Chào các em học sinh yêu quý của thầy! Hôm nay, chúng ta sẽ cùng nhau giải một bài tập hóa học khá thú vị liên quan đến phản ứng oxi hóa của hidrocacbon thơm bằng dung dịch KMnO4. Các em hãy mở Sách giáo khoa trang 105, bài tập số 4 nhé.

Trước tiên, chúng ta cần phân tích đề bài. Đề cho chúng ta một hỗn hợp gồm toluen và etylbenzen. Khi tác dụng với dung dịch KMnO4 trong môi trường axit loãng, phản ứng oxi hóa sẽ xảy ra. Chúng ta biết khối lượng hỗn hợp ban đầu và khối lượng KMnO4 đã phản ứng. Yêu cầu là tính khối lượng các axit tạo thành sau phản ứng.

Để làm được bài này, chúng ta cần nhớ lại kiến thức về phản ứng oxi hóa hidrocacbon thơm bằng KMnO4.

Bước 1: Viết phương trình phản ứng tổng quát

Trong phản ứng này, nhóm ankin của vòng benzen sẽ bị oxi hóa.
Đối với toluen (C6H5CH3), nhóm metyl (-CH3) sẽ bị oxi hóa thành nhóm cacboxyl (-COOH).
Phương trình phản ứng:
C6H5CH3 + [O] -> C6H5COOH + H2O
(Ở đây [O] là oxi sinh ra từ KMnO4)

Đối với etylbenzen (C6H5CH2CH3), nhóm etyl (-CH2CH3) cũng bị oxi hóa. Tuy nhiên, phản ứng oxi hóa này phức tạp hơn một chút. Phần nhóm metylen (-CH2-) kề với vòng benzen sẽ bị oxi hóa thành nhóm cacboxyl (-COOH).
Phương trình phản ứng:
C6H5CH2CH3 + [O] -> C6H5COOH + CO2 + H2O
(Hoặc có thể viết gọn là: C6H5CH2CH3 + [O] -> C6H5COOH + CH3COOH + H2O, nhưng theo Sách giáo khoa và cách biểu diễn phản ứng oxi hóa mạnh, ta xem như CO2 được tạo ra.)

Tuy nhiên, trong phản ứng với KMnO4, cả hai chất này đều tạo ra axit benzoic (C6H5COOH) làm sản phẩm chính chứa vòng benzen.

Ta cần viết phương trình phản ứng oxi hóa cụ thể với KMnO4 trong môi trường H2SO4 loãng.

Phản ứng của toluen:
5C6H5CH3 + 6KMnO4 + 9H2SO4 -> 5C6H5COOH + 6MnSO4 + 3K2SO4 + 14H2O

Phản ứng của etylbenzen:
5C6H5CH2CH3 + 12KMnO4 + 18H2SO4 -> 5C6H5COOH + 5CO2 + 6MnSO4 + 3K2SO4 + 23H2O

Ta thấy rằng, cả toluen và etylbenzen đều tạo ra axit benzoic (C6H5COOH).
Trong phản ứng của etylbenzen, còn có thể tạo ra CO2. Tuy nhiên, đề bài yêu cầu tính khối lượng axit tạo thành. Vậy chúng ta chỉ quan tâm đến C6H5COOH.

Bước 2: Tính số mol KMnO4 đã phản ứng

Khối lượng mol của KMnO4 là: 39 + 55 + 16*4 = 158 gam/mol.
Số mol KMnO4 đã phản ứng là:
n(KMnO4) = Khối lượng KMnO4 / Khối lượng mol KMnO4
n(KMnO4) = 60,04 gam / 158 gam/mol = 0,38 mol

Bước 3: Đặt ẩn và lập hệ phương trình

Gọi số mol của toluen là x mol.
Gọi số mol của etylbenzen là y mol.

Khối lượng hỗn hợp ban đầu là 24,4 gam.
Khối lượng mol của toluen (C6H5CH3) là: 12*7 + 1*8 = 92 gam/mol.
Khối lượng mol của etylbenzen (C6H5CH2CH3) là: 12*8 + 1*10 = 106 gam/mol.

Ta có phương trình khối lượng hỗn hợp:
92x + 106y = 24,4 (1)

Bây giờ, chúng ta sẽ sử dụng số mol KMnO4 để lập phương trình thứ hai.
Từ phương trình phản ứng của toluen:
5C6H5CH3 + 6KMnO4 -> …
Số mol KMnO4 phản ứng với x mol toluen là: (6/5)x mol.

Từ phương trình phản ứng của etylbenzen:
5C6H5CH2CH3 + 12KMnO4 -> …
Số mol KMnO4 phản ứng với y mol etylbenzen là: (12/5)y mol.

Tổng số mol KMnO4 phản ứng là 0,38 mol:
(6/5)x + (12/5)y = 0,38 (2)

Bước 4: Giải hệ phương trình

Chúng ta có hệ phương trình:
1) 92x + 106y = 24,4
2) (6/5)x + (12/5)y = 0,38

Nhân phương trình (2) với 5/6 để đơn giản hóa:
x + 2y = 0,38 * (5/6)
x + 2y = 0,3167 (làm tròn đến 3 chữ số thập phân) hoặc ta có thể để phân số cho chính xác hơn.
x + 2y = 1,9/6 = 19/60

Từ phương trình (2) ban đầu, ta có thể nhân với 5:
6x + 12y = 0,38 * 5 = 1,9

Ta có hệ phương trình mới:
1) 92x + 106y = 24,4
2′) 6x + 12y = 1,9

Từ phương trình (2′), ta rút y theo x:
12y = 1,9 – 6x
y = (1,9 – 6x) / 12

Thế y vào phương trình (1):
92x + 106 * [(1,9 – 6x) / 12] = 24,4
92x + (106/12) * (1,9 – 6x) = 24,4
92x + (53/6) * (1,9 – 6x) = 24,4

Nhân cả hai vế với 6 để khử mẫu số:
92*6*x + 53 (1,9 – 6x) = 24,4 6
552x + 53*1,9 – 53*6x = 146,4
552x + 100,7 – 318x = 146,4
(552 – 318)x = 146,4 – 100,7
234x = 45,7
x = 45,7 / 234
x ≈ 0,1953 mol

Bây giờ ta tìm y:
y = (1,9 – 6x) / 12
y = (1,9 – 6 * 0,1953) / 12
y = (1,9 – 1,1718) / 12
y = 0,7282 / 12
y ≈ 0,0607 mol

Kiểm tra lại với phương trình (1):
92x + 106y = 92 0,1953 + 106 0,0607
= 17,9676 + 6,4342
= 24,4018 ≈ 24,4 (Khối lượng chấp nhận được do làm tròn)

Bước 5: Tính số mol các axit tạo thành

Từ phương trình phản ứng của toluen:
C6H5CH3 -> C6H5COOH
Số mol C6H5COOH tạo thành từ toluen là x mol.

Từ phương trình phản ứng của etylbenzen:
C6H5CH2CH3 -> C6H5COOH + CO2
Số mol C6H5COOH tạo thành từ etylbenzen là y mol.

Tổng số mol axit benzoic (C6H5COOH) tạo thành là:
n(C6H5COOH) = x + y
n(C6H5COOH) = 0,1953 + 0,0607 = 0,2560 mol

Lưu ý quan trọng: Trong bài tập này, đề bài chỉ hỏi khối lượng các axit tạo thành. Cả hai chất ban đầu đều tạo ra axit benzoic (C6H5COOH). Nếu có các axit cacboxylic khác được tạo ra từ etylbenzen (ví dụ CH3COOH), đề bài thường sẽ yêu cầu rõ ràng hơn hoặc có các dữ kiện khác để tính. Dựa trên kiến thức Sách giáo khoa lớp 11, ta tập trung vào sản phẩm chính chứa gốc phenyl.

Khối lượng mol của axit benzoic (C6H5COOH) là: 12*7 + 1*6 + 16*2 = 92 + 6 + 32 = 122 gam/mol.

Khối lượng axit benzoic tạo thành là:
m(C6H5COOH) = n(C6H5COOH) * Khối lượng mol C6H5COOH
m(C6H5COOH) = 0,2560 mol * 122 gam/mol
m(C6H5COOH) = 31,232 gam

Vậy, khối lượng các axit tạo thành sau phản ứng là 31,232 gam.

Các em nhớ ôn lại các bước giải bài tập này, đặc biệt là cách viết phương trình phản ứng và thiết lập hệ phương trình dựa trên dữ kiện đề bài cho nhé. Nếu có bất kỳ thắc mắc nào, các em cứ mạnh dạn hỏi thầy!