать различные указания по технологии изготовленияи контролю изделий.
*Правила выполнения чертежей изделий единичного производства распространяютсятакже и на вспомогательное производство.
1.1.6. Размеры условных знаков,не установленные в стандартах, определяют с учетом наглядности и ясностичертежа и выдерживают одинаковыми при многократном повторении.
1.1.7. На рабочем чертеже изделия указывают размеры, предельныеотклонения, шероховатость поверхностей и другие данные, которым оно должносоответствовать перед сборкой (черт. а ).
Исключение составляет случай, указанный в п. .
Размеры, предельные отклонения и шероховатость поверхностей элементовизделия, получающиеся в результате обработки в процессе сборки или после нее, указываютна сборочном чертеже (черт. б ).
1.1.14. Если ребро (кромку) необходимо изготовить острым или скруглить,то на чертеже помещают соответствующее указание. Если на чертеже нет никакихуказаний о форме кромок или ребер, то они должны быть притуплены.
При необходимости, в этом случае можно указать размер притупления(фаски, радиуса), помещаемый рядом со знаком «∟», например черт. .
(Измененнаяредакция, Изм. № 9).
1.2.6. На чертеже изделия, получаемого разрезкой заготовки на части ивзаимозаменяемого с любым другим изделием, изготовленным из других заготовок поданному чертежу, изображение заготовки не помещают (черт.).
1.2.7. На изделие, получаемое разрезкой заготовки на части илисостоящее из двух и более совместно обрабатываемых частей, применяемых только совместнои не взаимозаменяемых с такими же частями другого такого же изделия,разрабатывается один чертеж (черт.).
1.3. Чертежи изделий сдополнительной обработкой или переделкой
1.3.1. Чертежи изделий, изготовляемых с дополнительной обработкойдругих изделий, выполняют с учетом следующих требований:
а) изделие-заготовку изображают сплошными тонкими линиями, аповерхности, получаемые дополнительной обработкой, вновь вводимые изделия иизделия, устанавливаемые взамен имеющихся, - сплошными основными линиями.
Снимаемые при переделке детали не изображают;
б) наносят только те размеры, предельные отклонения и обозначенияшероховатости поверхностей, которые необходимы для дополнительной обработки(черт.).
Допускается наносить справочные, габаритные и присоедительные размеры.Допускается изображать только часть изделия-заготовки, элементы которого должныбыть дополнительно обработаны.
1.3.2. На чертеже детали, изготовляемой дополнительной обработкойзаготовки, в графе 3 основной надписи записывают слово « Изделие-заготовка » иобозначение изделия-заготовки.
При использовании покупного изделия в качествеизделия-заготовки в графе 3 основной надписи указывают наименование покупногоизделия и его обозначение, которые содержатся в сопроводительной документацииизготовителя (поставщика).
(Измененнаяредакция, Изм. № 11)
Сборочный чертеж
Чертежидеталей
Позиции составных частей, входящих в варианты, помешают насоответствующих дополнительных изображениях (черт.).
3.3.14. В случаях, когда отдельные части покупного изделияустанавливают в различные сборочные единицы изделия (например, роликовые коническиеподшипники), покупное изделие записывают в спецификацию той сборочной единицы,в которую оно входит в собранном виде. В технических требованиях сборочногочертежа разрабатываемого изделия указывают те сборочные единицы, в которыевходят отдельные части покупного изделия. В спецификациях этих сборочных единицв графе «Примечание» указывают обозначение той спецификации, в которую входитпокупное изделие в собранном виде. При этом в графе «Наименование» указываютнаименование составной части покупного изделия, а графа «Кол.» не заполняется.
(Введендополнительно, Изм. № 8).
4.ЧЕРТЕЖИ ГАБАРИТНЫЕ
4.1. Габаритные чертежи не предназначаются для изготовления по нимизделий и не должны содержать данных для изготовления и сборки.
4.2. На габаритном чертеже изображение изделия выполняют смаксимальными упрощениями. Изделие изображают так, чтобы были видны крайниеположения перемещающихся, выдвигаемых или откидываемых частей, рычагов,кареток, крышек на петлях и т.п.
Допускается не показывать элементы, выступающие за основной контур нанезначительную величину по сравнению с размерами изделия.
4.3. Количество видов на габаритном чертеже должно быть минимальным, нодостаточным для того, чтобы дать исчерпывающее представление о внешних очертанияхизделия, о положениях его выступающих частей (рычагов, маховиков, ручек, кнопоки т.п.), об элементах, которые должны быть постоянно в поле зрения (например,шкалах), о расположении элементов связи изделия с другими изделиями.
4.4. Изображение изделия на габаритном чертеже выполняют сплошнымиосновными линиями, а очертания перемещающихся частей в крайних положениях -штрихпунктирными тонкими линиями с двумя точками.
Допускается крайние положения перемещающихся частей изображать наотдельных видах.
(Измененнаяредакция, Изм. № 3).
4.5. На габаритном чертеже допускается изображать сплошными тонкимилиниями детали и сборочные единицы, не входящие в состав изделия.
4.6. На габаритном чертеже наносят габаритные размеры изделия,установочные и присоединительные размеры и, при необходимости, размеры,определяющие положение выступающих частей.
Установочные и присоединительные размеры, необходимые для увязки сдругими изделиями, должны быть указаны с предельными отклонениями. Допускаетсяуказывать координаты центра масс. На габаритном чертеже не указывают, что всеразмеры, приведенные на нем, справочные.
(Измененнаяредакция, Изм. № 8).
4.7. На габаритном чертеже допускается указывать условия применения,хранения, транспортирования и эксплуатации изделия при отсутствии этих данных втехническом описании, технических условиях или другом конструкторском документена изделие.
4.8. Пример оформления габаритного чертежа приведен на черт. .
5.8. Необходимые для монтажа изделия и материалы, не поставляемые смонтируемым изделием, записывают в перечень на монтажном чертеже, и в графе«Примечание» или в технических требованиях помещают соответствующее указание,например: «Поз. 7 и 9 с изделием не поставляются» и т.п.
Если невозможно указать точные обозначения и наименованиянепоставляемых изделий, то в перечне указывают их ориентировочные наименования,а на чертеже, при необходимости, - размеры и другие данные, обеспечивающиеправильный выбор изделий, необходимых для монтажа.
5.9. На монтажном чертеже на полке линии-выноске или непосредственно наизображении указывают наименование и (или) обозначение устройства (объекта) иличасти устройства, к которому крепится монтируемое изделие.
ИНФОРМАЦИОННЫЕ ДАННЫЕ
1. РАЗРАБОТАН И ВНЕСЕН Государственным комитетом стандартов СоветаМинистров СССР
2. УТВЕРЖДЕН И ВВЕДЕН В ДЕЙСТВИЕПостановлением Государственного комитета стандартов Совета Министров СССР от27.07.73 № 1843
Изменение № 9 принято Межгосударственным Советом постандартизации, метрологии и сертификации (протокол № 13 от 28.05.98)
Зарегистрировано Техническим секретариатом МГС № 2907
| Наименование государства | |
| Республика Беларусь | |
| Республика Казахстан | |
| Кыргызская Республика | Кыргызстандарт |
| Республика Молдова | Молдовастандарт |
| Госстандарт России |
|
| Республика Таджикистан | Таджикстандарт |
| Туркменистан | |
| Республика Узбекистан | Узгосстандарт |
| Госстандарт Украины |
Изменение № 10 принято Межгосударственным Советом постандартизации, метрологии и сертификации (протокол № 17 от 22.06.2000)
ЗарегистрированоТехническим секретариатом МГС № 3526
| Наименование государства | Наименование национального органа по стандартизации |
| Азербайджанская Республика | Азгосстандарт |
| Республика Беларусь | Госстандарт Республики Беларусь |
| Грузстандарт |
|
| Республика Казахстан | Госстандарт Республики Казахстан |
| Кыргызская Республика | Кыргызстандарт |
| Республика Молдова | Молдовастандарт |
| Российская Федерация | Госстандарт России |
| Республика Таджикистан | Таджикстандарт |
| Туркменистан | Главгосслужба «Туркменстандартлары» |
3. ВЗАМЕН ГОСТ 2.107-68, ГОСТ 2.109-68, ГОСТ 5292-60 в части разд. VIII
4. ССЫЛОЧНЫЕНОРМАТИВНО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ДОКУМЕНТЫ
(Измененная редакция, Изм. № 11)
5. ИЗДАНИЕ (июнь 2002 г.) с Изменениями № 1, 2, 3,4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, утвержденными в феврале 1980 г., ноябре 1981 г., мае 1984г., декабре 1984 г., марте 1985 г., сентябре 1985 г., марте 1986 г., сентябре1987 г., феврале 1999 г., декабре 2000 г. (ИУС № 4-80, 4-82, 8-84, 3-85, 5-85,12-85, 6-86, 12-87, 5-99, 3-2001)
Разверткой поверхности многогранника называют плоскую фигуру, полученную при совмещении с плоскостью всех его граней. Развертывание гранных поверхностей выполняют для проведения раскроя листового материала при изготовлении деталей или определения площади поверхности деталей, покрываемых различными материалами. Определение площади важно при различных покрытиях, выполняемых как с декоративными целями, так и с целью придания поверхности определенных свойств, например повышенной электропроводности, а также при различных химических методах обработки поверхностей.
Для построения развертки гранной поверхности необходимо определить размеры ее граней. Заметим, что построение любой грани многогранника может быть выполнено путем разбивки ее на треугольники. Длина сторон треугольника в свою очередь может быть определена любым из известных методов.
Развертка поверхности пирамиды. Построение развертки боковой поверхности пирамиды можно проводить в следующей последовательности:
определить длину ребер и сторон основания пирамиды; выполнить чертеж развертки последовательным построением треугольников - граней пирамиды.
Пример построения развертки поверхности треугольной пирамиды SABC приведен на рисунках 6.14 и 6.15. Для удобства построения на рисунке 6.14 боковые ребра пирамиды продолжены до пересечения с плоскостью Н. Это позволило определить на горизонтальной проекции длину отрезков 1-2, 2-3, 3-4 нового основания пирамиды. Длина боковых ребер S-l, S-2, S-3 найдена вращением их вокруг вертикальной оси - отрезки s"1 1 ", s"2 1 ", s"3 1 ". На них найдены отрезки s"a 1 ", s"b 1 ", s"c 1 ". По найденным отрезкам на рисунке 6.15 построена развертка боковой поверхности Solo2o3o1o и затем S 0 A 0 BoCoAo. На отрезке А 0 С 0 построена натуральная величина треугольника А 0 В 0 С 0 по сторонам A 0 В 0 и C0B0, найденным способом прямоугольного треугольника (см. рис. 2.9).
Построение развертки призматической поверхности можно производить несколькими способами - нормального сечения, треугольников.
При способе нормального сечения построение развертки призматической поверхности целесообразно выполнять в следующем порядке (рис. 6.16):
пересечь призматическую поверхность вспомогательной плоскостью, перпендикулярной к ее ребрам (Р перпендикулярно 1-2; нормальное сечение);
развернуть построенную ломаную линию (А0В0С0D0) пересечения вспомогательной плоскости с призматической поверхностью, определив длину ее отрезков (А0B0, В 0 С 0 , C 0 D 0);
на перпендикулярах к развернутой линии пересечения (А0D0) отложить длину отрезков ребер призматической поверхности (А 0 2 0 ,ВоЗо, Bo4o, Сo5о, Со6о, Do7o, Do8o) и соединить их концы отрезками прямых.
Пример построения развертки боковой поверхности наклонной призмы на чертеже приведен на рисунке 6.17 и 6.18. Для построения вспомогательной плоскости Р, перпендикулярной ребрам призмы, выбрана дополнительная плоскость проекций Т, параллельная ребрам призмы и перпендикулярная плоскости Н. Вспомогательная плоскость Р задана следом P t на плоскости проекций Т S (пл. S перпендикулярно T).
По способу треугольников развертка призматической поверхности заключается в следующем: четырехугольники (грани) разбивают диагоналями на треугольники; определяют длины сторон треугольников; выполняют чертеж развертки последовательным построением треугольников, на которые разбиты грани.
Бензол является ненасыщенным соединением, но мы выяснили, что в его структуре нет двойных связей, а есть ароматическая связь – делокализованное электронное облако. Типичные реакции непредельных углеводородов – электрофильное присоединение и окисление – для бензола не характерны. Так, он не обесцвечивает бромную воду, не даёт реакции Вагнера (окисление раствором перманганата калия при комнатной температуре). Для бензола характерны реакции, не приводящие к нарушению замкнутой сопряжённой системы, – реакции замещения. Чтобы выяснить, какой тип замещения (радикальное, электрофильное, нуклеофильное) характерен для бензола, вспомните его электронное строение: σ-скелет молекулы плоский, а над и под плоскостью расположено ароматическое облако. Чтобы провзаимодействовать с этим ароматическим облаком, реагент должен быть электрофильным. Итак, для бензола (и ароматических соединений вообще) характерны реакции электрофильного замещения . Примерами реакций S E являются:
На первой стадии электрофил подходит к молекуле бензола и взаимодействует со всем ароматическим облаком (они притягиваются друг к другу). Образуется π-комплекс
. Для образования новой ковалентной связи углерод-электрофил необходима пара электронов. Электрофил вырывает её из ароматического облака, образуется σ-комплекс
. Он не является замкнутой сопряжённой системой, т.к. атом углерода, образовавший новую σ-связь, перешёл в sp 3 -гибридизацию (он вышел из плоскости и больше не имеет негибридной p z -орбитали). Остальные пять атомов углерода продолжают участвовать в сопряжении, образуя общее электронное облако, в котором делокализовано четыре электрона (6-2=4), поэтому положительный заряд в σ-комплексе обозначается не на конкретном атоме углерода, а в центре разомкнутого кольца. Итак, σ-комплекс не является ароматической структурой. Для того чтобы вернуть ароматичность, ему необходимо отщепить протон водорода (H +). Его забирает оставшийся в реакционной среде нуклеофил (Nu -). Два электрона связи C-H возвращаются в ароматическое облако, атом углерода вновь становится
sp 2 -гибридизованным и может участвовать в сопряжении.
Лимитирующей стадией реакции электрофильного замещения является стадия образования σ-комплекса, т.к. при этом происходит потеря ароматичности, что требует затрат энергии.
Различные реакции электрофильного замещения в бензоле протекают по общему механизму и отличаются только стадией образования электрофильной частицы.
Реакция нитрования бензола протекает под действием смеси концентрированных азотной и серной кислот (схему реакции см. выше). Рассмотрим её механизм.
 |
На первой стадии реакции азотная кислота взаимодействует с серной. В данном случае азотная кислота выполняет роль основания, принимая протон от молекулы серной кислоты (по теории Бренстеда, кислота – это молекула или ион, отдающие протон, а основание – молекула или ион, принимающие протон водорода). Образуется протонированная азотная кислота, которая, отщепляя молекулу воды, превращается в катион нитрония, или нитроний-катион. Это и есть электрофильная частица. Таким образом, серная кислота выполняет роль катализатора, принимая участие в образовании электрофильного реагента. Вторая роль серной кислоты – это роль водоотнимающего средства. Воду необходимо отводить из сферы реакции, чтобы сместить её равновесие вправо.
После образования электрофила – катиона нитрония - реакция протекает по общему механизму, через образование π- и
σ-комплексов:
Обратите внимание: на стадии превращения σ-комплекса в нитробензол (стадии возвращения ароматичности) протон водорода отщепляется под действием аниона серной кислоты, при этом вновь образуется серная кислота, что доказывает, что она являлась катализатором данной реакции.
Катализатором реакции галогенирования
являются так называемые кислоты Льюиса (по теории Льюиса, кислоты – это нейтральные молекулы или ионы, способные принимать пару электронов): FeCl 3 , FeBr 3 , AlCl 3 , AlBr 3 и т.п. Катализатор необходим, чтобы поляризовать молекулу галогена. Кислота Льюиса смещает на себя неподелённую электронную пару хлора, образуя комплекс, в котором на одном из атомов хлора сосредоточивается частичный положительный заряд:
На стадии образования π-комплекса происходит дальнейшая поляризация связи Cl-Cl, и она разрывается гетеролитически, причём Cl + сразу участвует в образовании σ-комплекса.
Аналогично протекают реакции алкилирования
(реакция Фриделя-Крафтса).
 |
Связь C-Cl в метилхлориде недостаточно полярна, чтобы разорваться гетеролитически. Под действием кислоты Льюиса увеличивается частичный положительный заряд на атоме углерода, и комплекс реагента с катализатором является более сильным электрофилом, чем исходный метилхлорид.
Реакция сульфирования бензола протекает под действием олеума (раствор серного ангидрида SO 3 в концентрированной серной кислоте).
Молекула серного ангидрида является электрофилом из-за большого по величине частичного положительного заряда на атоме серы.
 |
При образовании π-комплекса связь S=O (в первую очередь π-связь) поляризуется и разрывается по гетеролитическому типу, поэтому при образовании σ-комплекса на атоме кислорода возникает полный отрицательный заряд. Для восстановления ароматичности протон водорода отщепляется от атома углерода кольца и переходит к отрицательно заряженному кислороду. Образуется бензолсульфокислота.
Когда мы рассматриваем реакции электрофильного замещения в бензоле, перед нами не стоит вопрос, в каком положении протекает реакция, т.к. все атомы углерода абсолютно равноценны. Другое дело, если в бензольном кольце уже есть заместитель. В этом случае в результате электрофильного замещения принципиально возможно образование трёх изомеров:
 |
Чтобы ответить на вопрос, какой из этих возможных продуктов является преобладающим, необходимо рассматривать электронные эффекты заместителя.
Отвлечёмся от реакций электрофильного замещения в бензоле и его производных и рассмотрим электронные эффекты в целом.
Взаимное влияние атомов в молекулах органических
соединений. Электронные эффекты
Атомы и атомные группы в молекулах органических соединений влияют друг на друга, причём не только атомы, непосредственно связанные друг с другом. Это влияние каким-то образом передаётся по молекуле. Передача влияния атомов в молекулах за счёт поляризации связей называетсяэлектронными эффектами . Существует два вида электронных эффектов: индуктивный и мезомерный эффект.
Индуктивный эффект - это передача влияния заместителей по цепи σ-связей за счёт их поляризации. Индуктивный эффект обозначается символом I. Рассмотрим его на примере 1-хлорбутана:
Связь C-Cl полярна из-за более высокой электроотрицательности хлора. На атоме углерода возникает частичный положительный заряд (δ+). Электронная пара следующей σ-связи смещается в сторону электронодефицитного атома углерода, т.е. поляризуется. За счёт этого на следующем атоме углерода также возникает частичный положительный заряд (δ+’) и т.д. Таким образом, хлор индуцирует поляризацию не только «собственной» σ-связи, но и последующих в цепи. Обратите внимание, что каждый последующий частичный положительный заряд по величине меньше предыдущего (δ+>δ+’>δ+’’>δ+’’’), т.е. индуктивный эффект передаётся по цепи с затуханием. Это можно объяснить низкой поляризуемостью σ-связей. Принято считать, что индуктивный эффект распространяется на 3-4 σ-связи. В приведенном примере атом хлора смещает электронную плотность по цепи связей на себя . Такой эффект называют отрицательным индуктивным эффектом и обозначают –I Cl .
Большинство заместителей проявляют отрицательный индутивный эффект, т.к. в их структуре есть атомы, более электроотрицательные, чем водород (индуктивный эффект водорода принят равным нулю). Например: -F, -Cl, -Br, -I, -OH, -NH 2 , -NO 2 ,
-COOH, >C=O .
 |  |
||
Если заместитель смещает электронную плотность по цепи σ-связей от себя , он проявляет положительный индуктивный эффект (+I). Например:
Кислород с полным отрицательным зарядом проявляет положительный индуктивный эффект.
В молекуле пропена углерод метильной группы sp 3 -гибридизован, а атомы углерода при двойной связи sp 2 -гибридизованы, т.е. более электроотрицательны. Поэтому метильная группа смещает электронную плотность от себя, проявляя положительный индуктивный эффект (+I CH 3) .
Итак, индуктивный эффект может проявляться в любой молекуле, в которой есть разные по электроотрицательности атомы.
Мезомерный эффект – это передача электронного влияния заместителей в сопряжённых системах, посредством поляризации π-связей. Мезомерный эффект передаётся без затухания, т.к. π-связи поляризуются легко. Обратите внимание: мезомерным эффектом обладают только те заместители, которые сами являются частью сопряжённой системы. Например:
Мезомерный эффект может быть как положительный (+М), так и отрицательный (-М).
В молекуле хлорвинила неподелённая электронная пара хлора участвует в p,π-сопряжении, т.е. вклад хлора в сопряжённую систему больше, чем у каждого из атомов углерода. Поэтому хлор проявляет положительный мезомерный эффект.
Молекула акрилового альдегида – это
π.π-сопряжённая система. Атом кислорода отдаёт в сопряжение один электрон – столько же, как и каждый атом углерода, но при этом электроотрицательность кислорода выше, чем у углерода, поэтому кислород смещает электронную плотность сопряжённой системы на себя, альдегидная группа в целом проявляет отрицательный мезомерный эффект.
Итак, заместители, отдающие в сопряжение два электрона, обладают положительным мезомерным эффектом. К ним относятся:
а) заместители с полным отрицательным зарядом, например, –O - ;
б) заместители, в структуре которых есть атомы с неподелёнными электронными парами на p z -орбитали, например: -NH 2 , -OH,
-F, -Cl, -Br-, -I, -OR (-OCH 3 , -OC 2 H 5).
Заместители, смещающие электронную плотность по сопряжённой системе на себя, проявляют отрицательный мезомерный эффект. К ним относятся заместители, в структуре которых есть двойные связи, например:
 |
Заместитель может проявлять и индуктивный, и мезомерный эффекты одновременно. В некоторых случаях направление этих эффектов совпадает (например, -I и –M), в других – они действуют в противоположных направлениях (например, -I и +M). Как в этих случаях определить общее влияние заместителя на остальную часть молекулы (другими словами, как определить, является данный заместитель электронодонорным или электроноакцепторным)? Заместители, повышающие электронную плотность в остальной части молекулы, называют электронодонорными, а заместители, понижающие электронную плотность в остальной части молекулы, – электроноакцепторными.
Чтобы определить общее влияние заместителя, необходимо сравнить его электронные эффекты по величине. Если преобладает положительный по знаку эффект, заместитель является электронодонорным. Если преобладает отрицательный по знаку эффект, заместитель является электроноакцепторным. Нужно отметить, что, как правило, мезомерный эффект проявляется сильнее, чем индуктивный (из-за большей способности π-связей к поляризации). Однако есть и исключения из этого правила: индуктивный эффект галогенов проявляется сильнее, чем мезомерный.
Рассмотрим конкретные примеры:
В этом соединении аминогруппа является электронодонорным заместителем, т.к. её положительный мезомерный эффект проявляется сильнее, чем отрицательный индуктивный.
В этом соединении аминогруппа является электроноакцепторным заметителем, т.к. проявляет только отрицательный индуктивный эффект.
В молекуле фенола гидроксильная группа является электронодонорным заместителем из-за преобладания положительного мезомерного эффекта над отрицательным индуктивным.
В молекуле бензилового спирта гидроксильная группа не участвует в сопряжении и проявляет только отрицательный индуктивный эффект. Поэтому она является электроноакцепторным заместителем.
Эти примеры показывают, что нельзя рассматривать влияние какого-либо заместителя вообще, а нужно рассматривать его влияние в конкретной молекуле.
Только галогены всегда являются электроноакцепторными заместителями, т.к. их отрицательный индуктивный эффект проявляется сильнее, чем положительный мезомерный. Например:
А теперь вернёмся к реакциям электрофильного замещения в производных бензола. Итак, мы выяснили, что заместитель, уже имеющийся в кольце, влияет на ход реакций электрофильного замещения. В чём же выражается это влияние?
Заместитель влияет на скорость реакций S E и на положение второго заместителя, вводимого в кольцо . Рассмотрим оба этих аспекта влияния.
Влияние на скорость реакции . Чем выше электронная плотность в кольце, тем легче протекают реакции электрофильного замещения. Понятно, что электронодонорные заместители облегчают реакции S E (являются активаторами цикла), а электроноакцепторные заместители – затрудняют их (дезактивируют цикл). Поэтому реакции электрофильного замещения в производных бензола, содержащих электроноакцепторные заместители, проводят в более жёстких условиях.
Сравним активность фенола, толуола, бензола, хлорбензола и нитробензола в реакции нитрования.
Так как фенол и толуол содержат электронодонорные заместители, они более активны в реакциях S E , чем бензол. Наоборот, хлорбензол и нитробензол менее активны в этих реакциях, чем бензол, т.к. содержат электроноакцепторные заместители. Фенол активнее толуола из-за положительного мезомерного эффекта OH-группы. Хлор не такой сильный электроноакцепторный заместитель, как нитрогруппа, т.к. нитрогруппа проявляет и отрицательный индуктивный, и отрицательный мезомерный эффекты. Итак, в данном ряду активность в реакциях электрофильного замещения убывает от фенола к нитробензолу. Экспериментально установлено, что если скорость реакции нитрования бензола принять за 1, то этот ряд будет выглядеть так:
Вторым аспектом влияния заместителя в ароматическом кольце на ход реакций электрофильного замещения является так называемое ориентирующее действие заместителей . Все заместители можно подразделить на две группы: орто-, пара-ориентанты (заместители 1 рода) и мета-ориентанты (заместители 2 рода).
К заместителям 1 рода относятся: -OH, -O - , -NH 2 , алкильные группы (-CH 3 , -C 2 H 5 и т.д.) и галогены. Вы можете видеть, что все эти заместители проявляют положительный индуктивный эффект и (или) положительный мезомерный эффект. Все они, кроме галогенов, повышают электронную плотность в кольце, особенно в орто- и пара-положениях. Поэтому электрофил и направляется в эти положения. Рассмотрим это на примере фенола:
За счёт положительного мезомерного эффекта гидроксильной группы происходит перераспределение электронной плотности по сопряжённой системе, и в орто- и пара-положениях она особенно повышена.
При бромировании фенола образуется смесь орто- и пара-бромфенола:
Если бромирование проводить в полярном растворителе (бромной водой) и использовать избыток брома, реакция протекает сразу по трём положениям:
 |
Заместителями 2 рода являются: -NH 3 + , -COOH, -CHO (альдегидная группа), -NO 2 , -SO 3 H. Все эти заместители понижают электронную плотность в ароматическом кольце, но из-за её перераспределения в мета-положениях она понижена не так сильно, как в орто- и пара-. Рассмотрим это на примере бензойной кислоты:
Карбоксильная группа проявляет отрицательный индуктивный и отрицательный мезомерный эффекты. За счёт перераспределения по сопряжённой системе в мета-положениях электронная плотность остаётся более высокой, чем в орто- и пара-, поэтому электрофил будет атаковать мета-положения:
 |
Первая группа реакций реакции замещения. Мы говорили, что арены не имеют кратных связей в структуре молекулы, а содержат сопряженную систему из шести электронов, которая очень стабильна и придает дополнительную прочность бензольному кольцу. Поэтому в химических реакциях происходит в первую очередь замещение атомов водорода, а не разрушение бензольного кольца.
С реакциями замещения мы уже сталкивались при разговоре об алканах , но для них эти реакции шли по радикальному механизму, а для аренов характерен ионный механизм реакций замещения.
Первое химическое свойство галогенирование. Замещение атома водорода на атом галогена хлора или брома.
Реакция идет при нагревании и обязательно с участием катализатора. В случае с хлором это может быть хлорид алюминия или хлорид железа три. Катализатор поляризует молекулу галогена, в результате чего происходит гетеролитический разрыв связи и получаются ионы.
Положительно заряженный ион хлора и вступает в реакцию с бензолом.
Если реакция происходит с бромом, то катализатором выступает бромид железа три или бромид алюминия.
Важно отметить, что реакция происходит с молекулярным бромом, а не с бромной водой. С бромной водой бензол не реагирует.
У галогенирования гомологов бензола есть свои особенности. В молекуле толуола метильная группа облегчает замещение в кольце, реакционная способность повышается, и реакция идет в более мягких условиях, то есть уже при комнатной температуре.
Важно отметить, что замещение всегда происходит в орто- и пара-положениях, поэтому получается смесь изомеров.
Второе свойство нитрование бензола, введение нитрогруппы в бензольное кольцо.
Образуется тяжелая желтоватая жидкость с запахом горького миндаля нитробензол, поэтому реакция может быть качественной на бензол. Для нитрования используется нитрующая смесь концентрированной азотной и серной кислот. Реакция проводится при нагревании.
Напомню, что для нитрования алканов в реакции Коновалова использовалась разбавленная азотная кислота без добавления серной.
При нитровании толуола, также как и при галогенировании, образуется смесь орто- и пара- изомеров.
Третье свойство алкилирование бензола галогеналканами.
Эта реакция позволяет ввести углеводородный радикал в бензольное кольцо и может считаться способом получения гомологов бензола. В качестве катализатора используется хлорид алюминия, способствующий распаду молекулы галогеналкана на ионы. Также необходимо нагревание.
Четвертое свойство алкилирование бензола алкенами.
Таким способом можно получить, например, кумол или же этилбензол. Катализатор хлорид алюминия.
2. Реакции присоединения к бензолу
Вторая группа реакций реакции присоединения. Мы говорили, что эти реакции не характерны, но они возможны при достаточно жестких условиях с разрушением пи-электронного облака и образованием шести сигма-связей.
Пятое свойство в общем списке гидрирование, присоединение водорода.
Температура, давление, катализатор никель или платина. Таким же образом способен реагировать толуол.
Шестое свойство хлорирование. Обратите внимание, что речь идет именно о взаимодействии с хлором, поскольку бром в эту реакцию не вступает.
Реакция протекает при жестком ультрафиолетовом облучении. Образуется гексахлорциклогексан, другое название гексахлоран, твердое вещество.
Важно помнить, что для бензола не возможны реакции присоединения галогеноводородов (гидрогалогенирование) и присоединение воды (гидратация).
3. Замещение в боковой цепи гомологов бензола
Третья группа реакций касается только гомологов бензола это замещение в боковой цепи.
Седьмое свойство в общем списке галогенирование по альфа-атому углерода в боковой цепи.
Реакция происходит при нагревании или облучении и всегда только по альфа-углероду. При продолжении галогенирования, второй атом галогена снова встанет в альфа-положение.
4. Окисление гомологов бензола
Четвертая группа реакций окисление.
Бензольное кольцо слишком прочное, поэтому бензол не окисляется перманганатом калия не обесцвечивает его раствор. Это очень важно помнить.
Зато гомологи бензола окисляются подкисленным раствором перманганата калия при нагревании. И это восьмое химическое свойство.
Получается бензойная кислота. Наблюдается обесцвечивание раствора. При этом, какой бы длинной не была углеродная цепь заместителя, всегда происходит ее разрыв после первого атома углерода и альфа-атом окисляется до карбоксильной группы с образованием бензойной кислоты. Оставшаяся часть молекулы окисляется до соответствующий кислоты или, если это только один атом углерода, до углекислого газа.
Если гомолог бензола имеет больше одного углеводородного заместителя у ароматического кольца, то окисление происходит по тем же правилам окисляется углерод, находящийся в альфа-положении.
В данном примере получается двухосновная ароматическая кислота, которая называется фталевая кислота.
Особым образом отмечу окисление кумола, изопропилбензола, кислородом воздуха в присутствии серной кислоты.
Это так называемый кумольный способ получения фенола. Как правило, сталкиваться с этой реакцией приходится в вопросах, касающихся получения фенола. Это промышленный способ.
Девятое свойство горение, полное окисление кислородом. Бензол и его гомологи сгорают до углекислого газа и воды.
Запишем уравнение горения бензола в общем виде.
По закону сохранения массы атомов слева должно быть столько же, сколько атомов справа. Потому что ведь в химических реакциях атомы никуда не деваются, а просто изменяется порядок связей между ними. Так вот молекул углекислого газа будет столько же, сколько и атомов углерода в молекуле арена, поскольку в состав молекулы входит один атом углерода. То есть n молекул CO 2 . Молекул воды будет в два раза меньше, чем атомов водорода, то есть (2n-6)/2, а значит n-3.
Атомов кислорода слева и справа одинаковое количество. Справа их 2n из углекислого газа, потому что в каждой молекуле два атома кислорода, плюс n-3 из воды, итого 3n-3. Слева атомов кислорода столько же 3n-3, а значит молекул в два раза меньше, потому как в состав молекулы входят два атома. То есть (3n-3)/2 молекул кислорода.
Таким образом, мы составили уравнение сгорания гомологов бензола в общем виде.
Циклическую структуру бензола впервые предложил Ф.А. Кекуле в 1865 г.
Фридрих Август Кекуле фон Страдониц - выдающийся немецкий химик XIX в. В 1854 г. он обнаружил первое органическое соединение, содержащее серу - тиоуксусную кислоту (тиоэтановую кислоту). Кроме того, он установил структуру диазосоединений. Олнако его наиболее известным вкладом в развитие химии является установление структуры бензола (1866). Кекуле показал, что двойные связи бензола чередуются по кольцу (эта идея впервые возникла у него во сне). Позже он показал, что два возможных расположения двойных связей идентичны и что бензольное кольцо представляет собой гибрид между этими двумя структурами. Таким образом, он предвосхитил представление о резонансе (мезомерии), которое появилось в теории химической связи в начале 1930-х гг.
Если бы бензол действительно имел такую структуру, то его 1,2-дизамещенные производные должны были иметь по два изомера. Например,
Однако ни у одного из 1,2-дизамещенных бензолов не удается выделить два изомера.
Поэтому впоследствии Кекуле предположил, что молекула бензола существует как две быстро переходящие друг в друга структуры:
Заметим, что в таких схематических изображениях молекул бензола и их производных обычно не указываются атомы водорода, присоединенные к углеродным атомам бензольного кольца.
В современной химии молекулу бензола рассматривают как резонансный гибрид из этих двух предельных резонансных форм (см. разд. 2.1). Другое описание молекулы бензола основано на рассмотрении ее молекулярных орбиталей. В разд. 3.1 было указано, что -электроны, находящиеся на -связывающих орбиталях, делокализованы между всеми атомами углерода бензольного кольца и образуют -электронное облако. В соответствии с таким представлением молекулу бензола можно условно изобразить следующим образом:
Экспериментальные данные подтверждают наличие у бензола именно такой структуры. Если бы бензол имел структуру, которую предположил первоначально Кекуле, с тремя сопряженными двойными связями, то бензол должен был вступать в реакции присоединения подобно алкенам. Однако, как было уже указано выше, бензол не вступает в реакции присоединения. Кроме того, бензол обладает большей устойчивостью, чем если бы он имел три изолированные двойные связи. В разд. 5.3 было указано, что энтальпия гидрирования бензола с образованием циклогексана имеет большее отрицательное
Таблица 18.3. Длина различных углерод-углеродных связей
Рис. 18.6. Геометрическое строение молекулы бензола.
значение, чем утроенная энтальпия гидрирования циклогексена. Разность этих величин принято называть энтальпией делокализации, резонансной энергией или энергией стабилизации бензола.
Все углерод-углеродные связи в бензольном кольце имеют одинаковую длину, которая меньше, чем длина связей С-С в алканах, но больше, чем длина связей С=С в алкенах (табл. 18.3). Это служит подтверждением тому, что углерод-углеродные связи в бензоле представляют собой гибрид между простыми и двойными связями.
Молекула бензола имеет плоскую структуру, которая изображена на рис. 18.6.
Физические свойства
Бензол при нормальных условиях - бесцветная жидкость, которая замерзает при 5,5 °С и кипит при 80 °С. Он имеет характерный приятный запах, но, как указывалось выше, сильно токсичен. Бензол не смешивается с водой и в системе бензол вода образует верхний из двух слоев. Однако он растворяется в неполярных органических растворителях и сам является хорошим растворителем других органических соединений.
Химические свойства
Хотя бензол вступает в определенные реакции присоединения (см. ниже), он не проявляет в них типичной для алкенов реакционной способности. Например, он не обесцвечивает бромную воду или раствор -ионов. Кроме того, бензол не
вступает в реакции присоединения с сильными кислотами, например с соляной или серной кислотой.
Вместе с тем бензол принимает участие в целом ряде реакций электрофильного замещения. Продуктами реакций этого типа являются ароматические соединения, поскольку в этих реакциях сохраняется делокализованная -электронная система бензола. Общий механизм замещения атома водорода на бензольном кольце каким-либо электрофилом описан в разд. 17.3. Примерами электрофильного замещения бензола являются его нитрование, галогенирование, сульфирование и реакции Фриделя-Крафтса.
Нитрование. Бензол можно нитровать (вводить в него группу ), обрабатывая его смесью концентрированных азотной и серной кислот:
Нитробензол
Условия проведения этой реакции и ее механизм описаны в разд. 17.3.
Нитробензол бледно-желтая жидкость с характерным миндальным запахом. При нитровании бензола кроме нитробензола образуются еще кристаллы 1,3-динитробензола, который является продуктом следующей реакции:
Галогенирование. Если смешать бензол в темноте с хлором или бромом, не произойдет никакой ракции. Однако в присутствии катализаторов, обладающих свойствами кислот Льюиса, в таких смесях протекают реакции электрофильного замещения. Типичными катализаторами этих реакций являются бромид железа (III) и хлорид алюминия. Действие этих катализаторов заключается в том, что они создают поляризацию в молекулах галогенов, которые затем образуют комплекс с катализатором:
хотя прямых доказательств того, что при этом образуются свободные ионы не существует. Механизм бромирования бензола с помощью бромида железа (III) в роли переносчика ионов можно представить следующим образом:
Сульфирование. Бензол можно сульфировать (замещать в нем атом водорода на сульфогруппу) путем кипячения с обратным холодильником в течение нескольких часов его смеси с концентрированной серной кислотой. Вместо этого бензол можно осторожно нагревать в смеси с дымящей серной кислотой. Дымящая серная кислота содержит триоксид серы. Механизм этой реакции можно представить схемой
Реакции Фриделя-Крафтса. Реакциями Фриделя-Крафтса первоначально называли реакции конденсации между ароматическими соединениями и алкилгалогенидами в присутствии катализатора-безводного хлорида алюминия.
В реакциях конденсации две молекулы реагентов (или одного реагента) соединяются между собой, образуя молекулу нового соединения, при этом от них отщепляется (элиминирует) молекула какого-либо простого соединения, например воды или хлороводорода.
В настоящее время реакцией Фриделя-Крафтса называют любое электрофильное замещение ароматического соединения, в котором роль электрофила играет какой-либо карбкатион или сильно поляризованный комплекс с положительно заряженным атомом углерода. Электрофильным агентом, как правило, служит алкилгалогенид или хлорид какой-либо карбоновой кислоты, хотя точно так же им может быть, например, алкен либо спирт. В качестве катализатора этих реакций обычно используется безводный хлорид алюминия. Реакции Фриделя-Крафтса принято подразделять на два типа: алкилирование и ацилирование.
Алкилирование. В реакциях Фриделя-Крафтса этого типа происходит замещение одного или нескольких атомов водорода в бензольном кольце на алкильные группы. Например, при осторожном нагревании смеси бензола с хлорометаном в присутствии безводного хлорида алюминия образуется метилбензол. Хлорометан играет в этой реакции роль электрофильного агента. Он поляризуется хлоридом алюминия таким же образом, как это происходит с молекулами галогенов:
Механизм рассматриваемой реакции может быть представлен следующим образом:
Следует обратить внимание на то, что в этой реакции конденсации между бензолом и хлорометаном происходит отщепление молекулы хлороводорода. Отметим также, что реальное существование метального карбкатиона в виде свободного иона сомнительно.
Алкилирование бензола хлорометаном в присутствии катализатора - безводного хлорида алюминия не завершается образованием метилбензола. В этой реакции происходит дальнейшее алкилирование бензольного кольца, приводящее к образованию 1,2-диметилбензола:
Ацилирование. В реакциях Фриделя-Крафтса этого типа происходит замещение атома водорода в бензольном кольце на ацильную группу, в результате чего образуется ароматический кетон.
Ацильная группа имеет общую формулу
Систематическое название ацильного соединения образуется путем замены суффикса и окончания -овая в названии соответствующей карбоновой кислоты, производным которой является данное ацилъное соединение, на суффикс -(о) ил. Например
Ацилирование бензола проводится с помощью хлорида или ангидрида какой-либо карбоновой кислоты в присутствии катализатора-безводного хлорида алюминия. Например
Эта реакция представляет собой конденсацию, в которой происходит отщепление молекулы хлороводорода. Отметим также, что название «фенил» часто используется для обозначения бензольного кольца в соединениях, где бензол не является главной группой:
Реакции присоединения. Хотя для бензола наиболее характерны реакции электрофильного замещения, он вступает также в некоторые реакции присоединения. С одной из них мы уже познакомились. Речь идет о гидрировании бензола (см. разд. 5.3). При пропускании смеси бензола с водородом над поверхностью тонкоизмельченного никелевого катализатора при температуре 150-160 °С происходит целая последовательность реакций, которая завершается образованием циклогексана. Суммарное стехиометрическое уравнение этой реакции можно представить следующим образом:
Под действием ультрафиолетового излучения или прямого солнечного света бензол вступает также в реакцию присоединения с хлором. Эта реакция осуществляется по сложному радикальному механизму. Ее окончательным продуктом является 1,2,3,4,5,6-гексахлороциклогексан:
Аналогичная реакция протекает между бензолом и бромом под действием ультрафиолетового излучения или солнечного света.
Окисление. Бензол и бензольное кольцо в других ароматических соединениях, вообще говоря, устойчивы к окислению даже такими сильными окислителями, как кислый или щелочный раствор перманганата калия. Однако бензол и другие ароматические соединения сгорают в воздухе или в кислороде с образованием очень дымного пламени, что характерно для углеводородов с высоким относительным содержанием углерода.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ
Бензол - это бесцветная жидкость с характерным запахом; температура кипения 80,1 o С, температура плавления 5,5 o С. Не растворим в воде, токсичен.
Ароматические свойства бензола, определяемые особенностями его структуры, выражаются в относительной устойчивости бензольного ядра, несмотря на непредельность бензола по составу. Так, в отличие от непредельных соединений с этиленовыми двойными связями, бензол устойчив к действию окислителей.
Рис. 1. Строение молекулы бензола по Кекуле.
Получение бензола
К основным способам получения бензола относятся:
— дегидроциклизация гексана (катализаторы - Pt, Cr 3 O 2)
CH 3 -(CH 2) 4 -CH 3 → C 6 H 6 + 4H 2 (t o C, p, kat = Cr 2 O 3);
— дегидрированиециклогексана
C 6 H 12 → C 6 H 6 + 3H 2 (t o C, kat = Pt, Ni);
— тримеризация ацетилена (реакция протекает при нагревании до 600 o С, катализатор - активированный уголь)
3HC≡CH → C 6 H 6 (t = 600 o C, kat = С activ).
Химические свойства бензола
Для бензола характерны реакции замещения, протекающие по электрофильному механизму:
Галогенирование (бензол взаимодействует с хлором и бромом в присутствии катализаторов - безводных AlCl 3 , FeCl 3 , AlBr 3)
C 6 H 6 + Cl 2 = C 6 H 5 -Cl + HCl;
— нитрование (бензол легко реагирует с нитрующей смесью - смесь концентрированных азотной и серной кислот)
— алкилирование алкенами
C 6 H 6 + CH 2 =CH-CH 3 → C 6 H 5 -CH(CH 3) 2
Реакции присоединения к бензолу приводят к разрушению ароматической системы и протекают только в жестких условиях:
— гидрирование (продукт реакции — циклогексан)
C 6 H 6 + 3H 2 → С 6 H 12 (t o C, kat = Pt);
— присоединение хлора (протекает под действием УФ-излучения с образованием твердого продукта - гексахлорциклогексана (гексахлорана) - C 6 H 6 Cl 6)
C 6 H 6 + 6Cl 2 →C 6 H 6 Cl 6 .
Применение бензола
Бензол широко используется в промышленной органической химии. Практически все соединения, имеющие в своем составе бензольные кольца, получаются из бензола, например, стирол, фенол, анилин, галогензамещенные арены. Бензол используется для синтеза красителей, поверхностно-активных веществ, фармацевтических препаратов.
Примеры решения задач
ПРИМЕР 1
| Задание | Плотность паров вещества 3,482г/л. Его пиролиз дал 6 г сажи и 5,6 л водорода. Определите формулу этого вещества. |
| Решение | Сажа представляет собой углерод. Найдем количество вещества сажи исходя из условий задачи (молярная масса углерода равна 12 г/моль):
n(C) = m(C) / M(C); n(C) = 6 / 12 = 0,5 моль. Рассчитаем количество вещества водорода: n(H 2) = V(H 2) / V m ; n(H 2) = 5,6 / 22,4 = 0,25 моль. Значит, количество вещества одного атома водорода будет равно: n(H) = 2 × 0,25 = 0,5 моль. Обозначим количество атомов углерода в молекуле углеводорода за «х», а количество атомов водорода за «у», тогда соотношение этих атомов в молекуле: х: у = 0,5: 0,5 =1:1. Тогда простейшая формула углеводорода будет выражаться составом СН. Молекулярная масса молекулы состава СН равна: М(СН) = 13 г/моль Найдем молекулярную массу углеводорода исходя из условий задачи: M (C x H y) = ρ×V m ; M (C x H y) = 3,482×22,4 = 78 г/моль. Определим истинную формулу углеводорода: k= M(C x H y)/ М(СН)= 78/13 =6, следовательно, коэффициенты «х» и «у» нужно умножить на 6 и тогда формула углеводорода примет вид C 6 H 6 . Это бензол. |
| Ответ | Искомый углеводород имеет состав C 6 H 6 . Это бензол. |
ПРИМЕР 2
| Задание | Рассчитайте количество вещества ацетилена, которое понадобится для получения 400 мл бензола (плотность 0,8 г/мл). |
| Решение | Запишем уравнение реакции получения бензола из ацетилена:
|
