Βενζόλιο 500ml


10,00 12,40 με ΦΠΑ

Qty:
Compare

Βενζόλιο 500ml

Το βενζόλιο[3] (αγγλικά benzene) είναι οργανική χημική ένωση, που περιέχει άνθρακα και υδρογόνο, με μοριακό τύπο C6H6, αλλά συμβολίζεται συχνά συντομογραφικά ως PhH ή ΦH. Το μόριό του αποτελείται από έξι (6) άτομα άνθρακα, που το καθένα τους συνδέεται με δύο (2) άλλα άτομα άνθρακα, σχηματίζοντας έναν εξαγωνικό δακτύλιο, ενώ ταυτόχρονα κάθε ένα από τα 6 αυτά άτομα άνθρακα συνδέεται και με ένα (1) άτομο υδρογόνου. Εφόσον το μόριό του περιέχει μόνο άτομα υδρογόνου και άνθρακα, το βενζόλιο ταξινομείται στους υδρογονάνθρακες.

Το βενζόλιο είναι ένα φυσικό συστατικό του αργού πετρελαίου και ένα από τα πιο θεμελιώδη πετροχημικά προϊόντα. Ειδικότερα, το βενζόλιο είναι αρωματικός υδρογονάνθρακας και το πιο κλασσικό παράδειγμα αρωματικότητας. Ακόμη ειδικότερα είναι το απλούστερο και σπουδαιότερο μέλος της οικογένειας των αρενίων[4], και το δεύτερο n-αννουλένιο (το πρώτο είναι το κυκλοβουταδιένιο), με n = 6, δηλαδή ένας κυκλικός υδρογονάνθρακας με συνεχόμενο π-δεσμό. Το χημικά καθαρό βενζόλιο, στις κανονικές συνθήκες περιβάλλοντος, δηλαδή σε θερμοκρασία 25°C και υπό πίεση 1 atm, είναι άχρωμο και πολύ εύφλεκτο υγρό, με γλυκιά οσμή. Είναι αναμείξιμο με σχεδόν όλους τους οργανικούς διαλύτες, αλλά είναι δύσκολα και λίγο αναμείξιμο με το νερό. Το ίδιο το βενζόλιο αποτελεί καλό διαλύτη, αλλά η χρήση του για το σκοπό αυτό αποφεύγεται γιατί είναι γνωστό καρκινογόνο και μεταλλαξιογόνο, καθώς το ίδιο και οι μεταβολίτες του είναι δηλητήρια που μπορούν να προκαλέσουν χρωμοσωμικές ανωμαλίες.[5]

Η κύρια εφαρμογή του είναι να χρησιμεύει ως πρόδρομη ένωση άλλων, συνήθως βαρύτερων χημικών προϊόντων, όπως το αιθυλοβενζόλιο, το κουμένιο, το κυκλοεξάνιο και το νιτροβενζόλιο[6]. Η παγκόσμια ετήσια παραγωγή του βενζολίου είναι της τάξης του 1.000.000 τόννων. Ως καύσιμο, σε κινητήρες εσωτερικής καύσης, έχει υψηλό βαθμό οκτανίου (το χημικά καθαρό βενζόλιο ως καύσιμο αντιστοιχεί σε 150 βαθμούς οκτανίου), και γι’ αυτό είναι ένα σημαντικό συστατικό της βενζίνης, αν και αποτελεί ένα σχετικά μικρό ποσοστό, της τάξης των λίγων μονάδων τοις εκατό της μάζας της. Πιο συγκεκριμένα, το μέγιστο επιτρεπόμενο ποσοστό του στη βενζίνη στην Ευρωπαϊκή Ένωση, σύμφωνα με το πρότυπο EN 228, είναι 1%.[7] Το ίδιο ισχύει στην Ελβετία[8], ενώ στις ΗΠΑ είναι 5%.[9]

Αυτό συμβαίνει, επίσης, γιατί είναι γνωστό καρκινογόνο, οπότε η συμμετοχή του βενζολίου, τόσο στη βενζίνη, όσο και σε άλλες μη βιομηχανικές εφαρμογές του, να είναι περιορισμένη.

Ονοματολογία

Δεδομένου ότι η κατάληξη είναι «-όλη» χρησιμοποιείται για αλκοόλες, στη συστηματική χημική ονοματολογία, η πιο ευρέως χρησιμοποιούμενη στα γερμανικά ιστορική ονομασία benzol είναι παραπλανητική. Η ονομασία βενζόλιο ή βενζένιο καθορίστηκε από την IUPAC ως επίσης ονομασία της ένωσης, σύμφωνα με τη συστηματική κατάληξη της ονοματολογίας των υδρογοναθράκων.

Ο γερμανός χημικός Βίλχελμ Κόνρνερ (Wilhelm Körner) πρότεινε τα προθέματα ορθο-, μετα- και παρα-, για να διαχωρίσει μεταξύ τους τα διυποκατεστημένα παράγωγα του βενζολίου το 1867, ωστόσο, δεν χρησιμοποίησε τα προθέματα για να διαχωρήσει τις σχετικές θέσεις υποκαταστατών στο βενζολίου στο βενζολικό δακτύλιο.[42] Αργότερα, ένας άλλος γερμανός χημικό, ο Καρλ Γκράμπε (Karl Gräbe), που το 1869, πρώτος χρησιμοποίησε τα ίδια παραπάνω προθέματα για να προσδιορίσει και τις σχετικές θέσεις των διυποκαταστατών σε έναν (άλλο) διυποκατεστημένο αρωματικό δακτύλιο (δηλαδή το ναφθαλίνιο).[43] Το 1870, ο γερμανός χημικός Βίκτορ Μέγιερ (Viktor Meyer) πρώτος εφάρμοσε την ονοματολογία του Γκράμπε στο βενζόλιο.[44]

Παρουσία και εκπομπές βενζολίου

Μικρές ποσότητες βενζολίου βρίσκονται στο (αργό) πετρέλαιο, στο λιθάνθρακα, στη λιθανθρακόπισσα καθώς και στον παραγώμενο καπνό των αναμένων τσιγάρων (10-100 μg ανά τσιγάρο). Ίχνη βενζολίου, επίσης, παράγονται κατά τη διάρκεια ηφαιστειακών εκρήξεων, δασικών πυρκαγιών, καθώς και κατά την ατελή καύση οργανικής ύλης. Στην ατμόσφαιρα, το βενζόλιο έχει ημιζωή δύο (2) έως πέντε (5) ημέρες, γιατί αντιδρά με ελεύθερες ρίζες υδροξυλίου (ΟΗ).

Για εμπορική χρήση, ως το Β΄ Παγκόσμιο Πόλεμο, το περισσότερο βενζόλιο λαμβάνονταν ως παραπρϊόν της παραγωγής κοκ (καύσιμου), που παράγονταν για τη χαλυβουργία. Ωστόσο, η αύξηση της ζήτησης βενζολίου, μετά τη δεκαετία 1950, ιδιαίτερα από την αναπτυσσόμενη βιομηχανία πολυμερών, έκανε απαραίτητη την παραγωγή βενζολίου με πρώτη ύλη το πετρέλαιο. Σήμερα, το περισσότερο βενζόλιο παράγεται από την πετροχημική βιομηχανία, και μόνο ελάχιστο κλάσμα της παραγωγής του προέρχεται από παραπροϊόντα άνθρακα.[45]

Το βενζόλιο κυρίως εκλύεται από τα καυσαέρια βενζινοκινητήρων. Το 75% των εκπομπών βενζολίου προέρχεται από μηχανοκίνητα οχήματα. Από το 2000, το ποσοσστό βενζολίου στη βενζίνη περιορίστηκε σε ένα μέγιστο όριο 1% κατ’ όγκο, σύμφωνα με την οδηγία DIN EN 228 στην Ευρώπη. Το 2003, ο μέσος όρος ήταν 0,7% κατ’ όγκο. Το αντίστοιχο όριο για τις ΗΠΑ (από το 2010) ήταν 5% κατ’ όγκο.[9][46] Από το 2013, η μέση περιεκτικότητα βενζολίου στη βενζίνη στις ΗΠΑ έπρεπε να μειωθεί σε 0,62%,[47] αλλά τελικά ο κανονισμός μέγιστου όριου 5% δεν έχει ακόμη μεταβληθεί.[48]

Η μέση τιμή φορτίου για τον πληθισμό είναι περίπου 2 μg/ στον αέρα, αλλά στην πράξη μπορεί να είναι σημαντικά μεγαλύτερο, ανάλογα με το περιβάλλον (π.χ. γύρω από βενζινάδικά, σε γκαράζ με φτωχό εξαερισμό, κ.τ.λ.). Από το 1980 υπήρξε απότομη πτώση σε εκπομπές βενζολίου, ενώ αυτό συνεχίστηκε κατά τη δεκετία του 1990. Το φορτίο βενζολίου μεταξύ 1997 και 2005, για παράδειγμα, ήταν σημαντικά μειωμένο στην αστική ζώνη, κοντά σε σταθμούς ελέγχου κίνησης, καθώς επίσης και κοντά σε δημοτικά κτίρια, οπότε η θέσπιση ορίου 5 μg/m³, που επιβλήθηκε από το 2010, σε μεγάλο βαθμό τηρείται.[49]

Υποκατεστημένα παράγωγα του βενζολίου

Πολλές σημαντικές χημικές ενώσεις παράγονται από το βενζόλιο με την αντικατάσταση μιας ή περισσοτέρων ατόμων υδρογόνου από μία ή περισσότερες λειτουργικές ομάδες. Τέτοια παραδείγματα συμπεριλμβάνουν τη φαινόλη (PhOH), το τολουόλιο (PhMe) και την ανιλίνη(PhNH2). Συνδέοντας δυο βενζολικούς δακτυλίους παίρνουμε το διφαινύλιο (Ph2). Παραπέρα απώλεια ατόμων υδρογόνου δίνει «συμπυκνωμένους» αρωματικούς υδρογονάνθρακες, όπως το ναφθαλίνιο και το ανθρακένιο. Το όριο της διεργασίας συμπύκνωσης είναι ο γραφίτης, που είναι αλλομορφή του άνθρακα, δηλαδή χωρίς καθόλου υδρογόνο.

Σε ετεροκυκλικά παράγωγα του βενζολίου, άτομα άνθρακα του βενζολικού δακτυλίου αντικαθιστούνται από άτομα άλλων χημικών στοιχείων. Οι πιο σημαντικές από αυτές τις παραλλαγές περιέχουν άζωτο. Αντικαθιστώντας μια ομάδα CH του βενζολίου με ένα άτομο αζώτο, παίρνουμε την ένωση πυριδίνη (C5H5N). Παρ’ όλο που το βενζόλιο και η πυριδίνη είναι ενώσεις δομικά συγγενικές, το βενζόλιο δεν μπορεί να μετατραπεί σε πυριδίνη. Η αντικατάσταση και μιας δεύτερης ομάδα CH με άτομο αζώτου δίνει, ανάλογα με τη σχετική θέση του δεύτερου ατόμου αζώτου ως προς το πρώτο, τις ενώσεις πυριδαζίνηπυριμιδίνη και πυραζίνη, που όλες έχουν μοριακό τύπο C4H4N2.[50]

Παραγωγή

Για πολλά χρόνια το βενζόλιο παραγόταν από την λιθανθρακόπισσα με κλασματική απόσταξη.

Το βενζόλιο είναι φυσικό συστατικό του πετρελαίου, αλλά δεν μπορεί να διαχωριστεί με απλή κλασματική απόσταξη από αυτό γιατί δημιουργεί αζεοτροπικά μίγματα με αρκετούς άλλους υδρογονάνθρακες. Η ανάκτηση είναι πιο οικονομική αν το κλάσμα του πετρελαίου υποβληθεί πρώτα σε μία θερμική ή καταλυτική διεργασία η οποία αυξάνει τη συγκέντρωση του βενζολίου.

Τέσσερεις (4) χημικές διεργασίες συνεισφέρουν (πλέον) στη βιομηχανική παραγωγή βενζολίου:

  1. Η καταλυτκή αναμόρφωση της νάφθας.
  2. Η απομεθυλίωση του τολουολίου.
  3. Η δυσαναλοποίηση του τολουολίου.
  4. Πυρόλυση με ατμό.

Σύμφωνα με το ATSDR τοξικολογικό προφίλ για το βενζόλιο, μεταξύ 1978 και 1981 η καταλυτική αναμόρφωση νάφθας χρησιμοποιούνταν περίπου για το 44-55% της συνολικής παραγωγής βενζολίου στις ΗΠΑ.[51]

Καταλυτική αναμόρφωση της νάφθας

Στην καταλυτική αναμόρφωση της νάφθας, ένα μίγμα υδρογονανθράκων με θερμοκρασίες βρασμού 60–200°C, αναμειγνύεται με αέριο υδρογόνο και εκτίθεται σε διλειτουργικούς καταλύτες, όπως διχλωριούχο λευκόχρυσο (PtCl2) ή κάποιο χλωρίδιο του ρήνιου στους 500–525°C και υπό πίεση 8–50 atm. Κάτω από αυτές τις συνθήκες, οι αλειφατικοί υδρογονάνθρακες, σχηματίζουν δακτυλίους, για παράδειγμα το εξάνιο γίνεται κυκλοεξάνιο, και αφυδρογονώνονται, με αποτέλεσμα να γίνονται (τελικά) αρωματικοί υδρογονάνθρακες. Τα αρωματικά προϊόντα των παραπάνω αναφερόμενων αντιδράσεων διαχωρίζονται από το «αναμορφωμένο» μίγμα (δηλαδή το μίγμα που προκύπτει μετά την αναμόρφωση, reformate mix) με εκχύλιση, με οποιονδήποτε από έναν αριθμό διαλυτών, που συμπεριλαμβάνουν την 1,2-αιθανοδιόλη ή το σουλφολάνιο, και το βενζόλιο μετά διαχωρίζεται από τους υπόλοιπους αρωματικούς υδρογονάνθρακες με απόσταξη. Το στάδιο της εκχύλισης του αναμιορφωμένου σχεδιάστηκε για να παράγει αρωματικό μίγμα με τις ελάχιστες μη αρωματικές προσμείξεις. Η αναμόρφωση των αρωματικών, που συχνά αναφέρεται ως BTX [από τα ξενικά αρχικά των ενώσεων βενζόλιο (Benzene), τολουόλιο (Toluene) και ξυλόλιο (Xylene)], συμπεριλαμβάνει στάδια εκχύλισης και απόσταξης. Υπάρχουν πολλές καλές αδειοδοτημένες διεργασίες για την εκχύλιση των αρωματικών υδρογονανθράκων.

Παρόμοιες διεργασίες με την παραπάνω αναφερόμενη καταλυτική αναμόρφωση αποτελούν οι διεργασίες UOP και BP, που εμπορευματοποίησαν μια μέθοδο μετατροπής υγραερίων, κυρίως προπάνιο και βουτάνιο, σε αρωματικούς υδρογονάνθρακες, συμπεριλαμβανομένου του βενζολίου.

Υδροαπομεθυλίωση του τολουολίου

Η υδροαπομεθυλίωση του τολουολίου μετατρέπει τολουόλιο σε βενζόλιο. Σε αυτήν τη διεργασία, το τολουόλιο αναμιγνύεται με υδρογόνο, και μετά διέρχεται πάνω από καταλύτη οξειδίων χρωμίουμολυβδαινίου ή λευκοχρύσου. Ο αντιδραστήρας λειτουργεί σε θερμοκρασία 500-595 °C και πίεση 40-60 atm. Μερικές φορές προτιμώνται υψηλότερες θερμοκρασίες αντί για τη χρήση καταλυτών. Κάτω από τις παραπάνω αναφερόμενες συνθήκες, το τολουόλιο μετατρέπεται σε μίγμα βενζολίου και μεθανίου. Ο βαθμός μετατροπής φτάνει συνήθως το 90% και η εκλεκτικότητα σε βενζόλιο ξεπερνάει το 95%:

{\displaystyle \mathrm {PhCH_{3}+H_{2}{\xrightarrow[{Cr,Mo,Pt}]{500-595^{o}C,\;40-60\;bar}}PhH+CH_{4}\uparrow } }

Δυσαναλογοποίηση τολουολίου

Αντίδραση δύο μορίων τολουολίου για την παραγωγή ενός μορίου βενζολίου και ενός μορίου κάποιου από τα ισομερή ξυλένια. Κατά την διαδικασία αυτή το τολουόλιο θερμαίνεται στους 350-530 °C σε πίεση 10-50 bar, και εισάγεται σε αντιδραστήρα που περιέχει καταλύτη ευγενούς μετάλλου. Μετά την απομάκρυνση των αερίων, και με κλασματική απόσταξη παραλαμβάνεται υψηλής καθαρότητας βενζόλιο και ξυλόλιο. Ο βαθμός μετατροπής μπορεί να φτάσει και το 92% του θεωρητικού[52].

{\displaystyle \mathrm {2PhCH_{3}{\xrightarrow[{Pt}]{350-530^{o}C,\;10-50\;bar}}PhH+C_{6}H_{4}(CH_{3})_{2}} }

Τριμερισμός αιθινίου

Με καταλυτικό τριμερισμό αιθινίου παράγεται βενζόλιο[53]:

{\displaystyle \mathrm {3HC\equiv CH{\xrightarrow[{Fe}]{\triangle }}PhH} }

Μέθοδος Fitting

Από φαινυλαλογονίδιο (PhX), με τη μεθοδο Fittιng, παράγεται βενζόλιο[54]:

{\displaystyle \mathrm {PhX+2Na{\xrightarrow {-NaX}}PhNa{\xrightarrow {+HX}}PhH+NaX} }

Μέθοδος Grignard

Από φαινυλαλογονίδιο (PhX), με τη μεθοδο Grignard, παράγεται βενζόλιο[55]:

{\displaystyle \mathrm {PhX+Mg{\xrightarrow {|Et_{2}O|}}PhMgX{\xrightarrow {+HX}}PhH+MgX_{2}} }

Με αποκαρβοξυλίωση βενζοϊκού οξέος

Aπό βενζοϊκό οξύ, με αποκαρβοξυλίωση, παράγεται βενζόλιο[56]:

{\displaystyle \mathrm {PhCOOH+NaOH{\xrightarrow {}}PhCOONa+H_{2}O} }
{\displaystyle \mathrm {PhCOONa+H_{2}O{\xrightarrow {\triangle }}PhH+NaHCO_{3}} }

Με αποξυγόνωση φαινόλης

Από φαινόλη, με αποξυγόνωση, παράγεται βενζόλιο[57]:

{\displaystyle \mathrm {PhOH+Zn{\xrightarrow {}}PhH+ZnO} }