Giáo án Bài 17. Arene (Hydrocarbon thơm)

Tạo tình huống có vấn đề, kích hoạt kiến thức về liên kết đôi của alkene và gợi mở về cấu tạo đặc biệt của vòng benzene.

HS quan sát công thức C₆H₆ của benzene và C₂H₄ của ethene, dự đoán benzene có làm mất màu nước bromine ở điều kiện thường như ethene hay không rồi ghi dự đoán ra giấy nháp. GV nêu câu hỏi dẫn dắt: 'Vòng benzene có ba liên kết đôi theo công thức Kekulé, vì sao benzene không phản ứng cộng như alkene?'

Dự đoán ban đầu của HS và câu hỏi cần giải quyết trong bài: benzene có cấu tạo phẳng, sáu liên kết C–C bằng nhau do electron $\pi$ giải toả nên vòng bền, ưu tiên phản ứng thế thay vì cộng; nước bromine không bị mất màu ở điều kiện thường.

Nêu được khái niệm arene, công thức chung của dãy benzene, đặc điểm cấu tạo vòng benzene và gọi tên được arene đơn giản cùng vị trí ortho, meta, para.

HS làm việc theo nhóm 4 bằng kĩ thuật khăn trải bàn, hoàn thành Phiếu học tập số 1 dựa trên mô hình vòng benzene trên NeoEdu và mô hình phân tử. Nội dung: (1) quan sát mô hình, mô tả cấu tạo vòng benzene; (2) nêu khái niệm arene và công thức $C_nH_{2n-6}$; (3) gọi tên toluene, ethylbenzene, styrene, xylene; (4) xác định vị trí 1,2; 1,3; 1,4 trên vòng.

Kết luận HS rút ra: Benzene C₆H₆ có sáu carbon phẳng, mỗi carbon gắn một H, sáu liên kết C–C tương đương do electron $\pi$ giải toả; hai công thức Kekulé không phải hai đồng phân riêng. Arene là hydrocarbon có một hay nhiều vòng benzene; dãy đồng đẳng benzene một vòng có công thức $C_nH_{2n-6}$ ($n \ge 6$) nhưng công thức này không áp dụng cho mọi arene. Toluene C₆H₅CH₃ và ethylbenzene C₆H₅CH₂CH₃ thuộc dãy này; styrene C₆H₅CH=CH₂ có liên kết đôi ở nhánh nên khác alkylbenzene. Vị trí 1,2 là ortho, 1,3 là meta, 1,4 là para; xylene có 3 đồng phân vị trí.

Viết được phương trình phản ứng thế bromine, nitro hoá và cộng hydrogen của benzene; giải thích được vì sao benzene ưu tiên phản ứng thế để giữ vòng thơm.

HS làm việc cặp đôi, đọc sách và quan sát mô phỏng 3D 'Benzene với HNO₃ đặc, xúc tác H₂SO₄ đặc trong nồi cách thuỷ 50 – 60 °C' trên NeoEdu. Hoàn thành Phiếu học tập số 2, phần A: (1) viết phương trình phản ứng thế bromine của benzene với xúc tác FeBr₃; (2) viết phương trình nitro hoá benzene; (3) viết phương trình hydrogen hoá benzene; (4) giải thích vì sao benzene không làm mất màu nước bromine ở điều kiện thường; (5) nêu đặc điểm nhận biết phản ứng thế ở vòng thơm. GV lưu ý: chỉ quan sát mô phỏng, không thực hiện nitro hoá hay bromine hoá thật.

Phương trình HS cần viết: $\mathrm{C_6H_6 + Br_2 \rightarrow C_6H_5Br + HBr}$ (xúc tác FeBr₃); $\mathrm{C_6H_6 + HNO_3 \rightarrow C_6H_5NO_2 + H_2O}$ (HNO₃ đặc, xúc tác H₂SO₄ đặc, tạo nitrobenzene); $\mathrm{C_6H_6 + 3H_2 \rightarrow C_6H_{12}}$ (cần xúc tác và điều kiện mạnh). Kết luận: benzene ưu tiên phản ứng thế H của vòng, giữ hệ thơm; phản ứng cộng chỉ xảy ra ở điều kiện mạnh nên benzene không làm mất màu nước bromine ở điều kiện thường. Mô phỏng cho thấy vòng giữ nguyên, lớp hữu cơ chuyển vàng nhạt do nitrobenzene (ρ = 1,2 g/mL) tạo thành.

Nêu được phản ứng oxi hoá mạch nhánh của toluene và phản ứng cộng Br₂ ở nhánh của styrene; so sánh được với phản ứng của vòng benzene.

HS học theo kĩ thuật mảnh ghép. Vòng 1 (nhóm chuyên gia A): nghiên cứu toluene và phản ứng oxi hoá mạch nhánh bằng KMnO₄ nóng, sau acid hoá cho benzoic acid. Vòng 1 (nhóm chuyên gia B): nghiên cứu styrene và phản ứng cộng Br₂ vào liên kết C=C ở nhánh. Vòng 2: ghép nhóm mới gồm đủ A và B, điền Phiếu học tập số 2, phần B: chất, vị trí phản ứng, tác nhân, sản phẩm, có giữ vòng thơm hay không. Viết sơ đồ $\mathrm{C_6H_5CH_3 \rightarrow C_6H_5COOH}$ (KMnO₄ nóng, sau đó acid hoá) và $\mathrm{C_6H_5CH{=}CH_2 + Br_2 \rightarrow C_6H_5CHBrCH_2Br}$.

Kết luận HS rút ra: toluene bị oxi hoá ở mạch nhánh bởi KMnO₄ nóng, sau acid hoá cho benzoic acid C₆H₅COOH; benzene khó bị oxi hoá trong điều kiện này. Styrene cộng Br₂ vào liên kết C=C ở nhánh tạo C₆H₅CHBrCH₂Br, khác với phản ứng thế ở vòng benzene. Bảng so sánh hoàn chỉnh: benzene – thế vòng, giữ vòng thơm, tạo HBr; toluene – oxi hoá nhánh, vòng thơm được giữ; styrene – cộng vào nhánh C=C.

Củng cố khái niệm arene, cấu tạo vòng benzene, cách gọi tên và vị trí thế; tính được số mol H₂ trong phản ứng hydrogen hoá.

HS làm bài tập 1 đến 7 đã cho bằng hình thức trắc nghiệm nhanh, ghi đáp án vào bảng con. Nội dung: (1) cấu tạo liên kết C–C trong benzene; (2) vị trí 1,4 trên vòng; (3) số mol H₂ khi hydrogen hoá 0,20 mol benzene; (4) đánh giá đúng/sai bốn phát biểu a–d; (5) chọn chất thuộc dãy đồng đẳng benzene một vòng với nhánh alkyl no; (6) ghép chất với công thức; (7) số đồng phân vị trí của xylene.

Đề và đáp án: 1. Đáp án B (sáu liên kết C–C tương đương do electron $\pi$ giải toả). 2. Đáp án C (1,4 là para). 3. $n_{H_2} = 3 \times 0{,}20 = 0{,}60$ mol. 4. a) S; b) Đ; c) S; d) Đ. 5. Đáp án A, B, D (toluene, ethylbenzene, xylene); styrene không thuộc dãy vì có nhánh vinyl không no. 6. Benzene – $\mathrm{C_6H_6}$; toluene – $\mathrm{C_7H_8}$; styrene – $\mathrm{C_8H_8}$. 7. Xylene có 3 đồng phân vị trí (1,2; 1,3; 1,4).

Viết đúng phương trình phản ứng thế bromine của benzene và phản ứng cộng bromine ở nhánh styrene; phân biệt được hai loại phản ứng.

HS làm bài tập 8 đã cho: viết phản ứng thế bromine của benzene và phản ứng cộng bromine ở nhánh styrene, nêu sự khác nhau. Sau đó trao đổi với bạn cùng bàn, đổi vở và tự chấm theo thang điểm gợi ý.

Đề bài 8 và đáp án: $\mathrm{C_6H_6 + Br_2 \rightarrow C_6H_5Br + HBr}$ (xúc tác FeBr₃) – 1 điểm; $\mathrm{C_6H_5CH{=}CH_2 + Br_2 \rightarrow C_6H_5CHBrCH_2Br}$ – 1 điểm; phân biệt: phản ứng đầu thay H, giữ vòng thơm và tạo HBr; phản ứng sau cộng vào C=C ở nhánh, không tạo HBr theo sơ đồ này – 1 điểm. Tổng tối đa 3 điểm.

Vận dụng kiến thức về tính chất và ứng dụng của arene để phân tích lợi ích và rủi ro, rèn luyện ý thức an toàn hoá học và khả năng đọc thông tin có phê phán.

HS làm việc nhóm 4, lập infographic (hoặc sơ đồ tư duy) với hai cột: 'Ứng dụng' và 'Tác hại, cần lưu ý'. Cột ứng dụng: sản xuất polystyrene, thuốc nhuộm, dược phẩm, thuốc nổ TNT; toluene và xylene làm dung môi. Cột tác hại: benzene gây ung thư; toluene và dung môi thơm có nguy cơ phơi nhiễm và cháy. Nhóm trả lời câu hỏi: 'Công dụng làm nguyên liệu có phải là bằng chứng an toàn khi tiếp xúc trực tiếp không? Vì sao?' Nếu dữ kiện mô hình chưa đủ, cần nêu rõ thiếu giả thiết.

Infographic gồm: ứng dụng (polystyrene, thuốc nhuộm, dược phẩm, TNT, dung môi toluene và xylene); tác hại (benzene gây ung thư, toluene và dung môi thơm dễ phơi nhiễm và gây cháy); kết luận: công dụng làm nguyên liệu không đồng nghĩa với an toàn; cần sử dụng hoá chất theo quy định, không tự pha trộn hay đốt dung môi thơm; trong học tập chỉ sử dụng dữ liệu và mô phỏng.