Tính chất hoá học của Benzen, đồng đẳng Toluen và Hidrocacbon thơm - hoá 11 bài 35

Vậy Benzen C₆H₆ và đồng đẳng Toluen C₇H₈ ... và một số hidrocacbon thơm như Stiren và Naphtalen có công thức cấu tạo như thế nào? Tính chất hoá học và tính chất vật lý ra sao chúng ta sẽ cùng tìm hiểu qua bài viết chi tiết này.

A. BENZEN VÀ ĐỒNG ĐẲNG

I. Công thức cấu tạo của benzen, cách gọi tên benzen và đồng đẳng

1. Cấu tạo phân tử Benzen và đồng đẳng

a) Cấu tạo phân tử của benzen

- Sáu nguyên tử C trong phân tử benzen ở trạng thái lai hóa sp² (lai hóa tam giác).

- Mỗi nguyên tử C sử dụng 3 obitan lai hóa để tạo liên kết σ với 2 nguyên tử C bên cạnh nó và 11 nguyên tử H.

- Sáu obitan p còn lại của 6 nguyên tử C xen phủ bên với nhau tạo thành hệ liên hợp π chung cho cả vòng benzen. Nhờ vậy mà liên kết π ở benzen tương đối bền vững hơn so với liên kết π ở anken cũng như hiđrocacbon không no khác.

- Mô hình phân tử của benzen dạng đặc và rỗng như sau:

mô hình cấu tạo phân tử của benzen

- Biểu diễn công thức cấu tạo dạng rút gọn của Benzen:

công thức cấu tạo của benzen dạng rút gọn

b) Benzen và đồng đẳng

- Benzen C₆H₆ và các hiđrocacbon thơm khác có công thức phân tử là C₇H₈ (toluen), C₈H₁₀ ... lập thành dãy đồng đẳng có công thức phân tử chung là C_nH_2n-6 (n≥6).

2. Cách gọi tên (danh pháp) đồng đẳng, đồng phân của Benzen 

- Một số hiđrocacbon thơm đầu dãy đồng đẳng có công thức cấu tạo và tên gọi được trình bày trong bảng sau:

Cách gọi tên đồng đẳng đồng phân của Benzen

- Từ C₈H₁₀ trở đi có các đồng phân về vị trí tương đối của các nhóm ankyl xung quanh vòng benzen và về cấu tạo mạch cacbon của mạch nhánh.

- Tên hệ thống của các đồng đẳng của benzen được gọi bằng cách gọi tên các nhóm ankyl + benzen. 

II. Tính chất vật lý của Benzen và đồng đẳng

- Các hiđrocacbon thơm đều là chất lỏng hoặc rắn ở điều kiện thường, chúng có nhiệt độ sôi tăng theo chiều tăng của phân tử khối.

- Các hiđrocacbon thơm ở thể lỏng có mùi đặc trưng, không tan trong nước và nhẹ hơn nước, có khả năng hoà tan nhiều chất hữu cơ. 

III. Tính chất hoá học của Benzen và đồng đẳng

1. Phản ứng thế của Benzen

a) Thế nguyên tử H của vòng benzen

* Benzen phản ứng với halogen: Benzen + Br₂

- Cho benzen và brom vào ống nghiệm khô rồi lắc nhẹ hỗn hợp.

- Cho tiếp một ít bột sắt vào ống nghiệm trên, lắc nhẹ. Màu của brom nhạt dần và thấy có khí hiđro bromua thoát ra do đã xảy ra phản ứng thế: 

- Nếu cho các ankylbenzen phản ứng với brom trong điều kiện có bột sắt sẽ thu được hỗn hợp sản phẩm thế brom chủ yếu vào vị trí para và ortho so với nhóm ankyl:

* Benzen phản ứng với axit nitric: Benzen + HNO₃

- Cho benzen vào ống nghiệm chứa sẵn hỗn hợp H₂SO₄ đặc và HNO₃ đặc. Khi đó sẽ thấy có lớp chất lỏng nặng màu vàng nhạt lắng xuống. Đó là nitrobenzen được tạo thành theo phản ứng sau:

* Quy tắc thế: Các ankylbenzen dễ tham gia phản ứng thế nguyên tử H của vòng benzen hơn benzen và sự thế ưu tiên ở vị trí ortho và para so với nhóm ankyl.

b) Thế nguyên tử H của mạch nhánh

- Nếu đun toluen hoặc các ankylbenzen với brom, sẽ xảy ra phản ứng thế nguyên tử H của mạch nhánh tương tự ankan.

- Ví dụ, phản ứng của Toluen với Brom tạo Benzyl bromua: 

2. Phản ứn cộng của Benzen

a) Benzen phản ứng cộng hiđro: Benzen + H₂

 C₆H₆ + 3H₂  C₆H₁₂ (xiclohexan)

b) Benzen phản ứng cộng clo: Benzen + Cl₂

- Dẫn lượng nhỏ khí clo vào bình chứa một ít benzen, đậy kín lại rồi đưa bình ra ngoài ánh nắng. Trong bình xuất hiện khói trắng và thành bình xuất hiện một lớp bột màu trắng, đó là 1,2,3,4,5,6-hexa clo xiclohexan (hexacloran). 

 C₆H₆ + 3Cl₂  C₆H₆Cl₆ (hexacloran)

3. Phản ứng oxi hoá benzen và đồng đẳng

a) Phản ứng oxi hoá không hoàn toàn của benzen và đồng đẳng

- Thí nghiệm:

Benzen và Toluen không làm mất màu dung dịch KMnO₄ ở điều kiện thường

- Khi đun nóng đồng thời cả hai ống nghiệm trong nồi cách thuỷ:

 + Benzen vẫn không làm mất màu dung dịch kali pemanganat KMnO₄. 

 + Toluen làm mất màu dung dịch kali pemanganat, tạo kết tủa mangan đioxit.

 C₆H₅-CH_{3 (toluen)} + KMnO₄  C₆H₅-COOK _{(kali benzoat)} + 2MnO₂↓ + KOH + H₂O

b) Phản ứng oxi hoá hoàn toàn benzen và đồng đẳng

- Các hiđrocacbon thơm khi cháy toả nhiều nhiệt như PTTQ sau:

 C_nH_2n-6 + [(3n-3)/2]O₂  nCO₂ + (n-3)H₂O

B. MỘT SỐ HIĐROCACBON THƠM KHÁC

I. STIREN (VinylBenzen)

1. Cấu tạo và tính chất vật lí của Stiren

a) Cấu tạo của Stiren

- Công thức phân tử:C₈H₈

- Công thức cấu tạo của Stiren:

công thức cấu tạo của stiren (vinylbenzen)

b) Tính chất vật lý của Stiren (vinyl benzen)

- Stiren còn gọi là vinylbenzen là chất lỏng không màu, sôi ở 146⁰C, tan nhiều trong dung môi hữu cơ.

2. Tính chất hoá học của Stiren

a) Stiren phản ứng với dung dịch brom

 C₆H₅-CH=CH₂ + Br_2 (dd) → C₆H₅-CHBr-CH₂Br

b) Stiren phản ứng với hiđro

- Khi cho stiren tác dụng với hiđro dư có xúc tác ở nhiệt độ và áp suất cao sẽ thu được etylxiclohexan:

c) Stiren phản ứng trùng hợp

II. NAPHTALEN

1. Cấu tạo và tính chất vật lí Naphtalen

a) Cấu tạo của Naphtalen

- Công thức phân tử: C₁₀H₈

- Công thức cấu tạo của naphtalen:

b) Tính chất vật lý của Naphtalen

- Naphtalen (băng phiến) là chất rắn, nóng chảy ở 80⁰C, tan trong benzen, ete,... và có tính thăng hoa.

2. Tính chất hoá học của Naphtalen

a) Phản ứng thế của naphtalen

- Naphtalen tham gia phản ứng thế tương tự benzen, nhưng phản ứng xảy ra dễ dàng hơn và thường ưu tiên thế vào vị trí số 1.

• Naphtalen + Br₂

• Naphtalen + HNO₃

b) Phản ứng cộng hidro của naphtalen

- Khi có chất xúc tác, naphtalen cộng hiđro tạo ra đecalin: 

C. ỨNG DỤNG CỦA HIĐROCACBON THƠM

- Benzen là một trong những nguyên liệu quan trọng nhất của công nghiệp hóa hữu cơ. Nó được dùng nhiều chất để tổng hợp các monome trong sản xuất polime làm chất dẻo, cao su, tơ sợi (chẳng hạn polistiren, cao su buna-stiren, tơ capron).

- Từ benzen người ta điều chế ra nitrobenzen,  anilin, phenol dùng để tổng hợp phẩm nhuộm, dược phẩm, thuốc trừ dịch hại,...

- Toluen được dùng để sản xuất thuốc nổ TNT (trinitrotoluen). Ngoài ra, benzen, toluen và các xilen còn được dùng nhiều làm dung môi.

D. BÀI TẬP BENZEN VÀ HIDROCACBON THƠM

Bài 1 trang 159 SGK Hóa 11: Ứng với công thức phân tử C₈H₁₀ có bao nhiêu đồng phân hiđrocacbon thơm?

A. 2 ;    B. 3    C. 4 ;    D. 5

Hãy chọn đáp án đúng

* Lời giải bài 1 trang 159 SGK Hóa 11:

- Đáp án: C.4

- 4 đồng phân hiđrocacbon thơm của C₈H₁₀ là:

Bài 2 trang 159 SGK Hóa 11: Toluen và benzen cùng phản ứng được với chất nào sau đây: (1) dung dịch brom trong CCl₄; (2) dung dịch kali pemanganat; (3) hiđro có xúc tác Ni, đun nóng; (4) Br₂ có bột Fe, đun nóng? Viết phương trình hoá học của các phương trình xảy ra.

* Lời giải bài 2 trang 159 SGK Hóa 11:

- Toluen và benzen cùng phản ứng với hidro có xúc tác Ni khi đung nóng và Br₂ có bột Fe đun nóng.

 C₆H₅-CH₃ + 3H₂  C₆H₁₁-CH₃

 C₆H₅-CH₃ + Br₂  C₆H₅Br-CH₃ + HBr (2 sản phẩm: Brom ở thế ở ví trí o và p)

 C₆H₆ + 3H₂  C₆H₁₂

 C₆H₆ + Br₂  C₆H₅Br

Bài 4 trang 160 SGK Hóa 11: Trình bày phương pháp hoá học phân biệt các chất: benzen, hex-1-en và toluen. Viết phương trình hoá học của các phản ứng đã dùng

* Lời giải bài 4 trang 160 SGK Hóa 11:

- Cho các chất lần lượt tác dụng với dung dịch Br₂, chất nào làm nhạt màu dung dịch Br₂ thì đó là hex-1-en.

- Cho 2 chất còn lại qua dung dịch KMnO₄, chất nào làm mất màu dung dịch KMnO₄ thì đó là toluen.

- Các phương trình phản ứng:

 CH₂=CH-[CH₂]₃-CH₃ + Br_{2 (dd nâu đỏ)} → CH₂Br-CHBr-[CH₂]₃-CH_{3 (không màu)}

 C₆H₅-CH₃ + 2KMnO₄  C₆H₅-COOK + 2MnO₂ + KOH + H₂O

Bài 5 trang 160 SGK Hóa 11: Hiđrocacbon X là chất lỏng có tỉ khối hơi so với không khí bằng 3,17. Đốt cháy hoàn toàn thu được CO₂ có khối lượng bằng 4,28 lần khối lượng của nước. Ở nhiệt độ thường, X không làm mất màu dung dịch brom; khi đun nóng, X làm mất màu KMnO₄.

a) Tìm công thức phân tử và viết công thức cấu tạo của X?

b) Viết phương trình hoá học của phản ứng giữa X với H₂ (xúc tác Ni, đun nóng), với brom (có mặt bột Fe), với hỗn hợp dư của axit HNO₃ và axit H₂SO₄ đậm đặc.

* Lời giải bài 5 trang 160 SGK Hóa 11:

- Ta có: M_X = 3,17. 29 = 92 ⇒ 12x + y = 92  (*)

- Gọi CTPT của X là C_xH_y:

 C_xH_y + [(x+y)/4]O₂ → xCO₂ + (y/2)H₂O

- Theo bài ra, ta có: m_CO2 = 4,28m_H2O ⇒ 44x = 4,28.18.(y/2)⇒ y = 1,14x (**)

- Từ (*) và (**) ⇒ x = 7, y = 8. CTPT của X là C₇H₈

- Từ đề bài ⇒ CTCT của X là Toluen: C₆H₅-CH₃ 

- Các phương trình phản ứng hoá học:

 C₆H₅-CH₃ + 3H₂  C₆H₁₁-CH₃

 C₆H₅-CH₃ + Br₂  C₆H₅Br-CH₃ + HBr (2 sản phẩm: Brom ở thế ở ví trí o và p)

 C₆H₅-CH₃ + HNO₃   C₆H₅NO₂-CH₃ + HBr (2 sản phẩm: NO₂ ở thế ở ví trí o và p)

Bài 6 trang 160 SGK Hóa 11: Đánh dấu (+) vào ô cặp chất phản ứng với nhau theo mẫu sau:

* Lời giải bài 6 trang 160 SGK Hóa 11:

Bài 7 trang 160 SGK Hóa 11: Cho benzen tác dụng với lượng dư HNO₃ đặc có xúc tác H₂SO₄đặc để điều chế nitrobenzen. Tính khối lượng nitrobenzen thu được khi dùng 1,00 tấn benzen với hiệu suất 78,0%.

* Lời giải bài 7 trang 160 SGK Hóa 11:

- Phương trình phản ứng:

  C₆H₆ + HNO₃  C₆H₅NO₂ + H₂O

  78 (g)                           123(g)

  10⁶.78% (g)                   x (g)?

- Do H = 78% nên lượng nitro benzen thu được là:

 % = 1,23.10⁶(g) = 1,23 (tấn)

Bài 8 trang 160 SGK Hóa 11: So sánh tính chất hoá học của etylbenzen với stiren, viết phương trình hoá học của phản ứng để minh hoạ.

* Lời giải bài 8 trang 160 SGK Hóa 11:

a) Sự giống nhau giữa benzen và stiren là đều phản ứng thế

b) Sự khác nhau giữa benzen và stiren

- Etylbenzen có tính chất giống ankan (thể  hiện phản ứng cộng Cl₂ với ánh sáng khuếch tán)

- Stiren có tính chất giống anken (thể hiện phản ứng làm mất màu dung dịch brom và trùng hợp tạo polime)

- PTPƯ các bạn xem lại bài giảng ở trên và tự viết.

Bài 10 trang 160 SGK Hóa 11: Trình bày phương pháp hoá học phân biệt 3 chất lỏng sau: toluen, benzen, stiren. Viết phương trình hoá học của các phản ứng hoá học đã dùng.

* Lời giải bài 10 trang 160 SGK Hóa 11:

- Cho 3 chất lỏng tác dụng với dung dịch KMnO₄ ở nhiệt độ thường, chất nào làm mất màu dung dịch KMnO₄ ở nhiệt độ thường là stiren.

- Với 2 hỗn hợp phản ứng còn lại ta đem đun nóng, chất nào làm mất màu dung dịch KMnO₄(nóng) thì là toluen, còn lại là benzen.

- PTPƯ (tự viết theo bài giảng ở trên).

Bài 11 trang 160 SGK Hóa 11: Khi tách hiđro của 66,25 kg etylbenzen thu được 52,00 kg stiren. Tiến hành phản ứng trùng hợp toàn bộ lượng stiren này thu được hỗn hợp A gồm polistiren và phần stiren chưa tham gia phản ứng. Biết 5,20 gam A vừa đủ làm mất màu của 60,00 ml dung dịch brom 0,15M.

a) Tính hiệu suất của phản ứng tách hiđro của etylbenzen.

b) Tính khối lượng stiren đã trùng hợp.

c) Polistren có phân tử khối trung bình bằng 3,12.10⁵. Tính hệ số trùng hợp trung bình của polime.

* Lời giải bài 11 trang 160 SGK Hóa 11:

a) PTPƯ tách Hidro

 C₆H₅-CH₂-CH₃  C₆H₅-CH=CH₂ + H₂  (1)

 106 kg                     104 kg

 66,25 kg                   x kg

- Theo PTPƯ ở trên ⇒ 

- Mà theo bài ra ta thu được 52kg stiren nên: .100% = 80%

b) Các phương trình phản ứng

- Phản ứng trùng hợp stiren:

- Phản ứng cộng Brom

C₆H₅-CH=CH₂ + Br₂  C₆H₅-CHBr-CH₂Br

- Theo bài ra, ta có: n_Br2 = 0,06.0,15 = 0,009(mol)

- Theo định luật bảo toàn khố lượng: m_A = m_stiren = 52,00 (kg) = 52.000(g)

- Theo đề bài: 5,2 g A tác dụng vừa đủ với 0,009 mol Br₂

 52.000 g A tác dụng vừa đủ với 90 mol Br₂

- Theo PTPƯ cộng brom thì: n_stiren = n_Br2 = 90(mol)

⇒ m_stiren = 90.104 = 9360(g) = 9,36(kg)

⇒ Khối lượng stiren đã tham gia trùng hợp là: m_A - m_stiren = 52 - 9,36 = 42,64 (kg)

c) Hệ số trùng hợp là: