Aromatyczność benzenu jest związana z jego szczególną stabilnością energetyczną. Jej miarą jest entalpia aromatyczności, którą można wyznaczyć, porównując rzeczywistą entalpię uwodornienia benzenu z hipotetyczną entalpią uwodornienia cykloheksatrienu.
Jako modelowy układ pojedynczego wiązania C=C przyjmij reakcję uwodornienia cykloheksenu do cykloheksanu. Wartości entalpii spalania cykloheksenu i cykloheksanu podano poniżej.
Entalpie spalania cykloheksenu i cykloheksanu podano poniżej:
\[\Delta H_{sp}^{C_{6}H_{10}} = \ - 3752\ kJ · mol⁻¹\]
\[\Delta H_{sp}^{C_{6}H_{12}} = \ - 3920\ kJ · mol⁻¹\]
Na podstawie powyższych danych oraz tablic CKE oblicz entalpię aromatyczności benzenu
Z tablic CKE:
Entalpia spalania wodoru równa jest entalpii tworzenia wody ciekłej
\[\Delta H_{sp}^{H_{2}} = \ - 285,8\ kJ \bullet mol^{- 1}\]
Jako model pojedynczego wiązania C=C przyjmujemy reakcję uwodornienia cykloheksenu do cykloheksanu:
\[C_{6}H_{10} + \ H_{2} \rightarrow \ C_{6}H_{12}\]
Entalpię uwodornienia cykloheksenu obliczamy na podstawie entalpii spalania:
\[\Delta H_{uw} = \ \Delta H_{sp}^{C_{6}H_{10}} + \ \Delta H_{sp}^{H_{2}} - \ \Delta H_{sp}^{C_{6}H_{12}}\]
Podstawiamy dane:
\[\Delta H_{uw} = \ ( - 3752) + \ ( - 285,8) - \ ( - 3920)\ \]
\[\Delta H\_ uw\ = \ - 117,8\ kJ \bullet mol⁻¹\]
Otrzymana wartość odpowiada entalpii uwodornienia jednego wiązania \(C = C\) .
Hipotetyczny cykloheksatrien zawiera trzy wiązania podwójne C=C, dlatego hipotetyczna entalpia jego uwodornienia wynosi:
\[\Delta H_{uw}^{hip} = \ 3\ \bullet \ ( - 117,8)\]
\[\Delta H_{uw}^{hip} = \ - 353,4\ kJ \bullet mol^{- 1}\]
Reakcja uwodornienia benzenu:
\[C_{6}H_{6} + \ 3H_{2} \rightarrow \ C_{6}H_{12}\]
Korzystamy z cyklu Hessa. Spalanie benzenu przebiega zgodnie z równaniem:
\[C_{6}H_{6} + \ 7,5O_{2} \rightarrow \ 6CO_{2} + \ 3H_{2}O\]
Entalpia spalania benzenu wynosi:
\[\Delta H_{sp}^{C_{6}H_{6}} = \ - 3267\ kJ \bullet mol^{- 1}\]
Zatem:
\[\Delta H_{uw}^{benzenu} = \ \Delta H_{sp}^{C_{6}H_{6}} + \ 3\ \bullet \ \Delta H_{tw}^{H_{2}O} - \ \Delta H_{sp}^{C_{6}H_{12}}\]
Podstawiamy wartości:
\[\Delta H_{uw}^{benzenu} = \ ( - 3267) + \ 3\ \bullet \ ( - 285,8) - \ ( - 3920)\]
\[\Delta H_{uw}^{benzenu} = \ - 3267\ - \ 857,4\ + \ 3920\]
\[\Delta H_{uw}^{benzenu} = \ - 204,4\ kJ \bullet mol^{- 1}\]
4. Obliczenie entalpii aromatyczności benzenu
Entalpia aromatyczności jest różnicą między hipotetyczną entalpią uwodornienia trzech niezależnych wiązań C=C a rzeczywistą entalpią uwodornienia benzenu:
\[\Delta H_{arom} = \ \Delta H_{uw}^{hip} - \ \Delta H_{uw}^{benzenu}\]
Podstawiamy wartości:
\[\Delta H_{arom} = \ ( - 353,4) - \ ( - 204,4)\]
\[\Delta H_{arom} = \ - 149,0\ kJ \bullet mol^{- 1}\]
Odpowiedź:
\[\Delta H_{arom} = \ - 149,0\ kJ \bullet mol^{- 1}\]
Wartość bezwzględna entalpii aromatyczności benzenu wynosi 149,0 kJ•mol⁻¹ .
Oznacza to, że benzen jest dodatkowo stabilizowany energetycznie o około 149 kJ•mol⁻¹ w wyniku delokalizacji elektronów π i powstania układu aromatycznego.
4 pkt – rozwiązanie zawierające poprawną metodę prowadzącą do poprawnego obliczenia entalpii aromatyczności benzenu, obejmujące:
poprawne obliczenie entalpii uwodornienia jednego wiązania C=C na podstawie entalpii spalania cykloheksenu i cykloheksanu,
poprawne obliczenie hipotetycznej entalpii uwodornienia cykloheksatrienu,
poprawne obliczenie rzeczywistej entalpii uwodornienia benzenu na podstawie entalpii spalania benzenu, cykloheksanu oraz entalpii tworzenia H₂O,
poprawne obliczenie entalpii aromatyczności benzenu i podanie wyniku z prawidłową jednostką.
3 pkt – poprawne:
obliczenie entalpii uwodornienia jednego wiązania C=C,
obliczenie hipotetycznej entalpii uwodornienia cykloheksatrienu,
obliczenie rzeczywistej entalpii uwodornienia benzenu,
ale rozwiązanie zawiera błąd arytmetyczny w końcowym etapie, błędną jednostkę lub brak jednostki przy wyniku entalpii aromatyczności.
2 pkt – poprawne:
obliczenie entalpii uwodornienia jednego wiązania C=C,
obliczenie hipotetycznej entalpii uwodornienia cykloheksatrienu,
obliczenie rzeczywistej entalpii uwodornienia benzenu,
ale rozwiązanie zawiera błędy arytmetyczne lub inny błąd obliczeniowy uniemożliwiający poprawne wyznaczenie entalpii aromatyczności.
1 pkt – poprawne:
wyznaczenie entalpii uwodornienia jednego wiązania C=C,
oraz wyznaczenie hipotetycznej entalpii uwodornienia cykloheksatrienu,
ALBO
poprawne wyznaczenie entalpii uwodornienia benzenu na podstawie danych dotyczących entalpii spalania benzenu i cykloheksanu oraz entalpii tworzenia H₂O,
ale rozwiązanie zawiera błędy w dalszych obliczeniach.
0 pkt – rozwiązanie całkowicie błędne albo brak rozwiązania.