Tìm CTPT PHÂN LOẠI VÀ PHƯƠNG PHÁP GIẢI MỘT SỐ BÀI TẬP VỀ HYDROCACBON TRONG CHƯƠNG TRÌNH THPT

Tìm CTPT PHÂN LOẠI VÀ PHƯƠNG PHÁP GIẢI MỘT SỐ BÀI TẬP VỀ HYDROCACBON TRONG CHƯƠNG TRÌNH THPT

II.2 – BÀI TOÁN LẬP CTPT

Bước 1 : Tìm MA : tùy theo giả thiết đề bài cho mà sử dụng các cách tính sau để tìm MA

Tìm MA dựa trên các khái niệm cơ bản, các định luật cơ bản Có nhiều cách để tìm khối lượng phân tử, tùy từng giả thiết đề bài cho mà dùng cách tính thích hợp.

1 Dựa vào khối lượng riêng DA (đktc)

mA: khối lượng khí A chiếm thể tích VA ở đktc 4 Dựa vào biểu thức phương trình Mendeleep – Claperon:

Cho mA (g) chất hữu cơ A hóa hơi chiếm thể tích VA (l) ở nhiệt độ T (oK) và áp suất P(atm)

PV = nRT ⇒ M= mRTpV (R = 0,082 atm/ oKmol) 5 Dựa vào định luật Avogadro:

Định luật: Ở cùng điều kiện nhiệt độ và áp suất, mọi thể tích khí bằng nhau đều chứa cùng một số phân tử khí.

Bước 2 : Đặt CTPT chất A: CxHy

Xác định thành phần các nguyên tố trong hydrocacbon Cách 1 :Dùng khi đề bài

-Không cho khối lượng hydrocacbon đem đốt cháy -Tính được mC, mH từ mCO2, mH2O

∗ Tính khối lượng các nguyên tố có trong A và mA (g) chất A.

- Xác định n: biện luận từ CTTN để suy ra CTPT đúng của A : y ≤ 2x + 2; y chẵn, nguyên dương ; x ≥ 1, nguyên dương.

⇒ Từ đó xác định được CTPT đúng của chất hữu cơ A.

Lưu ý: Khi bài tóan yêu cầu xác định CTĐG nhất của chất hữu cơ A (hay CTN của A) hoặc

khi đề không cho dữ kiện để tìm MA thì ta nên làm theo cách trên.

2) Các ví dụ :Ví dụ 1 :

Một hydrocacbon A có thành phần nguyên tố: % C = 84,21; %H = 15,79; Tỉ khối hơi đối với không khí bằng dA/KK = 3,93 Xác định CTPT của A

Một hydrocacbon A ở thể khí có thể tích gấp 4 lần thể tích của lưu huỳnh đioxit có khối lượng tương đương trong cùng điều kiện Sản phẩm cháy của A dẫn qua bình đựng nước vôi trong dư thì có 1g kết tủa đồng thời khối lượng bình tăng 0,8g Tìm CTPT A.

II.2.1.2) Phương pháp dựa vào phản ứng cháy:

Dấu hiệu nhận biết bài toán dạng này : đề bài đốt cháy một chất hữu cơ có đề cập đến khối lượng chất đem đốt hoặc khối lượng các chất sản phẩm (CO2, H2O) một cách trực tiếp hoặc gián tiếp (tức tìm được khối lượng CO2, H2O sau một số phản ứng trung gian).

2) Oxi hóa chất hữu cơ A bằng CuO thì khối lượng oxy tham gia phản ứng đúng bằng độ giảm khối lượng a(g)của bình đựng CuO sau phản ứng oxi hóa Thông thường trong bài toán cho lượng oxi tham gia phản ứng cháy, để tìm khối lượng chất hữu cơ A nên chú ý đến định luật bảo toàn khối lượng

mA + a = mCO2 + mH2O

3) Sản phẩm cháy (CO2, H2O) thường được cho qua các bình các chất hấp thụ chúng 4) Bình đựng CaCl2 (khan), CuSO4 (khan), H2SO4 đặc, P2O5, dung dịch kiềm, … hấp thụ nước.

Bình đựng các dung dịch kiềm…hấp thụ CO2 Bình đựng P trắng hấp thụ O2.

5) Độ tăng khối lượng các bình chính là khối lượng các chất mà bình đã hấp thụ.

6) Nếu bài toán cho CO2 phản ứng với dung dịch kiềm thì nên chú ý đến muối tạo thành để xác định chính xác lượng CO2.

7) Viết phương trình phản ứng cháy của hợp chất hữu cơ với oxy nên để oxy lại cân bằng sau từ vế sau đến vế trước Các nguyên tố còn lại nên cân bằng trước, từ vế trước ra vế sau phương trình phản ứng.

2) Bài tập ví dụ :Ví dụ 1 :

Đốt hoàn toàn 0,58g một hydrocacbon A được 1,76g CO2 và 0,9g H2O Biết A có khối lượng riêng DA ≅ 2,59g/l Tìm CTPT A

Ví dụ 2 : Khi đốt cháy hòan tòan 0,42 g một Hydrocacbon X thu tòan bộ sản phẩm qua

bình 1 đựng H2SO4 đặc, bình 2 đựng KOH dư Kết quả, bình 1 tăng 0,54 g; bình 2 tăng 1,32 g Biết rằng khi hóa hơi 0,42 g X chiếm thể tích bằng thể tích của 1,192 g O2 ở cùng điều kiện Tìm CTPT của X

- Bình 2 đựng dd KOH dư sẽ hấp thụ CO2 do đó độ tăng khối lượng bình 2 chính là khối lượng của CO2 :

m2 = mCO2 =1,32g (3)

(1), (2), (3) ⇒ 0,4270 =1,3244x = 0,549y

⇒ x = 5 y = 10

Vậy CTPT X : C5H10 (M = 70đvC)

II.2.1.3 Phương pháp thể tích (phương pháp khí nhiên kế):

 Phạm vi ứng dụng : Dùng để xác định CTPT của các chất hữu cơ ở thể khí hay ở thể lỏng dễ bay hơi.

 Cơ sở khoa học của phương pháp : Trong một phương trình phản ứng có các chất khí tham gia và tạo thành (ở cùng điều kiện nhiệt độ, áp suất) hệ số đặt trước công thức của các chất không những cho biết tỉ lệ số mol mà còn cho biết tỉ lệ thể tích của chúng.

1)Phương pháp giải

Bước 1 : Tính thể tích các khí VA, VO2, VCO2, VH2O (hơi)…

Bước 2 : Viết và cân bằng các phương trình phản ứng cháy của hydrocacbon A dưới dạng

Cách khác : Sau khi thực hiện bước 1 có thể làm theo cách khác:

- Lập tỉ lệ thể tích VA: VB : VCO2 : VH2O rồi đưa về tỉ lệ số nguyên tối giản m:n:p:q - Viết phương trình phản ứng cháy của hợp chất hữu cơ A dưới dạng:

- Nếu VCO2 : VH2O = 1:1 => C : H = nC : nH = 1: 2

- Nếu đề tóan cho oxy ban đầu dư thì sau khi bật tia lửa điện và làm lạnh (ngưng tụ hơi nước) thì trong khí nhiên kế có CO2 và O2 còn dư Bài tóan lý luận theo CxHy

- Nếu đề tóan cho VCxHy = VO2 thì sau khi bật tia lửa điện và làm lạnh thì trong khí nhiên kế có CO2 và CxHy dư Bài tóan lý luận theo oxy.

- Khi đốt cháy hay oxi hóa hòan toàn một hydrocacbon mà giả thiết không xác định rõ sản phẩm, thì các nguyên tố trong hydrocacbon sẽ chuyển thành oxit bền tương ứng trừ:

N2→ khí N2

Halogen → khí X2 hay HX (tùy bài)

2 Bài tập ví dụVí dụ 1:

Trộn 0,5 l hỗn hợp C gồm hydrocacbon A và CO2 với 2,5 l O2 rồi cho vào khí nhiên kế đốt cháy thì thu được 3,4 l khí, làm lạnh chỉ còn 1,8 l Cho hỗn hợp qua tiếp dung dịch KOH (đặc) chỉ còn 0,5 l khí Các V khí đo cùng điều kiện Tìm CTPT của hydrocacbon A.

⇒ y = ay/a = 8

Vậy CTPT của A là C3H8

Ví dụ 2 :

Trộn 12 cm3 một hydrocacbon A ở thể khí với 60 cm3 oxi (lấy dư)

rồi đốt cháy Sau khi làm lạnh để nước ngưng tụ rồi đưa về điều kiện ban đầu thì thể tích khí cịn lại là 48 cm3, trong đĩ cĩ 24cm3 bị hấp thụ bởi KOH, phần cịn lại bị hấp thụ bởi

24cm3 khí bị hấp thụ bởi KOHkhí còn lại bị hấp thụ bởi P

và O2 ở 133,5 oC, 1 atm Sau khi bật tia lửa điện và đưa về nhiệt độ ban đầu (133,5 oC) thì áp suất trong bình tăng lên 10% so với ban đầu và khối lượng nước tạo ra là 0,216 g Tìm => CxHy dư, biện luận theo O2

Sau khi đưa về nhiệt độ ban đầu, các khí tạo áp suất có trong bình gồm H2O, CO2,

II.2.1.4 Phương pháp giá trị trung bình (xác định CTPT của hai hay nhiều chất hữu cơ trong hỗn hợp):

Là phương pháp chuyển hỗn hợp nhiều giá trị về một giá trị tương đương, nhiều chất về một chất tương đương

Phương pháp giá trị trung bình được dùng nhiều trong hóa hữu cơ khi giải bài tóan về các chất cùng dãy đồng đẳng Một phần bản chất của giá trị trung bình được đề cập đến ở việc tính phần trăm đơn vị và khối lượng hỗn hợp khí trong bài tóan tỉ khối hơi ở chương đầu lớp 10 Do đó, học sinh dễ dàng lĩnh hội phương pháp này để xác định CTPT của hai hay nhiều chất hữu cơ trong hỗn hợp.

II.1.4.1 Phương pháp khối lượng phân tử trung bình của hỗn hợp (Mhh)

Chất tương đương có khối lượng mol phân tử Mhhlà khối lượng mol phân tử trung bình của hỗn hợp Các bước giải :

Bước cơ bản : Xác định CTTQ của hai chất hữu cơ A,B

Bước 1 : Xác định CTTB của hai chất hữu cơ A, B trong hỗn hợp Bước 2 : Tìm Mhh qua các công thức sau :

Bước 3 : Biện luận tìm MA, MB hợp lý => CTPT đúng của A và B

Phạm vi ứng dụng: sử dụng có lợi nhiều đối với hỗn hợp các chất cùng dãy đồng đẳng

1) Phương pháp CTPT trung bình của hỗn hợp:

 Phạm vi áp dụng : Khi có hỗn hợp gồm nhiều chất, cùng tác dụng với một chất

khác mà phương trình phản ứng tương tự nhau (sản phẩm, tỉ lệ mol giữa nguyên liệu và sản

phẩm, hiệu suất, phản ứng tương tự nhau), có thể thay thế hỗn hợp bằng một chất tương đương, có số mol bằng tổng số mol của hỗn hợp Công thức của chất tương đương gọi là CTPT trung bình.

 Phương pháp giải :

Bước 1 : Đặt CTPT của hai chất hữu cơ cần tìm rồi suy ra CTPT trung bình của chúng : Đặt A : CxHy ; B : Cx’Hy’⇒ CTPTTB : C Hx y

Bước 2 : Viết phương trình phản ứng tổng quát và dữ liệu đề bài cho tính x,y

Bước 3 : biện luận Nếu x<x’ ⇒ x < x < x’ y<y’ ⇒ y< y< y’

Dựa vào điều kiện x, x’, y, y’ thỏa mãn biện luận suy ra giá trị hợp lý của chúng ⇒ CTPT A, B.

 Phạm vi ứng dụng : Phương pháp giải này ngắn gọn đối với các bài tóan hữu cơ

thuộc loại hỗn hợp các đồng đẳng nhất là các đồng đẳng liên tiếp Tuy nhiên có thể dùng phương pháp này để giải các bài toán hỗn hợp các chất hữu cơ không đồng đẳng cũng rất hiệu quả.

Ngoài phương pháp trên còn có phương pháp số C, số H, số liên kết π trung bình (k) Phương pháp giải tương tự như hai phương pháp trên

 Một số lưu ý:

1) Nếu bài cho 2 chất hữu cơ A, B là đồng dẳng liên tiếp thì : m = n + 1 (ở đây n, m là số C trong phân tử A, B)

2) Nếu bài cho 2 chất hữu cơ A, B hơn kém nhau k nguyên tử C thì m = n + k 3) Nếu bài cho 2 chất hữu cơ A, B cách nhau k nguyên tử C thì : m = n + (k +1) 4) Nếu bài cho anken, ankin thì n, m ≥ 2.

5) Nếu bài toán cho A, B là hydrocacbon ở thể khí trong điều kiện thường (hay điều kiện

Cách 2: Dùng phương pháp phân tử khối trung bình M: Gọi 2 ankan A : CnH2n+2 (a mol) ; B : CmH2m+2 (b mol)

II.2.1.5 - Phương pháp biện luận

1 Dựa vào giới hạn xác định CTPT của một hydrocacbon :

- Khi số phương trình đại số thiết lập được ít hơn số ẩn cần tìm, có thể biện luận dựa vào giới hạn :

A : CxHy thì : y ≤ 2x + 2; y chẵn, nguyên dương ; x ≥ 1, nguyên.

- Nếu không biện luận được hay biện luận khó khăn có thể dùng bảng trị số để tìm kết quả - Điều kiện biện luận chủ yếu của loại toán này là : hóa trị các nguyên tố Phương pháp biện luận trình bày ở trên chỉ có thể áp dụng để xác định CTPT của một chất hoặc nếu nằm trong 1 hỗn hợp thì phải biết CTPT của chất kia.

2 Biện luận theo phương pháp ghép ẩn số để xác định CTPT của một hydrocacbon :

a) Các bước cơ bản :

Bước 1 : Đặt số mol các chất trong hỗn hợp là ẩn số.

Bứơc 2 : Ứng với mỗi dữ kiện của bài toán ta lập một phương trình toán học.

Bước 3 : Sau đó ghép các ẩn số lại rút ra hệ phương trình toán học Chẳng hạn : a + b = P (với a, b là số mol 2 chất thành phần)

an + bm = Q (với n, m là số C của 2 hydrocacbon thành phần)

Bước 4 : Để có thể xác định m, n rồi suy ra CTPT các chất hữu cơ thành phần, có thể áp

Hoặc từ mối liên hệ n,m lập bảng trị số biện luận

- Nếu A, B thuộc hai dãy đồng đẳng khác nhau ta phải tìm x, y rồi thế vào phương trình nx + my = Q để xác định m, n ⇒ CTPT.

3 Một số phương pháp biện luận xác định dãy đồng đẳng và CTPT hydrocacbon :

 Cách 1 : Dựa vào phản ứng cháy của hydrocacbon, so sánh số mol CO2 và số mol H2O Nếu đốt 1 hydrocacbon (A) mà tìm được :

* nH2O > nCO2  (A) thuộc dãy đồng đẳng ankan

* nH2O = nCO2 ⇒ (A) thuộc dãy đồng đẳng anken hay olefin hoặc (A) là xicloankan

* Bước 1 : Đặt CTTQ của hydrocacbon là :

CnH2n+2-2k (ở đây k là số liên kết π hoặc dạng mạch vòng hoặc cả 2 trong CTCT A) Điều kiện k ≥ 0, nguyên Nếu xác định được k thì xác định được dãy đồng đẳng của A - k = 0 ⇒ A thuộc dãy đồng đẳng ankan

- k = 1 ⇒ A thuộc dãy đồng đẳng anken

- k = 2 ⇒ A thuộc dãy đồng đẳng ankin hay ankadien - k = 4 ⇒ A thuộc dãy đồng đẳng benzen.

Để chứng minh hai ankan A, B thuộc cùng dãy đồng đẳng, ta đặt A : CnH2n+2-2k ; B : CmH2m+2-2k’ Nếu tìm được k = k’ thì A,B cùng dãy đồng đẳng.

* Bước 2 : Sau khi biết được A,B thuộc cùng dãy đồng đẳng, ta đặt CTTQ của A là CxHy Vì B là đồng đẳng của A, B hơn A n nhóm –CH2- thì CTTQ của B :CxHy (CH2)n hay Cx+nHy+2n * Bước 3 : Dựa vào phương trình phản ứng cháy của A, B, dựa vào lượng CO2, H2O, O2

hoặc số mol hỗn hợp thiết lập hệ phương trình toán học, rồi giải suy ra x, y, n  Xác định được CTPT A, B.

 Cách 3 : dựa vào khái niệm dãy đồng đẳng rút ra nhận xét :

- Các chất đồng đẳng kế tiếp nhau có khối lượng phân tử lập thành một cấp số cộng

Đốt cháy một hỗn hợp gồm 2 hydrocacbon A, B (có M hơn kém nhau 28g) thì thu được 0,3mol CO2 và 0,5 mol H2O Tìm CTPT & tên A, B

Biện luận tương tự cách trên suy ra CTPT A : CH4 và B : C3H8.

II.2.2 PHƯƠNG PHÁP GIẢI MỘT SỐ BÀI TOÁN LẬP CTPT HYDROCACBON

Bài 1 :

Cracking ankan A, người ta thu được một hỗn hợp khí B gồm 2 ankan và 2 anken Tỉ khối hơi của B so với H2 dB/H2 = 14,5 Khi dẫn hỗn hợp khí B qua dung dịch Br2 dư, khối lượng hỗn hợp khí giảm đi 55,52%.

a) Tìm CTPT của A và các chất trong B b) Tính % thể tích các chất khí trong B.

Ở bài này dựa vào tính chất phản ứng cracking và áp dụng định luật bảo toàn khối lượng để tìm MA kết hợp với phương pháp ghép ẩn số để giải.

⇔ 9,7984a = 4,2016b ⇔ b ≅ 2,3a (mol) nB = 2(a + b) = 2 (a + 2,3a) = 6,6a (mol)

Ở cùng điều kiện, tỉ lệ số mol cũng chính là tỉ lệ về thể tích

Hydrocacbon (X) dẫn xuất từ aren Hóa hơi (X) trộn với oxi vừa đủ trong một khí nhiên kế, đốt hoàn toàn hỗn hợp rồi đưa về nhiệt độ ban đầu, áp suất trong bình bằng 12 lần áp xuất của (X) ban đầu Đưa về 0oC áp suất khí giảm còn 2/3.

5,2 gam (X) làm mất màu dung dịch chứa 8 gam Brôm Xác định CTCT của (X)

GIẢI

Bài này có 2 cách giải :

 Ở cùng điều kiện T, V không đổi thì tỉ lệ số mol bằng tỉ lệ áp suất.

nCO2 = 2/3 (nCO2 + nH2O)

Cách 1 : Dùng phương pháp thông thường để giải.

 Giả sử số mol của X là 1mol

A là Styren.

Bài 3 :

Đốt cháy 19,2 g hỗn hợp 2 ankan kế tiếp thì thu được V lít CO2 (0oC, 2 atm) Cho V lít CO2 trên qua dd Ca(OH)2 thì thu được 30g kết tủa Nếu tiếp tục cho dd Ca(OH)2 vào đến dư thì thu được thêm 100g kết tủa nữa 2CO2 + Ca(OH)2→ Ca(HCO3)2

Khi cho thêm dd Ca(OH)2 vào đến dư :

Ca(HCO3)2 + Ca(OH)2→ 2CaCO3 + 2H2O

Áp dụng ĐLBT khối lượng thì mCO2 = mCO2(trong ∑CaCO3 )

Một hỗn hợp X gồm 2 hydrocacbon liên tiếp nhau thuộc cùng một dãy đồng đẳng và đều ở thể khí ở đktc Đốt cháy X với 6,4g O2 (lấy dư) và cho hỗn hợp CO2, H2O, O2 dư đi qua bình đựng dung dịch Ca(OH)2 dư thì có 100g kết tủa và còn lại 1 khí thoát ra có V=

Ở bài này, đốt cháy 2 hydrocacbon liên tiếp thuộc cùng một dãy đồng đẳng nên sử dụng phương pháp trung bình để giải.

Ta thấy nH2O > nCO2 ⇒ hai hydrocacbon trên thuộc dãy đồng đẳng ankan.

Đốt cháy 560cm3 hỗn hợp khí (đktc) gồm 2 hydrocacbon có cùng số nguyên tử cacbon ta thu được 4,4g CO2 và 1,9125g hơi nước.

a) Xác định CTPT các chất hữu cơ b) Tính %khối lượng các chất.

c) Nếu cho lượng CO2 trên vào 100 ml dd KOH 1,3M; Tính CM muối tạo thành.

Ở bài này, ta dùng phương pháp số nguyên tử H trung bình kết hợp với phương pháp biện luận để giải.

CTPT trung bình 2 hydrocacbon trên : CxHy

Giả sử y < y’ ⇒ y < y < y’

Ở bài này, đốt cháy hỗn hợp 2 hydrocacbon không phải là đồng đẳng của nhau nên không dùng phương pháp trung bình được mà sử dụng phương pháp ghép ẩn số và biện luận

Ca(OH)2 + 2CO2 → Ca(HCO3 )2 (6)

 TH 1 : Số mol CO2 thiếu so với dd Ca(OH)2, chỉ xảy ra phương trình phản ứng số

Vậy có 11 nghiệm thỏa yêu cầu đề bài.

Cách 2 : dùng phương pháp trung bình kết hợp với phương pháp biện luận.

Đặt CTPT trung bình của ankan, anken : CnH2n+2−2k

Viết các phương trình phản ứng như trên

Đốt cháy hoàn toàn 0,3mol hỗn hợp gồm 2 hydrocacbon A, B (thuộc các dãy đồng đẳng ankan, anken, ankin) có tỉ lệ phân tử lượng 22:13 rồi dẫn sản phẩm sinh ra vào bình Ba(OH)2 dư thấy bình nặng thêm 46,5g và có 147,75g kết tủa

a) Tìm CTPT A, B và tính khối lượng mỗi chất.

b) Cho 0,3 mol X lội từ từ qua 0,5 lít dung dịch Br2 0,2M thấy dung dịch Br2 mất màu hoàn toàn, khí thoát ra khỏi dung dịch Brôm chiếm thể tích 5,04 lít (đktc) Hỏi thu được sản phẩm gì? Gọi tên và tính khối lượng của chúng.

GIẢI :

Ở bài này, ta có thể giải theo phương pháp biện luận so sánh số mol kết hợp phương pháp ghép ẩn số để giải hoặc sử dụng phương pháp trung bình.

Sản phẩm cháy của 2 hydrocacbon là CO2 và H2O Khi hấp thụ vào bình chứa dd Ba(OH)2

Ta thấy khi đốt hai hydrocacbon cho số mol nCO2 = nH2O = 0,75 mol Cách 2 : biện luận theo phương pháp số k trung bình

Đặt CTPT trung bình của hai hydrocacbon trên là : CnH n+2− k