Hóa nâng cao chương 5

Trong phân tử các hợp chất hữu cơ, nguyên tử các nguyên tố kết hợp với nhau hay liên kết với nhau theo một trật tự xác định và theo đúng hóa trị của chúng.. Các nguyên tử cacbon không nh

Chơng 4

Hiđrocacbon Nhiên liệu

A Tóm tắt kiến thức cơ bản

I Khái niệm về hợp chất hữu cơ

Những hợp chất của cacbon (trừ CO, CO2, các muối cacbonat kim loại) đợc gọi là các hợp chất hữu cơ

Ngành hóa học chuyên nghiên cứu về các hợp chất hữu cơ đợc gọi là hóa học hữu cơ

1 Đặc điểm chung của các hợp chất hữu cơ

Các hợp chất hữu cơ có những đặc điểm chung sau đây :

a) Số lợng các chất hữu cơ rất lớn, lớn hơn số lợng các chất vô cơ nhiều Ngày nay ngời ta đã biết khoảng 10 triệu chất hữu cơ so với khoảng một triệu chất vô cơ

b) Trong thành phần các hợp chất hữu cơ ngoài cacbon luôn có mặt ta có thể gặp hầu hết các nguyên tố hóa học, nhng số các nguyên tố thờng xuyên tạo nên các chất hữu cơ không nhiều, chỉ gồm hiđro (H), oxi (O), nitơ (N) rồi đến các halogen, photpho (P), lu huỳnh (S)

c) Một lợng rất lớn các hợp chất hữu cơ thờng dễ bay hơi, kém bền với nhiệt

Các hợp chất hữu cơ đóng vai trò cực kì quan trọng, vai trò sống còn đối với

sự sống vì chúng là những vật liệu chính tạo nên các cơ thể sống (ngời, động vật, thực vật), tham gia vào các quá trình sống, nhiều nhóm các chất hữu cơ là những nguồn thức ăn quan trọng của ngời và động vật

g) ở các hợp chất hữu cơ ta thờng gặp hai hiện tợng đặc biệt đó là sự tồn tại các dãy đồng đẳng và hiện tợng đồng phân

II Cấu tạo phân tử các hợp chất hữu cơ

1 Trong phân tử các hợp chất hữu cơ, nguyên tử các nguyên tố kết hợp với nhau (hay liên kết với nhau) theo một trật tự xác định và theo đúng hóa trị của chúng Trật tự kết hợp đó đợc gọi là cấu tạo hóa học Nếu thay đổi trật tự kết hợp sẽ sinh ra chất mới

2 Trong phân tử các hợp chất hữu cơ cacbon luôn có hóa trị 4 Các nguyên

tử cacbon không những liên kết với nguyên tử các nguyên tố khác mà còn liên kết với nhau tạo thành mạch cacbon : mạch không nhánh (mạch thẳng), mạch phân nhánh và mạch vòng kín

3 Tính chất của các hợp chất hữu cơ phụ thuộc vào thành phần phân tử, tức

là vào bản chất và số lợng nguyên tử trong phân tử và phụ thuộc vào cấu tạo hóa học, tức là vào thứ tự kết hợp của các nguyên tử trong phân tử

Công thức cấu tạo không những cho ta biết thành phần nguyên tố của phân

tử (đợc tạo nên từ những nguyên tố nào, số lợng những nguyên tử của nguyên

tố đó là bao nhiêu) mà còn cho ta biết thứ tự kết hợp của các nguyên tử trong phân tử, do đó ta khẳng định đợc chất đó là chất nào và lí giải đợc nhiều tính chất của nó

Để viết CTCT ngời ta quy ớc biểu thị một liên kết đơn (bằng một đơn vị hóa trị của mỗi nguyên tử liên kết với nhau bằng một vạch ngang “–” đặt giữa kí hiệu hai nguyên tử Thí dụ, phân tử metan CH4 có CTCT nh sau :

Rợu etylic Đimetylete

Công thức cấu tạo thờng đợc viết dới dạng thu gọn, trong đó thờng không viết một số liên kết đơn đặc biệt liên kết giữa H và nguyên tử của nguyên tố khác CTCT rút gọn thờng để nhấn mạnh mạch cacbon trong phân tử, nên nhóm nguyên tử thuộc nguyên tử cacbon nào thì viết gộp với nguyên tử cacbon

đó, nhớ là cacbon luôn có hóa trị IV và để nhóm nguyên tử thuộc nguyên tử cacbon vào trong dấu ngoặc Ví dụ, sau đây là CTCT đầy đủ và rút gọn của phân tử etan

H–C – C – H (CTCT đầy đủ) ; CH3 – CH3 (CTCT rút gọn)

2 Mạch cacbon

Có ba loại mạch cacbon : Mạch hở không phân nhánh, mạch hở phân nhánh, mạch cacbon vòng kín Thí dụ :

HHHHH

H

H H H HH

H

Mạch hở phân nhánh :

Mạch vòng :

3 Hiện tợng đồng đẳng

Đồng đẳng là hiện tợng tồn tại những dãy hợp chất có cấu tạo hóa học tơng

tự nhau nên có các tính chất hóa học tơng tự nhau, nhng phân tử khác nhau một hoặc nhiều nhóm –CH2–

Nhiệt độ sôi : 78,30C

Tan vô hạn trong nớc

Tác dụng với Na giải phóng H2

Tác dụng với axit hữu cơ tạo este

Dựa vào đặc điểm về liên kết trong phân tử, ngời ta phân các hiđrocacbon thành nhiều loại Sau đây là những loại chính thờng gặp.

1 Hiđrocacbon no mạch hở Ankan–

Hiđrocacbon no mạch hở hay còn gọi là ankan là những hiđrocacbon có công thức chung là CnH2n+2 (với n nguyên dơng) và mọi liên kết C–C và C–H trong phân tử đều là liên kết đơn Sau đây là tên của 10 ankan đầu tiên trong dãy đồng đẳng

CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O + Q

CnH2n+2 + 3n+1

2 O2 → nCO2 + (n+1)H2O

Từ các PTHH trên suy ra khi các ankan cháy thì số mol nớc luôn luôn lớn hơn số mol CO2 và hiệu số của số mol nớc và số mol CO2 chính bằng số mol ankan cháy.

Tính chất đặc trng của metan và các đồng đẳng là có thể tham gia phản ứng thế với các halogen dới tác dụng của ánh sáng khuếch tán

CH4 + Cl2 askt→ CH3Cl + HCl

Trong điều kiện thờng các ankan không làm nhạt màu hoặc mất màu nớc brom, không tác dụng với các dung dịch axit, các dung dịch kiềm, không làm mất màu dung dịch thuốc tím (KMnO4) Tất cả các tính chất đó đợc gọi là tính no

CH4 là hiđrocacbon nhẹ nhất, thờng đợc dùng làm chất đốt trong sinh hoạt

Anken đầu tiên và tiêu biểu cho dãy đồng đẳng là etilen (hay eten) có công thức cấu tạo là H2C=CH2, ba chất đầu (C2H4, C3H6, C4H8) là các chất khí ở

điều kiện tiêu chuẩn và điều kiện thờng Các chất tiếp theo là các chất lỏng.Phản ứng cháy:

Vì có liên kết đôi giữa hai nguyên tử cacbon, nên tính chất đặc tr ng của etilen và các anken là dễ dàng tham gia phản ứng cộng vào hai nguyên tử cacbon có liên kết đôi Phản ứng cộng hợp H2 cần đun nóng và có chất xúc tác

là bột Ni hoặc bột Pt :

H2C=CH2 + H2 →Ni, t 0 H3C –CH3

Theo PTHH trên thì phản ứng này làm giảm số mol (hoặc thể tích các chất phản ứng, số mol giảm đi chính là số mol đã phản ứng)

Phản ứng cộng hợp halogen xảy ra ngay trong điều kiện thờng, vì vậy ngời

ta thờng dùng bình đựng lợng d nớc brom để hấp thụ khí anken

HC ≡ CH + HCl → H2C = CHCl

(Vinyl clorua)

nH2C = CHCl Trùng hợp→ (– H2C – CHCl–)n

Polivinyl clorua (PVC)Các phản ứng nhị hợp và tam hợp

2HC ≡ CH →Ni, t0 HC ≡ C–CH = CH2

Vinylaxetilen3HC ≡ CH →Ni, t0 C6H6

BenzenPhản ứng để tách và nhận biết axetilen : Khi cho khí axetilen đi qua dung dịch Ag2O trong NH3 ta nhận đợc một kết tủa màu vàng nhạt

HC ≡ CH + Ag2O → AgC ≡ CAg↓ + H2O

(Bạc axetilen)Cho kết tủa bạc axetilen tác dụng với lợng d dung dịch HCl thì axetilen sẽ

Thờng viết đơn giản :

Benzen vừa có tính chất giống hiđrocacbon no (ankan) là có khả năng tham gia phản ứng thế vào nhân, vừa có tính chất giống hiđrocacbon không no là có khả năng tham gia phản ứng cộng :

C6H6 + Cl2 →Ni, t 0 C6H5–Cl + HCl

(clobenzen)

C6H6 + 3H2 →Ni, t 0 C6H12 (xiclohenxan)

So với anken và ankin, benzen khó tham gia các phản ứng cộng hơn

Đồng đẳng của benzen có công thức chung là CnH2n-6 (n≥6) và phân tử có vòng benzen và có tính chất hóa học tơng tự nh benzen : vừa có khả năng tham gia phản ứng thế vừa có khả năng tham gia phản ứng cộng hợp vào nhân benzen Tính chất đó đợc gọi là tính thơm

B Câu hỏi và bài tập

IV.1 Các ankan mạch hở có công thức phân tử là C5H12 có các đồng phân mạch cacbon Hãy viết các CTCT rút gọn của các đồng phân đó

IV.2 Hãy viết các CTCT rút gọn mạch hở của các hiđrocacbon có chung

công thức phân tử C5H10

IV.3 Ngời ta định nghĩa :

Nguyên tử cacbon bậc 1 là nguyên tử cacbon liên kết với một nguyên tử cacbon bên cạnh (tức là nguyên tử cacbon đầu mạch)

Nguyên tử cacbon bậc hai là nguyên tử cacbon liên kết với hai nguyên tử cacbon bên cạnh

Nguyên tử cacbon bậc ba là nguyên tử cacbon liên kết với ba nguyên tử cacbon bên cạnh

Nguyên tử cacbon bậc 4 là nguyên tử cacbon liên kết với bốn nguyên tử cacbon bên cạnh

Hãy viết CTCT rút gọn của hiđrocacbon có CTPT C8H18 phân tử có đồng thời bốn loại nguyên tử cacbon nói trên.

IV.4 Đốt cháy hết 28 lit metan (ĐKTC), cho toàn bộ các sản phẩm cháy

hấp thụ hết vào bình đựng lợng d dung dịch Ba(OH)2, thấy khối lợng bình tăng lên m1 g và tạo thành m2 g kết tủa trắng

Viết các PTHH xảy ra, tính m1, m2

IV.5 Đốt cháy hết 5,6 lit metan (ĐKTC), cho các sản phẩm cháy lần lợt đi

chậm qua bình một đựng lợng d dung dịch axit sunfuric đặc, bình hai đựng ợng d dung dịch nớc vôi trong

l-Hỏi khối lợng bình một tăng lên bao nhiêu g ? Và lợng kết tủa thu đợc trong bình hai

IV.6 Cho V lit metan (ĐKTC), đốt cháy hết lợng khí đó, thu đợc 7,84 lit

khí CO2 (ĐKTC) và m1 g hơi nớc

Tính V và m1

IV.7 Cho 4,48 lit (ĐKTC) hỗn hợp A gồm 2 hiđrocacbon no mạch hở có

khối lợng là 4,88 g Đốt cháy hết hỗn hợp A đó, cho toàn bộ các sản phẩm cháy hấp thụ hết vào bình đựng lợng d dung dịch Ba(OH)2, thấy khối lợng bình tăng lên m1 g và trong bình tạo thành m2 g kết tủa trắng

Viết các PTHH xảy ra và tính m1, m2

IV.8 Cho V lit (ĐKTC) hỗn hợp A gồm 2 hiđrocacbon no mạch hở (ankan)

Đốt cháy hết A, thu đợc 14,96 g CO2 và 11,52 g nớc

a) Viết các PTHH xảy ra

b) Nếu một trong 2 ankan là C3H8 có trong A thì hiđrocacbon kia là chất nào ? Khi đó thành phần của mỗi chất trong hỗn hợp là bao nhiêu ?

IV.9 Cho hỗn hợp A gồm hai ankan kế tiếp nhau trong dãy đồng đẳng Để

đốt cháy hết 3 lit A cần dùng vừa đủ 13,5 lit oxi đo ở cùng điều kiện

Hãy xác định CTPT của 2 hiđrocacbon đó và tính thành phần % theo thể tích của mỗi chất trong hỗn hợp A đó

IV.10 Đốt cháy hết 4,48 lit hỗn hợp A (ĐKTC) gồm CO và một ankan thu

đợc 5,6 lit CO2 (ĐKTC) và 2,7 g nớc

Hãy xác định CTPT của ankan và tính thành phần % theo thể tích của mỗi chất trong hỗn hợp A đó

IV.11 Viết CTCT rút gọn của các hiđrocacbon có chung công thức C5H10

IV.12 Cho hỗn hợp chứa CH4 và C2H4 trình bày cách tách hai hiđrocacbon khỏi nhau để đợc từng hiđrocacbon tinh khiết Viết các PTHH cần dùng

IV.13 Cho hỗn hợp A gồm C2H4 và H2 Biết 1 mol A có khối lợng 15 g Cho 17,92 lit khí A đi nhanh qua xúc tác Ni đun nóng, thu đợc hỗn hợp khí B Biết 1 mol hỗn hợp B có khối lợng là 25 g

Hãy tính thành phần % theo thể tích của các hỗn hợp A và B

IV.14 Cho hỗn hợp khí A gồm CH4, C2H4 và H2 trong đó số mol CH4 và

C2H4 bằng nhau Khối lợng 1 mol hỗn hợp A là 18 g Dẫn 22,4 lit A đi chậm qua ống đựng chất xúc tác Ni đun nóng, nó biến thành hỗn hợp khí B chiếm thể tích 17,92 lit

Hỏi để đốt cháy hoàn toàn B cần dùng ít nhất bao nhiêu lit khí oxi Biết rằng các phản ứng đều xảy ra hoàn toàn, các thể tích khí đều đo ở ĐKTC

IV.15 Cho hỗn hợp A gồm C2H6 và C2H4 Chia thành 2 phần hoàn toàn đều nhau Đốt cháy hết phần 1 thu đợc 8,96 lit CO2 (ĐKTC) và 9,9 g hơi nớc Cho phần 2 đi rất chậm qua bình đựng lợng d nớc brom, thấy khối lợng bình đựng tăng lên m1 g Các phản ứng đều xảy ra hoàn toàn, các thể tích khí đo ở ĐKTC.Hãy viết các PTHH xảy ra và tính thành phần % theo thể tích của hỗn hợp A

và tính m1

IV.16 Cho hỗn hợp khí A gồm một ankan (CnH2n+2) và C2H4 có tổng thể tích là 8,96 lit (ĐKTC) Chia A thành 2 phần đều nhau Đốt cháy hết phần 1 thu đợc 11,648 lit khí CO2 (ĐKTC) Cho phần 2 đi chậm qua bình đựng lợng

d nớc brom để phản ứng xảy ra hoàn toàn, thấy có 2,688 lit khí đi ra khỏi bình (ĐKTC)

Viết các PTHH xảy ra Xác định CTPT của ankan và tính thành phần phần trăm theo thể tích của các khí trong A.

IV.17 Cho hỗn hợp A gồm C2H4 và C2H2 Đốt cháy hết 4,48 lit A (ĐKTC), cho toàn bộ các sản phẩm cháy đi chậm qua bình 1 đựng lợng d dung dịch Ba(OH)2, thấy khối lợng bình đựng tăng lên 22,64 g và trong bình có 78,8 g kết tủa trắng đợc tạo thành

a) Viết các PTHH xảy ra

b) Tính thành phần phần trăm theo thể tích của mỗi khí trong A

IV.18 Cho hỗn hợp khí A gồm C2H2 và H2 Lấy 8,5 lit A cho đi chậm qua ống đựng xúc tác Ni đun nóng để phản ứng hoàn toàn, thu đợc 3,5 lit hỗn hợp khí B gồm hai hiđrocacbon X và Y (X là anken,Y là ankan) Dẫn B đi chậm qua bình đựng lợng d nớc brom cho phản ứng xảy ra hoàn toàn thấy có 1,5 lit khí đi ra khỏi bình

a) Viết các PTHH xảy ra

b) Tính thành phần phần trăm theo thể tích của các khí trong hỗn hợp A và

B biết rằng các thể tích khí đợc đo ở cùng điều kiện

IV.19 Cho hỗn hợp A gồm C2H2 và H2 Cho 10,08 lit A đi qua ống đựng chất xúc tác Ni đun nóng thu đợc hỗn hợp khí B gồm 4 khí có tổng thể tích 6,944 lit Dẫn B đi chậm qua bình đựng lợng d nớc brom cho phản ứng xảy ra hoàn toàn, thu đợc 4,48 lit hỗn hợp khí C Các thể tích khí đo ở ĐKTC Biết 1 mol A khối lợng là 10 g

Hãy viết các PTHH xảy ra và tính thành phần phần trăm theo thể tích của các khí trong hỗn hợp A, B, C

Chơng 5

Dẫn xuất của hiđrocacbon Polime.

Các hợp chất GLUXIT và PROTIT

A Tóm tắt kiến thức cơ bản

I Rợu

Rợu (hay còn đợc gọi là ancol) là những hợp chất hữu cơ mà phân tử chứa một hoặc nhiều nhóm –OH kết hợp trực tiếp với gốc hiđrocacbon Nh vậy, công thức chung của rợu là R–(OH)n Tùy theo bản chất của gốc hiđrocacbon R–, ta có nhiều loại rợu ở đây, ta chỉ đề cập tới loại rợu no đơn chức mà tiêu biểu là rợu etylic : CH3–CH2–OH (hay C2H5–OH)

ợu mất nớc biến thành etilen

C2H5–OH →H SO , 180 C 2 4 0 H2C = CH2 + H2O

Nếu rợu d và nhiệt độ của phản ứng là 1400C thì rợu mất nớc theo kiểu khác, tạo thành este

C2H5–OH + HO–C2H5 →H SO , 140 C 2 4 0 C2H5–O–C2H5 + H2O

Đietyl eteRợu etylic bị oxi hóa theo nhiều cách :

• Phản ứng cháy (phản ứng oxi hóa hoàn toàn) :

Rợu cháy trong oxi hoặc trong không khí tạo thành CO2 và hơi nớc, phản ứng tỏa ra lợng nhiệt lớn :

C2H5OH + 3O2 → 2CO2 + 3H2O + Q

Nhờ phản ứng đó mà ngời ta dùng rợu làm chất đốt (đèn cồn)

- Dới tác dụng của chất xúc tác men giấm, rợu bị oxi hóa bởi oxi tạo thành axit axetic

C2H5–OH + O2 men giấm→ CH3–COOH + H2O

Axit axeticRợu etylic tác dụng với axit axetic tạo thành este là loại hợp chất có mùi thơm hoa quả :

C6H12O6 men zima, 30-32 C 0 → 2C2H5OH + 2CO2↑

II Axit cacboxylic

Axit cacboxylic là những hợp chất hữu cơ mà phân tử có một hoặc nhiều nhóm cacboxyl (–COOH) kết hợp trực tiếp với gốc hiđrocacbon

Tùy thuộc vào số nhóm –COOH trong phân tử axit mà ta có axit một lần axit (đơn axit) hay axit nhiều lần axit (đa axit) Tùy thuộc vào bản chất của gốc hiđrocacbon trong phân tử axit mà ta có axit no, axit không no hay axit thơm.Axit no đơn chức là những hợp chất hữu cơ mà phân tử chứa nhóm cacboxyl kết hợp với gốc hiđrocacbon no, tức là các hợp chất có công thức chung:

CnH2n+1–COOH (n = 0, 1, 2, 3 ) Chúng tạo thành dãy đồng đẳng

H–COOH : Axit fomic (axit metanoic)

CH3- CH2–COOH : Axit propionic (axit propanoic)

CH3–CH2–CH2–COOH : Axit butiric (axit butanoic)

C15–H31–COOH : Axit panmitic (thuộc loại axit béo no)

C17–H35–COOH : Axit stearic (thuộc loại axit béo no)

Các axit no đơn chức thờng gặp :

Axit fomic HCOOH : Là chất đầu tiên trong dãy axit no đơn chức Có trong

con kiến Mạnh hơn axit axetic tuy nhiên vẫn thuộc loại axit yếu

Axit butiric C 3 H 7 COOH : Là một trong những axit béo, yếu hơn axit axetic Axit panmitic C 15 H 31 COOH : Là chất rắn, rất yếu, là một axit béo điển hình Axit stearic C 17 H 35 COOH : Là axit béo điển hình, chất rắn, không tan trong nớc.

ở đây chúng ta chỉ đề cập tới các axit no đơn chức mà điển hình là axit axetic CH3–COOH (hay CH3COOH)

1 Tính chất vật lí

Axit axetic là chất lỏng không màu, có vị chua, sôi ở 1180C, hòa tan vô hạn trong nớc, dung dịch có nồng độ từ 3 - 5% gọi là giấm, đợc dùng làm thực phẩm Dung dịch axit axetic làm đỏ quỳ tím

2 Tính chất hoá học

Axit axetic có đầy đủ mọi tính chất của một axit yếu một lần axit Thí dụ :

CH3COOH + NaOH → CH3COONa + H2O

2CH COOH + CaO→(CH COO) Ca + H O