Câu hỏi mở đầu trang 102

Đề bài: Làm thế nào có thể lựa chọn và sử dụng các sản phẩm được sản xuất từ arene và dẫn xuất của nó an toàn, thân thiện với môi trường?

Lời giải:

Arene là những chất độc, đặc biệt benzene làm tăng nguy cơ gây ung thư. Vì vậy, để sử dụng các sản phẩm từ arene an toàn, thân thiện với môi trường:

• Tuân thủ quy tắc an toàn: không tiếp xúc trực tiếp với arene (đặc biệt là benzene); sử dụng đồ bảo hộ.
• Hạn chế và loại bỏ các hoá chất bị cấm như DDT, 666 (1,2,3,4,5,6-hexachlorocyclohexane).
• Ưu tiên các thuốc bảo vệ thực vật thế hệ mới vừa hiệu quả vừa an toàn.
• Hướng đến công nghệ tổng hợp hữu cơ xanh, sử dụng nguyên liệu có nguồn gốc thiên nhiên, thân thiện với môi trường.

I. Tính chất vật lí và trạng thái tự nhiên

Câu 1 trang 104

Đề bài: Hãy so sánh nhiệt độ sôi của benzene, toluene, o-xylene (Bảng 17.1) và giải thích.

Lời giải:

So sánh: Dựa vào Bảng 17.1:

→ Nhiệt độ sôi tăng dần: benzene < toluene < o-xylene.

Giải thích: Số nguyên tử carbon trong phân tử tăng (phân tử khối tăng) → lực tương tác giữa các phân tử tăng → nhiệt độ sôi tăng.

II. Tính chất hoá học

1. Phản ứng thế

Hoạt động trang 105 – Nghiên cứu phản ứng nitro hoá benzene

Đề bài: Phản ứng nitro hoá benzene được thực hiện như mô tả trong Hình 17.2: cho $\text{H}_2\text{SO}_4$ đặc, $\text{HNO}_3$ đặc và benzene vào bình cầu có sinh hàn hồi lưu, đun nóng ở 60–80 °C trong 60 phút. Để nguội, chiết hỗn hợp thì thấy tách thành hai lớp: lớp trên là sản phẩm phản ứng, lớp dưới là hỗn hợp hai acid. Chiết lấy lớp trên, rửa bằng nước lạnh thu được chất lỏng màu vàng, nặng hơn nước. Hãy cho biết chất lỏng màu vàng là chất gì và giải thích.

Lời giải:

Chất lỏng màu vàng là nitrobenzene ($\text{C}_6\text{H}_5\text{NO}_2$).

Giải thích:

• Benzene phản ứng với $\text{HNO}_3$ đặc (xúc tác $\text{H}_2\text{SO}_4$ đặc, đun nóng) tạo nitrobenzene:

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

• Nitrobenzene là chất lỏng màu vàng nhạt, sánh như dầu, nặng hơn nước và không tan trong nước nên khi rửa bằng nước lạnh sẽ nằm ở phần dưới của phễu chiết.

Câu 2 trang 105

Đề bài: Viết phương trình hoá học của phản ứng giữa ethylbenzene với các tác nhân sau:

a) $\text{Br}_2/\text{FeBr}_3$, $t^o$.

b) $\text{HNO}_3$ đặc/$\text{H}_2\text{SO}_4$ đặc.

Lời giải:

Phân tích: Ethylbenzene ($\text{C}_6\text{H}_5-\text{C}_2\text{H}_5$) có nhóm ethyl ($-\text{C}_2\text{H}_5$) là nhóm alkyl gắn vào vòng benzene → theo quy tắc thế, nhóm thế mới sẽ ưu tiên vào vị trí ortho và para so với nhóm ethyl.

a) Ethylbenzene + $\text{Br}_2/\text{FeBr}_3$:

• Hướng thế vào vị trí ortho (tạo 2-bromoethylbenzene):

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

• Hướng thế vào vị trí para (tạo 4-bromoethylbenzene):

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

(Thu được hỗn hợp 2 sản phẩm chính: 2-bromoethylbenzene (ortho) và 4-bromoethylbenzene (para).)

b) Ethylbenzene + $\text{HNO}_3$ đặc/$\text{H}_2\text{SO}_4$ đặc:

• Hướng thế vào vị trí ortho (tạo 2-nitroethylbenzene):

  $$\text{C}_6\text{H}_5-\text{C}_2\text{H}_5 + \text{HNO}_{3 \text{ (đặc)}} \xrightarrow{\text{H}_2\text{SO}_{4 \text{ (đặc)}}, t^\circ} o\text{-O}_2\text{N-C}_6\text{H}_4-\text{C}_2\text{H}_5 + \text{H}_2\text{O}$$

• Hướng thế vào vị trí para (tạo 4-nitroethylbenzene):

  $$\text{C}_6\text{H}_5-\text{C}_2\text{H}_5 + \text{HNO}_{3 \text{ (đặc)}} \xrightarrow{\text{H}_2\text{SO}_{4 \text{ (đặc)}}, t^\circ} p\text{-O}_2\text{N-C}_6\text{H}_4-\text{C}_2\text{H}_5 + \text{H}_2\text{O}$$

(Thu được hỗn hợp 2 sản phẩm chính: 2-nitroethylbenzene (ortho) và 4-nitroethylbenzene (para).)

2. Phản ứng cộng

Hoạt động trang 106 – Nghiên cứu phản ứng cộng chlorine vào benzene

Đề bài: Dẫn một lượng nhỏ khí chlorine vào bình nón chứa một ít benzene, đậy kín lại rồi đưa bình ra ngoài ánh nắng. Trong bình xuất hiện khói trắng và trên thành bình thấy xuất hiện một lớp bột màu trắng. Hãy cho biết lớp bột màu trắng trên thành bình là chất gì. Giải thích.

Lời giải:

Lớp bột màu trắng là 1,2,3,4,5,6-hexachlorocyclohexane ($\text{C}_6\text{H}_6\text{Cl}_6$).

Giải thích: Dưới ánh sáng tử ngoại (ánh nắng), benzene cộng với chlorine theo tỉ lệ 1 : 3 tạo ra 1,2,3,4,5,6-hexachlorocyclohexane là chất rắn màu trắng bám trên thành bình.

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

Câu 3 trang 106

Đề bài: Viết phương trình hoá học của phản ứng xảy ra khi hydrogen hoá hoàn toàn toluene và p-xylene, sử dụng xúc tác nickel.

Lời giải:

Lưu ý: Khi hydrogen hoá hoàn toàn arene, mỗi vòng benzene cộng 3 phân tử $\text{H}_2$ để chuyển thành vòng cyclohexane.

a) Hydrogen hoá toluene:

$$\text{C}_6\text{H}_5-\text{CH}_3 + 3\text{H}_2 \xrightarrow{\text{Ni},\, t^o,\, \text{áp suất}} \text{C}_6\text{H}_{11}-\text{CH}_3$$

(Sản phẩm: methylcyclohexane.)

b) Hydrogen hoá p-xylene:

$$p\text{-CH}_3-\text{C}_6\text{H}_4-\text{CH}_3 + 3\text{H}_2 \xrightarrow{\text{Ni},\, t^o,\, \text{áp suất}} 1{,}4\text{-(CH}_3)_2\text{C}_6\text{H}_{10}$$

(Sản phẩm: 1,4-dimethylcyclohexane.)

Câu 4 trang 106

Đề bài: Hydrogen hoá hoàn toàn arene X (công thức phân tử $\text{C}_8\text{H}_{10}$) có xúc tác nickel thu được sản phẩm là ethylcyclohexane. Viết công thức cấu tạo của X.

Lời giải:

Phân tích:

• Sản phẩm là ethylcyclohexane có cấu trúc: 1 vòng cyclohexane gắn nhóm ethyl ($-\text{C}_2\text{H}_5$).
• Khi hydrogen hoá arene, chỉ vòng benzene chuyển thành vòng cyclohexane, nhóm thế giữ nguyên.

→ Vậy X phải là arene có 1 vòng benzene gắn nhóm ethyl, tức là ethylbenzene ($\text{C}_6\text{H}_5-\text{C}_2\text{H}_5$).

Phương trình kiểm chứng:

$$\text{C}_6\text{H}_5-\text{C}_2\text{H}_5 + 3\text{H}_2 \xrightarrow{\text{Ni},\, t^o} \text{C}_6\text{H}_{11}-\text{C}_2\text{H}_5$$

3. Phản ứng oxi hoá

Hoạt động trang 107 – Nghiên cứu phản ứng oxi hoá toluene và benzene bằng dung dịch $\text{KMnO}_4$

Đề bài: Cho vào hai ống nghiệm, mỗi ống 1 mL dung dịch $\text{KMnO}_4$ 0,05 M và 1 mL dung dịch $\text{H}_2\text{SO}_4$ 2 M. Cho tiếp vào ống (1) 1 mL benzene, ống (2) 1 mL toluene. Lắc đều rồi đậy nút. Đun cách thuỷ hai ống nghiệm trong nồi nước nóng. Quan sát thấy ống (2) màu tím nhạt dần và mất màu, ống (1) vẫn giữ nguyên màu tím. Nhận xét khả năng phản ứng của benzene và toluene với $\text{KMnO}_4$. Giải thích.

Lời giải:

Nhận xét:

• Benzene không phản ứng với dung dịch $\text{KMnO}_4$ (ngay cả khi đun nóng) → ống (1) vẫn giữ màu tím.
• Toluene có phản ứng với dung dịch $\text{KMnO}_4$ khi đun nóng → ống (2) mất màu tím.

Giải thích:

• Benzene chỉ có vòng thơm, không có nhóm alkyl → không bị $\text{KMnO}_4$ oxi hoá ở điều kiện này.
• Toluene có nhóm methyl ($-\text{CH}_3$) gắn với vòng benzene. Nhóm alkyl này bị $\text{KMnO}_4$ oxi hoá thành nhóm $-\text{COOH}$, làm $\text{KMnO}_4$ mất màu:

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

Câu 5 trang 107

Đề bài: Terephthalic acid là nguyên liệu để tổng hợp nhựa poly(ethylene terephthalate) (PET) dùng để sản xuất tơ sợi, chai nhựa. Terephthalic acid có thể được tổng hợp từ arene X có công thức phân tử $\text{C}_8\text{H}_{10}$, bằng cách oxi hoá X bởi dung dịch thuốc tím. Hãy xác định công thức cấu tạo của X.

Lời giải:

Phân tích:

• Terephthalic acid có công thức: $\text{HOOC}-\text{C}_6\text{H}_4-\text{COOH}$ với 2 nhóm $-\text{COOH}$ ở vị trí 1,4 (para) trên vòng benzene.
• Khi oxi hoá arene bằng $\text{KMnO}_4$: mỗi nhóm $-\text{CH}_3$ gắn với vòng benzene sẽ bị oxi hoá thành nhóm $-\text{COOH}$.
• Để thu được terephthalic acid (2 nhóm –COOH ở vị trí para) → X phải có 2 nhóm $-\text{CH}_3$ ở vị trí para trên vòng benzene.

→ Vậy X là p-xylene (1,4-dimethylbenzene):

$$p\text{-CH}_3-\text{C}_6\text{H}_4-\text{CH}_3$$

III. Em có thể

Vận dụng trang 109

Đề bài: Trình bày về tầm quan trọng của arene trong công nghiệp hoá học, dược phẩm, sản xuất thuốc bảo vệ thực vật,…

Lời giải:

Arene (chủ yếu là benzene, toluene, xylene, naphthalene, styrene) là nguồn nguyên liệu quan trọng trong nhiều lĩnh vực:

• Công nghiệp hoá học:
  • Benzene → tổng hợp styrene (làm polymer), cumene (sản xuất acetone, phenol), ethylbenzene…
  • Xylene (đặc biệt p-xylene) → nguyên liệu sản xuất terephthalic acid, từ đó tổng hợp nhựa PET dùng làm chai nhựa, tơ sợi.
  • Là nguyên liệu sản xuất dung môi, thuốc nhuộm, chất dẻo, tơ sợi tổng hợp…
• Công nghiệp dược phẩm: nitrobenzene là tiền chất tổng hợp aniline, từ đó sản xuất nhiều loại dược phẩm.
• Sản xuất thuốc bảo vệ thực vật: arene là nguyên liệu tổng hợp các loại thuốc trừ sâu, trừ cỏ thế hệ mới (an toàn hơn).
• Ứng dụng khác:
  • Toluene → nguyên liệu sản xuất TNT (thuốc nổ trong quân sự, khai thác mỏ).
  • Naphthalene → sản xuất chất diệt gián, côn trùng (băng phiến).

Lưu ý quan trọng: Arene có độc tính (benzene có thể gây ung thư) nên cần sử dụng đúng cách, hạn chế tiếp xúc trực tiếp; ưu tiên thuốc thế hệ mới, công nghệ tổng hợp thân thiện môi trường.

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