Aromatické uhlovodíky (areny) a výroba polystyrenu

Aromatické uhlovodíky, známé také jako areny, jsou skupinou cyklických organických sloučenin, které se vyznačují specifickým uspořádáním elektronů v rámci aromatického jádra. Tento delokalizovaný systém π elektronů, zjednodušeně řečeno, znamená, že elektrony, které by za normálních okolností tvořily část dvojné vazby na určitém místě, jsou rovnoměrně rozprostřeny v kruhu. Tato delokalizace je příčinou specifických chemických vlastností aromatických sloučenin, které se liší od nenasycených sloučenin.

Charakteristika a struktura arenů

Areny jsou cyklické sloučeniny s benzenovými jádry, kde se formálně střídají jednoduché a dvojné vazby. Ve skutečnosti dochází v rovinných molekulách arenů k delokalizaci p-elektronů z těchto vazeb a vytvoření p-elektronového sextetu (v případě šestičetného kruhu). Elektronová hustota je rovnoměrně rozmístěna v prstenci nad a pod rovinou, tvořenou cyklem uhlíkových atomů. Delokalizací elektronů vzniká molekula, která je energeticky chudší než molekula s konjugovaným systémem vazeb, je tedy i stabilnější. Popsaný energetický rozdíl se nazývá delokalizační energie. Vzorec benzenu může být zapisován dvěma způsoby - obvykle jako šestiúhelník uhlíkových atomů se třemi dvojnými vazbami v konjugovaných polohách - tzv. Kekuleho vzorec, který ovšem nevyjadřuje skutečnou strukturu molekuly.

Pro označování substituentů na benzenovém kruhu používáme speciální názvosloví: ortho (o-) pro polohy 1,2, meta (m-) pro 1,3 a para (p-) pro polohy 1,4. Alkylbenzeny jako toluen nebo xyleny vznikají připojením alkylových skupin na benzen.

Výskyt a fyzikální vlastnosti arenů

Aromatické uhlovodíky najdeš hlavně v ropě a černouhelném dehtu, kde vznikají karbonizací uhlí. Fyzikálně jsou to kapaliny nebo pevné látky s charakteristickým zápachem. Areny jsou látky nepolární, jsou tedy nerozpustné ve vodě, ale skvěle se rozpouští v organických rozpouštědlech. Naopak, často jsou samy výbornými nepolárními rozpouštědly.

Příklady arenů a jejich vlastnosti:

• Benzen: Bezbarvá těkavá kapalina s charakteristickým zápachem. Je jedovatý a ovlivňuje krvetvorbu, proto se už nepoužívá jako rozpouštědlo. Je surovinou pro výrobu mnoha organických látek.
• Toluen: Aromatické jádro s navázanou methylovou skupinou, poněkud méně toxický než benzen. Používá se jako rozpouštědlo a často nahrazuje benzen.
• Xyleny: Existují ve třech izomerech (ortho, meta, para). Jejich směs se nazývá xylol a používá se jako rozpouštědlo. o-xylen se používá k výrobě ftalanhydridu, p-xylen k výrobě kyseliny tereftalové.
• Naftalen: Bílá krystalická látka, která sublimuje (přechází přímo z pevné na plynnou fázi). Tradiční "kulička proti molům". Je surovinou pro výrobu důležitých organických sloučenin.
• Anthracen: Má 14 π elektronů a používá se v barvářství.

Homologická řada arenů obecného vzorce C_nH_2n-6 zahrnuje areny odvozené od benzenu, jako jsou toluen, ethylbenzen, xyleny, atd., které splňují daný vzorec.

Čtěte také: Proč jsou dřevěné hračky stále oblíbené?

Chemické vlastnosti a reakce arenů

Chemicky jsou areny výjimečné tím, že podléhají elektrofilní substituci místo adice. Mechanismus elektrofilní substituce zahrnuje přitahování elektrofilní částice E⁺ k p-elektronům aromatického kruhu molekuly arenu, čímž vzniká tzv. π-komplex. Elektrofilní částice se orientuje na konkrétní uhlíkový atom cyklu, vzniká zde vazba a dočasně zaniká aromatický charakter molekuly, vzniká tzv. σ-komplex.

Důležité reakce arenů:

• Halogenace: Probíhá za přítomnosti katalyzátorů jako FeCl₃ nebo FeBr₃. Příklad: Benzen + Cl₂ → chlorbenzen + HCl.
• Nitrace: Používá nitrační směs HNO₃ + H₂SO₄, která vytvoří nitronium kation NO₂⁺.
• Sulfonace: S koncentrovanou H₂SO₄ dává benzensulfonovou kyselinu.

Substituenty na benzenu ovlivňují další reakce. Substituenty I. třídy (např. -CH₃, -NH₂, -OH) dirigují do ortho a para poloh. Substituenty II. třídy se vyznačují -M nebo -I efektem (na vázaném atomu je nízká elektronová hustota). Tyto reakce, kdy se areny chovají jako nenasycené uhlovodíky, jsou velmi řídké a lze je vyvolat např. působením UV záření.

Kromě substituce mohou areny za specifických podmínek podléhat i adičním reakcím. Sem patří například hydrogenace (na Raneyově niklu), při níž vznikají cykloalkany, nebo adice halogenů (chloru, bromu) za působení UV záření. Oxidační reakce jsou důležité pro výrobu anhydridů. Areny jsou stálé vůči oxidaci slabými oxidačními činidly. Při drsnější oxidaci benzenu, například kyslíkem při 500 °C a přítomnosti V₂O₅, vzniká maleinanhydrid.

Polycyklické aromatické uhlovodíky (PAU)

Polycyklické aromatické uhlovodíky (PAU) jsou skupinou více než sta látek tvořených pouze uhlíkem a vodíkem ve formě benzenových jader (molekula PAU musí obsahovat více než 2 jádra). PAU jsou jedny z nejběžnějších polutantů. Vznikají při silném ohřevu a při spalování organických sloučenin za omezeného přístupu kyslíku při teplotách 500 až 900 °C. Mezi přirozené zdroje PAU v prostředí řadíme především vulkanickou činnost a požáry. PAU se cíleně nevyrábí, jsou však součástí řady průmyslových produktů jako je nafta nebo asfalt.

Zdroje a rizika PAU

Hlavním původem PAU je především spalování fosilních paliv. Do prostředí se dostávají zejména při výrobě energie, spalování odpadů, ze silniční dopravy, při krakování ropy, při výrobě hliníku, z metalurgických procesů, při výrobě koksu, asfaltu, při výrobě cementu, z rafinerií, krematorií, z požárů a v neposlední řadě při kouření. Ve všech případech, kdy pozorujeme vznik sazí a tmavého kouře, vznikají velká množství PAU.

Čtěte také: Návod na výrobu dřevěné kozy pro řezání palivového dřeva

Některé PAU mají vysoký bioakumulační potenciál. Člověk může být PAU vystaven vdechnutím, pozřením i kožním kontaktem. Při expozici dochází k podráždění kůže a očí. PAU poškozují ledvinovou a jaterní tkáň. Řada PAU je řazena mezi lidské karcinogeny (rakovina plic, trávicího traktu nebo kůže). Karcinogenita PAU stoupá se vzrůstajícím počtem jader, až dosáhne maxima pro uhlovodíky s pěti kondenzovanými benzenovými jádry, pak opět klesá. Nejobvyklejším zástupcem těchto chemických kontaminantů je benzo[a]pyren, kterému je věnováno nejvíce pozornosti, i když některé další PAU vykazují ještě větší karcinogenní účinky. Benzo[a]pyren je spolu s ostatními PAU přítomen v kouři ze spalování uhlí, dřeva, ve výfukových plynech a v cigaretovém kouři.

V atmosféře mohou existovat v plynné i v pevné fázi. Poločas rozpadu plynných PAU je zpravidla kratší než jeden den. Navázané na pevné částice klesají PAU zpět na zem. V půdě je většina PAU jen málo pohyblivých, u některých PAU převládá zpětný odpar do ovzduší. Ve vodě dochází k postupné vazbě na sedimenty.

Největším zdrojem PAU pro člověka (nekuřáka) jsou potraviny (denní příjem v evropských zemích se pohybuje mezi 14 až 270 ng/osobu). PAU se vytvářejí a ukládají v/na potravinách při jejich výrobě nebo přípravě, např. při přímém sušení spalinami, při pečení, smažení, grilování. Při grilování na otevřeném, kouřícím ohni, ale také na dřevěném uhlí vznikají PAU spalováním odkapávajícího tuku. Látky, které jsou neseny kouřem se srážejí a ulpívají na povrchu grilované potraviny. Při tradičním uzení je obsah PAU v potravinách vyšší než při aplikaci tekutého kouře nebo kouřových aromatizačních přípravků. Pro složení kouře je rozhodující druh a vlhkost dřeva a jeho teplota, způsob spalování (množství kyslíku, přívod tepla, průběh teplot při vyvíjení kouře).

Legislativní limity a doporučení

Obsah PAU v potravinách je v různých zemích omezován limitními hodnotami buď pro PAU (celkem) nebo pro benzo[a]pyren. Tyto hodnoty se pro různé potraviny pohybují mezi 0,5 až 30 µg/kg. Pro použití kouřových kondenzátů a derivátů z nich platí v EU nařízení 2065/2003/ES, podle kterého smí být v udících aromatizačních přípravcích nejvýše 10 µg benzo[a]pyrenu/kg a dále je stanoven limit pro benz[a]anthracen (20 µg/kg).

Doporučuje se omezit kouření, grilování, konzumaci uzených potravin a potravin sušených přímo spalinami.

Čtěte také: Krok za krokem: Dřevěné srdce

Výroba polystyrenu

Polystyren je velmi rozšířeným plastem. Jedná se o pevný, tvrdý a v organických rozpouštědlech rozpustný plast. Dobře tepelně a zvukově izoluje a dobře se barví. Z polystyrenu se zhotovují kuchyňské potřeby - jako jsou misky a struhadla, hračky, atd. Polystyren se vyrábí polymerací styrenu. Jedná se o termoplast, což znamená, že při zvýšení teploty nezachovává svůj původní tvar. Podle potřeby se dá vyrobit ve formě prášku, pěny nebo perličkového materiálu. Výrobky jsou odolné proti nárazu, mají průhlednou barvu, dají se lepit a leštit.

Princip výroby polystyrenu:

1. Předpěnění: V základním polymeru se působením přehřáté vodní páry v předpěňovacím zařízení iniciuje napěnění nadouvadla, které způsobí zvětšení objemu kuliček základního polymeru o 20 až 50 % oproti jejich původnímu objemu.
2. Zrání: Kuličky z předpěňovače se přemístí do zrajících zásobníků vyrobených z perforované tkaniny. V zásobnících se struktura kuliček stabilizuje a zpevňuje. Doba zrání závisí na množství sypké hmoty a druhu zpracovávané suroviny.
3. Výroba bloků: Pomocí pneumatické dopravy se perle dopravují do blokové formy, kde se působením páry a tlaku po určitou dobu „svařují“ do tvaru formy - bloku. Po vyjmutí z formy musí být blok stabilizován v závislosti na objemové hmotnosti.

tags: #aromatický #uhlovodík #výroba #polystyrenu #princip

Oblíbené příspěvky:

• Vlastnosti obkladu Skála
• Podrobný návod na obklad umělým kamenem
• Více o konstrukcích z výztužných prken
• Více o Malíř PLUS
• Aplikace betonové stěrky na zateplení