Кратко: для качественного и количественного анализа смеси бензола, толуола и нитробензола оптимально сочетать инструментальные методы $GC–FID/GC–MS,1HNMR,IR$ для идентификации и количефикации, а для практического разделения — либо физическое $фракционнаядистилляция$ либо последовательные химические превращения с последующей выделением по кислотно‑основным и растворительному свойствам $окислениеметильнойгруппы\to выделениебензойнойкислоты,восстановлениенитрогруппы\to получениеанилинаиегоизвлечениекаксоли$. Ниже — подробности и мотивация.

1) Инструментальные методы $первичные,быстрые,количественные$

Газовая хроматография $GC–FID$ с внутренним стандартом — лучший метод для количественного определения долей летучих углеводородов. Разделение по кипению и полярности на неполярной колонке обычно даёт резкие пики: бензол $m/z78$, толуол $m/z92$, нитробензол $m/z123$. GC–MS даёт однозначную идентификацию по масс‑спектрам.1H NMR $врастворителе,напр.CDCl3$ — качественная и количественная $qNMR$ оценка состава по интегралам: бензол — симметричный ароматический сигнал; толуол — ароматические сигналы + метильный синглет ~2.3 ppm; нитробензол — ароматические сигналы с характерным сдвигом вниз по полю. qNMR с эталоном $например,TMSилиэталонсизвестнойконцентрацией$ даёт точный молярный состав.FT‑IR — быстрая реакция для выявления нитрогруппы $сильныеполосы1520и1350см-1$; для толуола и бензола IR различия небольшие, но IR подтверждает наличие NO2.TLC — можно использовать для быстрой качественной проверки, но для этой тройки эффективность ограничена; использование полярного адсорбента и подходящего элюента иногда разделяет нитробензол от толуола/бензола.

2) Физическое разделение $подготовительное/практическое$

Фракционная дистилляция: бензол bp ≈ 80 °C, толуол ≈ 111 °C, нитробензол ≈ 211 °C. При достаточной теоретической тарелочности сначала отбирают фракцию при ~80 °C $бензол$, затем при ~110 °C $толуол$; нитробензол остаётся в низшей фракции. Подходит для значительных количеств, быстро и просто. Минусы: требует оборудования, нитробензол высокая Т и может разлагаться при грубом перегреве; близость бодов бензола и толуола требует хорошей колонны для чистоты.Перегонка под пониженным давлением уменьшает температурные нагрузки $особеннодлянитробензола$.

3) Химическое селективное разделение $когданужнавысокаячистота/принехваткеколонны$ Предложенная последовательность: селективное окисление → выделение бензойной кислоты; затем восстановление нитробензола и извлечение анилина; в итоге остаётся бензол.

Шаг A — выборочная конверсия толуола в бензойную кислоту:

Реакция: мощное окисление боковой цепи $KMnO4,t°,щелочь$ или терминальная окисление бензиловых групп. Толуол → бензойная кислота.Работа: после окисления фильтруют MnO2, охлаждают, затем кислота выделяется добавлением HCl $осаждениебензойнойкислоты$ или переводят в растворимую соль при щелочной промывке и затем выделяют.Рationale: бензойная кислота — кислое соединение, растворимое в щёлочи как бензоат, легко отделяется от нейтральных компонентов $бензол,нитробензол$ посредством кислотно‑основных экстракций.Ограничения: при жёстких условиях возможна частичная оксидация бензола $медленнее$ или побочные продукты; nitro‑группа деактивирует кольцо и защищает нитробензол от окисления, поэтому селективность обычно хорошая.

Шаг B — восстановление нитробензола → анилин и кислотно‑осн. извлечение:

Реакция: Sn/HCl или Fe/HCl или каталитическая гидрогенизация $Pd/C,H2$ превращает нитробензол в анилин.Работа: после восстановления базовый анилин переводят в растворимую соляную соль $добавлениемHCl$ и извлекают в водную фазу; бензол остаётся в органическом слое. Затем из водного раствора анилиния можно выделить осаждением $щелочь\to осаждениеанилина$ при необходимости.Rationale: превращение нейтрального и полярного нитросоединения в растворимую в воде солевую форму даёт быстрый и чистый способ отделения от неполярного бензола.Ограничения и безопасность: восстановление требует контроля, образуются горячие реакции и токсичные побочные продукты; требуется соответствующая утилизация.

4) Комбинация подходов и альтернативы

Для аналитики и небольших проб — GC–MS + NMR достаточно; нет нужды в химических превращениях.Для подготовительного разделения можно сначала провести фракционную дистилляцию $простаяибыстрая$, а затем доконцентрировать и очистить фракции химически, если нужно.Альтернативы: селективное бромирование бензильного метила $NBS$ с последующей гидролиз/оксидированием для получения бензойной кислоты более мягко; но это усложняет процесс.Количественная оценка: GC с внутренним стандартом $напр.n‑децандлянеполярнойматрицы$ и калибровочными кривыми или qNMR дают точность до процентов.

5) Практические замечания и безопасность

Бензол — карциноген; нитробензол — токсичен $киречновлияетнагемоглобин$, работать в вытяжке, использование перчаток, респираторов по необходимости.Утилизация отработанных окислителей $MnO2$ и растворов восстановления требует нейтрализации и утилизации как опасные отходы.При восстановлении нитросоединений избегать миксов, которые могут дать гидразины и т.д.; контролируйте pH и температуру.

Резюме $рекомендация$:

Для качественного и количественного анализа сначала GC–MS и 1H NMR $быстроиточно$.Для лабораторного разделения больших количеств: фракционная дистилляция $бензол\to толуол\to нитробензолостаток$. Если нужен химический раздел и очистка: сначала окисление толуола до бензойной кислоты и выделение через кислотно‑осн. экстракции, затем восстановление нитробензола до анилина и извлечение как соли, оставляя бензол в органическом слое.