skkn cấp tỉnh phương pháp suy luận để phát hiện nhanh các tín hiệu đặc trưng của phổ hồng ngoại áp dụng trong xác định công thức cấu tạo hợp chất hữu cơ

TRƯỜNG THPT CHUYÊN LAM SƠN***

SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM

PHƯƠNG PHÁP SUY LUẬN ĐỂ PHÁT HIỆN NHANH CÁC TÍN HIỆU ĐẶC TRƯNG CỦA PHỔ HỒNG

NGOẠI

ÁP DỤNG TRONG XÁC ĐỊNH CÔNG THỨC CẤU TẠO HỢP CHẤT HỮU CƠ

Người thực hiện: Vũ Chí TuấnChức vụ: Giáo viên

Đơn vị công tác: Trường THPT Chuyên Lam SơnSKKN thuộc môn: Hóa học

THANH HOÁ NĂM 2024

1 PHẦN MỞ ĐẦU 1

1.1 Lí do chọn đề tài 1

1.2 Mục đích nghiên cứu 1

1.3 Đối tượng nghiên cứu 2

1.4 Phương pháp nghiên cứu 2

1.5 Điểm mới của sáng kiến kinh nghiệm 2

2 NỘI DUNG SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM 2

2.1 Cơ sở lí luận của sáng kiến kinh nghiệm 2

2.1.1 Cơ sở lý luận giáo dục 2

2.1.2 Cơ sở lý luận của phương pháp phổ hồng ngoại 3

2.1.2.1 Giới thiệu về phổ hồng ngoại 3

2.1.2.2 Nguyên lý hoạt động của Phổ hồng ngoại 4

2.1.2.3 Thuyết dao động phân tử 5

b Các loại dao động biến dạng (Bending) 6

2.2 Thực trạng vấn đề trước khi áp dụng sáng kiến kinh nghiệm 7

2.3 Các sáng kiến kinh nghiệm hoặc các giải pháp đã sử dụng để giải quyết vấn đề 7

2.3.1 Nhận xét chung về các yếu tố trong phổ hồng ngoại xác định cấu trúc phân tử hợpchất hữu cơ 7

2.3.2 Sự ảnh hưởng của cấu trúc đến số sóng 8

2.3.2 Các yếu tố liên quan đến cường độ tín hiệu của phổ hồng ngoại 10

2.3.3 Các yếu tố liên quan đến hình dạng tín hiệu của phổ hồng ngoại 11

2.3.4 Một số vân phổ thường gặp trong xác định phân tử hợp chất hữu cơ 13

2.4 Hiệu quả của sáng kiến kinh nghiệm đối với hoạt động giáo dục, với bản thân,đồng nghiệp và nhà trường 15

1 PHẦN MỞ ĐẦU1.1 Lí do chọn đề tài

Hiện nay, hóa học được biết đến là môn khoa học gắn liền với thực tiễn, đặc biệtlà hóa học hữu cơ Các hợp chất hữu cơ mới liên tục được tổng hợp, phát hiện gópphục vụ cho sự phát triển các ngành công nghiệp cũng như phục vụ cuộc sống hàng

ngày Một vấn đề lớn được đặt ra với các nhà khoa học: “ Làm thế nào để có thể xác

định chính xác, nhanh chóng cấu trúc của các hợp chất mới được phát hiện cũng nhưkiểm tra lại cấu trúc của các hợp chất đã biết nhưng mới tìm được con đường tổnghợp hiệu quả trong khi các phương pháp cổ điển không còn thực sự quá hiệu quả.” Để

giải quyết vấn đề này, các phương pháp phổ đã ra đời góp phần to lớn vào việc xácđịnh cấu trúc các hợp chất, tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình tìm kiếm cũng nhưtổng hợp các hợp chất mới Với một phương pháp hiệu quả như vậy thì vấn đề này đãđược đưa vào các đề thi học sinh giỏi Quốc gia và đặc biệt là các đề thi Quốc tế.

Qua quá trình nghiên cứu, giảng dạy, tìm hiểu chương trình dạy học hóa học ởtrường phổ thông chuyên cũng như quá trình bồi dưỡng học sinh giỏi, giáo viên giỏi chothấy:

+ Tài liệu giáo khoa dành riêng cho các học sinh chuyên về vấn đề Phổ Hóa họccòn nhiều hạn chế, sơ sài, chưa ứng dụng nhiều vào các đề thi học sinh giỏi và thựctiễn.

+ Các tài liệu tham khảo tuy nhiều nhưng nội dung kiến thức chưa được kháiquát, còn nằm rải rác ở nhiều tài liệu khác nhau, đồng thời có những phần lại quá đơngiản không chỉ ra được hướng tiếp cận tốt cho học sinh, có nhưng phần lại quá chuyênsâu, không phù hợp với chương trình học của học sinh phổ thông làm cho cả giáo viênvà học sinh khó khăn trong việc dạy và học.

Chính vì những điều này, sáng kiến “Phương pháp suy luận để phát hiện

nhanh các tín hiệu đặc trưng của phổ hồng ngoại áp dụng trong xác định côngthức cấu tạo hợp chất hữu cơ” thực sự là cần thiết với hi vọng là một nguồn tài liệu

tổng hợp phục vụ cho quá trình dạy học của các giáo viên ở các trường chuyên cũngnhư là một tài liệu tham khảo hiệu quả cho các em học sinh giỏi với mong muốn đạt

giải cao trong các kì thi học sinh giỏi các cấp và những em học sinh đam mê với mônhóa học.

1.2 Mục đích nghiên cứu

Hệ thống lại lý thuyết, phân loại, lựa chọn và xây dựng các phương pháp xác địnhnhanh phổ hồng ngoại để giải thích các hiện tượng và xác định nhanh cấu trúc (nhómchức) của các hợp chất hữu cơ nhằm phụ vụ cho giáo viên các trường chuyên giảng dạy,ôn luyện, bồi dưỡng học sinh giỏi để tham dự các kì thi học sinh giỏi trong nước và quốctế.

1.3 Đối tượng nghiên cứu

- Nghiên cứu lý thuyết về phổ hồng ngoại thường được sử dụng trong việc xácđịnh các hợp chất hữu cơ và đưa vào một cách có chọn lọc những nội dung phù hợptrong giảng dạy ở trường chuyên và bồi dưỡng học sinh giỏi.

- Thống kê, sưu tầm, phân loại các bài tập các bài tập về phổ hồng ngoại để ứngdụng các yếu tố xác định nhanh cấu trúc phân tử hợp chất hữu cơ từ các tài liệu nướcngoài, các đề thi Olympic trong khu vực trên thế giới, qua đó giúp các em hiểu đượcbản chất vấn đề, tự vận dụng kiến thức đã học để tìm hiểu những vấn đề mới cũng nhưtìm được phương pháp tiếp cận khác một cách hiệu quả nhất.

1.4 Phương pháp nghiên cứu

- Nghiên cứu các tài liệu về phương pháp dạy học hóa học, các tài liệu về bồidưỡng học sinh giỏi, các đề thi học sinh giỏi,…

- Nghiên cứu các tài liệu liên quan đến phổ hóa học đặc biệt là phổ hồng ngoại từcác sách, tài liệu trong nước và nước ngoài và các thông tin trên internet.

- Chọn lọc thông tin, vấn đề, vận dụng kết thức chuyên môn để đưa vào nghiêncứu cho phù hợp.

1.5 Điểm mới của sáng kiến kinh nghiệm

- Nghiên cứu đã xây dựng một cách có hệ thống lý thuyết, mở rộng và nâng caocác vấn đề liên quan đến phổ hồng ngoại.

- Xây dựng một cách có hệ thống các yếu tố của các vân phổ trong phổ hồng ngoại

để xác định nhanh, hiệu quả các yếu tô liên quan đên cấu trúc các phân tử hợp chất hữucơ.

- Ngoài ra đây cũng là tài liệu hiệu quả để cho giáo viên các trường chuyên làmtài liệu bồi dưỡng học sinh giỏi các cấp, đồng thời cũng là tư liệu để học sinh cáctrường chuyên, sinh viên các ngành hóa học tham khảo khảo, sử dụng cho mục đíchhọc tập và nghiên cứu khoa học.

2 NỘI DUNG SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM2.1 Cơ sở lí luận của sáng kiến kinh nghiệm.2.1.1 Cơ sở lý luận giáo dục

Hoá học là môn khoa học ứng dụng và thực hành nhưng lại có khối lý thuyết rấttrừu tượng, muốn thu hút học sinh có sự say mê, hào hứng trong việc tiếp thu kiếnthức thì giáo viên phải biết giúp học sinh biến kiến thức sách giáo khoa thành kiếnthức của mình Học sinh biết được, hiểu được và vận dụng được là mục tiêu mà giáoviên phải đạt được sau mỗi tiết dạy.

2.1.2 Cơ sở lý luận của phương pháp phổ hồng ngoại2.1.2.1 Giới thiệu về phổ hồng ngoại

Phổ hồng ngoại là một công cụ quan trọng trong lĩnh vực phổ hóa phần phổ hóahọc, cung cấp thông tin đáng tin cậy về cấu trúc của các hợp chất Đặc biệt, phổ hồngngoại có khả năng cung cấp nhiều đỉnh hấp thụ, khác biệt so với phổ cực tím có ít đỉnhhơn Điều này cho phép thu thập nhiều thông tin về cấu trúc của các hợp chất hữu cơ.Quá trình hấp thụ bức xạ hồng ngoại, được lượng tử hóa, gây ra các dao động hóa trịvà biến dạng liên quan đến nhau trong phân tử Đối với các nhà hóa học hữu cơ, khuvực quan trọng nhất trong phổ hồng ngoại nằm trong khoảng từ 2.5 µm đến 15 µm,trong đó các dao động phân tử có thể được phát hiện và đo lường thông qua phổ hồngngoại và phổ Raman Ngoài ra, khu vực từ 0.8 µm đến 2.5 µm được gọi là hồng ngoạigần, trong khi khu vực từ 15 µm đến 200 µm được gọi là hồng ngoại xa Tất cả nhữngkhu vực này đều đóng vai trò quan trọng trong việc nghiên cứu cấu trúc và tính chất

Hình 1: Vùng phổ Hồng ngoại

hóa học của các hợp chất hữu cơ.

Hấp thụ bức xạ hồng ngoại có thể được biểu diễn theo cả bước sóng (λ) và số) và số

tỷ lệ truyền qua phần trăm so với số sóng Mối quan hệ giữa bước sóng và số sóng

được xác định như sau:

2.1.2.2 Nguyên lý hoạt động của Phổ hồng ngoại

Nguyên lý của phổ hồng ngoại dựa trên sự kích thích của phân tử từ mức daođộng thấp lên mức dao động cao hơn khi hấp thụ bức xạ hồng ngoại Mỗi mức daođộng liên kết tương ứng với một số mức quay gần nhau Do đó, phổ hồng ngoại đượccoi là phổ dao động quay.

Không phải tất cả các liên kết trong một phân tử đều có khả năng hấp thụ nănglượng hồng ngoại, mà chỉ những liên kết đi kèm với sự thay đổi mô-men dipole mớihấp thụ trong khu vực hồng ngoại Các quá trình dao động có liên quan đến sự thay đổimô-men dipole của phân tử được gọi là quá trình hồng ngoại hoạt động Chúng chịutrách nhiệm cho sự hấp thụ năng lượng trong khu vực hồng ngoại Trong khi đó, các

quá trình dao động không đi kèm với sự thay đổi mô-men dipole của phân tử khôngthể được quan sát trực tiếp và chúng không hoạt động trong khu vực hồng ngoại.

Ví dụ: các quá trình dao động như C = O, N—H, O—H và các liên kết tương tựđi kèm với sự thay đổi mô-men dipole, và do đó, chúng hấp thụ mạnh trong khu vựchồng ngoại Tuy nhiên, các quá trình trong các liên kết Carbon-Carbon trong cácanken và ankin đối xứng không đi kèm với sự thay đổi mô-men dipole, và do đó,chúng không hấp thụ trong khu vực hồng ngoại Một điểm cần lưu ý là vì sự hấp thụtrong khu vực hồng ngoại được lượng tử hóa, một phân tử của hợp chất hữu cơ sẽ hiểnthị một số đỉnh trong khu vực hồng ngoại khi được phân tích bằng phổ hồng ngoại.

Mỗi dao động có tần số riêng nhất định và nếu những tần số này trùng với tần sốcủa photon chiếu tới mẫu thì chúng sẽ bị hấp thụ với các cường độ khác nhau Nhưphân tích, năng lượng dao động thường nằm trong vùng năng lượng của các bức xạhồng ngoại, nên phổ thu được gọi là phổ hồng ngoại (phổ IR).

Hoạt động trong một máy đo phổ IR có thể được sơ đồ hóa như sau:Ánh sáng hồng

ngoại(50 – 1000 cm-1)

 

Mẫu phântích

dạng đồ thị với trục hoành là số sóng (cm-1),trục tung là độ truyền qua

T 100(%)I

) Hình bên là ví dụ về phổIR của phân tử và một số chú ý liên quan.

2.1.2.3 Thuyết dao động phân tử

Sự hấp thụ trong khu vực hồng ngoại

xảy ra sự thay đổi trong các mức dao động và quay Khi bức xạ với dải tần số nhỏ hơn100 cm ¹ bị hấp thụ, sự quay phân tử xảy ra trong chất Do hấp thụ này được lượng tử⁻¹, trong khi nhóm carbonyl của các keton tạo ra một dảihóa, các ường nét rời rạc được hình thành trong phổ do quay phân tử Sự dao độngphân tử xảy ra khi bức xạ có năng lượng cao hơn trong khu vực 104 đến 102 cm ¹ được⁻¹, trong khi nhóm carbonyl của các keton tạo ra một dải

Hình 2: Phổ hồng ngoại của butanal

truyền qua mẫu của chất và sự hấp thụ gây ra dao động phân tử cũng được lượng tửhóa Khi có một sự thay đổi năng lượng dao động cũng sẽ đi kèm với một số lượng lớncác sự thay đổi năng lượng quay, do đó các phổ dao động xuất hiện cùng các dải daođộng quay Trong phổ hồng ngoại (khu vực từ 2,5 μm - 15 μm), năng lượng hấp thụm - 15 μm - 15 μm), năng lượng hấp thụm), năng lượng hấp thụgây ra các thay đổi năng lượng dao động phân tử nổi bật, phụ thuộc vào:

- Khối lượng của các nguyên tử có trong một phân tử.- Độ bền của các liên kết.

- Sự sắp xếp của các nguyên tử trong phân tử.

* Có hai loại dao động cơbản:

- Dao động hóa trị

(Stretching): Trong loại dao động

này, khoảng cách giữa hainguyên tử trong một liên kết tăng

hoặc giảm, nhưng các nguyên tử vẫn nằm trong cùng một trục liên kết (Hình a)

a Các loại dao động hóa trị (Stretching)

Hình 3: Hai loại dao động cơ bản

Hình 4: Hai loại dao động hóa trị

Có hai loại dao động hóa trị: (Hình 4.)

+ Dao động hóa trị đối xứng (Symmetric

stretching): Trong loại này, sự di chuyển của các

nguyên tử đối với một nguyên tử cụ thể trong một phântử diễn ra theo cùng một hướng.

+ Dao động hóa trị không đối xứng (Asymmetric

stretching): Trong các dao động này, một nguyên tử

tiến gần đến nguyên tử trung tâm trong khi nguyêntử khác xa khỏi nó.

b Các loại dao động biến dạng (Bending)

Có bốn loại dao động biến dạng:

+ Dao động kiểu kéo cắt (scissoring): Trong loại này, hai nguyên tử tiến gầnnhau.

+ Dao động kiểu con lắc (rocking): Trong loại này, sự di chuyển của các nguyêntử diễn ra theo cùng một hướng.

+ Dao động quạt (wagging): Hai nguyên tử di chuyển "lên và xuống" theo mộtmặt phẳng liên quan đến nguyên tử trung tâm.

+ Dao động xoắn (Twisting): Trong loại này, một trong các nguyên tử di chuyểnlên mặt phẳng trong khi nguyên tử khác di chuyển xuống mặt phẳng liên quan đến cácnguyên tử trung tâm.

Hình 5: Bốn loại dao động biến dạng

2.2 Thực trạng vấn đề trước khi áp dụng sáng kiến kinh nghiệm.

Hiện nay chương trình Hóa học phổ thông mới năm 2018 được xây dựng nhằmmục đích giúp học sinh phát triển các năng lực thành phần của năng lực tìm hiểu tựnhiên, gắn với chuyên môn về hóa học như: năng lực nhận thức kiến thức hóa học; nănglực tìm tòi, khám phá kiến thức hóa học; năng lực vận dụng kiến thức hóa học vào thựctiễn Từ đó biết ứng xử với tự nhiên một cách đúng đắn, khoa học và có khả năng lựachọn nghề nghiệp phù hợp với năng lực và sở thích, điều kiện và hoàn cảnh của bảnthân.

Cùng với đó chương trình Hóa học mới đã đưa rất nhiều kiến thức mới, có tínhứng dụng, áp dụng các kĩ thuật hiện đại và có ý nghĩa thực tiễn cao vào chương trìnhdạy học làm môn Hóa học trở nên dần tiệm cận với nghiên cứu khoa học hiện nay.Tuy nhiên việc đưa các kiến thức mới mẻ, hiện đại này vào chương trình học cũng đãlàm một phần không nhỏ giáo viên và học sinh trở nên lúng túng, khó khăn trong cáchtiếp cận, giảng dạy và học tập, đặc biệt là với các giáo viên và học sinh chuyên lànguồn mũi nhọn để tham gia các kì thi học sinh giỏi.

Một trong những phần kiến thức mới là phổ hồng ngoại được đưa vào chương trìnhHóa học 11 để xác định các nhóm chức trong phân tử hợp chất hữu cơ Tuy nhiên chươngtrình mà các học sinh được tiếp cận mới chỉ dừng lại ở việc xác định nhóm chức dựa vàosố sóng và việc chỉ sử dụng mình số sóng trong xác định cấu trúc phân tử hợp chất hữu cơkhông thể hiện hết thông tin và có thể gây khó khăn, nhầm lẫn giữa các nhóm chức vớinhau Điều này sẽ không đạt hiệu quả cao đối với các bài thi ĐGNL và ĐGTD do cáctrường đại học tổ chức theo hình thức thi mới và các bài thi học sinh giỏi cấp tỉnh, quốcgia.

Vì vậy, tôi thấy rằng vấn đề viết sáng kiến kinh nghiệm trên là rất cần thiết chogiáo viên bậc THPT và giúp học sinh nâng cao kiến thức tập môn Hoá học và pháttriển năng lực vận dụng kiến thức môn học vào khoa học thực tiễn cũng như đạt kếtquả cao trong các kì thi.

2.3 Các sáng kiến kinh nghiệm hoặc các giải pháp đã sử dụng để giải quyếtvấn đề.

Trong quá trình giảng dạy, học tập và tìm hiểu các kiến thức liên quan đến phổhồng ngoại qua các tài liệu của Việt Nam và quốc tế, tôi đã hệ thống được các yếu tố

ảnh hưởng đến các peak phổ trong hồng ngoại để từ đó có thể xác định nhanh đượccác nhóm chức, liên kết cũng như cấu trúc.

2.3.1 Nhận xét chung về các yếu tố trong phổ hồng ngoại xác định cấu trúcphân tử hợp chất hữu cơ

Phổ hồng ngoại thường được ghi dưới dạng đường cong sự phụ thuộc của phầntrăm truyền qua (100.I/Io) hoặc độ hấp thụ (A) vào số sóng (ν) Đôi khi người ta còn) Đôi khi người ta cònghi thêm cả giá trị bước sóng (thường tính ra micromet) Sự hấp thụ của các nhóm

nguyên tử được thể hiện bởi những vân phổ với các đỉnh phổ ở các số sóng xác định

mà người ta vẫn quen gọi là tần số.

Ngoài yếu tố về số sóng thì tín hiệu phổ IR còn được đặc trưng bởi 2 thông sốkhác là cường độ và hình dạng.

+ Cường độ của vận phổ: Ở vùng hồng ngoại, định luật hấp thụ không được

tuân thủ nghiêm ngặt như ở vùng tử ngoại - khả kiến, giá trị độ hấp thụ thường khó lặplại với các máy phố khác nhau Cường độ vận phổ hồng ngoại thưởng được đánh giátheo diện tích của vân phổ: vân phổ càng rộng và càng cao thì có cường độ càng lớn.Với mục đích phân tích cấu trúc người ta chỉ đánh giá cường độ văn phổ một cách

tương đối theo ba mức độ: mạnh (m), trung bình (tb) và yếu (y), vì thế những vận

phổ có độ truyền qua (% truyền qua) nhỏ (độ hấp thụ lớn) là những vẫn mạnh vàngược lại.

+ Hình dạng vân phổ: Như đã thấy ở các hình trên, các vân phổ có hình dạng rất

khác nhau mà nếu chỉ dùng đỉnh phổ thì không nói hết được Để mô tả hình dạng vân

phổ hồng ngoại, người ta cần chỉ rõ đó là vẫn phổ rộng (tù) hay hẹp (mảnh), chỉ có

một đỉnh hay có nhiều đỉnh phổ, hoặc vai phổ.

2.3.2 Sự ảnh hưởng của cấu trúc đến số sóng

Để đặc trung cho một dao động, người ta thường dùng số sóng (tính ra cm-1), vìsố sóng và tần số tỉ lệ thuận với nhau, nên theo thói quen người ta vẫn gọi chung làtần số đặc trưng.

Như vậy về cơ bản số sóng của giao độ phụ thuộc vào bản chất của liên kết (độbền của liên kết) và khối lượng rút gọn của phân tử (bản chất của các nguyên tử trongliên kết phân tử).

Từ công thức định luật Hooke, ta rút ra các nhận xét về các yếu tố ảnh hưởng nhưsau:

a Ảnh hưởng của khối lượng của hai nguyên tử (khối lượng rút gọn)

Số sóng tỉ lệ nghịch với khối lượng (

1μm - 15 μm), năng lượng hấp thụ

), nghĩa là khối lượng nhỏ sẽ dao độngở tần số (và do đó là số sóng) lớn hơn.

Do vậy phía bên trái của quang phổ chứa các tín hiệu được tạo ra bởi các liên kết

X- H (C- H, O- H, hoặc N-H) do nguyên tử hydrogen có khối lượng nhỏ nhất.

Ví dụ, khi xét dao động của liên kết C−X như dưới đây, H có khối lượng nhỏnhất và dao động của liên kết xuất hiện trong phổ IR ở tần số lớn hơn.

b Ảnh hưởng của độ bề liên kết (hằng số lực)

Số sóng tỉ lệ thuận với hằng số lực k ( k), nghĩa là: liên kết càng bền thì liênkết dao động ở tần số lớn hơn và tín hiệu hấp thụ cũng xuất hiện ở tần số lớn hơn.

Như vậy các loại liên kết và trạng thái lai hóa sẽ ảnh hưởng đến số sóng của liên kết.Dựa vào xu hướng trên, có thể giải thích tại sao các kiểu liên kết khác nhau sẽ

xuất hiện ở các vùng khác nhau trong phổ IR:

• Liên kết đơn (ngoại trừ các liên kết X – H) xuất hiện ở phía bên phải của

liên kết đôi

• Trạng thái lai hóa của một nguyên tử cũng ảnh hưởng đến số sóng theo thứ tự

lai hóa sp > sp2 > sp3 do độ âm điện của của các nguyên tử giảm dần đồng thời làm bánkính tăng dần.

Ví dụ 1: Xét các liên kết giữa C và N dưới đây:

Do độ bền của liên kết ba lơn hơn liên kết đôi và lớn hơn liên kết đơn nên số

Ví dụ 2: Ta so sánh các loại liên kết C – H (khác nhau ở dạng lai hóa của nguyên

tử carbon):

Nhận xét: Trong ba loại liên kết C – H đang xét, liên kết C – Hsp

có tín hiệu ởsố sóng lớn nhất, C – Hsp3

có tín hiệu ở số sóng thấp nhất do độ âm điện giảm từsp

C – H

đến C – Hsp3

làm độ dài của các liên kết tăng dần, số song giảm.Phổ IR của alkane, alkene và alkyne (tổng quát) được cho bên dưới.