Đơn cử như bài tập “viết tất cảcác đồng phân cấu tạo mạch hở của hợp chất có công thức C4H8O” thì đa số học sinh chỉviết được đồng phân cấu tạo của anđehit no mạch hở đơn chức và xeton n
Giải pháp
Thông qua kinh nghiệm giảng dạy, tôi đã xây dựng chuyên đề "Ứng dụng độ bất bão hòa trong hóa học hữu cơ" nhằm giúp học sinh phát triển tư duy và cải thiện khả năng xử lý nhanh các bài tập hữu cơ, đặc biệt là những bài trong đề thi đại học và cao đẳng khối A, B.
Giới hạn áp dụng của đề tài
Đối tượng áp dụng của đề tài này là học sinh có học lực môn Hóa từ trung bình trở lên, bao gồm cả những học sinh lựa chọn tổ hợp môn xét tuyển cho kỳ thi tốt nghiệp THPT, đại học và cao đẳng có môn Hóa.
GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ
Những vấn đề lý luận chung
Độ bất bão hoà (k) là chỉ số thể hiện mức độ chưa no của hợp chất hữu cơ, được xác định bằng tổng số liên kết pi (π) và số vòng trong công thức cấu tạo của nó.
* Giả sử có hợp chất hữu cơ có công thức là CxHyOzNtXv (X là halogen)
- 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 carbon (C) có hóa trị IV, sử dụng 4 electron hóa trị; nguyên tử nitơ (N) có hóa trị III, sử dụng 3 electron hóa trị; nguyên tử oxy (O) có hóa trị II, sử dụng 2 electron hóa trị; và cả nguyên tử hydro (H) và nguyên tử X đều có hóa trị I, sử dụng 1 electron hóa 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.
- Tổng số các nguyên tử có hoá trị ≥ 2 là z + t + x 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 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) 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
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 (phân tử) = k (gốc hiđrocacbon) + k (nhóm chức)
Lưu ý rằng công thức tính k không áp dụng cho muối amoni của axit cacboxylic Trong trường hợp muối amoni, việc thêm một gốc muối amoni sẽ làm tăng giá trị k theo công thức thêm 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,
+ Với C5H7Clta 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)
Trong các hợp chất chứa carbon (C), hydro (H) và oxy, có thể có hoặc không có halogen, chúng ta có thể so sánh hiệu số nguyên tử hoá trị I với ankan tương ứng có cùng số carbon, sau đó chia cho 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 bổ sung nitơ vào ankan, mỗi nguyên tử nitơ sẽ tương ứng với việc tăng thêm một nguyên tử hiđro Do đó, cần tính toán hiệu số nguyên tử hóa trị I như đã nêu.
Trong hợp chất C4H11N, so với C4H10, do có thêm một nguyên tử nitơ, số nguyên tử hiđro tăng từ 10 lên 11 Tính hiệu số nguyên tử hoá trị I, ta được k = 0 Tương tự, trong hợp chất C4H10N2, công thức tính là (10 + 2 - 10)/2 = 1.
Nhận xét này là 1 thủ thuật giúp học sinh nhẩm nhanh.
Để tính độ bất bão hòa của các hợp chất như CH3COOH, C3H5COOH và C6H5NO2, chúng ta có thể áp dụng công thức tính toán hoặc dựa vào cấu trúc phân tử để xác định nhanh chóng Việc phân tích cấu tạo giúp nhận diện các liên kết đôi và ba, từ đó đánh giá độ bão hòa của các hợp chất này một cách hiệu quả.
+ 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
C3H5COOH có gốc C3H5 không no với một liên kết đôi, do đó k=1 Nhóm cacboxyl (COOH) cũng có k=1, dẫn đến tổng độ bất bão hòa của 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)
Ứng dụng của độ bất bão hoà
Việc áp dụng độ bất bão hoà trong giải quyết bài tập hóa học hữu cơ, đặc biệt trong các kỳ thi đại học, giúp học sinh tiết kiệm thời gian Bài viết này trình bày một số ứng dụng cơ bản của độ bất bão hoà, kèm theo ví dụ minh hoạ và hướng dẫn chi tiết, nhằm giúp học sinh hiểu sâu sắc hơn về khái niệm này Qua các ví dụ, học sinh sẽ biết cách định hướng và áp dụng độ bất bão hoà vào quá trình giải bài tập hiệu quả.
2.1 Xác định công thức phân tử từ công thức đơn giản nhất
Xác định công thức phân tử của chất hữu cơ là yêu cầu cơ bản trong Hóa hữu cơ Có nhiều phương pháp như tính trung bình, bảo toàn nguyên tố và bảo toàn khối lượng để thực hiện điều này, tùy thuộc vào dữ liệu bài toán Trong chuyên đề này, chúng ta sẽ xem xét trường hợp xác định công thức phân tử từ công thức đơn giản nhất mà không cần biết khối lượng mol của chất hữu cơ.
+ Bước 1: Từ công thức đơn giản nhất viết lại công thức phân tử 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
+ 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
Anđehit no, mạch hở có đặc điểm là gốc hiđrocacbon của nó có chỉ số k là 0 Tuy nhiên, trong nhóm chức CHO của anđehit, cứ mỗi nguyên tử oxi thì sẽ có một liên kết π tương ứng Do đó, nếu có n nguyên tử oxi trong nhóm chức này, thì sẽ có n liên kết π Kết quả là, tổng chỉ số k của cả phân tử anđehit sẽ bằng n.
Để xác định độ bất bão hoà, ta cần so sánh giữa độ bất bão hoà tính theo đề bài và độ bất bão hoà tính theo công thức Kết quả cho thấy n=2, từ đó suy ra công thức phân tử là C4H6O4 Do đó, đáp án đúng là 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
+ 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
Anđehit no có mạch hở với gốc hiđrocacbon có k=0 Đối với nhóm COOH, cứ 2 nguyên tử oxi sẽ có 1 liên kết π, do đó, 2n nguyên tử oxi sẽ tạo ra n liên kết π Tổng k của toàn bộ phân tử sẽ là n.
Độ bất bão hòa tính theo đề bài cần phải bằng độ bất bão hòa tính theo công thức, dẫn đến kết luận n=2 Do đó, công thức phân tử của hợp chất 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
+ 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
Anđehit có cấu trúc chưa no với mạch hở chứa một liên kết ba, do đó gốc hiđrocacbon của nó có k=2 Mỗi nguyên tử oxi trong nhóm chức CHO tạo ra một liên kết π, dẫn đến việc n nguyên tử oxi sẽ có n liên kết π Tổng giá trị k của toàn bộ phân tử anđehit vì vậy là n+2.
+ Ta có độ bất bão hoà tính theo đề bài phải bằng độ bất bão hoà tính theo công thức là
n=1 công 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?
+ 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
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 công thức cấu tạo của một chất hữu cơ, cần phân tích đặc điểm của các thành phần cấu tạo như gốc và nhóm chức Điều này bao gồm việc xem xét các đặc điểm về mạch carbon và loại nhóm chức có trong chất hữu cơ.
- 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?
+ Trước hết ta tính độ bất bão hoà 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
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?
Để xác định độ bất bão hòa, ta có hai khả năng: hợp chất có một liên kết đôi hoặc có một vòng Tuy nhiên, vì đề bài yêu cầu đồng phân cấu tạo mạch hở, chúng ta chỉ xem xét trường hợp hợp chất có một liên kết đôi.
Hợp chất này chứa một nguyên tử oxy và có một liên kết đôi, do đó có thể là ancol không no với một liên kết đôi, anđehit no mạch hở, hoặc 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
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
Đầu tiên, chúng ta cần xác định độ bất bão hòa của hợp chất, điều này cho thấy có hai khả năng: hợp chất có một liên kết đôi hoặc có một vòng Vì hợp chất
- 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
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
Bài tập này yêu cầu viết công thức cấu tạo, nhưng cần tuân thủ một số điều kiện nhất định theo yêu cầu của đề Để hoàn thành bài tập này, bạn có thể thực hiện theo các bước hướng dẫn cụ thể.
+ 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
+ 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)
+ Do đipeptit nên phải có 1 nhóm -CONH-, tối thiểu phải có 1 nhóm -COOH và 1 nhóm -
+ 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 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.
Trong bài toán này, chất hữu cơ X có công thức phân tử C7H8 phản ứng với dung dịch AgNO3 trong NH3, tạo ra 45,9 gam kết tủa Để xác định số đồng phân cấu tạo của X thỏa mãn điều kiện trên, cần phân tích các đồng phân có khả năng tạo kết tủa bạc Chất hữu cơ X có thể là toluene hoặc các đồng phân khác của nó Việc tính toán và phân tích sẽ giúp xác định số lượng đồng phân cấu tạo tương ứng với phản ứng này.
C7H8 + xAgNO3 + xNH3 C7H8-xAgx + xNH4NO3
Vậy X phải có 2 liên kết ba ở đầu mạch (độ bất bão hoà của 2 liên kết ba là 4)
VìX có hai liên kết ba ở đầu mạch, nên gốc hiđrocacbon còn lại không chứa liên kết pi Có bốn đồng phân thỏa mãn yêu cầu: HC≡C-CH2CH2CH2-C≡CH; HC≡C-CH2CH(CH3)-C≡CH; HC≡C-C(CH3)2-C≡CH; và HC≡C-CH(C2H5)-C≡CH.
Hợp chất hữu cơ X có công thức phân tử C3H10O2N2, khi cho vào dung dịch NaOH và đun nóng sẽ sinh ra NH3 Ngoài ra, khi X phản ứng với dung dịch HCl, sản phẩm tạo ra bao gồm muối của aminoaxit Số công thức cấu tạo phù hợp với điều kiện của X là một vấn đề cần được xác định.
Bài tập áp dụng
Câu 2: Axit hữu cơ no mạch hở có công thức (C3H5O2)n Giá trị của n là
Câu 3: X là axit hữu cơ no, mạch hở có công thức phân tử CxHyOz Mối quan hệ của x, y, z là
A y=2x-z/2+2 B y=2x+z-2 C y=2x-z+2 D y=2x+2. Câu 4: Cho anđehit X mạch hở có công thức phân tử là CxHy(CHO)z Cho 0,15 mol X phản ứng với lượng dư dung dịch AgNO3 trong NH3 thì thu được 64,8 gam Ag Cho 0,125a mol X phản ứng với H2 dư (xúc tác Ni, đun nóng) thì thể tích H2 phản ứng là 8,4a lít (đktc) Mối liên hệ x, y là
Câu 5: A là axit no mạch hở, công thức CxHyOz Chỉ ra mối liên hệ đúng
A y = 2x-z +2 B y = 2x + z-2 C y = 2x D y = 2x-z. Câu 6: A là axit cacboxylic mạch hở, chưa no (1 nối đôi C=C), công thức CxHyOz Chỉ ra mối liên hệ đúng
A y = 2x B y = 2x + 2-z C y = 2x-z D y = 2x + z-2. Câu 7: X là axit hữu cơ có chứa 2 liên kết pi trong phân tử X tác dụng NaHCO3 dư thu được số mol CO2 bằng số mol của X phản ứng Công thức phân tử tổng quát của X là
Câu 8: Công thức tổng quát của các aminoaxit no, mạch hở, phân tử chứa một nhóm chức amino và hai nhóm cacboxyl là
Câu 10: Đốt cháy hoàn toàn một hiđrocacbon X thu được 0,11 mol CO2 và 0,132 mol
H2O Khi X tác dụng với khí clo thu được 4 sản phẩm monoclo Tên gọi của X là
Câu 11: Đốt cháy hoàn toàn hỗn hợp X gồm hai ankan kế tiếp trong dãy đồng đẳng được
24,2 gam CO2 và 12,6 gam H2O Công thức phân tử 2 ankan là
Câu 12: Đốt cháy hoàn toàn 2,24 lít hỗn hợp X (đktc) gồm CH4, C2H6 và C3H8 thu được
V lít khí CO2 (đktc) và 7,2 gam H2O Giá trị của V là
Câu 13: Đốt cháy hoàn toàn 6,72 lít hỗn hợp X (đktc) gồm CH4, C2H6, C3H8, C2H4 và
C3H6, thu được 11,2 lít khí CO2 (đktc) và 12,6 gam H2O Tổng thể tích của C2H4 và C3H6
(đktc) trong hỗn hợp X là
Câu 14: Đốt cháy hoàn toàn hỗn hợp X gồm CH4, C2H2, C3H4, C4H6 thu được x mol CO2 và 18x gam H2O Phần trăm thể tích của CH4 trong X là
Câu 15: Khi đốt cháy hoàn toàn V lít hỗn hợp khí gồm CH4, C2H6, C3H8 (đktc) thu được
44 gam CO2 và 28,8 gam H2O Giá trị của V là
Câu 16: Khi đốt cháy hoàn toàn 7,84 lít hỗn hợp khí gồm CH4, C2H6, C3H8 (đktc) thu được 16,8 lít khí CO2 (đktc) và x gam H2O Giá trị của x là
Câu 17: Đốt cháy hoàn toàn hỗn hợp khí X gồm 2 hiđrocacbon là đồng đẳng kế tiếp thu được 96,8 gam CO2 và 57,6 gam H2O Công thức phân tử của 2 hiđrocacbon là
Câu 18: Hỗn hợp khí X gồm 2 hiđrocacbon là đồng đẳng kế tiếp Đốt cháy X với 64 gam
Sản phẩm thu được từ phản ứng O2 dư với Ca(OH)2 dư tạo ra 100 gam kết tủa Khí thoát ra khỏi bình có thể tích 11,2 lít ở điều kiện 0 độ C và áp suất 0,4 atm Từ các thông tin này, có thể xác định công thức phân tử của hai hiđrocacbon.
Câu 19: Khi đốt cháy hoàn toàn hỗn hợp 2 ankan là đồng đẳng kế tiếp thu được 7,84 lít khí CO2 (đktc) và 9,0 gam H2O Công thức phân tử của 2 ankan là
Câu 20: Đốt cháy hoàn toàn hỗn hợp X gồm 2 hiđrocacbon là đồng đẳng liên tiếp, sau phản ứng thu được VCO2:VH2O =1:1,6 (đo cùng đk) X gồm