Benzen

Benzen Właściwości chemiczne,zastosowania,produkcja

Opis

Benzen jest bezbarwną, lotną, wysoce łatwopalną cieczą, która jest szeroko stosowana w przemyśle chemicznym i spotkała się z szerokim zainteresowaniem we wczesnych dniach chemii organicznej.
Benzen
Z powodu swojej struktury, benzen jest bardzo stabilnym związkiem organicznym. Nie ulega on łatwo reakcjom addycji. Reakcje addycji z udziałem benzenu wymagają wysokiej temperatury, ciśnienia i specjalnych katalizatorów. Najczęstsze reakcje zachodzące z udziałem benzenu to reakcje substytucji. Liczne atomy i grupy atomów mogą zastąpić atom wodoru lub kilka atomów wodoru w benzenie. Trzy ważne typy reakcji podstawienia z udziałem benzenu to alkilowanie, halogenowanie i nitrowanie. W alkilacji, grupa lub grupy alkilowe zastępują wodór(y).

Właściwości chemiczne

Benzen jest klarowną, lotną, bezbarwną, wysoce łatwopalną cieczą o przyjemnym, charakterystycznym zapachu. Jest to węglowodór aromatyczny, który wrze w temperaturze 80,1 DC. Benzen jest stosowany jako rozpuszczalnik w wielu dziedzinach przemysłu, takich jak produkcja gumy i obuwia, a także w produkcji innych ważnych substancji, takich jak styren, fenol i cykloheksan. Jest niezbędny w produkcji detergentów, pestycydów, rozpuszczalników i zmywaczy do farb. Jest obecny w paliwach takich jak benzyna do poziomu 5%.

Właściwości fizyczne

Klarowna, bezbarwna do jasnożółtej, wodnista ciecz o zapachu aromatycznym, stęchłym, przypominającym fenole lub benzynę. W temperaturze 40 °C Young et al.(1996) określił stężenie progowe zapachu 190 μg/L w powietrzu. Próg zapachu 4,68 ppmv został określony przez Leonardos et al. (1969). Punter (1983) podał stężenie progowe detekcji zapachu wynoszące 108 mg/m3 (34 ppmv). Średnie najmniej wykrywalne stężenia progowe zapachu w wodzie o temperaturze 60 °C i w powietrzu o temperaturze 40 °C wynosiły odpowiednio 0,072 i 0,5 mg/l (Alexander i in., 1982). Benzen może również powstawać w niektórych napojach z mango i żurawiny przy braku dodanych środków konserwujących, ponieważ owoce te zawierają naturalne benzoesany.

Historia

Benzen został odkryty w 1825 r. przez Michaela Faradaya (1791-1867), który zidentyfikował go w ciekłej pozostałości po podgrzanym oleju wielorybim. Faraday nazwał związek dwuchromianem wodoru, a jego nazwa została później zmieniona na benzen przez Eilhardta Mitscherlicha (1794-1863), który wyizolował związek z benzoiny (C14H12O2).

Zastosowanie

Benzen jest również przekształcany do cykloheksanu, który jest używany do produkcji nylonu i włókien syntetycznych.

Użycia

Benzen występuje w produktach destylacji węgla i smoły węglowej oraz w produktach ropopochodnych, takich jak benzyna. Znajduje się również w gazach i odciekach ze składowisk odpadów przemysłowych, gruzu budowlanego i odpadów z pielęgnacji krajobrazu (Oak Ridge National Laboratory 1989). Śladowe ilości benzenu, toluenu, ksylenów i innych lotnych związków organicznych znaleziono w glebach i wodach gruntowych w pobliżu wielu składowisk odpadów sanitarnych (U.S. EPA 1989a,b). Kramer (1989) ocenił poziom narażenia na benzen podczas usuwania, czyszczenia, przepompowywania i testowania podziemnych zbiorników na benzynę. Średnie narażenie ludzi wynosiło 0,43-3,84 ppm (w ciągu 1,5-6 godzin), a najwyższe krótkotrwałe (15-minutowe) narażenie wynosiło 9,14 ppm. Benzen występuje również w dymie tytoniowym (Hoffmann et al. 1989); w związku z tym ryzyko narażenia na jego działanie może wzrosnąć w wyniku wdychania takiego dymu.
Benzen jest stosowany jako rozpuszczalnik wosków, żywic i olejów; jako zmywacz do farb; jako rozcieńczalnik lakierów; w produkcji barwników, farmaceutyków, lakierów i linoleum; oraz jako surowiec do produkcji wielu związków organicznych. Wytwarzanie etylobenzenu (jako styrenonomer), dodecylobenzenu (do detergentów), cykloheksanu (do nylonu), fenolu, nitrobenzenu (do anilin), bezwodnika maleinowego, chlorobenzenu, difenylu, sześciochlorku benzenu, kwasu benzenosulfonowego oraz jako rozpuszczalnika. Definicja ChEBI: Sześciowęglowy aromatyczny annulen, w którym każdy atom węgla oddaje jeden ze swoich dwóch elektronów 2p do zdelokalizowanego układu pi. Toksyczna, łatwopalna ciecz będąca produktem ubocznym destylacji węgla, stosowana jako rozpuszczalnik przemysłowy. Benzen jest substancją rakotwórczą, która uszkadza również szpik kostny i centralny układ nerwowy.

Metody produkcji

Obecnie benzen, który jest naturalnym składnikiem ropy naftowej, jest otrzymywany z ropy naftowej w kilku procesach. Hydrodealkilacja toluenu polega na mieszaniu toluenu (C6H5CH3) z wodorem w obecności katalizatorów, w temperaturze około 500°C i pod ciśnieniem około 50 atmosfer, w wyniku czego powstaje benzen i metan: C6H5CH3 + H2 → C6H6 + CH4. Hydrodealkilacja usuwa grupę metylową z toluenu w celu otrzymania benzenu. Dysproporcjonowanie toluenu polega na łączeniu toluenu w taki sposób, że grupy metylowe łączą się z jednym pierścieniem aromatycznym, dając benzen i ksylen. Benzen można również otrzymać z reformingu ropy naftowej, w którym temperatura, ciśnienie i katalizatory służą do przekształcenia składników ropy naftowej w benzen, który można następnie ekstrahować za pomocą rozpuszczalników i procesów destylacji. Innym źródłem benzenu jest benzyna z pirolizy lub gaz pirolityczny.

Reakcje

Benzen reaguje (1) z chlorem, tworząc (a) produkty podstawienia (połowa chloru tworzy chlorowodór), takie jak chlorobenzen, C6H5Cl; dichlorobenzen, C6H4Cl2(1,4) i (1,2); trichlorobenzen, C6H3Cl3(1,2,4); tetrachlorobenzen (1,2,3,5); oraz b) produkty addycji, takie jak dichlorek benzenu C6H6Cl2; tetrachlorek benzenu, C6H6Cl4; i heksachlorek benzenu, C6H6Cl6. Powstawaniu produktów podstawienia jądra benzenu, zarówno w benzenie, jak i w jego homologach, sprzyja obecność katalizatora, np, jodu, fosforu, żelaza; (2) ze stężonym HNO3, tworząc nitrobenzen, C6H5NO2; 1,3-dinitrobenzen, C6H4(NO2)2 (1,3), 1,3,5-trinitrobenzen, C6H3(NO2)3 (1,3,5); (3) ze stężonym H2SO4, tworząc kwas benzenosulfonowy, C6H5SO3H, kwas disulfonowy benzenu, C6H4(SO3H)2(1,3), kwas trisulfonowy benzenu, C6H3(SO3H)3 (1,3-5); (4) z chlorkiem metylu plus bezwodny chlorek glinu (reakcja Friedela-Craftsa) tworząc toluen, benzen monometylowy, C6H5CH3; benzen dimetylowy C6H4(CH3)2; benzen trimetylowy, C6H3(CH3)3; (5) z chlorkiem acetylu plus bezwodny chlorek glinu (reakcja Friedela-Craftsa) tworząc acetofenon (keton metylofenylowy), C6H5COCH3. Klarowna, bezbarwna ciecz o zapachu zbliżonym do zapachu ropy naftowej. Temperatura zapłonu mniejsza niż 0°F. Mniej gęsta od wody i słabo rozpuszczalna w wodzie. Stąd unosi się na wodzie. Pary są cięższe od powietrza.

powietrze & woda Reakcje

Wysoce łatwopalny. Słabo rozpuszczalny w wodzie.

Profil reaktywności

Benzen reaguje energicznie z chlorkiem allilu lub innymi halogenkami alkilowymi nawet w temperaturze minus 70°C w obecności dichlorku etyloaluminiowego lub seskwiichlorku etyloaluminiowego. Zgłaszano przypadki eksplozji. Zapala się w kontakcie ze sproszkowanym bezwodnikiem chromowym . Niekompatybilny z utleniaczami takimi jak kwas azotowy. Mieszaniny z trifluorkiem bromu, pentafluorkiem bromu, pentafluorkiem jodu, heptafluorkiem jodu i innymi interhalogenami mogą zapalić się po podgrzaniu. Halogenki benzenu i cyjanogenu dają HCl jako produkt uboczny (Hagedorn, F. H. Gelbke, i Republika Federalna Niemiec. 2002. Nitryle. W Ullman Encyklopedia Chemii Przemysłowej. Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA.). W reakcji benzenu z trichloroacetonitrylem wydzielają się toksyczne gazy chloroform i HCl. (Hagedorn, F., H.-P. Gelbke, oraz Republika Federalna Niemiec. 2002. Nitryle. W Ullman Encyclopedia of Industrial Chemistry. Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA.).

Zagrożenia

Toksyczność ostra benzenu jest niska. Wdychanie benzenu może powodować zawroty głowy, euforię, zawroty głowy, ból głowy, mdłości, senność i osłabienie. Benzen może powodować umiarkowane podrażnienie skóry i poważne podrażnienie oczu i błon śluzowych. Benzen łatwo przenika przez skórę i wywołuje takie same efekty toksyczne jak wdychanie lub spożycie. Toksyczność przewlekła benzenu jest znaczna. Narażenie na benzen wpływa na krew i narządy krwiotwórcze, takie jak szpik kostny, powodując nieodwracalne uszkodzenia; mogą wystąpić zaburzenia krwi, w tym anemia i białaczka. Objawy przewlekłego narażenia na benzen mogą obejmować zmęczenie, nerwowość, drażliwość, niewyraźne widzenie i utrudnione oddychanie. Benzen jest regulowany przez OSHA jako czynnik rakotwórczy (norma 1910.1028) i jest wymieniony w grupie 1 IARC („rakotwórczy dla ludzi”). Substancja ta jest sklasyfikowana jako „wybrany czynnik rakotwórczy” zgodnie z kryteriami normy laboratoryjnej OSHA.

Zagrożenie dla zdrowia

Benzen jest zarówno ostrą, jak i przewlekłą substancją toksyczną. Ostre efekty toksyczne przy wdychaniu, spożyciu i kontakcie ze skórą są umiarkowane. Objawy u ludzi to halucynacje, zaburzona percepcja, euforia, senność, nudności, wymioty i ból głowy. Wdychanie benzenu w powietrzu w stężeniu 200 ppm może wywołać u ludzi skutki sarkoidalne. Wysokie stężenia mogą powodować drgawki. 5-10 minutowa ekspozycja na 2% benzen w powietrzu może być śmiertelna. Śmierć może nastąpić w wyniku niewydolności oddechowej.
Benzen jest substancją drażniącą dla oczu, nosa i dróg oddechowych. Przewlekłe zatrucie benzenem jest znacznie poważniejsze niż jego toksyczność ostra. Narządy docelowe do ostrego i przewlekłego zatrucia są krew, strzałka kości, centralny układ nerwowy, respiratorysystem, oczy i skóra. Ciężkie narażenia zawodowe na benzen mogą powodować depresję szpiku kostnego i anemię, a w rzadkich przypadkach białaczkę. Białaczka może rozwinąć się kilka lat po ustaniu narażenia. Udokumentowano zgony spowodowane białaczką, przypisywane narażeniu zawodowemu na benzen w miejscu pracy, które może być rzędu stężenia 200 ppm (ACGIH 1986). Benzen znajduje się na liście czynników rakotwórczych podejrzewanych u ludzi. Oprócz białaczki, chłoniaka złośliwego i szpiczaka, odnotowano również raka płuc u osób narażonych na działanie benzenu (Aksoy 1989). Główną drogą eliminacji benzenu wchłoniętego drogą inhalacyjną lub przez kontakt ze skórą jest metabolizm.Rodniki hydroksylowe odgrywają ważną rolę w procesie metabolizmu. Khan i współpracownicy (1990) odnotowali powstawanie formaldehydu i degradację deoksyrybozy, sugerując generowanie rodników hydroksylowych podczas toksycznego działania benzenu na frakcję S-9 szpiku kostnego. Rodniki hydroksylowe wchodzą w reakcje z benzenem tworząc fenole i dihydroksyfenole, które są szybko wydalane z moczem. Około jedna trzecia zatrzymanego benzenu jest wydalana z moczem w postaci fenoli. Pozostałe dwie trzecie mogą być dalej degradowane i przyłączane do tkanek lub utleniane i wydychane jako CO2.
Kalf i współpracownicy (1989) badali działanie syntazy prostaglandyny H w toksyczności benzenu i zapobieganie wywołanej przez benzen mielotoksyczności i genotoksyczności przez niesteroidowe leki przeciwzapalne (NSAIDs). Indometacyna, inhibitor syntazy prostaglandyny H, zapobiegała zależnej od dawki depresji szpiku kostnego i wzrostowi poziomu prostaglandyny E w szpiku u myszy, którym dożylnie podawano benzen. Indometacyna, aspiryna lub meklofenamat zapobiegały zmniejszeniu komórkowości i zwiększeniu liczby mikrojądrowych erytrocytów polichromatycznych we krwi obwodowej, spowodowanym dożylnym podaniem benzenu (100-1000 mg/kg) myszom. Reaktywność chemiczna Reaktywność z wodą Brak reakcji; Reaktywność z materiałami powszechnego użytku: Brak reakcji; Stabilność podczas transportu: Stabilny; Środki neutralizujące dla kwasów i substancji żrących: Nie dotyczy; Polimeryzacja: Nie dotyczy; Inhibitor polimeryzacji: Nie dotyczy.

Zastosowania przemysłowe

Benzen (C6H6, nr CAS 71-43-2) jest aromatycznym związkiem węglowodorowym szeroko stosowanym w przemyśle chemicznym jako półprodukt w produkcji polimerów i innych produktów. Jest on również powszechnym zanieczyszczeniem atmosfery i jest obecny w spalinach samochodowych i dymie papierosowym.
W 1990 r. przemysł napojów bezalkoholowych w USA odkrył, że benzen może być produkowany na niskim poziomie w niektórych napojach bezalkoholowych zawierających środek konserwujący benzoesan i kwas askorbinowy. Ponieważ benzen jest znanym czynnikiem rakotwórczym u ludzi, jego obecność w żywności i napojach jest zdecydowanie niepożądana. Potwierdzony czynnik rakotwórczy u ludzi, powodujący białaczkę szpikową, chorobę Hodgkina i chłoniaki przy wdychaniu. Eksperymentalne dane kancerogenne, neoplastogenne i tumorigenne. Trucizna dla ludzi w postaci inhalacji. Trucizna doświadczalna w kontakcie ze skórą, dootrzewnowo, dożylnie i ewentualnie innymi drogami. Umiarkowanie toksyczny przy spożyciu i drogą podskórną. Silne podrażnienie oczu i umiarkowane podrażnienie sktn. Ogólnoustrojowe działanie na człowieka drogą oddechową i pokarmową: zmiany w obrazie krwi, podwyższona temperatura ciała. Eksperymentalne działanie teratogenne i wpływ na rozrodczość. Zgłoszone dane dotyczące mutacji u ludzi. Środek odurzający. W przemyśle główną drogą przewlekłego zatrucia benzenem jest inhalacja. Zgłaszano przypadki zatrucia przez kontakt ze skórą. Ostatnie badania (1 987) wskazują, że efekty są widoczne przy stężeniu poniżej 1 ppm. Ekspozycje musiały być zredukowane do 0,1 ppm zanim nie zaobserwowano żadnych efektów toksycznych. Eliminacja następuje głównie przez płuca. Benzen jest stosowany jako składnik paliw silnikowych; jako rozpuszczalnik tłuszczów; tuszów, olejów, farb, tworzyw sztucznych i gumy, w ekstrakcji olejów z nasion i orzechów; w druku fotograwiurowym. Jest on również stosowany jako półprodukt chemiczny. Poprzez alkilację, chlorowanie, nitrowanie i sulfonowanie otrzymuje się substancje chemiczne, takie jak styren, fenole i bezwodnik maleficzny. Benzen jest również używany do produkcji detergentów, materiałów wybuchowych, środków farmaceutycznych, do produkcji cykloheksanu i etylobenzenu oraz barwników. Zwiększona troska o benzen jako znaczące zanieczyszczenie środowiska wynika z narażenia społeczeństwa na obecność benzenu w benzynie oraz zwiększonej zawartości w benzynie w związku z wymaganiami dotyczącymi paliw bezołowiowych dla samochodów wyposażonych w katalityczne konwertery spalin.

Karcynogenność

Wiadomo, że benzen jest substancją rakotwórczą dla ludzi na podstawie wystarczających dowodów rakotwórczości pochodzących z badań na ludziach.

Postać w środowisku

Benzen jest uwalniany do powietrza głównie przez odparowanie i spalanie związane z jego użyciem w benzynie. Innym źródłem są opary pochodzące z jego produkcji i stosowania w produkcji innych chemikaliów. Ponadto, benzen może znajdować się w ściekach przemysłowych odprowadzanych do wody oraz w przypadkowych uwolnieniach z produkcji, rafinacji i dystrybucji gazu i ropy naftowej. Benzen uwolniony do gleby albo bardzo szybko wyparuje, albo przedostanie się do wód gruntowych. Może być biodegradowany przez mikroorganizmy żyjące w glebie i wodach gruntowych. Benzen uwolniony do wód powierzchniowych powinien w większości odparować w ciągu kilku godzin do kilku dni, w zależności od ilości, temperatury, turbulencji wody itp. Chociaż benzen nie ulega rozkładowi na drodze hydrolizy, może być biodegradowany przez mikroorganizmy. Wysyłka UN1114 Benzen, Klasa zagrożenia: 3; Oznakowania: 3 – ciecz łatwopalna

Metody oczyszczania

Do większości celów, *benzen może być wystarczająco oczyszczony przez wytrząsanie z stężonym H2SO4 aż do uwolnienia od tiofenu, następnie z H2O, rozcieńczonym NaOH i wodą, po czym następuje suszenie (z P2O5, sodem, LiAlH4, CaH2, 4X sitem molekularnym Linde, lub CaSO4, lub przez przejście przez kolumnę żelu krzemionkowego, a do wstępnego suszenia odpowiedni jest CaCl2) i destylacja. Kolejnym etapem oczyszczania w celu usunięcia tiofenu, kwasu octowego i kwasu propionowego jest krystalizacja przez częściowe zamrożenie. Zanieczyszczenia w suchym, wolnym od tiofenu *benzenie to zwykle węglowodory niebenzenowe, takie jak cykloheksan, metylocykloheksan i heptany, a także węglowodory naftenowe i śladowe ilości toluenu. Zanieczyszczenia zawierające karbonyl można usunąć przez przesączanie przez kolumnę celitową nasączoną 2,4-dinitrofenylohydrazyną, kwasem fosforowym i H2O. (Przygotowany przez rozpuszczenie 0,5g DNPH w 6mL 85% H3PO4 przez zmielenie razem, następnie dodanie i zmieszanie 4mL destylowanej H2O i 10g Celitu). *Benzen uwalnia się od tiofenu przez skraplanie z 10% (w/v) niklu Raneya przez 15 minut, po czym usuwa się nikiel przez filtrację lub odwirowanie. Suchy *benzen otrzymuje się przez podwójną destylację *benzenu o wysokiej czystości z roztworu zawierającego niebieski ketyl utworzony w wyniku reakcji stopu sodowo-potasowego z niewielką ilością benzofenonu. Tiofen usunięto z *benzenu (brak niebiesko-zielonego zabarwienia przy wytrząsaniu 3ml *benzenu z roztworem 10mg izatyny w 10ml stężonego H2SO4) przez wielogodzinne skraplanie *benzenu (1,25L) z 40g HgO (świeżo wytrąconego) rozpuszczonego w 40ml lodowatego kwasu octowego i 300ml wody. Osad odfiltrowuje się, usuwa się fazę wodną, a *benzen przemywa się dwukrotnie H2O, suszy i destyluje. Alternatywnie, *benzen suszony za pomocą CaCl2 wytrząsano energicznie przez 0,5 godziny z bezwodnym AlCl3 (12g/L) w temperaturze 25-35o , następnie dekantowano, przemywano 10% NaOH i wodą, suszono i destylowano. Proces powtarza się, otrzymując wolny od tiofenu *benzen. Po wytrząsaniu kolejno przez około godzinę z stężonym H2SO4, wodą destylowaną (dwukrotnie), 6M NaOH i wodą destylowaną (dwukrotnie), *benzen jest destylowany przez szklaną kolumnę o średnicy 3 stóp w celu usunięcia większości wody. Dodaje się bezwodny EtOH i destyluje się azeotrop benzenowo-alkoholowy. (Ta destylacja w niskiej temperaturze wrzenia pozostawia wszelkie zanieczyszczenia nie tworzące azeotropu). Środkowa frakcja jest wytrząsana z wodą destylowaną w celu usunięcia EtOH, i ponownie redestylowana. Końcowa powolna i bardzo ostrożna destylacja frakcyjna z sodu, a następnie LiAlH4 pod N2, usunęła śladowe ilości wody i nadtlenków. *Ciecz i pary benzenu są bardzo TOKSYCZNE i SILNIE PŁOMIENNE, dlatego wszystkie operacje należy przeprowadzać w sprawnie działającym dygestorium i przy braku otwartego ognia w pobliżu. Szybkie oczyszczanie: Do suszenia benzenu można użyć tlenku glinu, CaH2 lub sit molekularnych 4A (3% w/v) (suszyć przez 6 godzin). Następnie benzen jest destylowany, odrzucając pierwsze 5% destylatu, i przechowywany na sitach molekularnych (3A, 4A) lub drucie Na.

Niezgodności

Niezgodny z utleniaczami (chlorany, azotany, nadtlenki, nadmanganiany, nadchlorany, chlor, brom, fluor, itp.); kontakt może spowodować pożar lub eksplozję. Przechowywać z dala od materiałów alkalicznych, silnych zasad, silnych kwasów, kwasów tlenowych, epoksydów, wielu fluorków i nadchloranów, kwasu azotowego. Regulacje Obecne ustawodawstwo USA i UE nie określa maksymalnych limitów dla benzenu w napojach bezalkoholowych. Jednakże FDA przyjęła maksymalny poziom zanieczyszczeń (MCL) Agencji Ochrony Środowiska (EPA) dla wody pitnej w wysokości 5 ppb jako normę jakości dla wody butelkowanej. ThisMCL has been used to evaluate the significance of benzene contamination in the soft drinks tested in surveys. FSA wykorzystała poziom wytyczny Światowej Organizacji Zdrowia (WHO) dla benzenu w wodzie wynoszący 10 mg kg-1 jako punkt odniesienia dla własnych wyników badań.

Leave a Reply