Chào các em học sinh lớp 11! Hôm nay, chúng ta sẽ cùng nhau chinh phục một bài tập rất thú vị về phản ứng thế electrophin của vòng thơm, cụ thể là phản ứng tổng hợp axit picric từ phenol. Bài tập này đòi hỏi chúng ta phải áp dụng kiến thức về hiệu suất phản ứng.

Chúng ta bắt đầu nhé!

Bước 1: Xác định chất phản ứng và sản phẩm chính

Đề bài cho biết chúng ta tổng hợp axit picric (2,4,6-trinitrophenol) từ phenol. Phản ứng này là phản ứng thế electrophin vào vòng benzen của phenol bởi nhóm nitro (-NO2).
Axit picric có công thức là C6H3(NO2)3OH.
Phenol có công thức là C6H5OH.

Bước 2: Viết phương trình hóa học của phản ứng

Phản ứng của phenol với hỗn hợp HNO3 đặc và H2SO4 đặc (tác nhân nitro hóa) sẽ tạo ra axit picric. H2SO4 đặc đóng vai trò là chất xúc tác, hút nước và làm tăng nồng độ ion nitro hóa NO2+.

Phương trình hóa học:
C6H5OH + 3HNO3 \( \xrightarrow{H_2SO_4 đặc} \) C6H3(NO2)3OH + 3H2O

Bước 3: Tính số mol của sản phẩm thu được theo lý thuyết

Đề bài cho biết khối lượng axit picric thu được là 114,5 g và hiệu suất phản ứng là 60%.
Trước hết, chúng ta cần tính khối lượng mol của axit picric (C6H3(NO2)3OH).
Nguyên tử khối: C = 12, H = 1, O = 16, N = 14.
Khối lượng mol của C6H3(NO2)3OH là:
\( M_{C_6H_3(NO_2)_3OH} = 6 \times 12 + 3 \times 1 + 3 \times (14 + 2 \times 16) + 16 + 1 = 72 + 3 + 3 \times (14 + 32) + 17 = 75 + 3 \times 46 + 17 = 75 + 138 + 17 = 230 \) g/mol.

Khối lượng axit picric thu được thực tế là 114,5 g.
Hiệu suất phản ứng là 60%, nghĩa là khối lượng sản phẩm thu được chỉ bằng 60% khối lượng sản phẩm theo lý thuyết.
Do đó, khối lượng axit picric theo lý thuyết sẽ là:
\( m_{lý thuyết} = \frac{m_{thực tế}}{H} = \frac{114,5 \text{ g}}{0,60} = 190,833… \text{ g} \)

Bây giờ, chúng ta tính số mol axit picric theo lý thuyết:
\( n_{lý thuyết} = \frac{m_{lý thuyết}}{M_{C_6H_3(NO_2)_3OH}} = \frac{190,833… \text{ g}}{230 \text{ g/mol}} = 0,8333… \text{ mol} \)

Bước 4: Tính số mol phenol cần dùng theo lý thuyết

Dựa vào phương trình hóa học đã viết ở Bước 2, tỉ lệ mol giữa phenol và axit picric là 1:1.
\( C_6H_5OH : C_6H_3(NO_2)_3OH = 1 : 1 \)
Vì vậy, số mol phenol cần dùng theo lý thuyết bằng số mol axit picric theo lý thuyết.
\( n_{phenol, lý thuyết} = n_{C_6H_3(NO_2)_3OH, lý thuyết} = 0,8333… \text{ mol} \)

Bước 5: Tính khối lượng phenol cần dùng

Chúng ta cần tính khối lượng mol của phenol (C6H5OH).
Khối lượng mol của C6H5OH là:
\( M_{C_6H_5OH} = 6 \times 12 + 5 \times 1 + 16 + 1 = 72 + 5 + 17 = 94 \) g/mol.

Khối lượng phenol cần dùng theo lý thuyết là:
\( m_{phenol, lý thuyết} = n_{phenol, lý thuyết} \times M_{C_6H_5OH} = 0,8333… \text{ mol} \times 94 \text{ g/mol} = 78,333… \text{ g} \)

Đề bài yêu cầu tính “bao nhiêu gam phenol phản ứng”, tức là khối lượng phenol cần cho phản ứng để thu được sản phẩm với hiệu suất đã cho. Khối lượng chúng ta vừa tính ở Bước 5 chính là khối lượng phenol cần dùng để sản xuất ra 114,5g axit picric với hiệu suất 60%.

Tuy nhiên, cách diễn đạt “người ta cần dùng bao nhiêu gam phenol phản ứng” có thể hiểu là khối lượng phenol đã thực sự tham gia vào phản ứng. Nhưng trong các bài tập hóa học, khi nói “cần dùng bao nhiêu gam chất A để thu được X gam sản phẩm Y với hiệu suất Z%”, chúng ta thường hiểu là tính lượng chất A ban đầu cần thiết.

Trong trường hợp này, chúng ta đã tính toán dựa trên sản phẩm thu được (114.5g) và hiệu suất (60%) để suy ngược lại lượng chất ban đầu cần thiết. Do đó, 78.333… g là khối lượng phenol cần dùng.

Làm tròn kết quả, ta có thể nói: Người ta cần dùng khoảng 78,33 gam phenol.

Vậy, để tổng hợp 114,5 g picric acid với hiệu suất 60%, người ta cần dùng khoảng 78,33 gam phenol phản ứng với hỗn hợp HNO3 đặc/H2SO4 đặc, dư.

Các em có thắc mắc gì về các bước giải không? Hãy đặt câu hỏi nhé!