Bài học

Cấu tạo phân tử và tính chất vật lí của benzene

Mục tiêu bài học

Sau bài này, em viết đúng công thức phân tử C6H6 của benzene, giải thích được vì sao vòng benzene có cấu trúc phẳng với sáu liên kết C–C hoàn toàn giống nhau — không phải ba liên kết đơn xen ba liên kết đôi như công thức Kekulé cổ điển — và nêu được các tính chất vật lí đặc trưng để nhận ra benzene trong thực tế.

Kiến thức nền cần nhớ

Ở Course 6, em đã tính độ bất bão hoà (số liên kết π cộng số vòng) bằng công thức $\Delta = (2C + 2 - H)/2$ cho một hydrocarbon $C_xH_y$ , rồi dùng con số đó để phân biệt alkane ( $\Delta = 0$ ), alkene ( $\Delta = 1$ ) và alkyne ( $\Delta = 2$ ). Bài này áp dụng đúng công cụ đó cho một công thức rất quen thuộc: $C_6H_6$ .

Ở Course 6, em đã tính độ bất bão hoà (số liên kết π cộng số vòng) bằng công thức $\Delta = (2C + 2 - H)/2$ cho một hydrocarbon $C_xH_y$, rồi dùng con số đó để phân biệt alkane ($\Delta = 0$), alkene ($\Delta = 1$) và alkyne ($\Delta = 2$). Bài này áp dụng đúng công cụ đó cho một công thức rất quen thuộc: $C_6H_6$.

Khởi động

Cồn y tế bay hơi nhanh, mùi hắc; benzene tinh khiết cũng bay hơi nhanh nhưng có mùi thơm ngọt dễ chịu — chính mùi này đặt tên cho cả nhóm hợp chất là hydrocarbon thơm (arene). Trớ trêu thay, mùi thơm lại là dấu hiệu nguy hiểm: benzene là chất gây ung thư đã được xác nhận. Cấu trúc phân tử nào khiến benzene vừa bền vững khác thường vừa độc hại đến vậy?

Kiến thức trọng tâm

Thực nghiệm nhiễu xạ tia X lại cho một kết quả khác hẳn: cả sáu liên kết C–C trong benzene dài bằng nhau, khoảng 139 pm — một giá trị trung gian, không phải hai giá trị xen kẽ. Lời giải thích nằm ở cấu trúc electron: mỗi carbon trong vòng ở trạng thái lai hoá sp², tạo ba liên kết $\sigma$ trong mặt phẳng vòng — với hai carbon lân cận và một hydrogen — góc liên kết đều bằng 120°. Mỗi carbon còn một electron ở orbital p thuần khiết, vuông góc với mặt phẳng vòng. Sáu orbital p này xen phủ bên với nhau liên tục quanh cả vòng, tạo thành một hệ electron π giải toả đều trên sáu carbon — không định vị ở ba liên kết đôi cố định như Kekulé hình dung.

Chính sự giải toả này làm benzene bền hơn hẳn so với một vòng có ba liên kết đôi riêng lẻ cộng lại; mức chênh lệch năng lượng này gọi là năng lượng cộng hưởng. Để thể hiện đúng bản chất giải toả, hoá học hiện đại thường vẽ benzene bằng một lục giác có vòng tròn ở giữa, thay cho ba gạch đôi xen kẽ — dù công thức Kekulé với ba gạch đôi vẫn được chấp nhận như một cách viết quy ước.

Áp dụng công thức trên cho $C_6H_6$: $\Delta = (2\cdot 6 + 2 - 6)/2 = 4$. Năm 1865, Kekulé đề xuất benzene là một vòng sáu carbon với ba liên kết đôi xen kẽ ba liên kết đơn (1,3,5-cyclohexatriene) — cấu trúc này cũng cho $\Delta = 4$ (1 vòng cộng 3 liên kết đôi), khớp về mặt số học. Nhưng cấu trúc Kekulé dự đoán sáu liên kết C–C phải có hai độ dài khác nhau rõ rệt: liên kết đơn dài khoảng 154 pm, liên kết đôi ngắn khoảng 134 pm, xen kẽ nhau quanh vòng. Thực nghiệm nhiễu xạ tia X lại cho một kết quả khác hẳn: cả sáu liên kết C–C trong benzene dài bằng nhau, khoảng 139 pm — một giá trị trung gian, không phải hai giá trị xen kẽ. Lời giải thích nằm ở cấu trúc electron: mỗi carbon trong vòng ở trạng thái lai hoá sp², tạo ba liên kết $\sigma$ trong mặt phẳng vòng — với hai carbon lân cận và một hydrogen — góc liên kết đều bằng 120°. Mỗi carbon còn một electron ở orbital p thuần khiết, vuông góc với mặt phẳng vòng. Sáu orbital p này xen phủ bên với nhau liên tục quanh cả vòng, tạo thành một hệ electron π giải toả đều trên sáu carbon — không định vị ở ba liên kết đôi cố định như Kekulé hình dung. Chính sự giải toả này làm benzene bền hơn hẳn so với một vòng có ba liên kết đôi riêng lẻ cộng lại; mức chênh lệch năng lượng này gọi là năng lượng cộng hưởng. Để thể hiện đúng bản chất giải toả, hoá học hiện đại thường vẽ benzene bằng một lục giác có vòng tròn ở giữa, thay cho ba gạch đôi xen kẽ — dù công thức Kekulé với ba gạch đôi vẫn được chấp nhận như một cách viết quy ước.

Sáu liên kết C–C trong benzene có độ dài trung gian và đồng nhất ở cả sáu vị trí — bằng chứng thực nghiệm cho hệ electron π giải toả đều quanh vòng, không phải ba liên kết đôi cố định.

Về tính chất vật lí, ở điều kiện thường benzene là chất lỏng không màu, có mùi thơm đặc trưng, nhiệt độ sôi 80,1 °C, khối lượng riêng 0,879 g/mL — nhẹ hơn nước. Benzene hầu như không tan trong nước nhưng tan tốt trong nhiều dung môi hữu cơ (ether, alcohol...) và bản thân cũng là dung môi tốt cho chất béo, dầu mỡ, nhiều hợp chất hữu cơ khác. Benzene dễ cháy, ngọn lửa có nhiều muội than do tỉ lệ carbon trong phân tử cao. Đây cũng là một chất độc: hít hoặc tiếp xúc lâu dài với benzene liên quan tới bệnh bạch cầu, nên trong phòng thí nghiệm phải thao tác trong tủ hút, tránh hít trực tiếp.

Ví dụ

Xác định độ bất bão hoà và giải thích cấu trúc benzene

1
Benzene có công thức phân tử $C_6H_6$ . Tính độ bất bão hoà $\Delta$ của phân tử và cho biết vì sao không thể coi benzene là một triene mạch hở có ba liên kết đôi cố định xen kẽ.
Benzene có công thức phân tử $C_6H_6$. Tính độ bất bão hoà $\Delta$ của phân tử và cho biết vì sao không thể coi benzene là một triene mạch hở có ba liên kết đôi cố định xen kẽ.
2
Áp dụng công thức $\Delta = (2C + 2 - H)/2$ với $C = 6$ , $H = 6$ : $\Delta = (2\cdot 6 + 2 - 6)/2 = 8/2 = 4$ .
Áp dụng công thức $\Delta = (2C + 2 - H)/2$ với $C = 6$, $H = 6$: $\Delta = (2\cdot 6 + 2 - 6)/2 = 8/2 = 4$.
3
Bốn đơn vị bất bão hoà của benzene gồm 1 vòng khép kín cộng 3 liên kết π — nhưng đây là ba liên kết π tương đương, không phải ba liên kết đôi cố định như ở một triene mạch hở. Nếu benzene thực sự có ba liên kết đôi cố định xen kẽ, sáu liên kết C–C trong vòng phải có hai độ dài khác nhau rõ rệt. Thực nghiệm nhiễu xạ tia X cho thấy cả sáu liên kết C–C dài bằng nhau, khoảng 139 pm — trung gian giữa liên kết đơn và liên kết đôi.
Bốn đơn vị bất bão hoà của benzene gồm 1 vòng khép kín cộng 3 liên kết π — nhưng đây là ba liên kết π tương đương, không phải ba liên kết đôi cố định như ở một triene mạch hở. Nếu benzene thực sự có ba liên kết đôi cố định xen kẽ, sáu liên kết C–C trong vòng phải có hai độ dài khác nhau rõ rệt. Thực nghiệm nhiễu xạ tia X cho thấy cả sáu liên kết C–C dài bằng nhau, khoảng 139 pm — trung gian giữa liên kết đơn và liên kết đôi.
4
Vậy sáu electron π của benzene không định vị ở ba liên kết đôi cố định mà giải toả đều trên cả vòng sáu carbon, tạo một hệ liên kết bền vững hơn ba liên kết đôi riêng lẻ cộng lại. Đây là lí do benzene được kí hiệu bằng một lục giác có vòng tròn ở giữa.

Ví dụ

Giải thích hiện tượng benzene tràn trên mặt nước

1
Một sự cố tràn benzene xảy ra gần một ao nước. Người quan sát thấy một lớp chất lỏng không màu nổi thành váng loang trên mặt nước, có mùi thơm hắc, không hoà lẫn vào nước. Dựa vào tính chất vật lí của benzene (khối lượng riêng 0,879 g/mL, không tan trong nước, dễ bay hơi, dễ cháy), hãy giải thích hiện tượng quan sát được và đề xuất một biện pháp xử lí ban đầu an toàn.
Một sự cố tràn benzene xảy ra gần một ao nước. Người quan sát thấy một lớp chất lỏng không màu nổi thành váng loang trên mặt nước, có mùi thơm hắc, không hoà lẫn vào nước. Dựa vào tính chất vật lí của benzene (khối lượng riêng 0,879 g/mL, không tan trong nước, dễ bay hơi, dễ cháy), hãy giải thích hiện tượng quan sát được và đề xuất một biện pháp xử lí ban đầu an toàn.
2
Benzene có khối lượng riêng 0,879 g/mL, nhỏ hơn khối lượng riêng của nước (1 g/mL), nên benzene nổi lên trên và tách thành lớp riêng thay vì chìm xuống hay hoà tan — khớp với quan sát 'váng loang trên mặt nước'.
3
Benzene là hydrocarbon không phân cực, còn nước là dung môi phân cực mạnh có liên kết hydrogen giữa các phân tử. Hai chất có bản chất phân cực khác xa nhau nên gần như không trộn lẫn — giải thích vì sao benzene tách lớp rõ rệt thay vì hoà tan.
4
Vì benzene dễ bay hơi và dễ cháy, khu vực tràn phải tránh xa lửa và tia lửa điện. Nên dùng vật liệu hấp phụ chuyên dụng, như bột than hoạt tính, rải lên lớp benzene nổi để thu gom; tuyệt đối không rửa trôi bằng nước vì benzene chỉ loang rộng thêm.
5
Vậy hiện tượng benzene nổi thành váng không tan trên mặt nước được giải thích trực tiếp từ hai tính chất vật lí: khối lượng riêng nhỏ hơn nước và bản chất không phân cực của phân tử — hai điều cần nhớ khi xử lí một sự cố tràn hydrocarbon thơm.

Sai lầm thường gặp

Nhiều em nhầm mùi thơm dễ chịu của benzene với việc nó vô hại — thậm chí benzene từng bị dùng làm dung môi tẩy vết bẩn trong gia đình một thời gian dài trước khi độc tính của nó được xác nhận rõ. Mùi thơm không liên quan gì đến độc tính: benzene được Tổ chức Y tế Thế giới xếp vào nhóm chất chắc chắn gây ung thư ở người, nên tuyệt đối không ngửi trực tiếp hay thao tác với benzene ngoài tủ hút.

Luyện tập có hướng dẫn

Luyện tập độc lập

Kiểm tra nhanh

Ghi nhớ

Benzene có công thức $C_6H_6$ , độ bất bão hoà $\Delta = 4$ , nhưng KHÔNG cư xử như một triene ba liên kết đôi cố định: sáu liên kết C–C dài bằng nhau (139 pm) nhờ hệ electron π giải toả đều quanh vòng phẳng sáu carbon. Về vật lí, benzene là chất lỏng không màu, mùi thơm, nhẹ hơn nước, không tan trong nước, dễ cháy có muội than, và độc — gây ung thư.

Benzene có công thức $C_6H_6$, độ bất bão hoà $\Delta = 4$, nhưng KHÔNG cư xử như một triene ba liên kết đôi cố định: sáu liên kết C–C dài bằng nhau (139 pm) nhờ hệ electron π giải toả đều quanh vòng phẳng sáu carbon. Về vật lí, benzene là chất lỏng không màu, mùi thơm, nhẹ hơn nước, không tan trong nước, dễ cháy có muội than, và độc — gây ung thư.

Cấu trúc electron giải toả này quyết định luôn cách benzene phản ứng: bài tiếp theo cho em thấy vì sao benzene không mất màu nước brom như alkene, nhưng lại phản ứng thế dễ dàng khi có mặt xúc tác sắt.