Bài tập Hoá 11 Bài 17: Arene (Hydrocarbon thơm) (28 bài tập)

Lớp 11 · Hóa Học Bài 17

Arene (Hydrocarbon Thơm)

Benzene & đồng đẳng — cấu tạo, danh pháp, tính chất, ứng dụng

1
Khái niệm, công thức chung & danh pháp
ARENE (HYDROCARBON THƠM)
Là những hydrocarbon trong phân tử có chứa một hay nhiều vòng benzene.

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:

CÔNG THỨC CHUNG DÃY ĐỒNG ĐẲNG BENZENE
$\text{C}_n\text{H}_{2n-6}$   (n ≥ 6)

▸ Một số arene thường gặp

Công thứcTên 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 tụNaphthalene $\text{C}_{10}\text{H}_8$

▸ Gốc aryl thường gặp

Công thức gốcTên 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 gọiKí hiệu
1,21,2-dimethylbenzeneo-xylene (ortho)
1,31,3-dimethylbenzenem-xylene (meta)
1,41,4-dimethylbenzenep-xylene (para)
📌
Quy tắc gọi tên vị trí so với nhóm thế đầu tiên:
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).
3 ĐỒNG PHÂN XYLENE (1,2-DIMETHYLBENZENE,...) o-xylene (1,2) 1 2 CH₃ CH₃ m-xylene (1,3) CH₃ CH₃ p-xylene (1,4) CH₃ CH₃ Tất cả đều có CTPT C₈H₁₀, chỉ khác vị trí 2 nhóm methyl
3 đồng phân xylene: o- (kề nhau), m- (cách 1C), p- (đối diện)
2
Đặc điểm cấu tạo của benzene
Đặc điểmMô tả
Hình dạng6 nguyên tử C tạo thành hình lục giác đều
Cấu trúcPhẳng — tất cả 6 C và 6 H đều nằm trên một mặt phẳng
Góc liên kếtTất cả các góc đều bằng 120°
Độ dài liên kết C–CĐều bằng 139 pm (trung gian giữa C–C đơn 154 pm và C=C đôi 134 pm)
💡
6 liên kết C–C trong vòng benzene có độ dài bằng nhau → không phân biệt được liên kết đơn và đôi → đây là đặc điểm tạo nên tính thơm đặc trưng của benzene.
CẤU TẠO PHÂN TỬ BENZENE C C C C C C H H H H H H 120° • Lục giác đều (6C) • Tất cả nằm trên 1 mặt phẳng • Góc liên kết = 120° • Độ dài C–C = 139 pm • Vòng tròn ⟂ tượng trưng cho 6e electron π linh động
Benzene C₆H₆ — lục giác đều phẳng, 6 liên kết C–C bằng nhau (139 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.
3
Tính chất vật lí & trạng thái tự nhiên

▸ Bảng tính chất vật lí một số arene

Arenet° nóng chảy (°C)t° sôi (°C)d (g/cm³)
Benzene5,580,10,878
Toluene–95,0110,60,867
o-Xylene–25,21440,880
m-Xylene–47,41390,864
p-Xylene13,31380,861
Styrene–30,01450,909
Naphthalene80,262181,025 (20°C)
Tính chấtĐặc điểm
Trạng tháiBenzene, toluene, xylene, styrene: lỏng; Naphthalene: rắn màu trắng
Màu sắcKhông màu, trong suốt
Mùimùi đặc trưng
Tính cháyDễ cháy, tỏa nhiều nhiệt
Tính tanKhông tan trong nước, tan tốt trong dung môi hữu cơ
Khối lượng riêngThường nhẹ hơn nước (d < 1 g/cm³, trừ naphthalene)
📊 Ví dụ — So sánh t° sôi: benzene, toluene, o-xylene
• Benzene ($\text{C}_6\text{H}_6$, M = 78): t° sôi = 80,1°C.
• Toluene ($\text{C}_7\text{H}_8$, M = 92): t° sôi = 110,6°C.
• o-Xylene ($\text{C}_8\text{H}_{10}$, M = 106): t° sôi = 144°C.
→ Quy luật: t° sôi tăng dần theo phân tử khối do lực Van der Waals giữa các phân tử lớn hơn khi M tăng.

▸ 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 mỏnhựa than đá.
⚠️
Arene là những chất độc, đặc biệt benzene được xếp vào nhóm chất làm tăng nguy cơ ung thư. Khi làm thí nghiệm, phải tuân thủ nghiêm ngặt các quy tắc an toàn, tránh hít phải hơi arene hoặc tiếp xúc trực tiếp.
4
Phản ứng THẾ & quy tắc ortho-para
PHẢN ỨNG THẾ
Arene tham gia phản ứng thế nguyên tử H ở vòng benzene: phản ứng halogen hóanitro hóa.

▸ 4.1. Phản ứng HALOGEN HÓA

Điều kiện: nhiệt độ, xúc tác muối iron(III) halide ($\text{FeBr}_3$, $\text{FeCl}_3$).

$\text{C}_6\text{H}_6 + \text{Br}_2 \xrightarrow{\text{FeBr}_3,\,t^\circ} \text{C}_6\text{H}_5\text{Br} + \text{HBr}$

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.

$\text{C}_6\text{H}_6 + \text{HNO}_3 \xrightarrow{\text{H}_2\text{SO}_4\text{ đặc},\,t^\circ} \text{C}_6\text{H}_5\text{NO}_2 + \text{H}_2\text{O}$

Sản phẩm: nitrobenzene — chất lỏng màu vàng nhạt, sánh như dầu

▸ 4.3. QUY TẮC THẾ vào alkylbenzene (ortho – para)

QUY TẮC THẾ
Khi vòng benzene đã có nhóm alkyl ($-\text{CH}_3$, $-\text{C}_2\text{H}_5$...):
• 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°):

$\text{C}_6\text{H}_5\text{CH}_3 + \text{Br}_2 \xrightarrow{\text{FeBr}_3,\,t^\circ} o\text{-}\text{Br}\text{C}_6\text{H}_4\text{CH}_3 + p\text{-}\text{Br}\text{C}_6\text{H}_4\text{CH}_3 + \text{HBr}$

Tạo 2 sản phẩm chính: o-bromotoluene và p-bromotoluene

Ví dụ — Toluene + HNO₃ đặc ($\text{H}_2\text{SO}_4$đ, t°):

$\text{C}_6\text{H}_5\text{CH}_3 + \text{HNO}_3 \xrightarrow{\text{H}_2\text{SO}_4\text{ đặc}} o\text{-nitrotoluene} + p\text{-nitrotoluene} + \text{H}_2\text{O}$
5
Phản ứng CỘNG & OXI HÓA

▸ 5.1. Phản ứng cộng CHLORINE (UV)

Điều kiện: ánh sáng tử ngoại (UV), đun nóng.

$\text{C}_6\text{H}_6 + 3\text{Cl}_2 \xrightarrow{\text{UV},\,t^\circ} \text{C}_6\text{H}_6\text{Cl}_6$

Sản phẩm: 1,2,3,4,5,6-hexachlorocyclohexane (hay "666", "lindane")

⚠️
Phân biệt 2 loại phản ứng:
• 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.

$\text{C}_6\text{H}_6 + 3\text{H}_2 \xrightarrow{\text{Ni},\,t^\circ,\,p} \text{C}_6\text{H}_{12}$ (cyclohexane)
QUY TẮC CHUNG
1 vòng benzene cộng với 3 phân tử $\text{H}_2$ → vòng cyclohexane.
Các nhóm thế (CH₃, C₂H₅...) giữ nguyên.
🔬 Ví dụ — Hydrogen hóa toluene
Toluene $\text{C}_6\text{H}_5-\text{CH}_3$ + 3$\text{H}_2$ → $\text{C}_6\text{H}_{11}-\text{CH}_3$ (methylcyclohexane)
Vòng benzene thành cyclohexane, nhóm methyl giữ nguyên.

▸ 5.3. Phản ứng OXI HÓA

(a) Phản ứng cháy: Arene dễ cháy, tỏa nhiều nhiệt.

$\text{C}_6\text{H}_6 + \dfrac{15}{2}\text{O}_2 \xrightarrow{t^\circ} 6\text{CO}_2 + 3\text{H}_2\text{O}$
$\text{C}_6\text{H}_5\text{CH}_3 + 9\text{O}_2 \xrightarrow{t^\circ} 7\text{CO}_2 + 4\text{H}_2\text{O}$

(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 $-\text{COOH}$:

$\text{C}_6\text{H}_5\text{CH}_3 + 2\text{KMnO}_4 \xrightarrow{t^\circ} \text{C}_6\text{H}_5\text{COOK} + 2\text{MnO}_2\!\downarrow + \text{KOH} + \text{H}_2\text{O}$

Sản phẩm potassium benzoate + HCl → benzoic acid:

$\text{C}_6\text{H}_5\text{COOK} + \text{HCl} \to \text{C}_6\text{H}_5\text{COOH} + \text{KCl}$
🔑
RẤT QUAN TRỌNG: Benzene KHÔNG phản ứng với dung dịch $\text{KMnO}_4$ ở điều kiện thường. Chỉ toluene và các alkylbenzene mới phản ứng được (do có nhóm alkyl gắn vào vòng). Đây là điểm phân biệt benzene với các đồng đẳng.
6
Điều chế & ứng dụng

▸ 6.1. Điều chế trong công nghiệp

Phương phápSản 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 đáNaphthalene và các arene đa vòng

Ví dụ — Reforming cyclohexane thành benzene:

$\text{C}_6\text{H}_{12} \xrightarrow{xt,\,t^\circ} \text{C}_6\text{H}_6 + 4\text{H}_2$

Ví dụ — Tổng hợp ethylbenzene từ benzene + ethylene:

$\text{C}_6\text{H}_6 + \text{CH}_2=\text{CH}_2 \xrightarrow{H^+,\,xt} \text{C}_6\text{H}_5-\text{C}_2\text{H}_5$

▸ 6.2. Ứng dụng

AreneỨng dụng
BenzeneTổng hợp styrene, cumene, sản xuất polymer; dung môi; thuốc nhuộm; dược phẩm; chất dẻo; tơ sợi tổng hợp
TolueneSản xuất thuốc nổ TNT (trinitrotoluene); dung môi
Xylene (p-xylene)Sản xuất terephthalic acid → tổng hợp nhựa PET (chai nhựa, tơ sợi)
StyreneSản xuất polystyrene (PS) — nhựa, xốp cách nhiệt
CumeneSản xuất acetone và phenol
NaphthaleneDiệt gián, côn trùng (long não, băng phiến)
🚫
Một số dẫn xuất arene đã bị cấm sử dụng do độc hại:
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.
7
Tổng kết & sai lầm thường gặp

▸ Bảng tổng kết kiến thức

Nội dungKiến thức trọng tâm
Khái niệmHydrocarbon có chứa vòng benzene
Công thức chung$\text{C}_n\text{H}_{2n-6}$ (n ≥ 6)
Cấu tạo benzeneLục giác đều, phẳng, góc 120°, độ dài C–C = 139 pm
Phản ứng thếHalogen hóa ($\text{Br}_2$/$\text{FeBr}_3$); Nitro hóa ($\text{HNO}_3$ đặc/$\text{H}_2\text{SO}_4$ đặc)
Quy tắc thếAlkylbenzene → 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 hóaBenzene KHÔNG với $\text{KMnO}_4$; Toluene CÓ (alkyl → $-\text{COOH}$)
Điều chếReforming dầu mỏ; chưng cất nhựa than đá

▸ 10 sai lầm thường gặp

⚠️ Lưu ý quan trọng
1
Công thức chung arene là $\text{C}_n\text{H}_{2n-6}$ (n ≥ 6), không phải $\text{C}_n\text{H}_{2n-2}$ (đó là alkyne).
2
Benzene KHÔNG làm mất màu dung dịch $\text{KMnO}_4$ và KHÔNG làm mất màu nước $\text{Br}_2$ ở điều kiện thường.
3
Phản ứng thế halogen vào benzene cần $\text{FeX}_3$, t°; phản ứng cộng cần UV, t° — hai điều kiện khác nhau, sản phẩm khác nhau.
4
Khi phản ứng thế vào toluene, tạo 2 sản phẩm chính (ortho và para), không phải 1.
5
Vị trí: ortho = 2, meta = 3, para = 4. Đừng nhầm lẫn 3 vị trí này.
6
Sản phẩm cộng $\text{Cl}_2$ vào benzene là $\text{C}_6\text{H}_6\text{Cl}_6$ (cộng 3 phân tử), không phải $\text{C}_6\text{H}_5\text{Cl}$.
7
Phản ứng nitro hóa cần $\text{HNO}_3$ đặc + $\text{H}_2\text{SO}_4$ đặc, t° ≤ 50°C.
8
Styrene $\text{C}_6\text{H}_5-\text{CH}=\text{CH}_2$ KHÔNG phải đồng đẳng benzene (do có liên kết đôi C=C ngoài vòng).
9
Hydrogen hóa hoàn toàn 1 vòng benzene cần 3 mol $\text{H}_2$. Các nhóm thế trên vòng giữ nguyên.
10
Oxi hóa nhóm alkyl bằng $\text{KMnO}_4$: nhóm alkyl → $-\text{COOH}$ (carboxylic acid), bất kể nhánh dài bao nhiêu.
1
Điểm: 0/28
🔬

Luyện tập Bài 17 — Arene!

28 câu: 22 trắc nghiệm · 2 đúng/sai · 4 tự luận

💡 Gợi ý
ThS. Lê Thị Mai Nhi

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