Aniline (C₆H₅NH₂) | Công thức, tính chất và bài tập Hoá 12
Key takeaways
Aniline (\(\text{C}_6\text{H}_5\text{NH}_2\)) có công thức phân tử \(\mathrm{C_6H_7N}\), là amine thơm đơn giản nhất. Ở điều kiện thường, aniline tồn tại ở dạng chất lỏng không màu, ít tan trong nước, có tính base rất yếu và dễ dàng tạo kết tủa trắng với nước bromine. Hiểu về aniline giúp học sinh bứt phá điểm số Hóa 12 nhờ nắm chắc bản chất cấu tạo của nó.
Trong chương trình Hóa học 12, aniline (anilin) là một amine thơm tiêu biểu thuộc chương Amine - Amino acid - Protein.
Để nắm vững nội dung này, học sinh cần hiểu aniline là gì, công thức anilin \(\mathrm{C_6H_5NH_2}\), cấu tạo phân tử, tính chất vật lý của anilin như trạng thái, màu sắc, độ tan trong nước, cùng các tính chất hóa học của aniline và phản ứng đặc trưng. Bài viết làm rõ ứng dụng và các dạng bài tập thường gặp liên quan đến aniline trong Hóa 12.
Aniline là gì?
Aniline (anilin) có tên theo danh pháp IUPAC hệ thống là benzenamine, là amine thơm đơn giản nhất và quan trọng nhất trong hóa học hữu cơ. Khác với các alkylamine (amine béo) như methylamine hay ethylamine có nhóm amino (\(-\text{NH}_2\)) liên kết với gốc hydrocarbon mạch hở, aniline sở hữu nhóm \(-\text{NH}_2\) đính trực tiếp vào vòng benzene.
Công thức phân tử: \(\text{C}_6\text{H}_7\text{N}\)
Công thức cấu tạo: \(\text{C}_6\text{H}_5-\text{NH}_2\) hoặc biểu diễn dạng vòng \(Ar-\text{NH}_2\).
Phân loại: Amine thơm, bậc I.
Đặc điểm cấu tạo phân tử của aniline
Điểm mấu chốt quyết định toàn bộ tính chất khác biệt của aniline so với các amine béo chính là sự tương tác giữa nhóm \(-\text{NH}_2\) và vòng benzene:
Cặp electron chưa liên kết trên nguyên tử Nitrogen: Nguyên tử \(\text{N}\) còn 1 cặp electron tự do.
Hệ thống liên kết \(\pi\) liên hợp: Cặp electron tự do của nguyên tử \(\text{N}\) không nằm yên mà tham gia liên hợp với hệ thống electron \(\pi\) dịch chuyển tự do trong vòng benzene (hiệu ứng cộng hưởng \(+R\)).
Hệ quả cấu trúc:
Mật độ electron trên nguyên tử \(\text{N}\) bị giảm xuống đáng kể so với trong phân tử ammonia (\(\text{NH}_3\)) hay alkylamine.
Mật độ electron trong vòng benzene tăng lên, đặc biệt tập trung giàu electron nhất tại các vị trí ortho (vị trí số 2, 6) và para (vị trí số 4).
Ghi nhớ cốt lõi: Nhóm \(-\text{NH}_2\) đẩy electron vào vòng benzene làm tăng khả năng phản ứng thế vào nhân thơm, ngược lại vòng benzene hút electron của nhóm \(-\text{NH}_2\) làm giảm tính base của aniline.
Tính chất vật lí của aniline
Khi học về tính chất vật lí của aniline theo sách giáo khoa Hóa học 12 Kết nối tri thức, thí sinh cần chú ý các đặc điểm nhận biết sau:
Aniline là chất lỏng hay chất rắn? Có màu gì?
Ở điều kiện thường (\(25^{o}\text{C}\)), aniline là chất lỏng tinh khiết không màu, có mùi đặc trưng, sôi ở \(184.4^{o}\text{C}\).
Hiện tượng oxy hóa ngoài không khí
Khi để lâu ngoài không khí, aniline dễ bị oxy hóa bởi oxygen và chuyển dần sang màu nâu đen hoặc vàng thẫm.
Aniline có tan trong nước không?
Aniline rất ít tan trong nước lạnh (chỉ tan khoảng \(3.6\text{ g}/100\text{ g}\) nước ở \(20^{o}\text{C}\)) và nặng hơn nước nên khi cho aniline vào nước, nó sẽ tách thành lớp lỏng nằm bên dưới.
Tuy nhiên, aniline tan tốt trong các dung môi hữu cơ như ethanol, ether, benzene và tan tốt trong dung dịch acid mạnh (như \(\text{HCl}\)) do tạo thành muối tan.
Độc tính
Aniline là chất rất độc, có thể gây ngộ độc qua đường hô hấp hoặc thẩm thấu qua da, do đó cần hết sức cẩn trọng khi thao tác thí nghiệm.
Tính chất hóa học của aniline
Tính chất hóa học của aniline được quyết định bởi hai bộ phận trong phân tử: nhóm amino (\(-\text{NH}_2\)) và vòng benzene (\(\text{C}_6\text{H}_5-\)).
Tính base rất yếu của nhóm amino
Do cặp electron chưa liên kết trên nguyên tử \(\text{N}\) tham gia liên hợp vào nhân thơm, khả năng nhận \(\text{H}^+\) của aniline bị giảm đáng kể.
So sánh lực base
\(\text{Alkylamine} > \text{NH}_3 > \text{C}_6\text{H}_5\text{NH}_2\).
(Ví dụ: \(\text{CH}_3\text{NH}_2 > \text{NH}_3 > \text{C}_6\text{H}_5\text{NH}_2\)).
Aniline có làm đổi màu quỳ tím không?
Dung dịch aniline KHÔNG làm đổi màu quỳ tím thành xanh và cũng KHÔNG làm phenolphthalein chuyển sang màu hồng. Đây là chi tiết cực kỳ quan trọng thường xuất hiện trong các câu hỏi trắc nghiệm lý thuyết.
Tác dụng với acid mạnh
Dù tính base rất yếu nhưng aniline vẫn phản ứng được với các dung dịch acid mạnh như \(\text{HCl}\) tạo thành muối phenylammonium chloride:
\[\text{C}_6\text{H}_5\text{NH}_2+\text{ HCl}\rightarrow\text{C}_6\text{H}_5\text{NH}_3\text{Cl}\]
(Aniline ít tan trong nước \(\xrightarrow{+\text{HCl}}\) Dung dịch muối phenylammonium chloride đồng nhất, trong suốt)
Aniline cũng phản ứng với dung dịch H2SO4 loãng tạo muối anilinium tương ứng.
\[2\text{C}_6\text{H}_5\text{NH}_2+\text{H}_2\text{SO}_4 \rightarrow (\text{C}_6\text{H}_5\text{NH}_3)_2\text{SO}_4\]
Tái tạo aniline từ muối
Khi cho base mạnh (\(\text{NaOH}\)) vào dung dịch muối vừa tạo thành, aniline sẽ tách ra làm đục dung dịch:
\[\text{C}_6\text{H}_5\text{NH}_3\text{Cl }+\text{ NaOH}\rightarrow\text{ C}_6\text{H}_5\text{NH}_2\downarrow+\text{ NaCl}+\text{H}_2\text{O}\]
Phản ứng thế ở nhân thơm với nước bromine
Nhóm \(-\text{NH}_2\) làm tăng mật độ electron trong vòng benzene, đặc biệt tại các vị trí ortho và para, làm cho phản ứng thế hydrogen trong nhân thơm của aniline xảy ra dễ dàng hơn nhiều so với benzene.
Phương trình phản ứng:
\[\text{C}_6\text{H}_5\text{NH}_2+3\text{Br}_2\rightarrow\text{ C}_6\text{H}_2\text{Br}_3\text{NH}_2\downarrow(\text{trắng})+3\text{HBr}\]
Hiện tượng: Khi nhỏ nước bromine (màu cam/vàng nâu) vào dung dịch aniline, màu của nước bromine mất màu ngay lập tức và xuất hiện kết tủa màu trắng của \(2,4,6-\text{tribromoaniline}\).
Ý nghĩa: Phản ứng này dùng để nhận biết aniline hoặc phân biệt aniline với các chất hữu cơ khác như alcohol, aldehyde, hay các amine béo.
Phản ứng với nitrous acid (\(\text{HNO}_2\))
Ở nhiệt độ thấp (\(0-5^{o}\text{C}\)), aniline tác dụng với \(\text{HNO}_2\) (được tạo ra từ \(\text{NaNO}_2+\text{ HCl}\)) tạo ra muối diazonium – một hợp chất trung gian quan trọng trong tổng hợp phẩm nhuộm azo:
\[\text{C}_6\text{H}_5\text{NH}_2+\text{ HNO}_2+\text{ HCl}\xrightarrow{0-5^{o}\text{C}}\left[\text{C}_6\text{H}_5\text{N}_2\right]^{+}\text{Cl}^{-}+2\text{H}_2\text{O}\]
Điều chế aniline bằng phương pháp khử hợp chất nitrobenzene
Trong phòng thí nghiệm, aniline có thể được điều chế bằng cách khử nitrobenzene bằng Fe hoặc Zn trong môi trường acid. Trong công nghiệp, nitrobenzene thường được hydro hóa bằng hydrogen với xúc tác thích hợp để tạo aniline.
Phương pháp khử nitrobenzene bằng hydrogen mới sinh:
Nitrobenzene (\(\text{C}_6\text{H}_5\text{NO}_2\)) được khử bằng kim loại (thường là Fe hoặc Zn) trong môi trường acid (\(\text{HCl}\)):
Giai đoạn 1: Fe tác dụng với \(\text{HCl}\) giải phóng hydrogen mới sinh có tính khử mạnh:
\(\text{Fe}+2\text{HCl}\rightarrow\text{FeCl}_2+2[\text{H}]\text{ }\)
Giai đoạn 2: Hydrogen mới sinh khử nhóm \(-\text{NO}_2\) thành nhóm \(-\text{NH}_2:\text{ C}_6\text{H}_5\text{NO}_2+6[\text{H}]\xrightarrow{\text{Fe}+\text{HCl},t^{o}}\) \(\text{C}_6\text{H}_5\text{NH}_2+2\text{H}_2\text{O }\)
Giai đoạn 3: Vì trong môi trường acid \(\text{HCl}\) dư, aniline sinh ra sẽ chuyển thành muối \(\text{C}_6\text{H}_5\text{NH}_3\text{Cl }\). Do đó, để thu được aniline tự do, người ta nhỏ tiếp dung dịch \(\text{NaOH}\) vào và tiến hành chưng cất lôi cuốn hơi nước:
\(\text{C}_6\text{H}_5\text{NH}_3\text{Cl}+\text{NaOH}\rightarrow\text{C}_6\text{H}_5\text{NH}_2+\text{NaCl}+\text{H}_2\text{O }\)
Ứng dụng của aniline trong đời sống và sản xuất
Mặc dù aniline có tính độc, nhưng đây lại là một hóa chất nguyên liệu đầu vào vô cùng đắt giá trong ngành hóa chất hiện đại.
Lĩnh vực ứng dụng
Chi tiết vai trò của Aniline
Công nghiệp phẩm nhuộm
Nguyên liệu chính để tổng hợp phẩm nhuộm azo (như phẩm nhuộm aniline, màu da cam, đỏ methylene), dùng rộng rãi trong ngành dệt may và nhuộm vải.
Sản xuất polymer và chế tạo cao su
Dùng sản xuất polyurethane (PU) – chất liệu mút xốp, cách nhiệt, và làm chất lưu hóa, chất chống lão hóa cho ngành cao su.
Tổng hợp dược phẩm
Là tiền chất để tổng hợp các loại thuốc quen thuộc như paracetamol (hạ sốt, giảm đau), thuốc kháng sinh nhóm sulfamid.
Nông dược và hóa chất bảo vệ thực vật
Chế tạo các hợp chất diệt cỏ, diệt nấm và trừ sâu bệnh trong nông nghiệp.
Bài tập vận dụng về aniline có lời giải
Để củng cố kiến thức đã học, học sinh hãy cùng rèn luyện qua 3 dạng bài tập đặc trưng thường gặp trong kỳ thi.
Bài tập 1: Nhận biết tính chất của aniline
Đề bài: Tiến hành 3 thí nghiệm sau:
TN1: Nhỏ \(2 - 3\) giọt aniline vào ống nghiệm chứa \(2\text{ mL}\) nước cất, lắc nhẹ.
TN2: Nhỏ tiếp \(1\text{ mL}\) dung dịch \(\text{HCl}\) đặc vào ống nghiệm ở TN1, lắc đều.
TN3: Nhỏ tiếp \(2\text{ mL}\) dung dịch \(\text{NaOH}\) đặc vào ống nghiệm ở TN2, đun nhẹ.
Mô tả hiện tượng xảy ra trong từng thí nghiệm và viết phương trình hóa học giải thích.
Phân tích đề bài
Dạng bài: Thí nghiệm kiểm tra tính chất hóa học và độ tan của aniline (tính base yếu và phản ứng tạo muối).
Dữ kiện đề cho:
TN1: Aniline (\(2-3\) giọt) + nước cất (\(2\text{ mL}\)), lắc nhẹ.
TN2: Sản phẩm TN1 + \(\text{HCl}\) đặc (\(1\text{ mL})\text{ }\), lắc đều.
TN3: Sản phẩm TN2 + \(\text{NaOH}\) đặc (\(2\text{ mL}\)), đun nhẹ.
Thông tin cần tìm (Kết quả): Mô tả hiện tượng vật lý quan sát được ở từng thí nghiệm và viết phương trình hóa học tương ứng để giải thích.
Kiến thức cần dùng
Tính chất vật lý của Aniline (\(\text{C}_6\text{H}_5\text{NH}_2\)): Chất lỏng, ít tan trong nước lạnh, nặng hơn nước nên bị tách lớp.
Tính base của Aniline: Có tính base rất yếu (yếu hơn \(\text{NH}_3\)) do ảnh hưởng của vòng benzene, không làm đổi màu quỳ tím nhưng tác dụng được với acid mạnh (\(\text{HCl}\)) tạo muối tan \(\text{C}_6\text{H}_5\text{NH}_3\text{Cl }\) (phenylammonium chloride).
Phản ứng tái tạo aniline: Muối \(\text{C}_6\text{H}_5\text{NH}_3\text{Cl }\) tác dụng với dung dịch base mạnh (\(\text{NaOH }\)) đẩy aniline tự do ra khỏi muối, làm dung dịch bị vẩn đục và tách lớp trở lại.
Hướng dẫn giải chi tiết:
Tại TN1: Aniline rất ít tan trong nước lạnh và nặng hơn nước, do đó aniline sẽ lắng xuống đáy ống nghiệm, tạo thành hệ hai lớp lỏng không màu.
Tại TN2: Aniline phản ứng với \(\text{HCl}\) tạo muối phenylammonium chloride tan tốt trong nước:
\[\text{C}_6\text{H}_5\text{NH}_2+\text{ HCl}\rightarrow\text{ C}_6\text{H}_5\text{NH}_3\text{Cl }\]
Hiện tượng: Dung dịch từ vẩn đục hai lớp trở nên trong suốt, đồng nhất.
Tại TN3: Cho \(\text{NaOH}\) vào, \(\text{NaOH }\) phản ứng với muối phenylammonium chloride tái tạo lại aniline không tan:
\[\text{C}_6\text{H}_5\text{NH}_3\text{Cl }+\text{ NaOH}\rightarrow\text{ C}_6\text{H}_5\text{NH}_2+\text{ NaCl}+\text{H}_2\text{O}\]
Hiện tượng: Aniline tách ra làm dung dịch vẩn đục và sau đó tạo lớp chất lỏng riêng.
Bài tập 2: Phân biệt các chất bằng phương pháp hóa học
Đề bài: Bằng phương pháp hóa học, hãy phân biệt 4 dung dịch/chất lỏng mất nhãn riêng biệt sau: \(\text{CH}_3\text{NH}_2\) (methylamine), \(\text{C}_6\text{H}_5\text{NH}_2\) (aniline), \(\text{C}_2\text{H}_5\text{OH }\) (ethanol), và \(\text{CH}_3\text{COOH }\) (acetic acid).
Phân tích đề bài
Dạng bài: Nhận biết, phân biệt các chất lỏng/dung dịch hữu cơ mất nhãn.
Dữ kiện đề cho: 4 mẫu thử mất nhãn chứa \(\text{CH}_3\text{NH}_2\) (methylamine), \(\text{C}_6\text{H}_5\text{NH}_2\) (aniline), \(\text{C}_2\text{H}_5\text{OH }\) (ethanol), và \(\text{CH}_3\text{COOH }\) (acetic acid).
Thông tin cần tìm (Kết quả): Trình bày các bước tiến hành, thuốc thử sử dụng, hiện tượng và phương trình hóa học để phân biệt rõ 4 chất.
Kiến thức cần dùng
Khả năng làm đổi màu quỳ tím:
\(\text{CH}_3\text{COOH }\) (acid carboxylic) → Quỳ tím hóa đỏ.
\(\text{CH}_3\text{NH}_2\) (amine béo có tính base mạnh hơn \(\text{NH}_3\)) → Quỳ tím hóa xanh.
\(\text{C}_6\text{H}_5\text{NH}_2\) (amine thơm có tính base rất yếu) và \(\text{C}_2\text{H}_5\text{OH }\) (alcohol trung tính) → Không làm đổi màu quỳ tím.
Phản ứng thế trên vòng thơm của Aniline: Aniline tác dụng với dung dịch bromine (\(\text{Br}_2\)) tạo kết tủa trắng \(2,4,6-\text{tribromoaniline}\) (nhờ nhóm \(-\text{NH}_2\) định hướng và kích hoạt vòng benzene thế ở các vị trí ortho và para). Alcohol không có phản ứng này.
Hướng dẫn giải chi tiết:
Bước 1: Trích mẫu thử và dùng quỳ tím để thử 4 mẫu:
Mẫu thử làm quỳ tím chuyển sang màu đỏ \(\rightarrow\text{ CH}_3\text{COOH }\).
Mẫu thử làm quỳ tím chuyển sang màu xanh \(\rightarrow\text{ CH}_3\text{NH}_2\) (amine béo có tính base mạnh hơn \(\text{NH}_3\)).
Hai mẫu thử không làm đổi màu quỳ tím \(\rightarrow\text{ C}_6\text{H}_5\text{NH}_2\) và \(\text{C}_2\text{H}_5\text{OH }\).
Bước 2: Dùng nước bromine cho vào 2 mẫu thử còn lại:
Mẫu thử xuất hiện kết tủa màu trắng ngay lập tức \(\rightarrow\text{ C}_6\text{H}_5\text{NH}_2(aniline).\)
\[\text{C}_6\text{H}_5\text{NH}_2+3\text{Br}_2\rightarrow\text{C}_6\text{H}_2\text{Br}_3\text{NH}_2\downarrow+3\text{HBr}\]
Mẫu thử không có hiện tượng gì xảy ra \(\rightarrow\text{ C}_2\text{H}_5\text{OH}\).
Bài tập 3: Tính toán phản ứng thế bromine
Đề bài: Cho \(9.3\text{ g }\) aniline tác dụng hoàn toàn với dung dịch bromine dư. Sau phản ứng thu được \(m\text{ gram }\) kết tủa trắng \(2,4,6-\text{tribromoaniline }\). Tính giá trị của \(m\).
Phân tích đề bài
Dạng bài: Tính toán theo phương trình hóa học của phản ứng thế bromine vào vòng thơm aniline.
Dữ kiện đề cho:
Khối lượng mol của aniline \(m_{\text{aniline}} = 9.3\text{ g}\).
Tác dụng hoàn toàn với dung dịch nước \(\text{Br}_2\) dư.
Thông tin cần tìm (Kết quả): Khối lượng m (g) của kết tủa trắng.\(2,4,6-\text{tribromoaniline}\) thu được.
Kiến thức cần dùng
Khối lượng mol của các chất (M)
.
Công thức tính số mol và khối lượng: \(n = \frac{m}{M} \Rightarrow m = n \times M\).
Tỉ lệ mol theo phương trình hóa học: \[1\text{ mol } \text{C}_6\text{H}_5\text{NH}_2 \rightarrow 1\text{ mol } \text{C}_6\text{H}_2\text{Br}_3\text{NH}_2\downarrow\]
Hướng dẫn giải chi tiết:
Bước 1: Tính số mol aniline tham gia phản ứng:
Phân tử khối của aniline:\[(\text{C}_6\text{H}_7\text{N}):M=12\times6+7+14=93\text{ g/mol }\]
Số mol aniline: \(n_{\text{aniline}}=\frac{9.3}{93}=0.1\text{ mol }\).
Bước 2: Viết phương trình phản ứng hóa học và đặt số mol:
\[\begin{array}{ccccccc} \text{C}_6\text{H}_5\text{NH}_2 & + & 3\text{Br}_2 & \rightarrow & \text{C}_6\text{H}_2\text{Br}_3\text{NH}_2\downarrow & + & 3\text{HBr} \\ 0.1\text{ mol} & & & \rightarrow & 0.1\text{ mol} & & \end{array}\]
Bước 3: Tính khối lượng kết tủa \(2,4,6-\text{tribromoaniline }(\text{C}_6\text{H}_4\text{Br}_3\text{N})\text{ }\):
Phân tử khối:\[M_{\text{kết tủa}}=12\times6+4+80\times3+14=330\text{ g/mol }\]
Khối lượng kết tủa thu được: \[m=0.1\times330=33\text{ g}\]
Đáp số: \(m = 33\text{ gram}\).
Aniline là amine thơm điển hình với công thức \(\text{C}_6\text{H}_5\text{NH}_2\), nổi bật bởi hai tính chất hóa học đặc trưng: tính base rất yếu (không làm đổi màu quỳ tím nhưng tác dụng được với acid mạnh) và phản ứng thế nhanh ở nhân thơm với nước bromine (tạo kết tủa trắng \(2,4,6-\text{tribromoaniline }\)).
Hiểu rõ sự ảnh hưởng qua lại giữa nhóm \(-\text{NH}_2\) và vòng benzene sẽ giúp học sinh ghi nhớ bản chất kiến thức một cách logic, dễ dàng chinh phục mọi dạng bài tập Hóa học 12 theo chương trình mới. Ngoài aniline, học sinh có thể tham khảo thêm các chuyên đề Hóa học của ZIM Academy để hệ thống kiến thức về amine và các hợp chất chứa nitrogen.
Bình luận - Hỏi đáp