Chuyên đề Ứng dụng độ bất bão hoà trong hoá học hữu cơ

0 2.3. Biện luận để xác định công thức cấu tạo hoặc công thức phân tử 12 2.3.1. Biện luận để xác định công thức cấu tạo 12 2.3.2. Biện luận để xác định công thức phân tử 15 2.4. Sử dụng số liên kết pi trung bình 18 2.5. Phân tích hệ số trong phản ứng đốt cháy 20 3. Hiệu quả của đề tài 24 4. Bài tập áp dụng 25 III. KẾT LUẬN 33 TÀI LIỆU THAM KHẢO 34 PHỤ LỤC 35 Đáp án phần bài tập áp dụng 35 I. ĐẶT VẤN ĐỀ 1. Thực trạng - Hoá học hữu cơ có rất nhiều vấn đề đặt ra yêu cầu học sinh phải giải quyết chính xác, nhanh chóng, nhất là khi sử dụng hình thức kiểm tra trắc nghiệm khách quan nhiều lựa chọn, một trong các vấn đề đó là viết đồng phân, biện luận công thức phân tử hoặc làm các bài toán phức tạp. - Việc học sinh viết các đồng phân cấu tạo đa phần là mang tính chất mò mẫm, thiếu phương hướng. Với các trường hợp đơn giản của hiđrocacbon thì học sinh có thể làm tương đối đơn giản, nhưng để làm các bài tập của phần hợp chất hữu cơ có nhóm chức, đặc biệt là các bài toán este, aminoaxit, peptitcủa sách giáo khoa, sách bài tập hoá học lớp 12 thì đa số học sinh lúng túng hoặc không biết làm. Đơn cử như bài tập “viết tất cả các đồng phân cấu tạo mạch hở của hợp chất có công thức C4H8O” thì đa số học sinh chỉ viết được đồng phân cấu tạo của anđehit no mạch hở đơn chức và xeton no mạch hở đơn chức (vì có học trong chương trình) mà quên nó có thể có ancol không no có 1 liên kết đôi hoặc ete không no có 1 liên kết đôi. Hay xa hơn như câu 10 đề hoặc câu 41 trong đề thi đại học khối A-2014, mã 259 là 2 câu hỏi hữu cơ, việc giải quyết 2 câu này trong một khoảng thời gian hạn hẹp là một điều hết sức cần thiết. Để làm được các bài tập này nhanh chóng hiệu quả thì đòi hỏi phải có một phương pháp hỗ trợ khi làm bài tập. Phương pháp hỗ trợ này dựa trên khái niệm độ bất bão hoà. Đối với các học sinh không đi học bồi dưỡng kiến thức hay đi luyện ở các trung tâm luyện thi đại học thì khái niệm độ bất bão hoà là một khái niệm hoàn toàn mới chưa nghe bao giờ. Nội dung các bài tập trong sách giáo khoa cơ bản thì không đề cập tới độ bất bão hoà, ngay cả sách giáo khoa Hoá học ban tự nhiên lớp 11 thì cũng chỉ đề cập ở bài tập 1 trang 181, bài tập 1 trang 219. Do đó việc làm quen và sử dụng độ bất bão đối với học sinh là một vấn đề hết sức cần thiết. 2. Giải pháp - Thông qua thực tiễn giảng dạy, nhằm giúp học sinh định hướng tư duy, xử lý nhanh các bài tập hữu cơ đặc biệt là các bài tập hữu cơ trong đề thi đại học, cao đẳng khối A, B, tôi đã soạn chuyên đề "ứng dụng độ bất bão hoà trong hoá học hữu cơ”. 3. Tóm tắt nội dung đề tài - Nội dung chủ yếu của chuyên đề là hướng dẫn học sinh những khái niệm, quy tắc của độ bất bão hoà kèm theo một số thí dụ hướng dẫn minh hoạ để giúp học sinh làm quen với độ bất bão hoà, trên cơ sở đó giúp học sinh tiếp cận các phương pháp giải bài tập nhanh chóng, hiệu quả. 4. Giới hạn áp dụng của đề tài - Đối tượng áp dụng của đề tài là các học sinh có học lực môn hoá từ trung bình trở lên, các học sinh chọn tổ hợp môn xét tuyển tốt nghiệp THPT, đại học, cao đẳng có môn Hoá.  II. GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ 1. Những vấn đề lý luận chung 1.1. Khái niệm và công thức tính 1.1.1. Khái niệm - Độ bất bão hoà (k) là đại lượng đặc trưng cho mức độ chưa no của một hợp chất hữu cơ được tính bằng tổng số liên kết pi (π) và số vòng trong công thức cấu tạo. 1.1.2. Công thức tính Chứng minh công thức * Giả sử có hợp chất hữu cơ có công thức là CxHyOzNtXv (X là halogen) Nhận xét - Tất cả các liên kết đều là liên kết cộng hoá trị, mỗi liên kết đều do một cặp electron tạo nên. - Trong hợp chất: nguyên tử C có hoá trị IV (sử dụng 4 electron hoá trị) nguyên tử N có hoá trị III (sử dụng 3 electron hoá trị) nguyên tử O có hoá trị II (sử dụng 2 electron hoá trị) nguyên tử H và X hoá trị I (sử dụng 1 electron hoá trị) - Khi hợp chất đóng vòng tương đương với việc tạo thêm một liên kết cộng hoá trị (sử dụng 2 electron dùng chung) - Chỉ có các nguyên tử có hoá trị 2 mới có khả năng tạo liên kết π hoặc đóng vòng, các nguyên tử hoá trị 1 không có khả năng này. Chứng minh - Tổng số các nguyên tử có hoá trị ≥ 2 là z + t + x ð tổng số electron hoá trị là 2z + 3t + 4x - Tổng số liên kết σ giữa các nguyên tử có hoá trị ≥ 2 là (z + t + x) - 1 ð tổng số electron tham gia tạo liên kết là 2(z + t + x - 1) - Gọi k là độ bất bão hoà (số liên kết π + số mạch vòng) ð tổng số electron tham gia tạo liên kết là 2k - Số electron tham gia tạo liên kết σ với các nguyên tử hoá trị 1 chính bằng số nguyên tử H và X là y + v - Ta có: 2z + 3t + 4x = 2(z + t + x - 1) + 2k + y + v ó 2k = t + 2x - y - v +2 ð hay Trong đó: + S4 là tổng số các nguyên tử hoá trị IV + S3 là tổng số các nguyên tử hoá trị III + S1 là tổng số các nguyên tử hoá trị I 1.2. Tính chất của độ bất bão hoà + k N (k≥0) + k (phân tử) = k (gốc hiđrocacbon) + k (nhóm chức) Chú ý: Công thức tính k ở trên không đúng đối với muối amoni của axit cacboxylic. Nếu rơi vào trường hợp muối amoni thì cứ thêm vào 1 gốc muối amoni ta sẽ cộng thêm vào k tính theo công thức một đơn vị 1.3. Các thí dụ minh hoạ Câu 1: Tính độ bất bão hoà trong các hợp chất sau: C4H10, C4H8O, C5H12O, C5H7Cl, C4H11N, C4H10N2, C4H9NO2. + Với C4H10 ta có + Với C4H8 ta có + Với C5H12O ta có + Với C5H7Cl ta có (vì nguyên tử clo có hoá trị I nên ta gộp chung 7 nguyên tử H với 1 nguyên tử Cl là 8 nguyên tử có hoá trị I) + Với C4H11N ta có + Với C4H10N2 ta có + Với C4H9NO2 ta có * Nhận xét + trong hợp chất chứa C, H, oxi có thể có hoặc không (có thể có thêm halogen) ta có thể so sánh hiệu số nguyên tử hoá trị I với ankan tương ứng có cùng số cacbon rồi chia 2) Ví dụ: trong hợp chất C5H7Cl ta so sánh với ankan C5H12 lấy hiệu số nguyên tử hoá trị I (12-8)/2=2, như vậy k=2 + nếu có thêm nitơ thì cứ thêm một nguyên tử nitơ thì ta cộng thêm vào số nguyên tử hiđro ở ankan 1 nguyên tử hiđro và tính hiệu số nguyên tử hoá trị I như trên Ví dụ: trong hợp chất C4H11N ta so sánh với C4H10 nhưng do có thêm 1 nitơ nên số hiđro trong C4H10 là 10 ta cộng thêm 1 là 11 rồi tính hiệu số nguyên tử hoá trị I và được k = 0; hoặc trong hợp chất C4H10N2 ta có (10+2-10)/2=1 Nhận xét này là 1 thủ thuật giúp học sinh nhẩm nhanh. Câu 2: Tính độ bất bão hoà trong các hợp chất sau: CH3COOH, C3H5COOH, C6H5NO2. Nhận xét: ở đây ta có thể dùng công thức để tính tuy nhiên ta có thể dựa vào cấu tạo để nhẩm nhanh + Với CH3COOH ta có CH3 là gốc ankyl có k=0, nhóm cacboxyl (COOH) có k=1 nên tổng độ bất bão hoà của cả phân tử CH3COOH là 1 + Với C3H5COOH ta có C3H5 là gốc không no có 1 liên kết đôi nên có k=1, nhóm cacboxyl (COOH) có k=1 nên tổng độ bất bão hoà của cả phân tử C3H5COOH là 2 + Với C6H5NO2 ta có C6H5 là gốc phenyl có k=4 (3 liên kết π và 1 vòng), nhóm nitro (NO2) có k=1 nên tổng độ bất bão hoà của cả phân tử C6H5NO2 là 5. Câu 3: Tính độ bất bão hoà trong các chất sau: CH3-COONH4, CH2=CH-COONH3CH3, CH3NH3OOC-COONH3CH3. + Với CH3-COONH4 Theo công thức ta có ; thực tế cấu tạo có 1 nhóm COO nên k của cả phân tử phải là 1. + Với CH2=CH-COONH3CH3 Theo công thức ta có , thực tế cấu tạo gồm có 1 liên kết đôi ở gốc hiđrocacbon và có 1 nhóm COO nên k của cả phân tử phải là 2. + Với CH3NH3OOC-COONH3CH3 Theo công thức ta có , nhưng thực tế xét cấu tạo thì k=2 Nhận xét: Nếu rơi vào trường hợp muối amoni thì cứ thêm vào 1 gốc muối amoni ta sẽ cộng thêm vào k tính theo công thức một đơn vị. Câu 4: Dựa vào công thức cấu tạo của các chất sau đây hãy xác định độ bất hoà của chúng. a. 1-Metyl-4-(1-metyletenyl)-xiclohexen (limonen) - Nhìn công thức cấu tạo thấy có 2 liên kết đôi và 1 vòng như vậy limonen có độ bất bão hoà của cả phân tử là 3. b. 2,3,7,8-tetraclođibenzo-p-đioxin (đioxin) - Phân tử đioxin gồm có 2 nhân thơm và 1 vòng như vậy độ bất bão hoà của cả phân tử bằng 9. c. Axit 2-hiđroxipropan-1,2,3-tricacboxylic (axit xitric) - Phân tử axit xitric có 3 liên kết đôi ở 3 nhóm cacboxyl nên độ bất bão hoà của cả phân tử bằng 3. d. 1,1,1-Triclo-2,2-bis(4-clophenyl)etan (thuốc trừ sâu DDT) - Phân tử DDT có độ bất bão hoà bằng 8 (do có 2 nhân benzen) 2. Ứng dụng của độ bất bão hoà - Việc sử dụng độ bất bão hoà vào quá trình giải quyết các bài tập hoá học hữu cơ, đặc biệt là trong các đề thi đại học sẽ giúp học sinh tiết kiệm được thời gian. Dưới đây là một số các ứng dụng cơ bản của độ bất bão hoà kèm theo các ví dụ minh hoạ có hướng dẫn chi tiết để giúp hiểu sâu sắc hơn về độ bất bão hoà, đồng thời qua các ví dụ này cũng giúp học sinh biết cách định hướng và áp dụng độ bất bão hoà vào quá trình giải bài tập. 2.1. Xác định công thức phân tử từ công thức đơn giản nhất - Xác định công thức phân tử chất hữu cơ là yêu cầu phổ biến và cơ bản nhất của bài tập Hóa hữu cơ. Có nhiều phương pháp để xác định công thức phân tử chất hữu cơ (trung bình, bảo toàn nguyên tố, bảo toàn khối lượng, ), tùy thuộc vào đặc điểm số liệu của bài toán đưa ra. Trong chuyên đề này, ta xét trường hợp đề bài yêu cầu xác định công thức phân tử từ công thức đơn giản nhất mà không cho khối lượng mol phân tử của chất hữu cơ đó. + Bước 1: Từ công thức đơn giản nhất viết lại công thức phân tử theo n. + Bước 2: Tính k theo n. + Bước 3: So sánh giá trị k tìm được với đặc điểm Hóa học của chất hữu cơ đã cho hoặc tính chất của k. Câu 1: Công thức đơn giản nhất của 1 anđehit no, đa chức, mạch hở là C2H3O. Công thức phân tử của nó là A. C8H12O4. B. C4H6O. C. C12H18O6. D. C4H6O2. Giải: + Trước hết phải viết công thức phân tử của anđehit dạng (C2H3O)n hay C2nH3nOn. Độ bất bão hoà tính theo công thức phân tử là + Vì anđehit no, mạch hở nên gốc hiđrocacbon của anđehit có k=0, mặt khác cứ 1 nguyên tử oxi trong nhóm CHO thì có 1 liên kết π ð n nguyên tử oxi sẽ có n liên kết π, ð tổng k của cả phân tử là n. + Ta có độ bất bão hoà tính theo đề bài phải bằng độ bất bão hoà tính theo công thức. Như vậy ð n=2 ðcông thức phân tử là C4H6O4. Chọn đáp án D. Câu 2: Công thức đơn giản nhất của 1 axit hữu cơ no mạch hở là C2H3O2. Công thức phân tử của nó là A. C6H9O6. B. C2H3O2. C. C4H6O4. D. C8H12O8. Giải: + Trước hết phải viết công thức phân tử của axit dạng (C2H3O2)n hay C2nH3nO2n. Độ bất bão hoà tính theo công thức phân tử là + Vì anđehit no, mạch hở nên gốc hiđrocacbon của anđehit có k=0, mặt khác cứ 2 nguyên tử oxi trong nhóm COOH thì có 1 liên kết π ð 2n nguyên tử oxi sẽ có n liên kết π, ðtổng k của cả phân tử là n + Ta có độ bất bão hoà tính theo đề bài phải bằng độ bất bão hoà tính theo công thức. Như vậy ðn=2 ðcông thức phân tử là C4H6O4. Chọn đáp án C. Câu 3: Công thức đơn giản nhất của anđehit mạch hở chưa no chứa một liên kết ba trong phân tử là C4H4O. Công thức phân tử của nó là A. C4H4O. B. C8H8O2. C. C12H12O3. D. C16H16O4. Giải: + Trước hết phải viết công thức phân tử của anđehit dạng (C4H4O)n hay C4nH4nOn. Độ bất bão hoà tính theo công thức phân tử là + Vì anđehit chưa no, mạch hở chứa 1 liên kết ba nên gốc hiđrocacbon của anđehit có k=2, mặt khác cứ 1 nguyên tử oxi trong nhóm CHO thì có 1 liên kết π ð n nguyên tử oxi sẽ có n liên kết π, như vậy tổng k của cả phân tử là n+2 + Ta có độ bất bão hoà tính theo đề bài phải bằng độ bất bão hoà tính theo công thức là ðn=1 ðcông thức phân tử là C4H4O. Chọn đáp án A. Câu 4: Hãy xác định công thức phân tử chất có công thức đơn giản nhất là C4H11NO2? A. C4H11NO2. B. C8H22N2O4. C. C16H33N3O6. D. C8H20N2O3. Giải: + Trước hết phải viết công thức phân tử của hợp chất dạng (C4H11NO2)n hay C4nH11nNnO2n. Độ bất bão hoà tính theo công thức phân tử là ð vì k N và k≥0 nên n=0 (loại) hoặc n=1. Chọn đáp án A. 2.2. Dựa vào độ bất bão hoà để viết công thức cấu tạo - Để xác định được công thức cấu tạo của một chất hữu cơ, nhất thiết phải phân tích được đặc điểm của các thành phần cấu tạo nên chất hữu cơ đó (gốc, nhóm chức), trong đó có các đặc điểm về mạch C và loại nhóm chức. - Để xác định được các đặc điểm này, vai trò của k là rất quan trọng, thể hiện qua biểu thức đã nói trên: k (phân tử) = k (gốc hiđrocacbon) + k (nhóm chức) Câu 1: Ứng với công thức phân tử C3H5Br có bao nhiêu đồng phân cấu tạo? A. 5. B. 4. C. 3. D. 2. Giải: + Trước hết ta tính độ bất bão hoà ð như vậy có 2 khả năng: hợp chất có 1 liên kết đôi, hoặc hợp chất có 1 vòng. + Nếu có 1 liên kết đôi thì có 3 đồng phân + Nếu có 1 vòng thì được 1 đồng phân ð Như vậy có tất cả là 4 đồng phân. Chọn đáp án B. Câu 2: Ứng với công thức phân tử C3H6O có bao nhiêu đồng phân cấu tạo mạch hở? A. 5. B. 4. C. 3. D. 2. Giải: + Trước hết ta tính độ bất bão hoà ð như vậy có 2 khả năng: hợp chất có 1 liên kết đôi, hoặc hợp chất có 1 vòng. Do yêu cầu của đề bài là đồng phân cấu tạo mạch hở nên chỉ xét trường hợp có 1 liên kết đôi + Hợp chất trên có 1 nguyên tử oxi và có 1 liên kết đôi nên có thể là ancol không no có 1 liên kết đôi, có thể là anđehit no mạch hở hoặc có thể là xeton no mạch hở. - Nếu là ancol không no có 1 liên kết đôi thì có 1 đồng phân - Nếu là anđehit no mạch hở thì có 1 đồng phân - Nếu là xeton no mạch hở thì có 1 đồng phân ð Như vậy có tất cả là 3 đồng phân. Chọn đáp án C. Câu 3: Số đồng phân cấu tạo no mạch hở có công thức phân tử C3H6O3 là A. 6. B. 7. C. 9. D. 8. Giải: + Trước hết ta tính độ bất bão hoà ð như vậy có 2 khả năng: hợp chất có 1 liên kết đôi, hoặc hợp chất có 1 vòng. Do hợp chất là no mạch hở nên liên kết đôi phải nằm trong nhóm chức. Vì có 3 nguyên tử oxi nên có thể có các trường hợp sau: - Một chức ancol và một chức axit - Một chức ete và một chức axit - Một chức ancol và một chức este - Hai chức ancol và một chức anđehit - Hai chức ancol và một chức xeton - Một chức ancol và một chức ete và một chức anđehit ð Vậy có tổng cộng 9 đồng phân. Chọn đáp án C. 2.3. Biện luận để xác định công thức cấu tạo hoặc công thức phân tử 2.3.1. Biện luận để xác định công thức cấu tạo - Đối với loại bài tập này nó cũng là dạng bài tập viết công thức cấu tạo, tuy nhiên ở đây việc viết các công thức cấu tạo phải thoả mãn một số điều kiện nào đó theo yêu cầu của đề, để làm được bài tập này ta có thể làm như sau: + Bước 1: Phân tích các đặc điểm cấu tạo theo giả thiết đề cho. + Bước 2: Tính độ bất bão hoà của công thức phân tử đã cho và biện luận để tìm các cấu tạo thoả mãn yêu cầu Câu 1: Cho các công thức phân tử sau: (1) C10H12; (2) C9H12; (3) C8H8; (4) C10H8; (5) C6H7O2N; (6) C8H14; (7) C10H16; (8) C6H6Cl6. Số chất có thể chứa vòng benzen trong công thức cấu tạo là A. 5. B. 4. C. 6. D. 7. Giải: + Để có thể chứa vòng benzen trong công thức cấu tạo thì độ bất bão hoà tối thiểu phải bằng 4. + Lần lượt tính độ bất bão hoà của các chất theo thứ tự trên là 5, 4, 5, 7, 4, 3, 3, 1 + Như vậy chỉ có các chất (1), (2), (3), (4), (5) là phù hợp. Vậy chọn đáp án A. Câu 2: Công thức nào dưới đây không thể là đipeptit? (không chứa nhóm chức nào khác ngoài nhóm peptit -CONH-; nhóm amino -NH2; nhóm cacboxyl -COOH) A. C5H10N2O3. B. C8H14N2O5. C. C7H16N2O3. D. C6H13N3O3. Giải: + Do đipeptit nên phải có 1 nhóm -CONH-, tối thiểu phải có 1 nhóm -COOH và 1 nhóm -NH2. + Với chất C5H10N2O3 thì có 2 nguyên nitơ, 3 nguyên tử oxi và k = 2 nên có thể có 1 nhóm peptit, 1 nhóm cacboxyl, 1 nhóm amino. + Với chất C8H14N2O5 thì có 2 nguyên nitơ, 5 nguyên tử oxi và k = 3 nên có thể có 1 nhóm peptit, 2 nhóm cacboxyl, 1 nhóm amino. + Với chất C7H16N2O3 thì có 2 nguyên nitơ, 3 nguyên tử oxi và k = 1 nên chỉ có thể có 1 nhóm peptit hoặc 1 nhóm cacboxyl và 1 nhóm amino ð không thể tạo ra đipetit + Với chất C6H13N3O3 thì có 3 nguyên nitơ, 3 nguyên tử oxi và k = 2 nên có thể có 1 nhóm peptit, 1 nhóm cacboxyl, 1 hoặc 2 nhóm amino. Chỉ có chất C7H16N2O3 không có khả năng tạo ra đipeptit. Chọn đáp án C. Câu 3: (câu 13 đề đại học khối A-2011, mã 273) Cho 13,8 gam chất hữu cơ X có công thức phân tử C7H8 tác dụng với một lượng dư dung dịch AgNO3 trong NH3, thu được 45,9 gam kết tủa. X có bao nhiêu đồng phân cấu tạo thỏa mãn tính chất trên? A. 4. B. 5. C. 6. D. 2. Giải: C7H8 + xAgNO3 + xNH3 C7H8-xAgx + xNH4NO3 ðð x = 2 ð Vậy X phải có 2 liên kết ba ở đầu mạch (độ bất bão hoà của 2 liên kết ba là 4) + Tính ; Vì X có 2 liên kết ba ở đầu mạch nên gốc hiđrocacbon còn lại không chứa liên kết pi. Có 4 đồng phân thoả mãn yêu cầu: HC≡C-CH2CH2CH2-C≡CH; HC≡C-CH2CH(CH3)-C≡CH; HC≡C-C(CH3)2-C≡CH; HC≡C-CH(C2H5)-C≡CH ð Chọn đáp án A. Câu 4: Hợp chất hữu cơ X ứng với công thức phân tử C3H10O2N2. Cho X vào dung dịch NaOH đun nóng thấy tạo ra NH3. Mặt khác khi X tác dụng với dung dịch HCl tạo ra hỗn hợp sản phẩm trong đó có muối của aminoaxit. Số công thức cấu tạo thỏa mãn với điều kiện của X là A. 3. B. 4. C. 1. D. 2. Giải: + Chất X tác dụng với NaOH tạo ra NH3 như vậy X phải là muối amoni của axit cacboxylic no đơn chức mạch hở vì X có 2 oxi nên chỉ có 1 nhóm cacboxyl và theo nhận xét trên cứ thêm 1 gốc muối amoni ta sẽ cộng thêm vào k 1 đơn vị, do đó k của X sẽ là 1. X có 2 nguyên tử nitơ nên 1 nguyên tử nitơ tạo muối amoni, 1 nguyên tử nitơ còn lại sẽ nằm trong gốc hiđrocacbon của axit cacboxylic (nhóm amino NH2) + Độ bất bão hoà + Các đồng phân đó là và ð Chọn đáp án D. Câu 5: (câu 40 đề đại học khối A-2009, mã 175) Xà phòng hóa một hợp chất có công thức phân tử C10H14O6 trong dung dịch NaOH dư, thu được glixerol và hỗn hợp gồm 3 muối (không có đồng phân hình học). Công thức của ba muối đó là A. CH2=CH-COONa, HCOONa và CH≡C-COONa. B. CH3-COONa, HCOONa và CH3-CH=CH-COONa. C. HCOONa, CH≡C-COONa và CH3-CH2-COONa. D. CH2=CH-COONa, CH3-CH2-COONa và HCOONa. Giải: + Sản phẩm gồm 3 muối và glixerol nên đó phải là trieste của glixerol. + Độ bất bão hoà ; Do glixerol có k = 1 nên trong 3 gốc hiđrocacbon của axit phải có 1 gốc axit có chứa liên kết đôi. (loại đáp án A và C vì có liên kết 3); Trong glixerol và 3 nhóm COO có 6 nguyên tử cacbon, như vậy tổng số nguyên tử cacbon trong 3 gốc hiđrocacbon của axit là 4 nguyên tử. + Ba muối không có đồng phân hình học nên loại đáp án B, vậy chọn D. 2.3.2. Biện luận để xác định công thức phân tử - Trong các bài toán thì việc xác định công thức chung của chất đã cho thoả mãn các yêu cầu của đề bài là một việc rất quan trọng, vì trên cơ sở đó học sinh mới có thể làm được các bước tiếp theo. - Với loại bài tập này thì chỉ cần xác định công thức phân tử hoặc tìm quan hệ giữa các nguyên tử trong phân tử nhằm thoả mãn một số đặc điểm nào đó theo yêu cầu của đề. Ta có thề làm tương tự như trên: + Bước 1: Phân tích các đặc điểm cấu tạo theo giả thiết đề cho. + Bước 2: Tính độ bất bão hoà của công thức phân tử đã cho và biện luận để tìm công thức phân tử thoả mãn yêu cầu. - Có thể sử dụng 2 dạng công thức thường gặp: + Công thức chung của hợp chất chứa C, H, N, O là CnH2n+2+b-2kOaNb với: + n, a, b lần lượt là số nguyên tử cacbon, oxi, nitơ. + k là độ bất bão hoà của cả phân tử. + Nếu viết ở dạng nhóm chức thì hợp chất hữu cơ có dạng CnH2n+2-2k-aXa. Ở đây X là nhóm chức, a là số nhóm chức. Giá trị k ở đây là độ bất bão hoà của riêng gốc hiđrocacbon, không tính nhóm chức vào. + Để xác định số nguyên tử cacbon tối thiểu ta dựa vào đặc điểm cấu tạo gốc hiđrocacbon và nhóm chức (điều kiện tồn tại nhóm chức đó) Câu 1. Thiết lập công thức chung của các chất có đặc điểm sau: Hiđrocacbon thơm chứa 1 nhân benzen và 1 liên kết 3 ở nhánh. Ancol không no 2 chức có 1 liên đôi. Hợp chất tạp chức có 2 nhóm cacboxyl (-COOH), 1 nhóm OH và có 1 liên kết đôi. Este 2 chức mạch hở được tạo ra từ một ancol no 2 chức và 2 axit cacboxylic không no 1 chức chứa 1 liên kết đôi. Aminoaxit có 2 nhóm cacboxyl (-COOH), 1 nhóm NH2 và có 1 nhân thơm. Tripeptit mạch hở Y được tạo nên từ một aminoaxit (no, mạch hở, trong phân tử chứa một nhóm -NH2 và một nhóm -COOH). (trích 1 ý trong câu 9 đề thi đại học khối B-2010, mã 174) Giải: a. Hiđrocacbon thơm chứa 1 nhân benzen và 1 liên kết 3 ở nhánh. + Vì nhân thơm có độ bất bão hoà bằng 4, 1 liên kết 3 có độ bất bão hoà bằng 2. Như vậy phân tử đó có độ bất bão hoà là 6. + Từ công thức tổng quát của hiđrocacbon CnH2n+2-2k. Thay k = 6 ta được công thức CnH2n-10. + Do nhân thơm tối thiểu 6 nguyên tửcacbon, 1 liên kết 3 cần tối thiểu 2 nguyên tử cacbon nên số nguyên tử cacbon tối thiểu là 8 nên n≥8. ð Như vậy công thức chung CnH2n-10 với n≥8. b. Ancol không no 2 chức có 1 liên đôi. + Hợp chất hữu cơ có nhóm chức ta có thể đại diện bằng công thức CnH2n+2-2k-aXa. + Theo yêu cầu của đề là ancol 2 chức nên X ở đây là nhóm OH, giá trị của a là 2. + Có 1 liên kết đôi nên k = 1. + Thay vào ta được CnH2n-2(OH)2 (1) + Hoặc ta có thể lập luận theo cách khác là hợp chất chứa C, H, O nên có công thức CnH2n+2-2kO2 (2 nguyên tử oxi là vì ancol 2 chức) thay k = 1 ta được CnH2nO2 (2) + Từ công thức (1) ta có thể chuyển thành công thức (2) bằng cách nhập 2 nguyên tử hiđro trong nhóm OH vào trong số nguyên tử hiđro chung. Ở đây hai công thức (1) và (2) đều có thể đại diện nhưng ý nghĩa hoàn toàn khác nhau. Trong công thức (1) chỉ đại diện cho loại hợp chất ancol, còn công thức (2) có thể đại diện cho các loại hợp chất khác có cùng số nguyên tử oxi và độ bất bão hoà. + Vì có 2 nhóm OH nên tối thiểu 2 nguyên tử cacbon, 1 liên kết đôi cần có 2 nguyên tử cacbon, nhưng do điều kiện để ancol tồn tại nên số cacbon tối thiểu cần có là 4. ð Như vậy công thức chung CnH2n-2(OH)2 hoặc CnH2nO2 với n≥4. c. Hợp chất tạp chức có 2 nhóm cacboxyl (-COOH), 1 nhóm OH và có 1 liên kết đôi. + Tương tự câu b ta thay vào CnH2n+2-2k-aXa thì được công thức CnH2n-3(COOH)2(OH). + Hoặc từ công thức CnH2n+2+b-2kOaNb ta suy ra được CnH2n-4O5 (do 2 nhóm COOH là 4 oxi, thêm 1 oxi của 1 nhóm OH nữa là 5. Độ bất bão hoà của cả phân tử là 3, gồm 2 liên kết đôi trong nhóm COOH và 1 liên kết đôi trong gốc hiđrocacbon) + Số nguyên tử cacbon tối thiểu là 3 nếu sử dụng công thức CnH2n-3(COOH)2(OH). + Số nguyên tử cacbon tối thiểu là 5 nếu sử dụng công thức CnH2n-4O5 ð Như vậy công thức chung CnH2n-3(COOH)2(OH) với n≥3 hoặc CnH2n-4O5 với n≥5 d. Este 2 chức mạch hở được tạo ra từ một ancol no 2 chức và 2 axit cacboxylic không no 1 chức chứa 1 liên kết đôi. + Vì este mạch hở nên ancol và axit phải mạch hở. Độ bất bão hoà của ancol là 0, của axit là 1 (không tính trong nhóm chức COOH). Cả phân tử có độ bất bão hoà bằng 4 + Dựa trên các đặc điểm đó ta thiết lập được (CnH2n-1COO)2CmH2m với n≥2 và m≥2 với n, m là số nguyên tử cacbon tối thiểu của axit và ancol hoặc công thức CnH2n-6O4 với n≥8. + Trong các trường hợp nhóm chức phức tạp thì người ta chủ yếu là sử dụng công thức chung ở dạng phân tử chứ không dùng công thức chung ở dạng nhóm chức vì nó rườm rà phức tạp. e. Tripeptit mạch hở Y được tạo nên từ một aminoaxit (no, mạch hở, trong phân tử chứa một nhóm -NH2 và một nhóm -COOH). Trong vấn đề này thì ta chỉ cần thiết lập công thức phân tử chung + Nhận thấy aminoaxit (no, mạch hở, trong phân tử chứa một nhóm -NH2 và một nhóm -COOH) độ bất bão hoà bằng 1 như vậy trippetit Y sẽ có độ bất bão hoà bằng 3, kết hợp với quy tắc loại nước peptit ta có công thức của Y sẽ là CnH2n+2+3-2.3N3O6-2. Số nguyên tử hiđro 2n + 2 + 3 (vì 3 nguyên tử nitơ) - 2.3 (vì k=3); Số nguyên tử oxi 6 - 2 (vì loại hai phân tử nước) ð Kết quả ta có công thức của Y là CnH2n-1N3O4 với n≥6 (do Y là tripeptit) Câu 2: (Câu 10, Đề đại học khối A-2014, mã 259) Cho anđehit no, mạch hở, có công thức CnHmO2. Mối quan hệ giữa n và m là A. m = 2n + 1. B. m = 2n. C. m = 2n - 2. D. m = 2n + 2. Giải: + Vì anđehit no, mạch hở, nên gốc hiđrocacbon của anđehit có k = 0, mặt khác anđehit có 2 nguyên tử oxi suy ra phải có 2 nhóm anđehit nghĩa là tổng k của nhóm chức bằng 2. Như vậy tổng độ bất bão hoà của cả phân tử chất trên là 2. + Ta có m = 2n + 2 - 2k; thay k = 2 ta được m = 2n - 2. ð Chọn đáp án C. 2.4. Sử dụng số liên kết pi trung bình - Áp dụng cho các bài toán Hóa hữu cơ mà các chất trong hỗn hợp: khác nhau về số liên kết π, có thể xác định được số liên kết π trung bình thông qua tỉ lệ số mol của hỗn hợp trong các phản ứng định lượng số liên kết π (phản ứng cộng H2, Br2, ...), hoặc bài toán cộng nhiều giai đoạn: cộng hiđro rồi cộng dung dịch brom (bảo toàn liên kết pi) - Công thức bảo toàn số mol liên kết pi: giả sử hỗn hợp X gồm x mol hiđrocacbon không no A, có số liên kết pi là kA; y mol hiđrocacbon không no B, có số liên kết pi là kB; z mol hiđrocacbon không no C, có số liên kết pi là kC...Hỗn hợp X phản ứng với a mol H2 được hỗn hợp Y, hỗn Y phản ứng với b mol brom. Nếu các phản ứng xảy ra cho đến khi hỗn hợp không còn liên kết pi thì ta có: x.kA + y.kB + z.kC = a + b Câu 1: (câu 21 đề đại học khối B-2008, mã 195) Dẫn 1,68 lít hỗn hợp khí X gồm hai hiđrocacbon vào bình đựng dung dịch brom dư. Sau khi phản ứng hoàn toàn, có 4 gam brom đã phản ứng và còn lại 1,12 lít khí. Nếu đốt cháy hoàn toàn 1,68 lít X thì sinh ra 2,8 lít khí CO2 (đktc). Công thức phân tử của hai hiđrocacbon là A. CH4 và C2H4. B. CH4 và C3H4. C. CH4 và C3H6. D. C2H6 và C3H6. Giải: + khí thoát ra sau khi phản ứng với brom dư là ankan, khí phản ứng với dung dịch brom là một hiđrocacbon không no. + số mol hiđrocacbon không no = số mol brom = 0,025 mol (k=1). Như vậy hiđrocacbon không no thuộc dãy anken. + Tính số nguyên tử cacbon trung bình = 1,67 suy ra có metan. + Như vậy hỗn hợp gồm CH4 (0,05 mol) và CnH2n (0,025 mol) + bảo toàn nguyên tố cacbon ta có 0,05.1+0,025.n=0,125 ð n=3, chọn đáp án C. Câu 2: Cho 4,48 lít hỗn hợp X (ở đktc) gồm hai hiđrocacbon mạch hở lội từ từ qua bình chứa 1,4 lít dung dịch Br2 0,5M. Sau khi phản ứng hoàn toàn, số mol Br2 giảm đi một nửa và khối lượng bình tăng thêm 6,7 gam. Công thức phân tử của hai hiđrocacbon là A. C3H4 và C4H8. B. C2H2 và C3H8. C. C2H2 và C4H8. D. C2H2 và C4H6. Giải: + Số mol brom phản ứng =1/2.1,4.0,5= 0,35 mol; số mol hỗn hợp hiđrocacbon = 0,2 mol ð số liên kết pi trung bình + Có các khả năng sau: hỗn hợp gồm 1 ankan và 1 ankin (loại) hoặc hỗn hợp gồm 1 anken và 1 ankin. + Hỗn hợp gồm anken CnH2n x mol và ankin CmH2m-2 y mol, công thức chung của 2 chất là 0,2 mol. Ta có (14+2 -2).0,2=6,7. Thay k vào ta được =2,5 Và có x+ y = 0,2 và x+2y=0,35. Tìm được x = 0,05 mol và y=0,15 mol + Sử dụng đường chéo ta được n =4 và m=2 chọn đáp án C. Câu 3: (câu 24, đề khối đại học khối B-2012, mã 359) Hỗn hợp khí X gồm 0,15 mol vinylaxetilen và 0,6 mol H2. Nung X một thời gian với (xúc tác Ni) sau một thời gian thu được hỗn hợp khí Y có tỉ khối so với H2 bằng 10. Dẫn hỗn hợp Y qua dung dịch brom dư, sau khi phản ứng hoàn toàn, khối lượng brom tham gia phản ứng là A. 0 gam. B. 24 gam. C. 8 gam. D. 16 gam. Giải: + Ban đầu vinylaxetilen phản ứng với H2, sau đó phản ứng với brom cho đến khi không còn liên kết pi (trở thành hợp chất bão hoà). Vậy muốn tính được số mol brom phản ứng ta chỉ cần tính được số mol hiđro đã phản ứng là xong + Bài toán tính theo vinylaxetilen, ở đây ta không biết vinylaxetilen đã phản ứng là bao nhiêu nên tạm gọi số mol phản ứng là x mol + H2 Ban đầu 0,15 0,6 Phản ứng x Số mol hỗn hợp giảm đúng bằng số mol H2 phản ứng, khối lượng hỗn hợp X và Y bằng nhau số mol ð=0,3 mol + Bảo toàn số mol liên kết pi ta có 0,15.3=0,3+ð=0,15 mol + Tính được khối lượng brom phản ứng là 24 gam, chọn đáp án B. Câu 4: (câu 28 đề đại học khối A-2014, mã 259) Hỗn hợp khí X gồm 0,1 mol C2H2; 0,2 mol C2H4 và 0,3 mol H2. Đun nóng X với xúc tác Ni, sau một thời gian thu được hỗn hợp khí Y có tỉ khối so với H2 bằng 11. Hỗn hợp Y phản ứng tối đa với a mol Br2 trong dung dịch. Giá trị của a là A. 0,1. B. 0,3. C. 0,4. D. 0,2. Giải: + Nhận dạng bài toán thì đây là kiểu bài bảo toàn số mol liên kết pi như câu trên. + Ta tính số mol hiđro phản ứng ð x = 0,2 mol (x là số mol H2 đã phản ứng) + Bảo toàn số mol liên kết pi ta có 0,1.2 + 0,2.1 = 0,2 +ð=0,2 mol, chọn đáp án D. 2.5. Phân tích hệ số trong phản ứng đốt cháy - Ta đã biết một chất hữu cơ bất kỳ chứa 4 nguyên tố C, H, O và N có công thức phân tử là CnH2n+2- 2kNaOb với k là độ bất bão hòa (bằng tổng số vòng và số liên kết π trong C). Xét phản ứng cháy của hợp chất này, ta có: CnH2n+2-2k NaOb + O2nCO2 + (n+1-k)H2O + N2 Phân tích hệ số phản ứng này, ta có một kết quả rất quan trọng Nếu hợp chất chỉ chứa C, H, oxi có thể có hoặc không thì ta có (k≠1). Với nX là số mol chất hữu cơ bị đốt cháy. Các trường hợp riêng hay gặp trong các bài tập là k = 0 (hợp chất no, mạch hở CnH2n+2Ox, như ankan, ancol no mạch hở, ete no mạch hở,...) có k = 2 (ankin, ankađien, axit cacboxylic không no 1 nối đôi, anđehit không no 1 nối đôi, xeton không no 1 nối đôi, ...) có Nếu hợp chất chứa C, H, N, oxi có thể có hoặc không thì ta có (k≠1). Với nX là số mol chất hữu cơ bị đốt cháy. Nếu k = 1 thì + (hợp chất chứa C, H, O có thể có hoặc không) + (hợp chất chứa C, H, N, oxi có thể có hoặc không) Câu 1: Đốt cháy hết V lít (đktc) hiđrocacbon X rồi dẫn sản phẩm qua bình chứa dung dịch Ba(OH)2 dư. Sau thí nghiệm thu được 7,88g kết tủa, đồng thời khối lượng dung dịch giảm 5,22g. Giá trị của V là A. 1,12. B. 0,224. C. 0,896. D. 0,112. Giải: + ; mdd giảm =ð= 0,9 gam ð=0,05 mol + sản phẩm cháy của X có ðX là ankan ð + Từ đó tính được Vankan=22,4.(0,05-0,04) = 0,224 lít. Chọn đáp án B. Câu 2: (câu 3, đề đại học khối A-2011, mã 273) Đốt cháy hoàn toàn x gam hỗn hợp gồm hai axit cacboxylic hai chức, mạch hở và đều có một liên kết đôi C=C trong phân tử, thu được V lít khí CO2 (đktc) và y mol H2O. Biểu thức liên hệ giữa các giá trị x, y và V là A. B. C. D. Giải: + Bài toán đốt cháy hợp chất chứa có công thức CnH2n-4O4 (do độ bất bão hoà của cả phân tử là 3) và tìm quan hệ giữa CO2 và H2O. Đơn giản nhất là dùng kết quả liên hệ giữa độ bất bão hoà và số mol giữa CO2 và H2O. + Số mol hỗn hợp 2 axit, CO2 và nước lần lượt là ; và k =3 ð + Bảo toàn khối lượng các nguyên tố mhh = mC+ mH + mO = 12nC+ nH + 16nO ðmhh =12+2+16.4ðmhh = 12+2+ ð mhh =44+30 Thay các giá trị vào ta có hay Chọn đáp án A Câu 3: Đốt cháy hoàn toàn x mol axit cacboxylic E, thu được y mol CO2 và z mol H2O (với z = y - x). Cho x mol E tác dụng với NaHCO3 (dư) thu được y mol CO2. Tên của E là A. axit oxalic. B. axit acrylic. C. axit ađipic. D. axit fomic. Giải: + = - như vậy E có độ bất bão hoà bằng 2. + sinh ra khi đốt cháy = sinh ra khi tác dụng với NaHCO3 = y ð Số nhóm chức axit = số nguyên tử cacbon của phân tử. Chỉ có