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苯的分子结构


实验室k / 2019-05-09

       苯是芳烃中用途最广和结构最简单的一个化合物,并且绝大部分的芳烃中都含有苯环结构,所以苯是芳烃中最突出的典型代表物。我们要很好地了解芳烃,就必须了解苯的结构,否则,就不可能清楚地揭示芳烃的本质。

       根据近代物理方法如光谱法、电子衍射法、X-射线法等对苯进行研究的结果表明:苯分子是一个平面等边六角形结构,各个键角为120°,六角环上碳-碳原子之间的键长都是1.40Å,即它既不同于ー般的单键(C-C键键长为1.54Å)、也不同于一般的双键(C=C键键长为1.33Å),而是一种介于单键和双键之间的独特的键。

       按照轨道杂化理论:苯分子中六个碳原子都以sp2杂化轨道相互重迭形成六个C-Cσ键,又各以一个sp2杂化轨道分别与氢原子的1s轨道重迭形成六个C-Hσ键。由于sp2杂化,所以键角为120°,并且所有的原子都在同一个平面上(图1-23)。环的每个碳原子上还有一个未参与杂化的2pz轨道,其轨道中的p电子云垂直于环的平面,并且在侧面相互重迭(图1-24),形成一个闭合的大π键,均匀对称地分布在整个环上,如图1-25所示。大π键的形成,使π电子云不再为某两个碳原子所有,而是为六个碳原子所共有,这样,π电子云被完全平均化了,所以苯分子中六个C-C键的键长都是等同的。此外,还由于π电子云在整个苯环上运动,受到六个碳原子核的共同吸引,电子云产生较大的收缩,结果就使彼此结合得较牢,整个体系的能量也最小,所以苯环比一般的不饱和化合物稳定,即不易发生加成反应和氧化反应,面易发生取代反应,这就是苯的特性。这种特性叫做芳香性。苯的大π键结构很好地解释了苯的芳香性。



       然而,“人类认识的历史告诉我们,许多理论的真理性是不完全的,经过实践的检验而纠正了它们的不完全性。许多理论是错误的,经过实践的检验而纠正其错误。”轨道杂化理论虽然很好地解释了苯的芳香性,但至今尚有许多其他问题还不能圆满地加以解释,用它来能动地改造客观世界,差距就更大,因此关于苯分子的真实结构尚有待在实践中进一步的发展与完善。对待有机化学中有关分子结构所作的理论解释,我们都应采取这种态度。

       在表示苯的结构时,为了简便起见,通常仍用满足碳四价的单、双键表示法:,但决不能错误地认为苯就是由交替的单、双键组成的环状结构。在有些书中,亦有在六角环中画个圆圈以表示苯的结构的。

       关于苯的结构问题,长期来一直存在着争论,在这场争论中,始终存在着两种世界观的斗争,一些资产阶级学者总是企图以形而上学的观点来解释它,三十年代初期出现的“共振论”就是一例。

       共振论者认为苯分子在基态时存在着下列五种不同的结构,而它的真实结构是“共振”于这些结构之间,并用双箭头↔表示共振,将这五种共振结构连接起来以表示苯分子:


       我们知道,任何一种化合物的分子,在基态时都有其特定的结构,而且是完全可以认识的。共振论者却人为地虚构出苯分子的多种结构,显然,这样的思想方法和表示方法,非但不能反映苯分子内部的本质,反而使客观存在的苯分子变得不可思议,其结果就必然使人们对分子结构陷入不可知论的泥坑。

       共振论者自己也承认这个“理论”存在着“主观随意性”,是“人为的概念”,但可以“便利”化学问题的讨论。这就清楚地看出,共振论者是以方便与否作为衡量科学的标准,完全暴露出共振论者的思想是唯心主义的和实用主义的。

       共振论的出现和流传,对有机化学这门科学的发展起了阻碍作用,它除了把有机物分子结构的研究引向不可知论的岐途外,还使人们满足于牵强附会地解释某些现象,从而放弃探求分子的真实结构。这充分说明了自然科学只有在辩证唯物主义思想指导下才有无限发展的前途。


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