બેન્ઝીન

બેન્ઝીન : રંગવિહીન, પ્રવાહી અને સાદામાં સાદું ઍરોમૅટિક હાઇડ્રોકાર્બન સંયોજન. અંગ્રેજ વૈજ્ઞાનિક માઇકેલ ફેરેડેએ 1825માં કોલવાયુ અથવા પ્રદીપક વાયુ(illuminating gas)માંથી સૌપ્રથમ તે મેળવેલું અને તેને ‘બેન્ઝીન’ (benzin) નામ આપેલું. જર્મન વૈજ્ઞાનિક લીબિગે તેને ‘બેન્ઝોલ’ તરીકે ઓળખાવેલું. ઑગસ્ટ હૉફમેને 1845માં ડામર(coaltar)માંથી આ પદાર્થ મેળવ્યો અને તેને હાલ વપરાતું ‘બેન્ઝીન’ નામ આપ્યું.

ઉત્પાદન : બેન્ઝીન મુખ્યત્વે કોલટારના વિભાગીય (fractional) નિસ્યંદનથી મળતા હલકા તેલ(light oil)માંથી મેળવવામાં આવે છે. n–હેકઝેનને ક્રોમિયમ ઑક્સાઇડ (Cr₂O₃) અને ઍલ્યુમિનિયમ ઑક્સાઇડ (Al₂O₃) જેવા ઉદ્દીપકોની હાજરીમાં ગરમ કરવાથી તેનું વિહાઇડ્રોજનીકરણ અને વલયીકરણ (cyclisation) થઈ બેન્ઝીન મળે છે.

1950 પછી તે પેટ્રોલિયમમાંથી મેળવવામાં આવે છે.

બેન્ઝીનની સંરચના : તેના અણુસૂત્ર C₆H₆ પ્રમાણે બેન્ઝીન અસંતૃપ્ત સંયોજન (C_nH_2n–6) હોવું જોઈએ. પણ તેના ગુણધર્મો તપાસતાં તે સંતૃપ્ત હાઇડ્રોકાર્બનના કેટલાક ગુણધર્મો ધરાવતું માલૂમ પડે છે. આ દર્શાવે છે કે બેન્ઝીન વિશિષ્ટ પ્રકારની અસંતૃપ્તતા ધરાવે છે.

બેન્ઝીનમાંના એક હાઇડ્રોજન પરમાણુનું બ્રોમીન કે ક્લોરીન જેવા પરમાણુ વડે વિસ્થાપન કરવાથી તે ફક્ત એક જ એક-વિસ્થાપન (monosubstitution) નીપજ બ્રોમો – કે ક્લોરોબેન્ઝીન આપે છે. આ દર્શાવે છે કે બેન્ઝીનમાંનો પ્રત્યેક હાઇડ્રોજન એકસમાન (equivalent) છે. જો બેન્ઝીનમાંના બે હાઇડ્રોજનનું વિસ્થાપન થાય તો તે ફક્ત ત્રણ સમઘટકીય (isomeric) દ્વિવિસ્થાપન (disubstitution) નીપજો C₆H₄X₂ અથવા C₆H₄XY આપે છે. આ નીપજો 1, 2– (ઑર્થો–); 1, 3– (મેટા–) અને 1, 4– (પેરા)

નીપજો તરીકે ઓળખાય છે. વળી બેન્ઝીનનું વિશિષ્ટિ સંજોગોમાં પૂર્ણ હાઇડ્રોજનીકરણ કે ક્લોરિનીકરણ કરતાં તે હાઇડ્રોજન કે ક્લોરીનના ત્રણ અણુઓ સાથે યોગશીલ (addition) પ્રક્રિયા કરે છે. આ સૂચવે છે કે તેમાં ત્રણ કાર્બન–કાર્બન દ્વિબંધ (double bond) હોવા જોઈએ. આ બાબતો લક્ષમાં લઈ 1865માં કેકુલેએ બેન્ઝીન માટે એકાંતરિક એકબંધ (single bond) અને દ્વિબંધ ધરાવતું ચક્રીય સૂત્ર રજૂ કર્યું. આ ચક્રીય રચનાને બેન્ઝીન-વલય (અથવા કડી) કહે છે.

આ ઉપરાંત ક્લોસ (1867), ડ્રૂઆર (Dewar) (1867), લેડનબર્ગ (1869) તથા આર્મસ્ટ્રૉંગ અને બેયરે (1887) પણ પોતપોતાની સંરચના રજૂ કરી હતી, પણ તે બહુ ઉપયોગી ન હોવાથી ચલણમાં આવી નહિ. વધુમાં કેકુલેએ સંરચના (I) અને (II) વચ્ચે ગતિશીલ (dynamic) સમાવયવતા (isomerism) સંભવે છે એમ સૂચવતાં જણાવ્યું કે બે સૂત્રો સતત એકબીજાંમાં પરિવર્તન પામતાં રહેતાં હોવાથી એકેયને અલગ પાડવાનું શક્ય નથી.

પોટૅશિયમ પરમૅંગેનેટ, હાઇડ્રોજન આયોડાઇડ જેવા પ્રક્રિયકો સાથેની પ્રક્રિયા તપાસતાં એમ માલૂમ પડ્યું કે બેન્ઝીન અન્ય આલ્કીનની માફક ઝડપી યોગશીલ પ્રક્રિયા આપતું નથી, પણ તેને બદલે તે વિસ્થાપન પ્રકારની પ્રક્રિયા આપે છે, જેમાં બેન્ઝીનના એક હાઇડ્રોજનનું સ્થાન નવો પરમાણુ કે મૂલક લે છે અને બેન્ઝીન પોતાની વલય-પ્રણાલી જાળવી રાખે છે.

વળી બેન્ઝીનની હાઇડ્રોજનીકરણ ઉષ્મા (અને દહન-ઉષ્મા પણ) ધાર્યા કરતાં (લગભગ 36 કિ.કૅલરી જેટલી) ઓછી હોય છે એટલે કે બેન્ઝીન તેટલે અંશે વધુ સ્થાયી છે. [આ ઓછી ઊર્જા સંસ્પંદનને કારણે છે અને તે ઊર્જાને સંસ્પંદન-ઊર્જા (resonance energy) કહે છે.] વળી બેન્ઝીનમાંના બધા કાર્બન-કાર્બન બંધો સરખા છે અને તેમની બંધલંબાઈ (bond length) સામાન્ય એકબંધ અને દ્વિબંધ વચ્ચેની છે. સામાન્ય કાર્બન-કાર્બન દ્વિબંધની લંબાઈ 1.34 Å અને એકબંધની 1.53 Å જ્યારે X-કિરણ વિવર્તન (diffraction) દર્શાવે છે કે બેન્ઝીનમાં કાર્બન-કાર્બન બંધલંબાઈ 1.39  છે, એટલે કે બેન્ઝીનની સંરચના (I) અને (II)ની વચ્ચેની છે અને આ સંરચનાઓ તેમાંના ઇલેક્ટ્રૉનની ગોઠવણીને કારણે જ અલગ પડે છે.

1931માં લિનસ પાઉલિંગે ક્વૉન્ટમ યાંત્રિકીનો ઉપયોગ કરી દર્શાવ્યું કે કેકુલેની સંરચના અને દીવારના સૂત્રના સંકરણ (hybridization)થી એક એવી સંરચના શક્ય બને છે કે જેની ઊર્જા સંકરણમાં ભાગ લેતા કોઈ પણ સૂત્રની ઊર્જા કરતાં ઓછી હોય છે. આવી સંસ્પંદન સંરચનાની સ્થિરતા વધુ હોય છે. આ સંરચના કોઈ એક બંધારણીય સૂત્ર કે પ્રરૂપ (model) વડે દર્શાવવાનું શક્ય નથી. જોકે આવાં સંસ્પંદન-સૂત્રો નીચે પ્રમાણે દર્શાવાય છે ખરાં :

સરળતા ખાતર તેને નીચે પ્રમાણે દર્શાવવામાં આવે છે :

આ સંકર-અવસ્થા-વલયમાંના કાર્બન-કાર્બન બંધોના ગુણધર્મો એકબંધ અને દ્વિબંધ વચ્ચેના ગણી તેમની ઓછી સક્રિયતા સમજાવવામાં મદદરૂપ થાય છે. સંસ્પંદન-ઊર્જાને કારણે બેન્ઝીન તેના વિશિષ્ટ ઍરોમૅટિક ગુણધર્મો ધરાવે છે.

બેન્ઝીનનું વધુ સારું ચિત્ર અણુમાંના આબંધ-કક્ષકો(bond orbitals)ને લક્ષમાં લેવાથી મળે છે. બેન્ઝીનમાંનો દરેક કાર્બન પરમાણુ ત્રણ પરમાણુ સાથે જોડાયેલો હોય છે અને તે sp² કક્ષકો વાપરે છે, જે કાર્બન-પરમાણુ ધરાવતા એક જ તલ(plane)માં આવેલા હોય છે. જો છ કાર્બન અને છ હાઇડ્રોજન પરમાણુને આ કક્ષકો અતિવ્યાપ (overlap) કરે તેમ દર્શાવવામાં આવે તો નીચેની સંરચના શક્ય બને છે :

આમ બેન્ઝીન એક સપાટ અણુ હોઈ તે એવી સંમિતીય સંરચના ધરાવે છે કે જેમાં દરેક કાર્બન-પરમાણુ એક નિયમિત ષટ્કોણ(hexagon)ના ખૂણા પર હોય તથા બંધકોણ (bond angle) 120° હોય. દરેક આબંધ-કક્ષક (bond orbital) પારમાણ્વિક કેન્દ્રકો(nuclei)ને જોડતી રેખા આગળ નળાકારીય રીતે (cylindrically) સમમિત (symmetric) હોય છે. આ બંધોને σ–બંધ તરીકે ઓળખવામાં આવે છે.

અગાઉ ઉપયોગમાં લેવાયેલા ત્રણ કક્ષકો ઉપરાંત દરેક કાર્બન એક ચોથો કક્ષક, p-કક્ષક પણ ધરાવે છે, જેના બે સરખા પિંડક(lobe)માંનો એક અન્ય ત્રણ કક્ષકોની (વલયના તલની) ઉપર અને એક નીચે આવેલો હોય છે. તે એક ઇલેક્ટ્રૉન ધરાવે છે. આવા એક કાર્બનનો p-કક્ષક પાસેના કાર્બનના p-કક્ષક પર અતિવ્યાપ (overlap) કરી શકે છે. તેમ થતાં ઇલેક્ટ્રૉન-યુગ્મ ઉદભવે છે અને એક π-બંધ રચાય છે. પણ આ અતિવ્યાપન બે કક્ષકો પૂરતું સીમિત ન રહેતાં સાથેના બીજા કાર્બન સાથે પણ તેમ કરી શકે છે. આમ થતાં ઇલેક્ટ્રૉનના વાદળનો ગોળ કેક (doughnut) જેવો આકાર રચાય છે, જેમાંનો એક પરમાણુ-તલની ઉપર અને એક તલની નીચે રહેલો હોય છે.

આમ પ્રત્યેક ઇલેક્ટ્રૉન અનેક બંધમાં ભાગ લેતો હોઈ તેને આગળ દર્શાવ્યા પ્રમાણેની બે સંરચનાના સંસ્પંદન-સંકર (resonance hybrid) તરીકે ગણાવી શકાય. છ π-ઇલેક્ટ્રૉનનું આ વિસ્થાનીકરણ (delocalization) અણુને વધુ સ્થાયી બનાવે છે. બેન્ઝીનની આ સંરચના તેના રાસાયણિક ગુણધર્મો સમજાવવામાં મદદરૂપ થાય છે.

ગુણધર્મો : બેન્ઝીન એ રંગવિહીન, પારદર્શક પ્રવાહી છે. તેનું ઠારબિંદુ 5.5° સે., ઉ.બિં. 80.1° સે., પૃષ્ઠતાણ 29 ડાઇન સેમી.^–1 અને વક્રીભવનાંક (refractive index) 1.5011 (20° સે.) છે. તે જ્વલનશીલ છે અને તેમાં કાર્બનનું પ્રમાણ વધુ હોવાથી ધુમાડાવાળી જ્યોતથી સળગે છે. તે પાણી કરતાં હલકું (ઘનતા 0.88) અને તેમાં લગભગ અદ્રાવ્ય છે. ઇથેનૉલ, એસિટોન, કાર્બન-ટેટ્રાક્લોરાઇડ, કાર્બન ડાઇસલ્ફાઇડ, એસેટિક ઍસિડ વગેરે સાથે મિશ્ર (miscible) છે. અકાર્બનિક ક્ષારો, ગ્લુકોઝ, ખાંડ વગેરે પદાર્થો તેમાં અદ્રાવ્ય છે; જ્યારે ઍરોમૅટિક હાઇડ્રોકાર્બન, એનિલિન જેવાં કાર્બનિક દ્રવ્યો તેમાં દ્રાવ્ય છે. ચરબી, રેઝિન, ગંધક, આયોડીન વગેરે માટે તે સારો દ્રાવક ગણાય છે. તે તીવ્રપણે વિષાક્ત છે અને તેની લાંબી અસરને લીધે અતિશ્વેત કોશિકા- રક્તતા (રક્તક્ષય) (leukemia) ઉદભવે છે. દર દસ લાખ ભાગે 35થી 100 ભાગ બેન્ઝીનની હાજરીવાળી હવા લાંબો સમય શ્વાસમાં લેવાય તો મોંમાં મોળ આવવી (nausea), વધુ પડતો થાક, પાંડુરોગ (anaemia) અને શ્વેતકોષિક અલ્પતા (leukopaenia) જેવાં લક્ષણો વર્તાય છે. તે કૅન્સરકારક પણ ગણાય છે.

બેન્ઝીનની પ્રક્રિયાઓ : બેન્ઝીન ઍરોમૅટિક સંયોજન છે. તે સંસ્પંદનને લીધે સ્થિર હોવાથી તેના π ઇલેક્ટ્રૉન, આલ્કિનની માફક સરળતાથી પ્રાપ્ય બનતા નથી. (બેન્ઝીનની કેન્દ્રાનુરાગિતા આલ્કિન જેટલી નથી.) સામાન્ય ઇલેક્ટ્રૉન-અનુરાગીઓ(electrophiles)ની બેન્ઝીન સાથે પ્રક્રિયા થતી નથી; પરંતુ ઇલેક્ટ્રૉન-અનુરાગીની ઇલેક્ટ્રૉન-અનુરાગિતા વધારવામાં આવે તો તે બેન્ઝીનના π-ઇલેક્ટ્રૉન વાદળને ભેદી બેન્ઝીનના કાર્બન સાથે σ–બંધ બનાવે છે અને વચગાળાનો ફિનોનિયમ આયન (અથવા કાર્બોનિયમ આયન) અથવા σ-સંકીર્ણ બનાવે છે; જેમાંથી બેઇઝ પ્રોટૉન લઈ લે છે અને વિસ્થાપિત બેન્ઝીન બને છે. આવી વિસ્થાપન-પ્રક્રિયાઓ નીચે વર્ણવી છે :

(1) હેલોજિનેશન : નિર્જળ AlCl₃, FeCl₃, જેવા લેવિસ ઍસિડની હાજરીમાં Cl₂ અથવા Br₂ની બેન્ઝીન સાથે પ્રક્રિયા થવાથી હેલોબેન્ઝીન મળે છે. દા.ત.,

ક્રિયાવિધિ :

(2) નાઇટ્રેશન : બેન્ઝીનની સાંદ્ર HNO₃ તથા સાંદ્ર H₂SO₄ના મિશ્રણ સાથે 40થી 50° સે. તાપમાને પ્રક્રિયા થતાં નાઇટ્રોબેન્ઝીન મળે છે, જેનું વધુ નાઇટ્રેશન કરતાં m–ડાઇનાઇટ્રોબેન્ઝીન મળે છે :

(આ પ્રક્રિયામાં HNO₃ સાથે H₂SO₄ની પ્રક્રિયા થવાથી (નાઇટ્રોનિયમ આયન) બને છે.)

(3) સલ્ફોનેશન : બેન્ઝીનની સંકેન્દ્રિત H₂SO₄ કે ધુમાયમાન H₂SO₄ વડે પ્રક્રિયા થતાં તેનું સલ્ફોનેશન થાય છે અને બેન્ઝીન સલ્ફૉનિક ઍસિડ મળે છે.

ક્રિયાવિધિ :

(4) ફ્રિડલ અને ક્રાફ્ટની પ્રક્રિયા : બેન્ઝીનની આલ્કિલ હેલાઇડ અથવા એસાઇલ હેલાઇડની સાથે નિર્જળ AlCl₃ (અથવા FeCl₃, SnCl4, HF વગેરે)ની હાજરીમાં પ્રક્રિયા કરવાથી આલ્કાઇલ બેન્ઝીન અથવા એસાઇલ બેન્ઝીન મળે છે :

ક્રિયાવિધિ :

(ii) એસાઇલેશન ક્રિયાવિધિ :

બેન્ઝીનની યોગશીલ પ્રક્રિયાઓ :

(1) હાઇડ્રોજનીકરણ : બેન્ઝીનનું Ni ઉદ્દીપકની હાજરીમાં 200° સે.એ હાઇડ્રોજનેશન થવાથી સાઇક્લોહેક્ઝેન મળે છે.

(2) હેલોજન સાથેની યોગશીલ પ્રક્રિયા : Cl₂ અને Br₂ પારજાંબલી પ્રકાશની હાજરીમાં બેન્ઝીનના દ્વિબંધમાં ઉમેરાય છે અને બેન્ઝીન હેક્ઝાક્લૉરાઇડ બને છે. તેના ઘણા સમઘટકો બને છે. દા.ત., σ, β, δ, γ વગેરે. આ સમઘટકોમાં γ સમઘટક જંતુનાશક છે. તે ગૅમૅક્સિન તરીકે બજારમાં મળે છે.

(3) ઑક્સિડેશન : ઠંડા KMnO₄ની અસર થતી નથી. ઊકળતા KMnO₄થી બેન્ઝીનનું સંપૂર્ણ વિભાજન થવાથી CO₂ અને H₂O મળે છે.

ઓઝોન સાથે ટ્રાઇઓઝોનાઇડ બને છે જેનું જલવિભાજન કરતાં ગ્લાયોક્ઝાલ મળે છે :

ઉપયોગ : ઔદ્યોગિક રીતે બેન્ઝીન ઘણાં રસાયણોના ઉત્પાદન માટેનો કાચો માલ છે. તેમાંથી ઇથાઇલ બેન્ઝીન, ફીનૉલ તેમજ મલેઇક ઍન્હાઇડ્રાઇડ (પ્લાસ્ટિક બનાવવા માટે), એનિલિન (રંગકો માટે), ડોડેસાઇલ બેન્ઝીન (પ્રક્ષાલકો માટે), ક્લોરોબેન્ઝીન (જંતુનાશકો માટે) વગેરે બનાવી શકાય છે. પૉલિસ્ટાયરીન, સંશ્ર્લેષિત રબર, નાયલૉન વગેરેના ઉત્પાદનમાં પણ તેનો ઉપયોગ થાય છે. મોટરગાડીના ઇંધન તરીકે તે બેન્ઝોલ નામે વપરાય છે. રબર, ચરબી અને ઘણા રેઝિન તથા ગુંદર જેવા પદાર્થો માટે તે દ્રાવક તરીકે વપરાય છે.

પ્રહલાદ બે. પટેલ