TN20: Thí nghiệm phenol phản ứng với HNO₃ đặc trong H₂SO₄ đặc
– Phản ứng thế nguyên tử hydrogen của vòng benzene trong hợp chất phenol bằng nhóm nitro (-NO₂)
– Phản ứng điều chế picric acid (C₆H₂(NO₂)₃OH)
Minh họa phản ứng thế electrophinic trên nhân thơm có nhóm hoạt hóa –OH; hiểu tác dụng định hướng của nhóm –OH; quan sát sự thay đổi màu sắc và kết tủa của sản phẩm nitro hóa; giải thích cơ chế tạo ion nitronium (NO₂⁺) và vai trò của H₂SO₄ trong hỗn hợp nitro hóa; hiểu ý nghĩa thực tế của acid picric trong công nghiệp và phòng thí nghiệm.
1/ TÊN THÍ NGHIỆM: Phản ứng của phenol với HNO₃ đặc trong H₂SO₄ đặc – điều chế acid picric (C₆H₂(NO₂)₃OH)
2/ CHUẨN BỊ
- Dụng cụ: Bình cầu, nồi nước nóng, nước đá.
- Hoá chất: Phenol (C₆H₅OH), dung dịch sulfuric acid đặc (H₂SO₄), nitric acid đặc (D= 1,5 g/mL) HNO3, nước.
3/ CÁC BƯỚC TIẾN HÀNH
- Bước 1: Cho 0,5 gram phenol nguyên chất vào bình cầu, thêm 1,5 mL dung dịch H₂SO₄ đặc. Khuấy đều hỗn hợp, đun nhẹ hỗn hợp đến khi thu được dung dịch màu đỏ nhạt, đồng nhất.
- Bước 2: Để nguội, rót cẩn thận hỗn hợp lỏng đã được làm nguội sang ống nghiệm khác chứa sẵn 2 mL nước lạnh. Thêm từ từ dung dịch HNO₃ đặc vào ống nghiệm và lắc đều hỗn hợp trong cốc nước đá, dung dịch có màu đỏ sẵm.
- Bước 3: Sau khi phản ứng giảm xuống, tiếp tục khuấy đến khi dung dịch bay hết NO₂. Đun cách thuỷ hỗn hợp trong khoảng 15 phút, dung dịch trở lại màu đỏ (như sau Bước 1), sau đó để nguội.
- Bước 4: Sau khi làm lạnh, thêm nước lạnh có thể tích tương đương vào hỗn hợp. Khuấy, để yên trong vài phút. Lọc lấy kết tủa thu được picric acid.
4/ LINK VIDEO THÍ NGHIỆM
(Chưa có — sẽ bổ sung sau)
5/ PHÂN TÍCH Ý NGHĨA TỪNG BƯỚC TIẾN HÀNH
| Bước tiến hành | Mục đích / Ý nghĩa | Phương trình / Giải thích |
|---|---|---|
Cho 0,5 g phenol vào bình cầu, thêm 1,5 mL H₂SO₄ đặc, khuấy đều và đun nhẹ. | H₂SO₄ đặc hòa tan phenol, tạo ion phenoxoni (C₆H₅OH₂⁺), làm tăng khả năng định hướng o-, p-. Nhiệt độ nhẹ giúp hỗn hợp đồng nhất mà chưa xảy ra nitro hóa. | Chuẩn bị môi trường acid hóa và hoạt hóa vòng thơm, chưa có phản ứng nitro hóa đáng kể. |
Để nguội, rót từ từ vào ống nghiệm có 2 mL nước lạnh, rồi nhỏ dần HNO₃ đặc trong môi trường nước đá. | Nhiệt độ thấp hạn chế phản ứng mạnh, kiểm soát tốc độ nitro hóa và tránh phân hủy phenol. | |
| Sau khi phản ứng giảm, tiếp tục khuấy và đun cách thủy 15 phút ở khoảng 60°C. | Nhiệt độ này giúp phản ứng nitro hóa hoàn toàn, tạo 2, 4, 6-trinitrophenol. NO₂ sinh ra ban đầu bị tiêu thụ, dung dịch chuyển lại màu đỏ nâu. | |
| Làm lạnh hỗn hợp, thêm lượng nước lạnh bằng thể tích phản ứng, khuấy nhẹ và để yên. | Hạ nhiệt độ để kết tinh sản phẩm acid picric. Khi thêm nước, acid picric kết tinh do tan kém trong nước lạnh. | Acid picric kết tinh màu vàng, tách ra khỏi dung dịch acid. |
6/ NHẬN XÉT VÀ GIẢI THÍCH HIỆN TƯỢNG
Hiện tượng quan sát được:
- Ban đầu dung dịch phenol và H₂SO₄ có màu đỏ nhạt.
- Khi thêm HNO₃ đặc, dung dịch chuyển đỏ sẫm, có thể thoát khí NO₂ nâu đỏ nhẹ.
- Khi đun nóng, dung dịch chuyển đỏ cam đồng nhất.
- Sau khi làm lạnh và thêm nước, xuất hiện kết tủa vàng sáng – chính là acid picric.
Giải thích bản chất: Trong môi trường H₂SO₄ đặc, HNO₃ tạo ra ion NO₂⁺ (nitronium) – tác nhân electrophin mạnh. NO₂⁺ tấn công vào các vị trí ortho và para của vòng phenol, do nhóm –OH có tác dụng hoạt hóa và định hướng. Quá trình nitro hóa diễn ra qua ba giai đoạn kế tiếp → thu được 2,4,6-trinitrophenol (acid picric). Sản phẩm ít tan trong nước, kết tinh vàng khi làm lạnh.
Phương trình minh hoạ: