Ключевые параметры
- Валентность углерода в бензольном кольце равна IV. sp²-Гибридный атом C образует три σ-связи (две с соседними атомами углерода и одну с атомом водорода или заместителем) и участвует в одной делокализованной π-связи. Все σ-связи при атоме углерода копланарны — углы между ними 120°.
- В молекуле бензола C₆H₆ содержится шесть σ-связей C–C в кольце и шесть σ-связей C–H; кроме того, есть шесть π-электронов, образующих единое π-электронное облако. Связи C–C имеют длину 0,140 нм (промежуточную между C–C 0,154 нм и C=C 0,134 нм), связи C–H в бензоле — около 0,108 нм. Энергия σ-связи C–C в кольце ≈ 509 кДж/моль, энергия связи C–H ≈ 413 кДж/моль.
- Молекула бензола плоская: все шесть атомов углерода и все шесть атомов водорода лежат в одной плоскости. Точечная группа симметрии — D₆ₕ. Делокализация π-электронов приводит к выигрышу энергии: энергия резонанса (стабилизации) бензола составляет около 150 кДж/моль (по Полингу, ~ 36 ккал/моль) — на столько бензол устойчивее, чем если бы он имел три локализованные двойные связи.
- Ароматичность бензола удовлетворяет правилу Хюккеля (1931): молекула ароматична, если она циклическая, плоская, содержит сопряжённую систему p-орбиталей и имеет в ней (4n+2) π-электронов, где n = 0, 1, 2, … Для бензола n = 1, то есть шесть π-электронов. Это правило выполняется для бензола, нафталина (десять π-электронов, n = 2), пиридина, пиррола и других ароматических систем.
- π-Электронное облако бензола симметрично, поэтому бензол не имеет дипольного момента (μ = 0). В то же время ароматическое кольцо поляризуемо и вступает в реакции электрофильного замещения (SE) — нитрование, галогенирование, сульфирование, алкилирование и ацилирование. Реакции присоединения для бензола затруднены: они протекают только в жёстких условиях (каталитическое гидрирование, фотохимическое хлорирование).
