Методическая разработка цикла уроков по теме "Арены"

Разделы: Химия

Цель урока:

  • Изучить электронное и пространственное строение молекулы бензола.
  • Развивать понятие об эффекте сопряжения.
  • Познакомить учащихся с гомологическим рядом аренов, изомерией и номенклатурой аренов.

Оборудование: бензол, раствор перманганата калия, бромная(иодная) вода, демонстрационный штатив, модель молекулы бензола, мультимедийная презентация "Арены" (Приложение №1)

ХОД УРОКА

1. История открытия и изучения строения бензола.

Бензол был открыт еще в 1649 г. Иоганном Глаубером. Однако, тогда еще ничего не было известно о его составе. Во второй раз бензол был "открыт" Майклом Фарадеем. Он выделил его из светильного газа в 1825 году и тогда же был установлен его состав - С6Н6. Позже было выделено большое количество соединений содержащих бензольный цикл и большинство из них имели приятный запах, поэтому в 1860 г. А.Кекуле предложил для них название "ароматические углеводороды". Это название сохранилось до сих пор, а пол систематической номенклатуре этот класс углеводородов называется арены. Исходя из того, что основой аренов является бензол определение этого класса углеводородов следующее:

Презентация.

Арены - это углеводороды с общей формулой СnH2n - 6 в молекулах которых есть одно или несколько бензольных колец. (слайд№1)

Наличие цикла в молекуле бензола предположил еще Иоганн Лошмидт. Позже путем реакции дегидрирования циклогексана А.Зелинский получил бензол, а П.Сабатье прогидрировав бензол получил циклогексан. Таким образом, вопрос о циклической структуре бензола был решен.

2. Электронное и пространственное строение бензольного кольца.

Судя по составу, бензол является непредельным соединением. И в 1865 году А Кекуле предложил структурную формулу бензола, шестичленный цикл с чередующимися одинарными и двойными связями. (слайд №2)

Вопросы учащимся:

  1. Что означает термин "непредельные углеводороды"?
  2. Какие реакции наиболее типичны для непредельных углеводородов? (присоединения, окисление с помощью окислителей)
  3. Какие качественные реакции на непредельные соединения вам известны? (реакции обесцвечивания бромной воды и раствора перманганата калия)

Проведем эксперимент. К раствору перманганата калия и бромной воде прильем немного бензола. Что наблюдаем?

*Возможна замена демонстрационного эксперимента на видеофрагмент из презентации к уроку

(слайд №3)

Вопрос учащимся:

Возникает проблема. Как объяснить результаты эксперимента? Какие противоречия возникают между формулой Кекуле и результатами эксперимента?

Изучением природы двойных связей в бензоле занимались многие химики и современные представления о структуре бензола были сформулированы Л.Полингом. Согласно современным представлениям молекула бензола имеет строение плоского шестиугольника с равными сторонами. Атомы углерода в бензоле находятся в состоянии sp2 - гибридизации. При этом гибридные орбитали образуют обычные - связи, а негибридная - перекрывается с двумя другими негибридными орбиталями соседних углеродных атомов. В результате образуется единое облако делокализованных - электронов. В результате такого равномерного перекрывания 2р - орбиталей всех шести углеродных атомов происходит "выравнивание" простых и двойных связей, то есть в молекуле бензола отсутствуют классические двойные и одинарные связи (слайд №4). Для того чтобы подчеркнуть выравненность - электронной плотности в молекуле бензола предложена следующая структурная формула:

*Лекционное изложение может быть заменено на демонстрацию видеофрагмента из презентации к уроку (слайд №4)

 (слайд №5)

3. Классификация аренов. Гомологический ряд аренов. Изомерия и номенклатура аренов.

(сообщение учителя)

1. Арены классифицируют исходя из количества бензольных колец в молекуле. Различают одноядерные и многоядерные арены:

(слайд № 6)

2. Бензол является родоначальником гомологического ряда аренов. Гомологи бензола образуются при замене одного или нескольких атомов водорода в бензольном кольце на углеводородный радикал (слайд № 7).

По систематической номенклатуре арены рассматривают как производные бензола. Названия образуются от названий радикалов боковых цепей с добавлением окончания бензол.

В случае если в бензольном кольце имеется два заместителя, то они могут отличаться своим взаимным расположением в кольце. Так, при замещении двух водородных атомов на метильные радикалы могут образоваться три изомера (орто-, мета- и пара-) (слайд №8). Нумерацию бензольного кольца ведут таким образом, чтобы сумма цифр была наименьшей. Многие арены имеют тривиальные названия, которые применяются очень часто (метилбензол - толуол; диметилбензол - ксилол). Изомерия в гомологическом ряду бензола может быть связана как числом и строением заместителей, так и с их положением в бензольном кольце.

Для закрепления выполняются упражнения №6 и №9 из раздаточного дидактического материала к уроку (Приложение №2). Проверка выполненных заданий может проводится в двух вариантах:

а) Фронтально, когда выполненные в тетради задания сканируются и с помощью проектора демонстрируются на экране. Все возможные ошибки выявляются и корректируются в процессе проверки.

б) Задание может быть выполнено на интерактивной доске на заранее подготовленном шаблоне для составления формул.

Тема урока: Способы получения и физические свойства аренов

Цель урока: Изучить основные лабораторные и промышленные способы получения аренов. Сформировать понятие каталитического риформинга алканов. Познакомить с важнейшими физическими свойствами аренов.

Оборудование: бензол, этанол, дистиллированная вода, хлороформ, растительное масло, демонстрационный штатив, пробирки, стеклянные палочки, кристаллизатор со льдом или другой охлаждающей смесью, мультимедийная презентация "Арены" (Приложение №1)

ХОД УРОКА

1. Способы получения аренов. (лекционное изложение материала учителем)

В промышленности 90 % получаемого бензола выделяют при переработке каменноугольной смолы при ее фракционировании. Другим источником получения аренов является нефть, которые выделяют из нее простой перегонкой, пиролизом, а также каталитическим крекингом.

Ароматизация парафинов (каталитический риформинг): (слайд №10)

При дегидрировании циклогексана подобным образом образуется бензол.

Гомологи бензола могут быть получены по реакции Фриделя - Крафтса (см. раздел свойства бензола).

Синтез из солей ароматических карбоновых кислот:

5. Синтез из ацетилена. Реакция Зелинского. (слайд №11)

* Материал выделенный курсивом предлагается учащимся профильных классов.

2. Физические свойства аренов. (сообщение учителя + демонстрационный эксперимент)

Низшие члены гомологического ряда бензола - чаще всего жидкости, обладающие характерным запахом (демонстрируются образцы аренов: бензол, толуол, ксилол). Углеводороды, в состав которых входит не более одного бензольного кольца, как правило, легче воды. Арены в воде нерастворимы, но хорошо растворяются в органических растворителях, и сами являются таковыми.

Учитель демонстрирует эксперименты:

  • Растворимость бензола в воде, этаноле, хлороформе.
  • Растворение масел в бензоле.

* Демонстрационный эксперимент может быть заменен на демонстрацию видеофрагментов с аналогичными экспериментами (слайд №12, 13)

3. Решение задач и упражнений на закрепление темы.

Для закрепления материала о способах получения аренов учащимся предлагается решить расчетные задачи №1 и №5 из раздаточного дидактического материала к уроку (Приложение №2).

Ниже приведены условия этих задач:

Из ацетилена объемом 3,36 л (н.у.) получили бензол объемом 2,5 мл. Определите выход продукта, если плотность бензола равна 0,88 г/мл.

Какой объем водорода (н.у.) образуется при циклизации и дегидрировании н-гексана объемом 200 мл и плотностью 0,66 г/мл? Реакция протекает с выходом 65 %.

Тема урока: Химические свойства аренов

Цель урока: Изучить важнейшие химические свойства аренов на примере бензола и ближайших гомологов. На примере толуола рассмотреть взаимное влияние атомов в молекуле.

Оборудование: бензол, азотная кислота, серная кислота, водяная баня, толуол, ксилол, подкисленный раствор перманганата калия, демонстрационный штатив, пробирки, фильтровальная бумага, пинцет, чашка для выпаривания веществ, мультимедийная презентация "Арены" (Приложение №1)

1. Контроль домашнего задания.

А) Составьте формулы веществ: хлорбензол; 1,4 - диметилбензол; 1,4 - диметил 3 - бромбензол; бутилбензол; 1,4 - динитробензол. Задание может выполняться на интерактивной доске с использованием готового шаблона.

Б) Контрольный тест (10 минут)

2. Химические свойства бензола.

А) Вводная беседа с учащимися с целью актуализации опорных знаний:

  • Какие типы реакции характерны для предельных и непредельных углеводородов?
  • В чем особенности электронного и пространственного строения бензола?
  • Существуют ли реально в молекуле бензола чистые одинарные и двойные связи?
  • Предположите, какой тип реакций будет характерен для аренов?

Б) Изучение свойств бензола (лекционное изложение материала с элементами беседы).

Несмотря на формальную непредельность для бензола более характерны реакции замещения. Это объясняется особенностями строения бензольного кольца. В присутствии катализаторов FeBr3, AlCl3 может идти замещение атомов водорода в молекуле бензола на атомы галогенов. Эти реакции идут практически в обычных условиях (слайд №14).

(* По ходу объяснения материала учащимся задается вопрос о том имеет ли значение какой атом водорода бензольного кольца будет замещаться на галоген? Почему?)

При взаимодействии с бензола азотной кислотой в присутствии концентрированной серной кислоты в качестве водоотнимающего средства идет образование нитробензола (слайд №15).

(* По ходу объяснения материала учащимся задается вопрос о том какова роль серной кислоты в этой реакции? Параллельно идет демонстрация нитрования бензола. Методика эксперимента описана в Приложении №4)

В присутствии безводного хлорида алюминия в качестве катализатора может протекать реакция алкилирования бензола (Реакция Фриделя - Крафтса). В результате к бензольному кольцу присоединяется углеводородный радикал.

Поскольку бензольное кольцо насыщено электронами, то частица, которая будет атаковать бензольное кольцо должна иметь дефицит электронов, то есть быть электрофилом. Отсюда, реакции замещения у аренов протекают по механизму который носит название электрофильного замещения.

Реакции присоединения менее характерны для бензола, но они есть. Так, каталитическое гидрирование бензола идет в присутствии никелевых (150о) или платиновых (50о) катализаторов. Бензол при этом превращается в циклогексан.

При сильном освещении (УФ - облучение) в отсутствие кислорода бензол способен присоединять хлор, образуя производное циклогексана - гексахлорциклогексан (гексахлоран).

В реакциях присоединения происходит разрушение ароматической системы.

В) Химические свойства гомологов бензола (лекционное изложение материала с элементами беседы).

Гомологи бензола химически более активны чем сам бензол. Это объясняется влиянием углеводородного радикала на бензольное кольцо. Радикалы являются электродонорными заместителями, то есть они подают электроны в бензольное кольцо, нарушая равномерное распределение электронной плотности в кольце в орто - и пара - положениях (слайд №17). В этих положениях повышается электронная плотность и облегчается вхождение заместителей. Так, например, толуол (метилбензол) нитруется очень легко, даже без нагревания. При этом идет образования тринитротолуола (слайд № 18).

Галогенирование гомологов бензола идет по-разному в зависимости от условий реакции. При освещении галоген замещает водород в радикале, а в присутствии катализатора - встраивается в бензольное кольцо:

Г) Окисление аренов (лекционное изложение с демонстрационным экспериментом и элементами беседы).

Бензол и его гомологи горят на воздухе коптящим сильно пламенем (слайд №.19).

(* Демонстрируется опыт горения пропитанной бензолом фильтровальной бумаги(Тяга!!!). Параллельно сжигается кусочек фильтровальной бумаги не пропитанный бензолом.

Учащимся задается вопрос о причине такого характера сгорания бензола и его гомологов.)

Бензол устойчив к действию окислителей, однако его гомологи окисляются очень легко. Известно, что влияние атомов и групп атомов в молекулах органических веществ взаимно. Поэтому в молекулах гомологов бензола не только радикалы влияют на активность бензольного кольца, но и кольцо влияет на активность радикалов. В частности снижают устойчивость радикалов к окислению. Если, например, прилить раствор перманганата калия к толуолу и нагреть смесь, то фиолетовая окраска раствора постепенно исчезнет. Это происходит вследствие окисления метильной группы. В реакции окисления толуола перманганатом калия метильная группа окисляется в карбоксильную - образуется бензойная кислота (слайд №20). Подобным образом окисляются и другие гомологи бензола. Радикал независимо от его длины и типа "сгорает", образуя карбоксильную группу.

(* Демонстрируется опыт окисления толуола и ксилола кислым раствором перманганата калия. Методика проведения демонстрации описана в Приложении №4)

3. Решение задач и упражнений на закрепление темы.

Для закрепления материала о способах получения аренов учащимся предлагается решить упражнения №7 (1 уровень) и №8 (2 уровень) расчетные задачи №2 и №3 из раздаточного дидактического материала к уроку (Приложение №2).