$A$. LÝ THUYẾT
$I$. Tính chất hóa học benzen
$1$. Phản ứng thế
$a$, Phản ứng halogen hóa
- Khi co bột $Fe$ làm xúc tác , benzen tác dụng với Brom khan tạo brombenzen
$C_6H_6 + Br_2$ $\overset{Fe}{\rightarrow}$ $C_6H_5Br + HBr$
- Touluen phản ứng thế nhanh hơn Benzen và tạo $2$ sản phẩm vào $2$ vị trí là $ortho$ và $para$
$C_6H_5CH_3 + Br_2$ $\overset{Fe }{\rightarrow}$ $[o-C_6H_4(CH_3)Br và p-C_6H_4(CH_3)Br] + HBr$
- TH điều kiện xúc tác không phải là $Fe$ mà là ánh sáng thì $Br_2$ sẽ thế vào nhóm $-CH_3$
$b$, Phản ứng nitro hóa
- Benzen tác dụng với $HNO_3$ đặc có $H_2SO_4$ đậm đặc xúc tạo tạo nitro benzen
$C_6H_6 + HNO_3$ $\overset{H_2SO_4}{\rightarrow}$ $C_6H_5NO_2 + H_2O$
- Nitro benzen tác dụng với $HNO_3$ bốc khói và $H_2SO_4$ đậm đặc tạo m-đinitro benzen
$C_6H_5NO_2 + HNO_3$ $\overset{H_2SO_4}{\rightarrow}$ $m-C_6H_4(NO_2)_2 + H_2O$
- Toluen pư với $HNO_3$ dễ dàng hơn và tạo $2$ sản phẩm ở vị trí $o-$ va $p-$
$c$. Quy luật thế ở vòng benzen
- Khi ở vòng benzen có sẵn nhóm Ankyl ( hay các nhóm $-OH,-NH_2,-OCH_3$...) phản ứng thế sẽ vào vòng dễ dàng hơn ở vị trí $o-$ và $p-$ . Ngược lại nếu ở vòng benzen có sẵn các nhóm hút e như $-NO_2,-COOH,-SO_3H$... thì phản ứng thế vào vòng sẽ khó hơn và ưu tiên vào vị trí $m-$
$2$. Phản ứng cộng
- Khi đun nóng Benzen cộng $H_2$ hoặc halogenua tạo vòng xicloankan
$C_6H_6 + 3H_2$ $\overset{Ni,t}{\rightarrow}$ $C_6H_{12}$
$3$. Phản ứng oxi hóa
- Benzen không làm mất màu dung dịch $KMnO_4$
- Các ankyl benzen khi đun nóng với dung dịch $KMnO_4$ thì chỉ có nhóm ankyl bị oxi hóa
$C_6H_5CH_3$ $\overset{KMnO_4,H_2O,t}{\rightarrow}$ $C_6H_5COOK$ $\overset{HCl}{\rightarrow}$ $C_6H_5COOH$
- Các aren cháy trong không khí tạo nhiều muội than, khi cháy hoàn toàn thì tạo $CO_2$ và $H_2O$
$C_6H_6 + 15/2O_2$ $\overset{t}{\rightarrow}$ $6CO_2$ + $3H_2O$
$II$. Stiren
+ Phản ứng cộng
$C_6H_5CH=CH_2 + Br_2$ $\rightarrow $ $C_6H_5CHBr-CH_2Br$
+ Phản ứng trùng hợp
$nC_6H_5CH=CH_2$ $\overset{xt,t,p}{\rightarrow}$ $(-CH(C_6H_5)-CH_2-)_n$
$B$. CÁC DẠNG BÀI TẬP VỀ AREN
$I$. Phản ứng thế
+ Phản ứng clo hóa và brom hóa ( $Fe,t$) hoặc pư nitro hóa ($H_2SO_4$ đặc) đối vơi hidrocacbon thơm cần phải chú ý đến quy tắc thế ở vòng benzen
+ Phản ứng clo hóa và brom hóa có thể xảy ra ở phần mạch nhánh no của hidrocacbon thơm khi có điều kiện ánh sáng
+ Dạng này nên sử dụng phương pháp TB
* CÁC VÍ DỤ MINH HỌA
Ví dụ $1$ : Lượng clobenzen thu được khi cho $15,6$ gam $C_6H_6$ tác dụng hết với Clo ( xúc tác $Fe, t^o$) với hiệu suất $80$% là
A. $14$ gam B. $16$ gam C. $18$ gam D. $20$ gam
Giải :
$n_{C_6H_6}$ pư = $\frac{15,6}{78}$. $80$% = $0,16$ mol
$C_6H_6 + Cl_2$ $\overset{Fe,t}{\rightarrow}$ $C_6H_5Cl + HCl$
$0,16 0,16$
Vậy $m_{C_6H_5Cl} = 0,16.112,5 = 18$ gam
=> Đáp án $C$
Ví dụ $2$ : Nitro hóa benzen được $14,1$ gam hỗn hợp $2$ chất nitro có khối lượng phân tử hơn kém nhau $45$ đvC. Đốt cháy hoàn toàn $2$ chất nitro này thu được $0,07$ mol $N_2$ . Hai chất nitro đó là
A. $C_6H_5NO_2$ và $C_6H_4(NO_2)_2$ B. $C_6H_4(NO_2)_2$ và $C_6H_3(NO_2)_3$
C. $C_6H_3(NO_2)_3$ và $C_6H_2(NO_2)_4$ D. $C_6H_2(NO_2)_4$ và $C_6H(NO_2)_5$
Giải :
Đặt công thức $2$ hợp chất nitro là $C_6H_{6-n}(NO_2)_n$
$C_6H_{6-n}(NO_2)_n + O_2$ $\overset{t}{\rightarrow}$ $6CO_2 + (6-n)/2H_2O + n/2N_2$
$x n.x/2$
Theo pt và giả thiết ta có $\left\{ \begin{array}{l} (78 + 45n).x = 14,1\\ n.x/2 = 0,07 \end{array} \right.$ => $\left\{ \begin{array}{l} x = 0,1\\ n = 1,4 \end{array} \right.$
Theo giả thiết $2$ chất nitro có KLPT hơn kém nhau $45$ đcV nên chúng hơn kém nhau $1$ nhóm $-NO_2$
=> $2$ chất nitro là $C_6H_4(NO_2)_2$ và $C_6H_5NO_2$
=> Đáp án $A$
$II$. Phản ứng trùng hợp
Ví dụ : Tiến hành phản ứng trùng hợp $10,4$ gam stiren được hồn hợp $X$ gồm polistiren và stiren dư . Cho $X$ tác dụng với $200$ ml dung dịch Brom $0,15$M , sau đó cho dung dịch $KI$ vào thấy xuất hiện $1,27$ gam $I_2$ . Hiệu suất trùng hợp Stiren là
A. $60$% B. $75$% C. $80$% D. $83,33$%
Giải :
$n_{C_8H_8} = 10,4/104 = 0,1$ mol ; $n_{Br_2} = 0,15.2 = 0,3$ mol ; $n_{I_2} = 1,27/254 = 0,005$ mol
$nCH(C_6H_5)=CH_2$ $\overset{xt,t,p}{\rightarrow}$ $(-CH(C_6H_5)-CH_2-)_n$ ($1$)
$C_6H_5CH=CH_2 + Br_2$ $\overset{}{\rightarrow}$ $C_6H_5CHBr-CH_2Br$ ($2$)
$KI + Br_2$ $\overset{}{\rightarrow}$ $KBr + I_2$ ($3$)
Theo pt ($3$) $n_{Br_2}$ dư = $0,005$ mol => $n_{Br_2}$($2$) = $0,025$ = $n_{C_6H_5CH=CH_2}$ dư
=> $n_{C_6H_5CH=CH_2}$ pư = $0,075$ mol => $H$% = $0,075/0,1 .100$% = $75$%
=> Đáp án $B$
$III$. Phản ứng oxi hóa
+ Phản ứng oxi hóa không hoàn toàn : Benzen không bị oxi hóa bởi dung dịch $KMnO_4$ nhưng các đồng đẳng của Benzen thì có
$C_6H_5CH_3$ $\overset{KMnO_4,H_2O,t}{\rightarrow}$ $C_6H_5COOK$ $\overset{HCl}{\rightarrow}$ $C_6H_5COOH$
$5H_3C-C_6H_4-CH_3 + 12KMnO_4 + 18H_2SO_4$ $\rightarrow $ $5HOOC-C_6H_4-COOH + 6K2SO_4 + 12MnSO_4 + 28H_2O$
$C_6H_5-CH_2-CH_2-CH_3 + 2KMnO_4 + 3H_2SO_4$ $\rightarrow $ $C_6H_5COOH + CH_3COOH + K_2SO_4 + 2MnSO_4 + 4H_2O$
+ Phản ứng oxi hóa hoàn toàn : $nC_nH_{2n-6}$ = $\frac{nCO_2 - nH_2O}{3}$
* CÁC VÍ DỤ MINH HỌA
Ví dụ $1$ : Đốt cháy hoàn toàn một thể tích hơi hợp chất hữu cơ $A$ cần $10$ thể tích $O_2$ ( đo cùng điều kiện) , sản phẩm thu được chỉ gồm $CO_2$ và $H_2O$ với $m_{CO_2} : m_{H_2O} = 44 : 9$ . Biết $M_A < 150$ . $A$ có CTPT là
A. $C_4H_6O$ B. $C_8H_8O$ C. $C_8H_8$ D. $C_2H_2$
Giải :
Theo đề $m_{CO_2} : m_{H_2O} = 44 : 9$ => $n_{CO_2} : n_{H_2O} = 1 : 0,5$ => $n_C : n_H = 1 : 1$
$A$ có thể có hoặc không có $O$ , Đặt công thức $A$ là $C_xH_xO_y$
$C_xH_xO_y$ + ($\frac{5x}{4}$ - $\frac{y}{2}$)$O_2$ $\overset{t}{\rightarrow}$ $CO_2 + x/2H_2O$
$1$ $\frac{5x}{4}$ - $\frac{y}{2}$
Theo giả thiết và pt ta có ($\frac{5x}{4}$ - $\frac{y}{2}$) = $10$ => $\left\{ \begin{array}{l} x = 8\\ y = 0 \end{array} \right.$
=> CTPT của $A$ là $C_8H_8$
=> Đáp án $C$
Ví dụ $2$ : $A,B,C$ là ba chất hữu cơ có %$C$, %$H$ ( theo khối lượng) lần lượt là $92,3$% và $7,7$% tỉ lệ khối lương mol tương ứng là $1 : 2 : 3$ . Từ $A$ có thể điều chế $B$ hoặc $C$ bằng $1$ phản ứng . $C$ không làm mất màu Brom. Đốt cháy $0,1$ mol $B$ rồi dẫn toàn bộ sản phẩm cháy qua bình đựng dung dịch nước vôi trong dư . Khối lượng dung dịch tăng giảm bao nhiêu gam
A. Tăng $21,2$ gam B. Tăng $40$ gam C. Giảm $18,8$ gam D. Giảm $21,2$ gam
Giải :
Theo giả thiết thấy $A,B,C$ có cùng công thức đơn giản nhất
$n_C : n_H$ = $\frac{92,3}{12}$ : $\frac{7,7}{1}$ = $1 : 1$
=> CTĐGN của $A,B,C$ là $CH$
Từ $A$ có thể điều chế $B$ hoặc $C$ bằng $1$ phản ứng , $C$ không làm mất màu nước brom nên $A$ là $C_2H_2$ , $B$ là $C_4H_4$ và $C$ là $C_6H_6$
$C_4H_4$ $\overset{O_2,t}{\rightarrow}$ $4CO_2 + 2H_2O$
$0,1 0,4 0,2$
$CO_2 + Ca(OH)_2 => CaCO_3 + H_2O$
$0,4 0,4$
$m_{CO_2} + m_{H_2O} = 0,4.44 + 0,2.18 = 21,2$ gam
$m_{CaCO_3} = 0,4.100 = 40$ gam => khối lượng dung dịch giảm = $40 - 21,2 = 18,8$ gam
=> Đáp án $C$
$C$. BÀI TÂP TỰ LUYỆN
Câu $1$ : Cho $100$ ml Benzen ( $d = 0,879$ gam/ml) tác dụng với $1$ lượng vừa đủ brom lỏng ( xúc tác bột $Fe$ )thu được $80$ ml brombenzen ( $d = 1,495$ gam/ml)/ Hiệu suất phản ứng là
A. $67,6$% B. $73,49$% C. $85,3$% D. $65,35$%
Câu $2$ : Nitro hóa benzen thu được hốn hợp $2$ chất hữu cơ $X,Y$ trong đó $Y$ nhiều hơn $X$ một nhóm $-NO_2$ . Đốt cháy hoàn toàn $12,75$ gam hỗn hợp $X,Y$ thu được $CO_2$ và $H_2O$ và $1,232$ lít $N_2$ (Đktc). Công thức phân tử và số mol của $X$ trong hỗn hợp là
A. $C_6H_5NO_2 ; 0,9$ B. $C_6H_5NO_2 ; 0,09$
C. $C_6H_4(NO_2)_2 ; 0,1$ D. $C_6H_5NO_2 ; 0,19$
Câu $3$ : Đốt cháy hết $9,18$ gam $2$ đồng đẳng kế tiếp thuộc dãy đồng đẳng của benzen $A,B$ thu được $H_2O$ và $30,36$ gam $CO_2$ . CTPT của $A,B$ là
A. $C_6H_6; C_7H_8$ B. $C_8H_{10}; C_9H_{12}$
C. $C_7H_8; C_9H_{12}$ D. $C_9H_{12}; C_{10}H_{14}$
Câu $4$ : $1,3$ gam chất $A$ cháy hoàn toàn thu được $4,4$ gam $CO_2$ và $0,9$ gam $H_2O$ . Tỉ khối của $A$ so với Oxi là $d$ thỏa mãn điều kiện $3 < d < 3,5$ . CTPT của $A$ là
A. $C_2H_2$ B. $C_8H_8$ C. $C_4H_4$ D. $C_6H_6$
Câu $5$ : Đề hidro hóa etylbenzen ta thu được stiren ; trùng hợp stiren ta được polistiren với hiệu suất $80$% . Khối lượng etylbenzen cần thiết để sản xuất $10,4$ tấn polistiren là
A. $13,52$ tấn B. $10,6$ tấn C. $13,25$ tấn D. $8,48$ tấn
Câu $6$ : Đốt $0,13$ gam mỗi chất $A,B$ đều thu được $0,01$ mol $CO_2$ và $0,09$ mol $H_2O$ . Tỉ khối hơi của $A$ so với $B$ là $3$. tỉ khối hơi của $B$ so với $H_2$ là $13$. CTPT của $A,B$ là
A. $C_2H_2; C_6H_6$ B. $C_6H_6; C_2H_2$
C. $C_2H_2; C_4H_4$ D. $C_6H_6; C_8H_8$
Câu $7$ : Đốt cháy hoàn toàn $1,3$ gam $A$ ($C_xH_y$) tạo ra $0,9$ gam $H_2O$. Công thức của $A$ là
A. $(CH)_n$ B. $(C_2H_3)_n$ C. $(_C3H_4)_n$ D. $(C_4H_7)_n$
Câu $8$ : Cho $a$ gam chất $A$ ($C_xH_y$) cháy thu được $13,2$ gam $CO_2$ và $3,6$ gam $H_2O$. Tam hợp $A$ thu được $B$ ,một đồng đẳng của ankylbenzen. Công thức của $A,B$ là
A. $C_3H_6; C_9H_8$ B. $C_2H_2; C_6H_6$
C. $C_3H_4; C_9H_{12}$ D. $C_9H_{12}; C_3H_4$
Câu $9$ : Khi đốt $1,12$ lít khí thiên nhiên chứa $CH_4, N_2 ,CO_2$ cần $2,128$ lít $O_2$ . Các thể tích đo ở cùng điều kiện. Phần trăm $CH_4$ trong khí thiên nhiên là
A. $93$% B. $94$% C. $95$% D. $96$%
Câu $10$ : Biết $1$ mol khí axetilen cháy hoàn toàn tỏa ra $1$ lượng nhiệt là $1320$ kJ . Nhiệt lượng tỏa ra khi đốt cháy $1$ kg Axetilen là
A. $50769,24 kJ B. $50976,2$ kJ C. $50697,2$ kJ D. $50679,2$ kJ
Đáp án : $1A 2B 3B 4B 5C 6B 7A 8C 9C 10A$