quan hệ giữa công thức phân tử, công thức cấu tạo hợp chất hữu cơ và độ bất bão hoà

Một trong những kiến thức quan trọng của học sinh khi học về Hoá hữu cơ là phải biết xác định công thức phân tử, công thức cấu tạo.. Thực trạng việc tư duy xác định công thức phân tử, cô

QUAN HỆ GIỮA CÔNG THỨC PHÂN TỬ, CÔNG THỨC CẤU TẠO

HỢP CHẤT HỮU CƠ VÀ ĐỘ BẤT BÃO HOÀ

Tác giả: Đồng Khắc Hưng

A- ĐẶT VẤN ĐỀ:

1 Mở đầu

Hoá hữu cơ là ngành Hoá học chuyên nghiên cứu các hợp chất hữu cơ (Hợp chất hữu cơ là hợp chất của cacbon trừ CO, CO2, muối cacbonat, xianua, cacbua.)

Một trong những kiến thức quan trọng của học sinh khi học về Hoá hữu cơ là phải biết xác định công thức phân tử, công thức cấu tạo Từ công thức phân tử và công thức cấu tạo sẽ suy ra những tính chất hoá học

2 Thực trạng việc tư duy xác định công thức phân tử, công thức cấu tạo của học sinh

Việc tư duy xác định công thức phân tử, công thức cấu tạo của học sinh gặp nhiều khó khăn, đặc biệt việc định hướng cho tư duy:

- Khi viết một công thức cấu tạo học sinh thường viết thiếu mà không biết, viết công thức cấu tạo các đồng phân ứng với công thức phân tử C3H6O

- Khi đọc lên các em đều đánh giá là dễ nhưng khi viết bao giờ cũng không viết hết được công thức cấu tạo của các đồng phân, các em chỉ viết được đồng phân anđehit

và xeton, đó là các hợp chất đã học ở trong sách giáo khoa mà không nghỉ ra được các công thức khác dựa trên thuyết cấu tạo hoá học Khi giáo viên hỏi các em đều xác định định làm được ý này nhưng thực ra các em chỉ làm được 2 đến 3 công thức cấu tạo trong khi đó đáp án đến 7 công thức cấu tạo Điều đó chứng tỏ các em vẫn gặp khó khăn trong việc định hướng xác định viết công thức cấu tạo

- Thiết lập công thức phân tử ta có thể đi theo con đường là thiết lập công thức đơn giản nhất và từ công thức đơn giản nhất ta thiết lập công thức phân tử dựa vào phân

tử khối hoặc biện luận xác định công thức phân tử Nhưng nếu đề bài không cho biết phân tử khối thì nhất thiết các em phải biện luận xác định công thức phân tử, một trong các phương pháp biện luận xác định công thức phân tử đó là dựa vào độ bất bão hoà

Ví dụ: Xác định công thức phân tử:

a) Axit hữu cơ no mạch hở có công thức (C2H3O2)n

b) Anđehit mạch hở chưa no chứa một nối ba trong phân tử có công thức

(C4H4O)n

c) Axit hữu cơ no mạch hở có công thức (C3H4O3)n

d) Axit no mạch hở có công thức (C3H5O2)n

3 Thực trạng việc dạy học sinh xác định công thức phân tử, công thức cấu tạo.

Nếu không có sự định hướng trước thì khi giải các bài toàn đến kết quả công thức đơn giản nhất là

a) C2H7NO2

b) C2H5O

c) C4H9Cl2N

d) C2H4ClO

Giáo viện gặp rất nhiều khó khăn khi xác định công thức phân tử và giảng giải để học sinh hiểu được và có sự định hướng tư duy trong các bài toán tiếp theo

Có nhiều cách biện luận xác định công thức phân tử, công thức cấu tạo Dựa vào độ bất bão hoà là một cách, việc giải quyết các bài toán dựa vào độ bất bão hoà làm cho các em dễ hình dung và có định hướng rõ nét hơn các bước tiến hành tư duy bài toán Giáo viên cũng dẽ truyền đạt để học sinh tiếp thu bài tốt hơn

4 Mục đích nghiên cứu của đề tài:

Đề tài sáng kiến kinh nghiệm này chủ yếu tập trung vào giải quyết các bài toán xác định công thức phân tử, công thức cấu tạo dựa vào độ bất bão hoà: Nhằm trang bị cho học sinh khả năng tư duy trong các bài toán có liên quan, giáo viên có thể truyền đạt kiến thức cho học sinh một cách dễ hiểu nhất và logic

5 Giới hạn áp dụng của đề tài:

Những học sinh có học lực trung bình về bộ môn Hoá Bồi dưỡng học sinh khá giỏi

và đội tuyển học sinh giỏi

6 Cơ sở phương pháp luận và phương pháp nghiên cứu.

- Phương pháp tổng kết rút kinh nghiệm giảng dạy năm năm công tác đã qua

- Phương pháp thực nghiệm sư phạm

- Phương pháp so sánh và phân tích tổng hợp

7 Thời gian nghiên cứu: Từ tháng 9 năm 2012 đến tháng 5 năm 2013

B- GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ :

I Sự chuẩn bị của giáo viên:

Giáo viên chuẩn bị các tài liệu có liên quan, bài tập ví dụ Sử dụng công nghệ thông tin

II Chuẩn bị học sinh:

Làm các bài tập theo thiết kế của thầy, bài tập về nhà và tìm các bài tập có liên quan để làm thêm

III Tổ chức giảng dạy trên lớp:

Giáo viên hướng dẫn học sinh giải quyết vấn đề Sau đó học sinh lên bảng tự giải quyết vấn đề giáo viên là người trong tài để các em thảo luận rút ra kết luận

IV Nội dung sáng kiến

1 Độ bất bão hoà là gì?

là số mạch vòng và số liên kết  trong phân tử hợp chất hữu cơ

2 Chứng minh công thức tính độ bất bão hoà trong phân tử hợp chất hữu cơ

có công thức tổng quát là C x H y O z N t X v (X là halogen)

* Nghiên cứu đặc điểm:

- 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: C có hoá trị 4 (sử dụng 4 electron hoá trị)

N có hoá trị 3 (sử dụng 3 electron hoá trị)

O có hoá trị 2 (sử dụng 2 electron hoá trị)

H và X hoá trị 1 (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  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 => tổng số electron hoá trị là 2z + 3t + 4x

- Tổng số liên kết  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 a là độ bất bão hoà (số liên kết  + số mạch vòng) => tổng số electron tham gia tạo liên kết là 2a

- Số electron tham gia tạo liên kết  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) + 2a + y + v

 2a = t + 2x - y - v +2 => (*) (đpcm)

- Số nguyên tử C là n => 4n electron hoá trị

- Số liên kết  giữa các nguyên tử C mạch hở là n - 1 => tổng số electron tham gia liên kết là 2(n - 1)

- Gọi k là độ bất bão hoà (số liên kết  + số mạch vòng) => tổng số electron tham gia tạo liên kết là 2k

Ta có 4n = 2(n - 1) + 2k + số nguyên tử H => số nguyên tử H = 2n + 2 - 2k

3 Dựa vào độ bất bão hoà xác định công thức phân tử:

a = [2x + 2 + t - (y + v)]/2

Chú ý: Có thể chứng minh công thức tổng quát của hiđrocacbon là CnH2n+2-2k

trong đó k là số liên kết  và số mạch vòng

Bài toán 1: Xác định công thức phân tử:

a) Axit hữu cơ no mạch hở có công thức (C2H3O2)n

b) Anđehit mạch hở chưa no chứa một nối ba trong phân tử có công thức

(C4H4O)n

c) Axit hữu cơ no mạch hở có công thức (C3H4O3)n

d) Axit no mạch hở có công thức (C3H5O2)n

Hướng dẫn:

Nhiều cách biện luận xác định công thức phân tử, dựa vào độ bất bão hoà là một cách Giáo viên hướng dẫn học sinh làm theo cách này:

a) Vì axit no nên số liên kết  trong gốc hiđrocacbon = 0, mặt khác cứ 2 nguyên tử O trong nhóm COOH có 1 liên kết  => 2n nguyên tử O sẽ có n liên kết  => độ bất bão hoà tính theo đề bài phải bằng n

độ bất bão hoà tính theo công thức (*) là a = [2.2n + 2 - 3n]/2

Vậy ta có => n = [n + 2]/2 => n = 2 => công thức phân tử là C4H6O4

b) Anđehit có n nhóm CHO => có chứa n liên kết  Mặt khác có chứa một liên kết ba => có chứa 2 liên kết  Vậy theo đề bài ta có độ bất bão hoà là n + 2

Mặt khác tính theo công thức (*) ta có a = [2.4n + 2 - 4n]/2

Vậy ta có n + 2 = [4n + 2]/2 => n = 1 => công thức phân tử là C4H4O

c) Từ công thức axit hữu cơ no mạch hở (C3H4O3)n => Đặt n = 2m

 C6mH8mO6m

Theo đề bài ta có axit hữu cơ có 3m nhóm COOH => 3m liên kết 

Mặt khác tính theo công thức (*) ta có a = [2.6m + 2 - 8m]/2

Vậy ta có 3m = [4m + 2]/2 => m = 1 => n = 2 => công thức phân tử là C6H8O6 d) Từ axit no mạch hở (C3H5O2)n => n nhóm COOH => có n liên kết 

Mặt khác tính theo công thức (*) ta có a = [2.3n + 2 - 5n]/2

Vậy ta có n = [n + 2]/2 => n = 2

Bài toán 2: Xác định công thức phân tử các chất có công thức đơn giản giản nhất

là

a) C2H7NO2

b) C2H5O

c) C4H9Cl2N

d) C2H4ClO

Hướng dẫn:

a) C2H7NO2 => công thức phân tử là (C2H7NO2)n

Theo công thức (*) ta có a = [2.2n + n + 2 - 7n]/2 <=> a = [2 - 2n]/2

Vì a  0 => 2 - 2n  0 => n  1, mặt khác n nguyên => n = 1

Vậy công thức phân tử là C2H7NO2

b) C2H5O => công thức phân tử là (C2H5O)n

Theo công thức (*) ta có a = [2.2n + 2 - 5n]/2 <=> a = [2 - n]/2

Vì a  0 => 2 - n  0 => n  2, mặt khác n nguyên => n = 1 hoặc n = 2

n = 1 loại vì nguyên tử H là số lẻ Vậy n = 2 thoả mãn => công thức phân tử là C4H10O2

c) C4H9Cl2N => công thức phân tử là (C4H9Cl2N)n

Theo công thức (*) ta có a = [2.4n + n+ 2 - 9n - 2n]/2 <=> a = [2 - 2n]/2

Vì a  0 => 2 - 2n  0 => n  1, mặt khác n nguyên => n = 1

Vậy công thức phân tử là C4H9Cl2N

c) C2H4ClO => công thức phân tử là (C2H4ClO)n

Theo công thức (*) ta có a = [2.2n + 2 - 4n - n]/2 <=> a = [2 - n]/2

Vì a  0 => 2 - n  0 => n  2, mặt khác n nguyên => n = 1 hoặc n = 2

n = 1 loại vì không có công thức cấu tạo phù hợp Vậy n = 2 thoả mãn => công thức phân tử là C4H8Cl2O2

Bài toán 3:

a) Có những đồng phân mạch hở nào ứng với công thức tổng quát CnH2nO Cho

ví dụ

b) Một hợp chất mạch hở có công thức phân tử CnHmO2 Hỏi n, m có những giá trị nào để gốc hiđrocacbon của chất đó là no

c) Viết công thức cấu tạo các đồng phân mạch hở, no có công thức phân tử C3H6O3

Hướng dẫn:

a) Ta có CnH2nO => a = [2.n + 2 - 2n]/2 = 1 vì hợp chất mạch hở nên trong phân tử phải có một liên kết  và do có một nguyên tử oxi nên có thể là:

- Ancol đơn chức không no chứa 1 liên kết  trong phân tử (n3)

Ví dụ: C3H6O công thức cấu tạo CH2 = CH – CH2 OH

- Ete đơn chức không no chứa 1 liên kết  trong phân tử (n3)

Ví dụ: C3H6O công thức cấu tạo CH3 - O - CH = CH2

- Anđehit no đơn chức (n1)

Ví dụ: CH2O công thức cấu tạo HCHO

- Xeton đơn chức no (n3)

Ví dụ: C3H6O công thức cấu tạo CH3 – C – CH3

||

O

b) Một hợp chất mạch hở có công thức phân tử CnHmO2 n, m có những giá trị để gốc hiđrocacbon của chất đó no là:

Vì có 2 nguyên tử oxi nên có các trường hợp xảy ra là:

- Axit no đơn chức hoặc este no đơn chức => a = [2.n + 2 - m]/2 = 1 => m = 2n

Ví dụ: C2H4O2 công thức cấu tạo là CH3COOH và HCOOCH3

- Ancol no hai chức hoặc ete no hai chức hoặc một chức ancol và một chức ete no

=> a = [2.n + 2 - m]/2 = 0 => m = 2n + 2

Ví dụ: C2H6O2 công thức cấu tạo là CH2(OH)CH2(OH)

- Anđehit no hai chức hoặc xeton no hai chức hoặc một chức anđehit và một chức xeton no => a = [2.n + 2 - m]/2 = 2 => m = 2n - 2

Ví dụ: C4H6O2 công thức cấu tạo là OHC – CH2 – CH2 – CHO

- Một chức anđehit (hoặc một chức xeton) và một chức ancol(hoặc một chức ete)

=>

a = [2.n + 2 - m]/2 = 1 => m = 2n

Ví dụ: C3H6O2 công thức cấu tạo là CH2(OH) – CH2 – CHO

hoặc CH3 – O – CH2 – CHO

c) Viết công thức cấu tạo các đồng phân mạch hở, no có công thức phân tử C3H6O3

a = [2.3 + 2 - 6]/2 = 1, vì có 3 nguyên tử oxi nên sẽ có các trường hợp sau:

- Một chức ancol và một chức axit:

CH2 – CH2 – COOH CH3 – CH – COOH

| |

OH OH

- Một chức ete và một chức axit:

CH3 – O – CH2 – COOH

- Một chức ancol và một chức este:

HO–CH2 – COOCH3

HO – CH2 – OOCCH3

HCOOCH2 – CH2 – OH

- Hai chức ancol và một chức anđehit:

HO – CH2 – CH(OH) – CHO

- Hai chức ancol và một chức xeton:

CH2 – C – CH2

| || |

OH O OH

- Một chức ancol và một chức ete và một chức anđehit:

CH3 - O – CH – CHO

|

OH

Bài toán 4: Một ý trong đề thi chọn học sinh giỏi tỉnh Thanh Hoá năm học

2008-2009 Lớp 12 THPT:

Biết A có công thức phân tử C 7 H 6 O 4 , A phản ứng được với NaOH theo tỷ lệ mol n A : n NaOH

= 1 : 4; A có phản ứng tráng gương Xác định công thức cấu tạo của A

Hướng dẫn:

Học sinh nên tính độ bất bão hoà a = [2.7 + 2 - 6]/2 = 5

A thoả mãn đề bài trên => A chứa chức phenol => A có một vòng benzen => độ bất bảo hoà = 4 => mạch nhánh phải có độ bất bão hoà = 1

Vậy công thức cấu tạo của A là:

H C O O

O H

O H H C O O

O H

H C O O

O H

H C O O

O H

H O

H C O O

O H

O H

O H

O H

H C O O O H

O H

Bài toán 5: Cho hợp chất X có công thức phân tử C6H10 tác dụng với H2 theo tỉ lệ mol 1 : 1 khi có chất xúc tác Thực hiện phản ứng ozon phân X thu được

O = CH – (CH2)4 – CHO

Xác định công thức cấu tạo và viết phương trình phản ứng

Hướng dẫn:

X: C6H10 có a = [2.6 + 2 - 10]/2 = 2 tác dụng với H2 theo tỉ lệ mol 1 : 1 => X là xicloanken Khi ozon phân thu được O = CH – (CH2)4 – CHO

=> Công thức cấu tạo của X là:

Các phương trình phản ứng:

Ni; to

+ H2

+ 2O3 O = CH – (CH2)4 – CHO + 2O2

Bài toán 6: Hiđrocacbon A có công thức phân tử C6H8 Xác định công thức cấu tạo của A biết:

+ dd KMnO 4 /H 2 SO 4

1 mol A 2mol CO2 + 2mol HOOC – COOH

A có đồng phân hình học không ? Nếu có hãy viết các đồng phân hình học của A

và gọi tên

Hướng dẫn:

A: C6H8 có a = [2.6 + 2 - 8]/2 = 3

+ dd KMnO 4 /H 2 SO 4

1 mol A 2mol CO2 + 2mol HOOC – COOH

A phải có 2 nhóm CH2 = và 2 nhóm = CH – CH =

Công thức cấu tạo của A là CH2 = CH – CH = CH – CH = CH2

Hexa – 1,3,5 – trien

A có đồng phân hình học

H H

C = C

CH2 = HC CH = CH2

Cis - Hexa – 1,3,5 – trien

H CH = CH2

C = C

CH2 = HC H

trans - Hexa – 1,3,5 – trien

bị oxi hoá bởi dung dịch KMnO4 nóng thành axit benzoic (B) và bị oxi hoá bởi oxi không khí có Cu nung nóng tạo thành C9H8O3 (C) có chức anđehit Axit tropoic có thể chuyển hoá thành axit atropoic C9H8O2 (D) nhờ H2SO4 đặc ở 170oC D có đồng phân cis - trans không ? Hiđro hoá D bằng H2/Ni thu được axit hiđratropoic

C9H10O2 (E) Xác định công thức cấu tạo A, C, D, E

Hướng dẫn:

Công thức phân tử A C9H10O3 => a = [2.9 + 2 - 10]/2 = 5

A bị oxi hoá bởi dung dịch KMnO4  axit benzoic => A chứa nhóm chức COOH

ở mạch nhánh (không gắn trực tiếp vào vòng benzen)

A bị oxi hoá bởi không khí có mặt Cu/to  C9H8O3 (C) chức nhóm chức anđehit

=> mạch nhánh chứa nhóm chức ancol bậc 1

COOH

+ KMnO 4 /t o

(B)

HOOC - CH – CH2OH HOOC - CH – CHO

+O 2 /Cu;t o (C)

(A) HOOC –C = CH2 HOOC –CH-CH3

+H 2 SO 4 đ/170 o C +H 2 /Ni;t o

(D) (E)

D không có đồng phân cis-trans

Bài toán 8: Bài tập cũng cố

Câu1: Chứng minh công thức tổng chung:

a) Ankan: CnH2n+2

b) Anken, xicloankan: CnH2n

c) Ankin, ankađien: CnH2n-2

d) Aren: CnH2n-6

với CTPT của anđehit đó ? A 1 B 2 C 3

D 4

A 1 B 2 C 3 D 4

CTPT của axit đó ?

Câu 5: Một axit có công thức chung CnH2n-2O4, đó là loại axit nào sau đây ?

A Axit đa chức chưa no B Axit no, 2 chức

C Axit đa chức no D Axit chưa no hai chức

Câu 6: Phân tử axit hữu cơ có 5 nguyên tử cacbon, 2 nhóm chức, mạch hở chưa no

có 1 nối đôi ở mạch C thì CTPT là

A C5H6O4 B C5H8O4 C C5H10O4 D C5H4O4

Câu 7: Chất X là một anđehit mạch hở chứa a nhóm chức anđehit và b liên kết đôi

C=C ở gốc hiđrocacbon Công thức phân tử của chất X có dạng nào sau đây ?

A CnH2n - 2a-2bOa B CnH2n -aOa C CnH2n+2-a- bOa D CnH2n + 2 - 2a-2bOa

Câu 8: Công thức phân tử tổng quát của este tạo bởi axit no đơn chức và ancol

thơm no đơn chức có dạng:

A CnH2n-6O2 (n  6) B CnH2n-4O2 (n  6)

C CnH2n-8O2 (n  7) D CnH2n-8O2 (n  8)

C - KẾT LUẬN:

1 Kết quả nghiên cứu:

Với đề tài trên, năm học 2012- 2013 tôi mang áp dụng thử nghiệm như sau:

HS

2 Kiến nghị đề xuất:

Trong phạm vi và giới hạn của đề tài, cũng như thời gian thức hiện nên bài viết không tránh khỏi thiếu sót Rất mong nhận được sự góp ý của các đồng nghiệp

Tôi xin chân thành cảm ơn!