Arene (Hydrocarbon Thơm)
Benzene & đồng đẳng — cấu tạo, danh pháp, tính chất, ứng dụng
Benzene ($\text{C}_6\text{H}_6$) là arene đơn giản và điển hình nhất. Benzene và các đồng đẳng hợp thành dãy đồng đẳng của benzene có công thức chung:
▸ Một số arene thường gặp
| Công thức | Tên gọi |
|---|---|
| $\text{C}_6\text{H}_6$ | Benzene |
| $\text{C}_6\text{H}_5-\text{CH}_3$ | Methylbenzene (toluene) |
| $\text{C}_6\text{H}_4(\text{CH}_3)_2$ | Dimethylbenzene (xylene) — có 3 đồng phân o, m, p |
| $\text{C}_6\text{H}_5-\text{CH}=\text{CH}_2$ | Vinylbenzene (styrene) |
| Hai vòng benzene ngưng tụ | Naphthalene $\text{C}_{10}\text{H}_8$ |
▸ Gốc aryl thường gặp
| Công thức gốc | Tên gốc |
|---|---|
| $\text{C}_6\text{H}_5-$ | Phenyl |
| $\text{C}_6\text{H}_5-\text{CH}_2-$ | Benzyl |
▸ 3 đồng phân của xylene
| Vị trí 2 nhóm $\text{CH}_3$ | Tên gọi | Kí hiệu |
|---|---|---|
| 1,2 | 1,2-dimethylbenzene | o-xylene (ortho) |
| 1,3 | 1,3-dimethylbenzene | m-xylene (meta) |
| 1,4 | 1,4-dimethylbenzene | p-xylene (para) |
• ortho- (o-) → vị trí số 2 (kề cạnh).
• meta- (m-) → vị trí số 3 (cách 1 nguyên tử C).
• para- (p-) → vị trí số 4 (đối diện).
| Đặc điểm | Mô tả |
|---|---|
| Hình dạng | 6 nguyên tử C tạo thành hình lục giác đều |
| Cấu trúc | Phẳng — tất cả 6 C và 6 H đều nằm trên một mặt phẳng |
| Góc liên kết | Tất cả các góc đều bằng 120° |
| Độ dài liên kết C–C | Đều bằng 139 pm (trung gian giữa C–C đơn 154 pm và C=C đôi 134 pm) |
▸ Các cách biểu diễn benzene
Để đơn giản, benzene thường được biểu diễn bằng:
- Lục giác đều có 3 liên kết đôi xen kẽ (công thức Kekulé).
- Lục giác đều có vòng tròn ở giữa — tượng trưng cho 6 electron π linh động.
▸ Bảng tính chất vật lí một số arene
| Arene | t° nóng chảy (°C) | t° sôi (°C) | d (g/cm³) |
|---|---|---|---|
| Benzene | 5,5 | 80,1 | 0,878 |
| Toluene | –95,0 | 110,6 | 0,867 |
| o-Xylene | –25,2 | 144 | 0,880 |
| m-Xylene | –47,4 | 139 | 0,864 |
| p-Xylene | 13,3 | 138 | 0,861 |
| Styrene | –30,0 | 145 | 0,909 |
| Naphthalene | 80,26 | 218 | 1,025 (20°C) |
| Tính chất | Đặc điểm |
|---|---|
| Trạng thái | Benzene, toluene, xylene, styrene: lỏng; Naphthalene: rắn màu trắng |
| Màu sắc | Không màu, trong suốt |
| Mùi | Có mùi đặc trưng |
| Tính cháy | Dễ cháy, tỏa nhiều nhiệt |
| Tính tan | Không tan trong nước, tan tốt trong dung môi hữu cơ |
| Khối lượng riêng | Thường nhẹ hơn nước (d < 1 g/cm³, trừ naphthalene) |
▸ Trạng thái tự nhiên
- BTX (Benzene, Toluene, Xylene): có trong dầu mỏ với hàm lượng thấp.
- Naphthalene và các arene đa vòng: có trong dầu mỏ và nhựa than đá.
▸ 4.1. Phản ứng HALOGEN HÓA
Điều kiện: nhiệt độ, xúc tác muối iron(III) halide ($\text{FeBr}_3$, $\text{FeCl}_3$).
Sản phẩm: bromobenzene
▸ 4.2. Phản ứng NITRO HÓA
Phản ứng nitro hóa là phản ứng thay thế nguyên tử H ở vòng benzene bằng nhóm nitro ($-\text{NO}_2$).
Điều kiện: hỗn hợp $\text{HNO}_3$ đặc và $\text{H}_2\text{SO}_4$ đặc, t° không quá 50°C.
Sản phẩm: nitrobenzene — chất lỏng màu vàng nhạt, sánh như dầu
▸ 4.3. QUY TẮC THẾ vào alkylbenzene (ortho – para)
• Phản ứng thế dễ dàng hơn so với benzene.
• Ưu tiên thế vào vị trí 2 (ortho) hoặc 4 (para) so với nhóm alkyl.
Ví dụ — Toluene + Br₂ (xt $\text{FeBr}_3$, t°):
Tạo 2 sản phẩm chính: o-bromotoluene và p-bromotoluene
Ví dụ — Toluene + HNO₃ đặc ($\text{H}_2\text{SO}_4$đ, t°):
▸ 5.1. Phản ứng cộng CHLORINE (UV)
Điều kiện: ánh sáng tử ngoại (UV), đun nóng.
Sản phẩm: 1,2,3,4,5,6-hexachlorocyclohexane (hay "666", "lindane")
• Benzene + $\text{Cl}_2$ + FeCl₃, t° → phản ứng THẾ: $\text{C}_6\text{H}_5\text{Cl}$.
• Benzene + $3\text{Cl}_2$ + UV, t° → phản ứng CỘNG: $\text{C}_6\text{H}_6\text{Cl}_6$.
▸ 5.2. Phản ứng cộng HYDROGEN
Điều kiện: áp suất cao, nhiệt độ cao, xúc tác Ni hoặc Pt.
Các nhóm thế (CH₃, C₂H₅...) giữ nguyên.
▸ 5.3. Phản ứng OXI HÓA
(a) Phản ứng cháy: Arene dễ cháy, tỏa nhiều nhiệt.
(b) Phản ứng oxi hóa nhóm alkyl bằng $\text{KMnO}_4$:
Toluene và các alkylbenzene bị oxi hóa bởi dung dịch $\text{KMnO}_4$ (khi đun nóng) — nhóm alkyl bị oxi hóa thành nhóm $-\text{COOH}$:
Sản phẩm potassium benzoate + HCl → benzoic acid:
▸ 6.1. Điều chế trong công nghiệp
| Phương pháp | Sản phẩm thu được |
|---|---|
| Reforming phân đoạn dầu mỏ (từ alkane, cycloalkane $\text{C}_6$ – $\text{C}_8$) | Benzene, toluene |
| Phản ứng benzene + ethylene (xúc tác zeolite) | Ethylbenzene → tách H₂ → styrene |
| Chưng cất nhựa than đá | Naphthalene và các arene đa vòng |
Ví dụ — Reforming cyclohexane thành benzene:
Ví dụ — Tổng hợp ethylbenzene từ benzene + ethylene:
▸ 6.2. Ứng dụng
| Arene | Ứng dụng |
|---|---|
| Benzene | Tổng hợp styrene, cumene, sản xuất polymer; dung môi; thuốc nhuộm; dược phẩm; chất dẻo; tơ sợi tổng hợp |
| Toluene | Sản xuất thuốc nổ TNT (trinitrotoluene); dung môi |
| Xylene (p-xylene) | Sản xuất terephthalic acid → tổng hợp nhựa PET (chai nhựa, tơ sợi) |
| Styrene | Sản xuất polystyrene (PS) — nhựa, xốp cách nhiệt |
| Cumene | Sản xuất acetone và phenol |
| Naphthalene | Diệt gián, côn trùng (long não, băng phiến) |
• DDT (thuốc trừ sâu chứa vòng benzene).
• "666" tức 1,2,3,4,5,6-hexachlorocyclohexane (lindane) — gây ô nhiễm môi trường, tích tụ sinh học.
▸ Bảng tổng kết kiến thức
| Nội dung | Kiến thức trọng tâm |
|---|---|
| Khái niệm | Hydrocarbon có chứa vòng benzene |
| Công thức chung | $\text{C}_n\text{H}_{2n-6}$ (n ≥ 6) |
| Cấu tạo benzene | Lục giác đều, phẳng, góc 120°, độ dài C–C = 139 pm |
| Phản ứng thế | Halogen hóa ($\text{Br}_2$/$\text{FeBr}_3$); Nitro hóa ($\text{HNO}_3$ đặc/$\text{H}_2\text{SO}_4$ đặc) |
| Quy tắc thế | Alkylbenzene → ưu tiên vị trí ortho và para |
| Phản ứng cộng | + $\text{Cl}_2$ (UV) → $\text{C}_6\text{H}_6\text{Cl}_6$; + $\text{H}_2$ (Ni) → cyclohexane |
| Phản ứng oxi hóa | Benzene KHÔNG với $\text{KMnO}_4$; Toluene CÓ (alkyl → $-\text{COOH}$) |
| Điều chế | Reforming dầu mỏ; chưng cất nhựa than đá |
▸ 10 sai lầm thường gặp
Luyện tập Bài 17 — Arene!
28 câu: 22 trắc nghiệm · 2 đúng/sai · 4 tự luận
Tuyệt vời!

ThS. Lê Thị Mai Nhi
(Người kiểm duyệt, ra đề)
Chức vụ: Trưởng ban biên soạn môn Hoá Học THPT
Trình độ: Thạc sĩ Hóa học, Chứng chỉ hạng II, Chứng chỉ STEM, Ngoại ngữ B1
Kinh nghiệm: 10+ năm kinh nghiệm tại Trường THPT Chuyên Nguyễn Huệ
