Bài 14: Arene (hydrocarbon thơm) trang 92, 93, 94, 95, 96, 97, 98, 99 Hóa học 11 Cánh diều

CH tr 92 MĐ

Benzene, toluene, styrene và naphthalene là những hydrocarbon thơm (arene) có công thức cấu tạo như ở Hình 14.1:

Hãy nhận xét điểm giống và khác nhau về cấu tạo của các hợp chất hydrocarbon thơm trên với alkane và alkene.

Phương pháp giải:

Những hydrocarbon trong phân tử chứa vòng benzene được gọi là các hydrocarbon thơm hay arene.

Lời giải chi tiết:

- Giống nhau: hydrocarbon thơm, alkane và alkene đều được cấu tạo bởi nguyên tố C và nguyên tố H.

- Khác nhau:

+ Hydrocarbon thơm có vòng benzene.

+ Alkane và alkene là những hydrocarbon mạch hở, không có vòng benzene.

CH tr 93 LT 1

Viết công thức cấu tạo và gọi tên các hydrocarbon thơm có công thức phân tử C₈H₁₀. Trong các chất trên, cho biết chất nào là đồng phân về số lượng các gốc alkyl gắn với vòng benzene của o-xylene.

Phương pháp giải:

Benzene (C₆H₆) và các hydrocarbon thơm khác như toluene (C₇H₈), xylene (C₈H₁₀),... tạo thành dãy đồng đẳng có công thức chung C_nH_2n-6 (n ≥ 6).

Nhiều hợp chất thơm được gọi theo tên thông thường (toluene, xylene,...). Khi gọi theo tên thay thế, vòng benzene được xem là mạch chính. Khi có hai nhóm thế trên vòng benzene, vị trí của chúng có thể được chỉ ra bằng các chữ số 1,2, 1,3 hay 1,4 hoặc bằng các chữ tương ứng là ortho (o), meta (m) hay para (p)

Lời giải chi tiết:

Công thức cấu tạo và tên gọi của các hydrocarbon thơm có công thức phân tử C₈H₁₀:

CH tr 94 VD 1

Trên nhãn chai chứa benzene trong phòng thí nghiệm thường có một số biểu tượng sau:

Cho biết cần chú ý gì khi sử dụng benzene.

Phương pháp giải:

Lời giải chi tiết:

Khi sử dụng benzene cần chú ý: benzene dễ cháy, độc.

CH tr 94 VD 2

Vì sao khu vực có trạm xăng dầu, khu vực có nhiều xe cơ giới qua lại, nơi có khói thuốc lá,... lại được xem là nơi có nguồn hydrocarbon thơm gây tổn hại đến sức khoẻ con người? Hãy tìm hiểu và kể tên một số hydrocarbon thơm thường có trong không khí ở các khu vực trên.

Phương pháp giải:

Các hydrocarbon thơm tác động đến sức khoẻ con người chủ yếu qua hít thở không khí bị ô nhiễm, đặc biệt ở các khu vực có nhiều xe cơ giới, khu vực có trạm xăng dầu và nơi có khói thuốc lá.

Lời giải chi tiết:

Trong xăng, dầu, khói thuốc lá chứa nhiều hydrocarbon thơm. Các hydrocarbon thơm này có thể gây ra nhiều vấn đề sức khỏe như đau đầu, chóng mặt, mệt mỏi, và các vấn đề hô hấp. Việc tiếp xúc lâu dài hoặc tiếp xúc với nồng độ cao của chúng có thể gây ra các vấn đề sức khỏe nghiêm trọng hơn như ung thư và bệnh tim mạch. Do đó khu vực có trạm xăng dầu, khu vực có nhiều xe cơ giới qua lại, nơi có khói thuốc lá,...được xem là nơi có nguồn hydrocarbon thơm gây tổn hại đến sức khoẻ con người.

Một số hydrocarbon thơm thường có trong không khí ở các khu vực trên: Benzene, toluene, ethylbenzene, xylene,…

CH tr 95 TN 1

Thí nghiệm 1: Nitro hoá benzene

Cho từ từ 2 mL dung dịch sulfuric acid đặc vào ống nghiệm đã chứa sẵn 1,5 ml dung dịch nitric acid đặc và làm lạnh trong chậu nước đá để tạo hỗn hợp nitro hoá. Nhỏ tiếp từ từ 1 ml benzene vào ống nghiệm và lắc ống nghiệm trong 6 đến 10 phút. Sau đó, rót từ từ hỗn hợp trong ống nghiệm vào cốc chứa 20 đến 30 ml nước. lạnh (khoảng 0 °C - 10 °C). Dùng đũa thuỷ tinh khuấy đều hỗn hợp rồi để yên. Quan sát màu của chất lỏng ở đáy cốc.

Viết phương trình phản ứng hóa học đã xảy ra và cho biết nitrobenzene có tan trong nước không.

Phương pháp giải:

Phản ứng nitro hoá (gắn nhóm thể nitro (–NO₃) vào vòng benzene) xảy ra khi cho hydrocarbon thơm phản ứng với dung dịch nitric acid đậm đặc, có dung dịch sulfuric acid đậm đặc làm xúc tác.

Lời giải chi tiết:

- Chất lỏng ở đáy cốc có màu vàng nhạt.

- Phương trình hóa học:

→ Nitrobenzene không tan trong nước.

CH tr 96 CH 1

Trong Thí nghiệm 1, chất lỏng xuất hiện ở đáy cốc có phải là benzene không? Vì sao?

Phương pháp giải:

Phản ứng nitro hoá (gắn nhóm thể nitro (–NO₃) vào vòng benzene) xảy ra khi cho hydrocarbon thơm phản ứng với dung dịch nitric acid đậm đặc, có dung dịch sulfuric acid đậm đặc làm xúc tác.

Lời giải chi tiết:

Chất lỏng ở đáy cốc không phải là benzene vì bezene là chất lỏng không màu, còn chất lỏng ở đáy cốc là nitrobenzene có màu vàng.

CH tr 96 TN 2

Thí nghiệm 2: Chlorine hóa benzene

Cho 5 mL benzene vào bình tam giác 150 mL, sau đó dẫn một lượng nhỏ khí chlorine vào bình. Đậy kín nắp bình rồi đưa ra ngoài ánh nắng. Trong bình xuất hiện khói trắng và trên thành bình thấy xuất hiện một lớp bột 1,2,3,4,5,6-hexachlorocyclohexane màu trắng.

Viết phương trình hoá học xảy ra và cho biết phản ứng chlorine hóa benzene xảy ra thuận lợi trong điều kiện nào? Vì sao hiện nay 1,2,3,4,5,6-hexachlorocyclohexane không còn được sử dụng là thuốc trừ sâu trong nông nghiệp?

Phương pháp giải:

Phản ứng cộng vào vòng benzene xảy ra trong những điều kiện khắc nghiệt (nhiệt độ cao, áp suất cao, chiếu tia tử ngoại).

Benzene phản ứng với chlorine, tao 1,2,3,4,5,6-hexachlorocyclohexane (C₆H₆Cl₆). Chất này có độc tính với sâu bọ, côn trùng và cả với người, chim, thú; là tác nhân gây ung thư, suy gan, thận.

Lời giải chi tiết:

- Phương trình hóa học:

- Điều kiện thuận lợi để xảy ra phản ứng chlorine hóa benzene: nhiệt độ cao, chiếu tia tử ngoại.

- 1,2,3,4,5,6-hexachlorocyclohexane độc với cả người, là tác nhân gây ung thư, suy gan, thận nên 1,2,3,4,5,6-hexachlorocyclohexane không còn được sử dụng là thuốc trừ sâu trong nông nghiệp

CH tr 96 CH 2

Nhỏ từ từ nước bromine vào ống nghiệm chứa styrene, lắc đều rồi để yên ống nghiệm. Dự đoán hiện tượng xảy ra. Giải thích.

Phương pháp giải:

Công thức cấu tạo của styrene:

Styrene dễ dàng tham gia phản ứng cộng với bromine ở điều kiện thường.

Lời giải chi tiết:

- Hiện tượng: màu của nước bromine nhạt dần rồi mất màu.

- Giải thích: Styrene dễ dàng tham gia phản ứng cộng với bromine ở điều kiện thường vì trong phân tử styrene có nhóm thế vinyl (CH₂=CH-), làm màu của nước bromine nhạt dần rồi mất màu.

CH tr 97 TN 3

Thí nghiệm 3. Oxi hoá toluene bằng potassium permanganate

Chuẩn bị: Benzene, toluene, dung dịch KMnO₄ 0,1M; ống nghiệm, kẹp ống nghiệm, đèn cồn.

Tiến hành: Cho vào hai ống nghiệm, mỗi ống khoảng 2 mL dung dịch KMnO₄ 0,1M. Thêm vào ống nghiệm thứ nhất khoảng 1 mL toluene và vào ống nghiệm thứ hai khoảng 1 mL benzene. Lắc đều các ống nghiệm, sau đó dùng kẹp ống nghiệm kẹp các ống nghiệm rồi lần lượt đun nóng các ống nghiệm trên ngọn lửa đèn cồn trong khoảng 3 phút (vừa đun vừa lắc đều).

Yêu cầu: Quan sát, nhận xét hiện tượng xảy ra; viết phương trình phản ứng (nếu có) để giải thích.

Phương pháp giải:

Mạch nhánh alkyl ở vòng benzene có nhiều tính chất tương tự như hydrocarbon mạch hở. Tuy nhiên, do ảnh hưởng của vòng benzene, mạch nhánh alkyl thường bị gãy mạch ở nguyên tử carbon liên kết trực tiếp với vòng thơm khi tương tác với các chất oxi hoá mạnh.

Lời giải chi tiết:

- Nhận xét:

+ Ống nghiệm thứ nhất chứa toluen, không làm mất màu thuốc tím ở nhiệt độ thường, nhưng khi đun nóng thì thuốc tím mất màu.

+ Ống nghiệm thứ hai chứa benzene, không làm thuốc tím mất màu ở nhiệt độ thường hoặc khi đun nóng.

- Phương trình hóa học:

- Giải thích:

+ Benzene không phản ứng với thuốc tím.

+ Phản ứng giữa toluene và thuốc tím xảy ra ở nhiệt độ cao, không xảy ra ở nhiệt độ thường.

CH tr 97 VD 3

Benzoic acid là một chất phụ gia được dùng để bảo quản thực phẩm. Để điều chế benzoic acid từ toluene, người ta khuấy và đun sôi toluene với lượng dư dung dịch potassium permanganate trong bình cầu có lắp ống sinh hàn. Sau khi kết thúc phản ứng. vừa lắc vừa thêm từng lượng nhỏ oxalic acid đến khi mất màu tím; lọc bỏ chất rắn, cô đặc phần dung dịch lọc rồi acid hoá bằng hydrochloric acid. Lọc lấy chất rắn, kết tinh lại bằng nước để có sản phẩm sạch. Cho biết mục đích của các thao tác thực nghiệm (ghi chữ đậm) trong quy trình trên. Nếu hiệu suất của quá trình tổng hợp là 80% thì cần bao nhiêu kg toluene để điều chế được 5 kg benzoic acid?

Phương pháp giải:

Các thao tác trên nhằm mục đích nâng cao hiệu suất thu được benzoic acid bằng cách tăng tốc độ phản ứng, tăng độ tinh khiết của sản phẩm,…

Lời giải chi tiết:

- Mục đích của các thao tác thực nghiệm:

+ Khuấy và đun sôi: để phản ứng xảy ra và tăng tốc độ phản ứng giữa toluene và potassium permanganate.

+ Lọc bỏ chất rắn, cô đặc: lọc để loại bỏ MnO₂, cô đặc dung dịch lọc để làm bay hơi nước, tách muối C₆H₅COOK trong dung dịch lọc.

+ Acid hóa: để thu được benzoic acid từ muối C₆H₅COOK.

C₆H₅COOK + HCl → C₆H₅COOH + HCl

+ Lọc lấy chất rắn, kết tinh lại: để thu benzoic acid tinh khiết.

- Sơ phản ứng:  C₆H₅CH₃ → C₆H₅COOH

         Mol                 1                      1

          (g)                 92                   122

         (kg)                 m                     5

Khối lượng của toluene để điều chế được 5 kg benzoic acid với hiệu suất 80% là

m = $\frac{5\times 92}{122}\times \frac{100}{80}\approx 4,713\left(kg\right)$

Bài tập Bài 1

Cho các chất có công thức sau:

Trong các chất trên, những chất là sản phẩm chính khi cho toluene tác dụng với chlorine trong điều kiện đun nóng và có mặt FeCl₃ là

A. (1) và (2).                      B. (2) và (3).                      C. (1) và (4).                                     D. (2) và (4).

Phương pháp giải:

Quy tắc chung: Phản ứng thế nguyên tử H ở vòng thơm của các alkylbenzene dễ hơn benzene, ưu tiên xảy ra ở các vị trí ortho và para so với nhóm alkyl.

Lời giải chi tiết:

Vì phản ứng thế của alkylbenzene ưu tiên xảy ra ở vị trí ortho và para so với nhóm alkyl nên sản phẩm chính của phản ứng toluene với chlorine là (2) và (4).

→ Chọn D.

Bài tập Bài 2

Toluene và xylene được dùng làm dung môi hoà tan sơn, mực in,... Trong trưởng hợp hoạ sĩ muốn tranh chậm khô hơn để giữ được độ bóng, mịn của màu sơn thì nên pha sơn bằng toluene hay xylene sẽ cho kết quả tốt hơn? Giải thích.

Phương pháp giải:

Toluene bay hơi nhanh hơn xylene.

Lời giải chi tiết:

Hoạ sĩ muốn tranh chậm khô hơn để giữ được độ bóng, mịn của màu sơn thì nên pha sơn bằng dung môi hòa tan được sơn và mực in đồng thời dung môi phải có tốc độ bay hơi chậm. Cả toluene và xylene đều hòa tan được sơn và mực in ,…nhưng toluene có tốc độ bay hơi nhanh hơn xylene, do đó họa sĩ nên chọn xylene.

Bài tập Bài 3

Theo Data Bridge Market Research trong giai đoạn 2021 – 2028, tốc độ tăng trưởng thương mại của chlorotoluene (bao gồm các đồng phân khác nhau) vào khoảng 6,2% hằng năm và đạt đến 3 654,7 triệu USD vào năm 2028. Chlorotoluene được sử dụng trong các lĩnh vực hoá dược, hoá nông, polymer, dệt,... và được điều chế bằng phản ứng giữa chlorine và toluene. Viết phương trình hoá học và nêu rõ điều kiện của phản ứng trên.

Phương pháp giải:

Quy tắc chung: Phản ứng thế nguyên tử H ở vòng thơm của các alkylbenzene dễ hơn benzene, ưu tiên xảy ra ở các vị trí ortho và para so với nhóm alkyl.

Lời giải chi tiết:

- Phương trình hóa học:

- Điều kiện phản ứng: xúc tác FeCl₃, đun nóng.

Bài tập Bài 4

Trình bày phương pháp hóa học để phân biệt các chất benzene, toluene, styrene.

Phương pháp giải:

Benzene không phản ứng với KMnO₄, toluen chỉ phản ứng với KMnO₄ khi đun nóng, styrene phản ứng với KMnO₄ ở nhiệt độ thường.

Lời giải chi tiết:

- Đánh số thứ tự cho từng lọ hóa chất mất nhãn. Trích dung dịch làm mẫu thử đánh số thứ tự tương ứng.

- Cho vài giọt dung dịch thuốc tím (potassium permanganate) vào từng mẫu thử:

+ Mẫu thử làm mất màu dung dịch thuốc tím thì đó là styrene:

2KMnO₄ + 3C₆H₅ – CH = CH₂ + 4H₂O → 3C₆H₅ – CH(OH) – CH₂(OH) + 2MnO₂ + 2KOH.

+ Hai mẫu thử không làm mất màu thuốc tím là benzene và toluen. Tiếp tục đun nóng hai mẫu thử này:

Mẫu thử làm mất màu dung dịch thuốc tím là toluene.

            Mẫu thử còn lại không làm mất màu thuốc tím là benzene.

Bài tập Bài 5

Terephthalic acid (p-HOOCC₆H₄COOH) là nguyên liệu để sản xuất poly(ethylene terephthalate) (PET, loại polymer quan trọng, được sử dụng làm sợi dệt và chai nhựa,..). Viết phương trình hoá học của phản ứng điều chế terephthalic acid từ p-xylene.

Phương pháp giải:

Mạch nhánh alkyl ở vòng benzene có nhiều tính chất tương tự như hydrocarbon mạch hở. Tuy nhiên, do ảnh hưởng của vòng benzene, mạch nhánh alkyl thường bị gãy mạch ở nguyên tử carbon liên kết trực tiếp với vòng thơm khi tương tác với các chất oxi hoá mạnh.

Lời giải chi tiết:

Bài tập Bài 6

2,4,6-trinitrotoluene dùng để sản xuất thuốc nổ TNT.

a) Viết phương trình hoá học của phản ứng điều chế 2,4,6-trinitrotoluene từ toluene và nitric acid (xúc tác sulfuric acid).

b) Từ 1 tấn toluene điều chế được bao nhiêu kg 2,4,6-trinitrotoluene, biết hiệu suất của phản ứng là 62%.

Phương pháp giải:

Phản ứng nitro hoá (gắn nhóm thể nitro (–NO₃) vào vòng benzene) xảy ra khi cho hydrocarbon thơm phản ứng với dung dịch nitric acid đậm đặc, có dung dịch sulfuric acid đậm đặc làm xúc tác.

Lời giải chi tiết:

b) Sơ đồ phản ứng: C₆H₅CH₃ → C₆H₂CH₃(NO₂)₃

             mol:                   1                      1

              (g)                   92                   227

             (tấn)                   1                     m

Khối lượng 2,4,6-trinitrotoluene được điều chế từ 1 tấn toluene với hiệu suất 62% là:

m = $\frac{1\times 227}{92}\times \frac{62}{100}\approx 1,5298$ (tấn) = 1529,8 (kg)

Lý thuyết

>> Xem chi tiết: Lý thuyết Arene (Hydrocarbon thơm) - Hóa học 11 - Cánh diều