İçeriğe geç
Educora
İleri10. sınıf25 dk25 / 45

Aromatik hidrokarbonlar: benzen ve homologları

Benzenin yapısı ve aromatiklik, homologların izomerliği ve adlandırılması, sübstitüsyon ve katılma tepkimeleri, toluende atomların karşılıklı etkisi, stiren, arenlerin elde edilmesi ve hidrokarbonların doğal kaynakları — σ bağı, izomer, karışım ve verim üzerine DİM tarzı sorularla.

Kendini test et
Bu derste öğreneceklerin
  • Benzenin yapısını (sp², 120°, düzlemsel molekül, 6 π elektronlu bulut, eş C–C bağları) açıklamak, arenlerde σ bağlarını ve hibrit orbitalleri saymak.
  • Benzen homologlarını orto-, meta-, para- ve rakamlarla adlandırmak, C₈H₁₀ ve C₉H₁₂ formüllü arenlerin izomerlerini saymak.
  • Benzenin, toluenin ve stirenin sübstitüsyon, katılma ve yükseltgenme tepkimelerinin denklemlerini yazmak, toluende atomların karşılıklı etkisini açıklamak.
  • Arenlerin elde edilmesi, yanması, verim ve karışımlarla ilgili DİM problemlerini çözmek; petrol, doğal gaz ve taş kömüründen elde edilen ürünleri tanımak.

Köpük bardaklar (polistiren), boya çözücüsü toluen, patlayıcı TNT ve aspirin — hepsinin molekülünde bir benzen halkası bulunur. 2025–2026 DİM sınavlarında toluenin yükseltgenmesine dayanan bir karışım problemi, benzenin elde edilmesi ve molekülündeki σ bağlarının ve hibrit orbitallerin sayılması soruldu.

Benzenin yapısı: aromatik π sistemi

Tanım
Aromatik hidrokarbonlar (arenler)

Molekülünde bir ya da daha fazla benzen halkası bulunan hidrokarbonlar. Bu derste benzen serisini, yani tek halkalı ve doymuş yan zincirli arenleri inceliyoruz.

Benzenin formülü C₆H₆’dır. Kekulé onu tekli ve ikili bağları sırayla dizilen bir halka olarak çizmişti; oysa altı C–C bağının hepsi özdeştir: 0,140 nm, yani tekli (0,154 nm) ile ikili (0,134 nm) bağ arasındadır. Her karbon sp² hibritleşmesi yapmıştır: üç hibrit orbitaliyle iki karbon ve bir hidrojenle σ bağı kurar, bu yüzden molekül düzlemseldir, açılar 120°’dir. Hibritleşmemiş altı p orbitali halka düzlemine diktir ve yan yana örtüşerek tek bir 6 π elektronlu bulut oluşturur. Bu kararlı sisteme aromatiklik denir ve altıgenin içine çizilen bir daireyle gösterilir.

HHHHHHCCCCCCBenzen C₆H₆: Kekulé formülüCH₃12 (orto)3 (meta)4 (para)5 (meta)6 (orto)
Daire, tek 6 π elektron bulutunu gösterir; konumlar CH₃ grubundan itibaren sayılır.

DİM sorularında benzende 12 atom, 12 σ bağı (6 C–C, 6 C–H) ve 18 hibrit orbital (6 · 3) sayılır; 6 C–H bağı polar, C–C bağları apolardır.

CₙH₂ₙ₋₆; Mr = 14n − 6 (n ≥ 6)
burada:
  • nkarbon atomu sayısı (benzende 6)
  • 2n − 6hidrojen atomu sayısı
  • 14n − 6bağıl molekül kütlesi: 12n + (2n − 6)

Benzen serisinin genel formülü: alkandan (CₙH₂ₙ₊₂) 8 hidrojen eksiktir; halka ve üç ikili bağın her biri 2 hidrojen eksiltir.

DİM tarzında: toluen molekülündeki bağlar (eşleştirme)

Toluen (metilbenzen) molekülü için eşleştirmeyi yapın.
1. Toplam σ bağı sayısı
2. Karbon atomlarının toplam hibrit orbital sayısı
3. Polar kovalent bağ sayısı
a. 7 b. 15 c. 22 d. 8 e. 18

Çözümü göster
Toluen C₆H₅–CH₃ (n = 7): halkadaki 6 karbon sp², metil karbonu sp³’tür.
σ: 7 C–C + 8 C–H = 15 (3 · 7 − 6).
Hibrit orbital: 6 · 3 + 1 · 4 = 22 (4 · 7 − 6).
Polar bağlar: 8 C–H bağı. 7 yalnızca C–C bağlarıdır, 18 ise benzenin değeridir.
Cevap: 1-b; 2-c; 3-d.

Benzenin homologları: izomerlik ve adlandırma

Halkadaki hidrojenler alkil gruplarıyla yer değiştirince benzenin homologları oluşur; adları «grup + benzen» biçimindedir: C₆H₅–CH₃ metilbenzen (toluen), C₆H₅–C₂H₅ etilbenzen, C₆H₅–CH(CH₃)₂ izopropilbenzen (kümen). C₆H₅– grubuna fenil denir. Toluenin aromatik izomeri yoktur, çünkü halkanın altı konumu eşdeğerdir. DİM sorularında toluol, ksilol, orto-, meta-, para- adları kullanılır.

İki sübstitüent varsa birbirlerine göre konumları izomerler oluşturur. Halka, sübstitüentler en küçük numaraları alacak şekilde numaralanır: 1,2 orto- (o-), 1,3 meta- (m-), 1,4 para- (p-) konumudur (yukarıdaki çizime bakın). Dimetilbenzenler ksilenlerdir: o-ksilen (1,2-dimetilbenzen), m-ksilen (1,3-) ve p-ksilen (1,4-).

FormülAromatik izomerlerMrSayı
C₆H₆benzen781
C₇H₈toluen (metilbenzen)921
C₈H₁₀etilbenzen; o-, m-, p-ksilen1064
C₉H₁₂propilbenzen, kümen; o-, m-, p-etilmetilbenzen; 1,2,3-, 1,2,4-, 1,3,5-trimetilbenzen1208
Benzen serisinin ilk dört üyesi; yalnızca benzen halkası içeren izomerler sayılmıştır.

Sayma yolu: halkanın dışındaki n − 6 karbonu gruplara paylaştırın. C₉H₁₂ için 3 karbon kalır: tek bir C₃ grubu — propil veya izopropil (2); CH₃ + C₂H₅ — o-, m-, p- (3); üç CH₃ — 1,2,3-, 1,2,4-, 1,3,5- (3); toplam 8. Genel kurallar «Organik bileşiklerin adlandırılması ve izomerlik» dersindedir.

CₙH₂ₙ₋₆ + (3n − 3)/2 O₂ → nCO₂ + (n − 3)H₂OCₙH₂ₙ₋₆ + (3n − 3)/2 O₂ → nCO₂ + (n − 3)H₂O
burada:
  • n(CO₂) : n(H₂O)= n : (n − 3); 1 mol aren, CO₂’den 3 mol daha az su verir
  • (3n − 3)/2(3n − 3)/21 mol aren için gereken O₂, mol

Bir arenin yanması: (14n − 6) g aren → n mol CO₂; n(CO₂) − n(H₂O) = 3 · n(aren).

DİM tarzında: yanma ürünleri ve izomerler

Bir benzen homoloğunun 5,3 g’ı tamamen yanınca NK’de 8,96 L CO₂ oluştu. Bu formüle uyan kaç aromatik hidrokarbon vardır? Ar(C) = 12, Ar(H) = 1
A) 2 B) 3 C) 4 D) 5 E) 8

Çözümü göster
n(CO₂) = 8,96 / 22,4 = 0,4 mol. (14n − 6) g aren n mol CO₂ verir:
5,3 · n = 0,4 · (14n − 6) → 5,3n = 5,6n − 2,4 → n = 8: C₈H₁₀.
İzomerler: etilbenzen ile o-, m- ve p-ksilen — 4.
Doğru cevap: C.

Benzenin kimyasal özellikleri

Benzen kendine özgü kokulu, renksiz bir sıvıdır: 80 °C’de kaynar, 5,5 °C’de donar, suda çözünmez ve sudan hafiftir; buharı zehirli ve kanserojendir. Aromatik π sistemi kararlı olduğundan benzen, alkenlerden farklı olarak bromlu suyun ve KMnO₄ çözeltisinin rengini gidermez. Onun için yer değiştirme (sübstitüsyon) tepkimeleri tipiktir (π sistemi korunur); katılma ise yalnızca zorlu koşullarda olur.

  • Halojenleme: C₆H₆ + Br₂ →(FeBr₃) C₆H₅Br + HBr (bromobenzen); FeCl₃ varlığında klor, klorobenzen C₆H₅Cl verir.
  • Nitrolama (derişik HNO₃ + H₂SO₄): C₆H₆ + HNO₃ →(H₂SO₄, t) C₆H₅–NO₂ + H₂O (nitrobenzen).
  • Alkilleme: C₆H₆ + CH₃Cl →(AlCl₃) C₆H₅–CH₃ + HCl; C₆H₆ + CH₂=CH₂ →(kat.) C₆H₅–C₂H₅ (etilbenzen); propenle kümen elde edilir.
  • Katılma (zorlu koşullar): C₆H₆ + 3H₂ →(Ni, t, p) C₆H₁₂ (siklohekzan); morötesi ışıkta C₆H₆ + 3Cl₂ →(hν) C₆H₆Cl₆ (hekzaklorosiklohekzan, eski bir böcek ilacı).
  • Yanma: 2C₆H₆ + 15O₂ → 12CO₂ + 6H₂O; karbonun kütlece yüzdesi yüksek olduğundan (%92,3) alev islidir.
DİM tarzında: benzenin özellikleri (yanlış ifadeler)

Benzen için hangi ifadeler yanlıştır?
1. Bromlu suyun rengini giderir
2. Ni üzerinde hidrojenlenince siklohekzan verir
3. Morötesi ışıkta klor katar
4. Sulu KMnO₄ çözeltisinin rengini giderir
5. Molekülünde 6 σ bağı vardır
A) 1, 2, 4 B) 1, 4, 5 C) 2, 3, 5 D) 3, 4, 5 E) 1, 3, 4

Çözümü göster
1 ve 4 yanlıştır: aromatik halka ne bromlu suyla ne de KMnO₄ ile tepkimeye girer; benzeni alkenlerden ayıran budur.
2 (C₆H₁₂) ve 3 (C₆H₆Cl₆) doğrudur.
5 yanlıştır: 6 C–C + 6 C–H = 12 σ bağı.
Doğru cevap: B.

Toluen: atomların karşılıklı etkisi. Stiren

Butlerov’un teorisine göre moleküldeki atomlar birbirini etkiler; toluende bu etki iki yönlüdür.

  • CH₃ grubu halkayı etkiler: 2, 4 ve 6 (orto ve para) konumlarındaki elektron yoğunluğunu artırır; bu yüzden toluen benzenden daha kolay sübstitüsyona uğrar ve yeni grup o- ve p-konumlarına girer. Bir mol brom (FeBr₃) o- ve p-bromotolueni, aşırı brom 2,4,6-tribromotolueni verir: C₆H₅–CH₃ + 3Br₂ →(FeBr₃) C₆H₂Br₃–CH₃ + 3HBr. Nitrolamayla TNT (2,4,6-trinitrotoluen) elde edilir: C₆H₅–CH₃ + 3HNO₃ →(H₂SO₄) C₆H₂(NO₂)₃–CH₃ + 3H₂O.
  • Halka CH₃ grubunu etkiler: metan KMnO₄ ile yükseltgenmez; toluenin CH₃ grubu ise ısıtılınca COOH’a kadar yükseltgenir: 5C₆H₅–CH₃ + 6KMnO₄ + 9H₂SO₄ → 5C₆H₅–COOH + 3K₂SO₄ + 6MnSO₄ + 14H₂O (benzoik asit). Hesaplamada şema yeterlidir: C₆H₅–CH₃ + 3[O] → C₆H₅–COOH + H₂O. Tek yan zincirli diğer homologlar da benzoik asit, p-ksilen ise tereftalik asit verir; benzen yükseltgenmez.
  • Koşullar tepkimenin yerini belirler: ışıkta klor, alkanlarda olduğu gibi yan zincirde yer değiştirir: C₆H₅–CH₃ + Cl₂ →(hν) C₆H₅–CH₂Cl + HCl (benzil klorür); FeCl₃ varlığında ise halkada: C₆H₅–CH₃ + Cl₂ →(FeCl₃) Cl–C₆H₄–CH₃ + HCl (o- ve p-klorotoluen).
DİM tarzında (yazılı): benzen ve toluen karışımı

Benzen ve toluenden oluşan 40 g karışım, sülfürik asitle asitlendirilmiş KMnO₄ çözeltisiyle ısıtıldı ve 42,7 g benzoik asit elde edildi.
1) Başlangıç karışımında benzenin kütlece yüzdesini hesaplayın.
2) Aynı karışımın Ni üzerinde tamamen hidrojenlenmesi için NK’de kaç litre H₂ gerekir?
Mr(C₆H₆) = 78, Mr(C₇H₈) = 92, Mr(C₆H₅COOH) = 122

Çözümü göster
Yalnızca toluen yükseltgenir: C₆H₅–CH₃ + 3[O] → C₆H₅–COOH + H₂O.
n(C₆H₅COOH) = 42,7 / 122 = 0,35 mol → n(C₇H₈) = 0,35 mol, m = 0,35 · 92 = 32,2 g.
1) m(C₆H₆) = 40 − 32,2 = 7,8 g → benzenin oranı 7,8 / 40 = 0,195, yani %19,5.
2) n(C₆H₆) = 7,8 / 78 = 0,1 mol. Her mol aren 3 mol H₂ bağlar: n(H₂) = 3 · (0,1 + 0,35) = 1,35 mol → V = 1,35 · 22,4 = 30,24 L.
DİM tarzında: toluenin dönüşümleri (X, Y)

C₆H₅–CH₃ + Cl₂ →(hν) X + HCl
C₆H₅–CH₃ →(KMnO₄, H₂SO₄, t) Y
X ve Y maddelerini belirleyin.
A) Cl–C₆H₄–CH₃; C₆H₅–COOH B) C₆H₅–CH₂Cl; C₆H₅–COOH C) C₇H₈Cl₆; C₆H₅–COOH D) C₆H₅–CH₂Cl; C₆H₅–OH E) Cl–C₆H₄–CH₃; C₆H₆

Çözümü göster
X: ışıkta klor, alkanlarda olduğu gibi yan zincire gider — benzil klorür C₆H₅–CH₂Cl (Cl–C₆H₄–CH₃, FeCl₃ varlığında oluşurdu).
Y: halkanın etkisiyle CH₃ grubu COOH’a yükseltgenir — benzoik asit.
C₇H₈Cl₆ seçeneği, benzenin ışıkta klor katmasını yanlışlıkla toluene uygulamaktan doğar.
Doğru cevap: B.

Stiren (vinilbenzen) C₆H₅–CH=CH₂ (C₈H₈, Mr = 104) benzen homoloğu değildir: yan zincirinde ikili bağ vardır, bu yüzden vinil grubu bir alken gibi davranır. Stiren bromlu suyun (C₆H₅–CH=CH₂ + Br₂ → C₆H₅–CHBr–CH₂Br) ve KMnO₄ çözeltisinin rengini giderir, polimerleşerek polistiren verir: nC₆H₅–CH=CH₂ → (–CH₂–CH(C₆H₅)–)ₙ. Etilbenzenden hidrojen ayrılmasıyla elde edilir: C₆H₅–CH₂–CH₃ →(t, kat.) C₆H₅–CH=CH₂ + H₂. Sekiz karbonun hepsi sp²’dir (24 hibrit orbital), 16 σ bağı vardır; Ni üzerinde 1 mol stiren 4 mol H₂ bağlar.

Etkileşimli
Simülasyon yükleniyor…
Aromatik halkanın yan zinciri yalnızca sıcak KMnO₄ ile tepkimeye girer.

Elde edilme, kullanım ve hidrokarbonların doğal kaynakları

  • Asetilenin trimerleşmesi (N. D. Zelinski): 3C₂H₂ →(aktif C, 600 °C) C₆H₆. Asetilen «Doymamış hidrokarbonlar: alkenler, alkadienler, alkinler» dersinde incelenir.
  • Siklohekzandan hidrojen ayrılması: C₆H₁₂ →(Pt, t) C₆H₆ + 3H₂.
  • Alkanların dehidrosiklizasyonu (aromatikleşme): C₆H₁₄ →(Cr₂O₃, t) C₆H₆ + 4H₂; heptandan toluen elde edilir: C₇H₁₆ →(Cr₂O₃, t) C₆H₅–CH₃ + 4H₂.
  • Laboratuvarda sodyum benzoat bir bazla ısıtılır (dekarboksilasyon): C₆H₅COONa + NaOH →(t) C₆H₆ + Na₂CO₃.
  • Homologlar benzenin alkillenmesiyle elde edilir; arenler ayrıca taş kömürü katranından ve reforming ürünlerinden ayrılır.

Kullanım: benzenden stiren, fenol ve aseton (kümen yöntemi), nitrobenzen (anilin için), siklohekzan (naylon için); toluenden TNT ve benzoik asit, p-ksilenden tereftalik asit elde edilir; toluen ve ksilenler çözücüdür.

Tanım
Taş kömürünün koklaştırılması

Taş kömürünün havasız ortamda yaklaşık 1000 °C’ye kadar ısıtılması. Ürünleri: kok (metalurjide indirgen), taş kömürü katranı (benzen, toluen, ksilenler, fenol, naftalin), amonyaklı su ve kok gazı (başlıca H₂ ve CH₄).

  • Doğal gaz başlıca metandır; petrolle birlikte çıkan gazda metan daha az, etan, propan ve bütan daha çoktur.
  • Ham petrol alkan, sikloalkan ve arenlerin karışımıdır; ayrımsal damıtmayla benzin, nafta (ligroin), gazyağı ve motorin ayrılır, kalıntı fuel-oildir (mazut). Kraking uzun molekülleri daha kısa alkan ve alkenlere parçalar; reforming alkan ve sikloalkanları arenlere dönüştürüp benzinin oktan sayısını yükseltir (ayrıntılar: «Günlük hayatta ve sanayide kimya»).
η (%) = m(gerçek) / m(teorik) · 100η (%) = m(gerçek) / m(teorik) · 100
burada:
  • ηyüzde verim, %
  • m(gerçek)gerçekte elde edilen kütle (ya da hacim)
  • m(teorik)denklemden hesaplanan kütle (ya da hacim)

Başlangıç maddesinden ürüne geçerken η ile çarpılır, üründen başlangıç maddesine geçerken η’ya bölünür.

DİM tarzında (yazılı): benzenin elde edilmesi ve nitrolanması

Asetilenin aktif karbon üzerinde trimerleşmesinden %80 verimle 31,2 g benzen elde edildi. Bu benzen %75 verimle nitrolandı.
1) NK’de kaç litre asetilen harcanmıştır?
2) Kaç gram nitrobenzen elde edilmiştir?
Mr(C₆H₆) = 78, Mr(C₆H₅NO₂) = 123

Çözümü göster
1) 3C₂H₂ → C₆H₆. n(C₆H₆) = 31,2 / 78 = 0,4 mol; %100 verimde 3 · 0,4 = 1,2 mol C₂H₂ gerekirdi, %80 verimde ise 1,2 / 0,8 = 1,5 mol → V = 1,5 · 22,4 = 33,6 L.
2) C₆H₆ + HNO₃ → C₆H₅–NO₂ + H₂O: teorik 0,4 mol nitrobenzen, gerçek 0,4 · 0,75 = 0,3 mol → m = 0,3 · 123 = 36,9 g.

Önemli noktalar

  • Arenler CₙH₂ₙ₋₆, Mr = 14n − 6. Benzende 6 karbon sp²’dir, molekül düzlemseldir, açılar 120°, bütün C–C bağları eştir (0,140 nm), 6 π elektronu tek bir bulut oluşturur; 12 σ bağı, 18 hibrit orbital.
  • Orto = 1,2, meta = 1,3, para = 1,4. C₈H₁₀’un 4 aromatik izomeri (etilbenzen ve üç ksilen), C₉H₁₂’nin 8 aromatik izomeri vardır.
  • Benzen için sübstitüsyon tipiktir (Br₂/FeBr₃, HNO₃/H₂SO₄, alkilleme); katılma zorlu koşullarda olur (3H₂/Ni → siklohekzan, 3Cl₂/ışık → C₆H₆Cl₆). Benzen bromlu suyun ve KMnO₄’ün rengini gidermez.
  • Toluende CH₃ grubu halkanın 2, 4, 6 konumlarını etkinleştirir (TNT), halka ise CH₃’ü kolay yükseltgenir hâle getirir (→ benzoik asit). Klor ışıkta yan zincire, FeCl₃ ile halkaya gider.
  • Stiren C₆H₅–CH=CH₂ bir alken gibi bromlu suyun ve KMnO₄’ün rengini giderir, polistirene polimerleşir; etilbenzenden hidrojen ayrılmasıyla elde edilir.
  • Benzen: 3C₂H₂ → C₆H₆, siklohekzandan hidrojen ayrılması, hekzanın dehidrosiklizasyonu, C₆H₅COONa + NaOH; arenlerin kaynakları taş kömürü katranı ve petrolün reforming işlemidir.

Kendini test et

12 soru. Her doğru cevap XP kazandırır.

1 / 12
Benzen serisi aromatik hidrokarbonların genel formülü hangisidir?