Lập tỉ lệ số mol CO2 với H2O để tìm công thức phân tử hợp chất hữu cơ

Để giải được những bài tập này, không chỉ đòi hỏi học sinh phải nắm vững kiến thức thuộc phần hóa học hữu cơ mà còn đòi hỏi các em phải nhớ nhiều kiến thức thuộc phần hóa học vô cơ, điều

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

Tắc Vân, ngày 03 tháng 3 năm 2013

BÁO CÁO SÁNG KIẾN

Tên sáng kiến: Lập tỉ lệ số mol CO 2 với H 2 O để tìm công thức phân tử hợp chất hữu cơ.

Tên cá nhân thực hiện: Nguyễn Hồng Thu

Thời gian đã được triển khai thực hiện: Từ năm học 2005 – 2006 đến năm học 2011 – 2012

1)- Sự cần thiết, mục đích của việc thực hiện sáng kiến:

* Về phía giáo viên: Hóa học là môn khoa học thực nghiệm, do đó

dạy không chỉ dừng lại ở việc truyền đạt mà còn phải nâng cao tính thực tiễn của môn học: rèn luyện các kỹ năng, kỹ xảo thực hành, nâng cao khả năng vận dụng kiến thức hóa học vào thực tiễn sản xuất Trong dạy học hóa học, bài tập hóa học là nguồn quan trọng để học sinh thu nhận kiến thức, củng cố khắc sâu những

lí thuyết đã học phát triển tư duy sáng tạo của học sinh, nâng cao năng lực nhận thức

Đối với hóa học hữu cơ, có nhiều dạng bài tập được đánh giá là khó, nội dung tổng hợp nhiều kiến thức Để giải được những bài tập này, không chỉ đòi hỏi học sinh phải nắm vững kiến thức thuộc phần hóa học hữu cơ mà còn đòi hỏi các em phải nhớ nhiều kiến thức thuộc phần hóa học vô cơ, điều này dễ dàng nhận ra trong dạng bài “Tìm công thức phân tử hợp chất hữu cơ dựa vào phản ứng cháy”

Trong thực tế, việc bố trí thời lượng trong làm bài cho phần kiến thức, bài tập hóa học dạng này rất ít, đặc biệt với các bài tập trắc nghiệm Do vậy, đa số học sinh THPT hiện nay gặp rất nhiều khó khăn trong việc phân loại

và tìm ra phương pháp giải phù hợp theo yêu cầu của ngành giáo dục về “Đổi mới phương thức kiểm tra đánh giá chất lượng học sinh trong dạy học hóa học ở trương THPT”, theo đó các bài tập được ra theo hướng tăng cường bản chất hóa học hạn chế những tính toán quá phức tạp trong một bài tập Vì vậy, giáo viên cần có biện pháp truyền đạt ngắn gọn, xúc tích để giúp học sinh nắm được bản chất hóa học của đề bài để từ đó đưa ra phương pháp giải tối ưu nhất

* Về phía học sinh: Học sinh học hóa học không chỉ dừng lại ở

lĩnh hội kiến thức khoa học ở phương diện lý thuyết mà còn áp dụng lý thuyết trong việc giải các bài tập liên quan một cách nhanh chóng, hiệu quả Việc thực hiện nhiều bài tập không chỉ giúp học sinh củng cố lý thuyêt mà còn hình thành

kĩ năng, kĩ xảo phân tích, tổng hợp và vận dụng vào công việc cụ thể Tuy nhiên,

đa số học sinh còn gặp rất nhiều khó khăn trong việc tìm ra phương pháp để giải quyết những bài tập hóa học hữu cơ, đặc biệt là dạng bài tập đã nêu ở trên Với

sự trợ giúp của giáo viên, cùng sự nỗ lực của chính bản thân mình, học sinh sẽ không ngừng được củng cố lý thuyết, luôn nhanh nhạy trong phân tích nội dung

đề bài và nhanh chóng có được kết quả chính xác

2)- Phạm vi triển khai thực hiện:

Với đề tài “Lập tỉ lệ số mol CO2 với H2O để tìm công thức phân tử hợp chất hữu cơ”, người thực hiện đã áp dụng khi các em học sinh được tiếp cận với chương trình hóa học hữu cơ ở cấp THPT (học kì II – chương trình 11, học

kì I – chương trình 12); Bồi dưỡng học sinh giỏi; Ôn luyện thi Đại học,…

3)- Mô tả sáng kiến:

3 1- Cơ sở lý thuyết:

3.1.1- Khái niệm hóa học hữu cơ: Hóa học hữu cơ là ngành Hóa học chuyên nghiên cứu các hợp chất hữu cơ

3.1.2- Khái niệm hợp chất hữu cơ: Hợp chất hữu cơ là hợp chất của cacbon (trừ CO, CO2, muối cacbonat, xianua, cacbua,…)

3.1.3- Phân tích định lượng

Phân tích định lượng nhằm xác định tỉ lệ khối lượng (hàm lượng) các nguyên tố trong hợp chất hữu cơ Người ta phân hủy hợp chất hữu cơ thành các chất vô cơ đơn giản rồi định lượng chúng bằng phương pháp khối lượng, phương pháp thể tích hoặc phương pháp khác Kết quả được biểu diễn ra tỉ lệ %

về khối lượng

* Định lượng cacbon, hidro Oxi hóa hoàn toàn một lượng xác định hợp chất hữu cơ A (mA) rồi cho hấp thụ định lượng H2O và CO2 sinh ra Hàm lượng hidro (%H) tính từ khối lượng nước (m H O2 ) sinh ra, hàm lượng cacbon (%C) tính từ khối lượng CO2 (m CO2) sinh ra như sau:

2 2.100%

%

18

H O A

m H

m



%

44

CO A

m C

m



* Định lượng niơ Nung mA chứa nitơ (N) với CuO trong dòng khí CO2:

0

,

CuO

C H O N   CO H O N

Hấp thụ CO2 và H2Obằng dung dịch KOH 40%, đo được thể tích khí còn lại Giả sử xác định được V (ml) khí nitơ (đktc) thì khối lượng nitơ

và hàm lượng phần trăm của nitơ (%N) được tính như sau:

28.

22, 4 100%

%

N

N A

V

m N

m





* Định lượng các nguyên tố khác

- Định lượng halogen: phân hủy hợp chất hữu cơ, chuyển halogen thành HX rồi định lượng dưới dạng kết tủa AgX (X: Cl, Br)

- Định lượng lưu huỳnh: phân hủy hợp chất hữu cơ rồi định lượng lưu huỳnh dưới dạng sunfat

- Oxi: sau khi xác định C, H, N, halogen, S,…còn lại là oxi 3.1.4- Các cách thiết lập công thức phân tử hợp chất hữu cơ (hchc) Giả sử hợp chất hữu cơ có thành phần nguyên tố là C, H, N, O và

Cl Lúc này ta gọi công thức tổng quát của nó là CxHyOzNtClu (x, y, z, t, u là những số nguyên dương Tìm công thức phân tử của hợp chất là ta phải xác định được giá trị cụ thể của x, y, z, t, u

* Cách 1: Thiết lập công thức phân tử hợp chất hữu cơ qua công thức đơn giản nhất: Đây là cách thức tổng quát hơn cả Có thể tóm tắt cách thức thiết lập này bằng một sơ đồ sau:

* Cách 2: Thiết lập công thức phân tử hợp chất hữu cơ không thông qua công thức đơn giản nhất

- Tính toán trực tiếp theo thành phần %: có thể tóm tắt quá trình thiết lập theo sơ đồ sau:

- Tính toán trực tiếp theo phương trình phản ứng cháy (hoàn toàn): quá trình thực hiện theo các bước cơ bản sau:

+ Tính số mol các chất đề cho: n CO2 ;n H O2 ;n N2 ;n HCl;

+ Hoàn chỉnh phương trình phản ứng cháy

+Dựa số mol các chất đã tính, phương trình phản ứng,…xác định x, y, z, t, u

CxHyOzNt= (CpHqOrNs)n Hay M = (CpHqOrNs)n

x=n.p; y=n.q z=n.r; t=n.s

Công thức đơn giản nhất

CpHqOrNs

Kết quả phân tích

%C, %H, %N,…%O

M= CxHyOzNt

MA=MB.

Giá trị x, y, z, t, u

Kết quả phân tích

%C, %H, %N, %Cl, …%O

MA=MB.

Trong đề tài này, tác giả chỉ giới thiệu cách thiết lập công thức phân tử hợp chất hữu cơ dựa theo phương trình phản ứng cháy

3.1.5- Phương trình phản ứng cháy hoàn toàn của một số hợp chất hữu cơ thường gặp

a)- Hợp chất hữu cơ bất kì (chưa biết loại hợp chất cụ thể)

* Hydrocacbon:

0

t

x y

C H x O   xCO  H O

* Hợp chất hữu cơ có nhóm chức

0

t

x y z

C H O x  O   xCO  H O

0

t

x y t

C H N x O   xCO  H O N

0

t

x y z t

C H O N x  O   xCO  H O N

0

t

C H Cl x  O   xCO   H O uHCl

0

t

C H O Cl x   O  xCO   H O uHCl

0

t

C H O N Cl x   O  xCO   H O uHCl  N

b) Phản ứng cháy của một số hợp chất hữu cơ đã biết loại chất

* Hydrocacbon

- Ankan (n1)

0

2

t

n

C H    O  nCO  n H O

- Anken (n2), xicloankan (n3)

0

3 2

t

n

C H  O  nCO nH O

- Ankin (n2), ankadien (n3)

0

2

t

n

C H    O   nCO  n H O

- Đồng đẳng của benzen (n6)

0

2

t

n

C H    O  nCO  n H O

* Hợp chất hữu cơ có chứa nhóm chức

- Ancol no, đơn chức (n1), ete no, đơn chức (n2)

0

3

2

t

n

C H  O O  nCO  n H O

- Andehit no, đơn chức (n1), xeton no, đơn chức (n3)

0

2

t

n

C H O  O  nCO nH O

- Axit no, đơn chức (n1), este no, đơn chức (n2)

0

2

t

n

C H O   O  nCO nH O

- Amin no, đơn chức (n1)

0

t

C H  N  O   nCO   H O N

3.1.6- Phương trình phản ứng hấp thụ sản phẩm cháy vào dung dịch chất vô cơ thường gặp

- Dùng H2SO4 đặc, P2O5, CaCl2: hấp thụ mạnh hơi nước

- Dùng dung dịch kiềm (NaOH, KOH, Ca(OH)2, Ba(OH)2): hấp thụ hơi nước và phản ứng với CO2

2

2

Ghi chú:

 Trường hợp dùng dung dịch Ca(OH)2, Ba(OH)2 thu được kết tủa và dung dịch mới Đun nóng dung dịch mới này lại thu được kết tủa là do phản ứng:

2HCO t CO  H O CO



 Trường hợp dùng dung dịch Ca(OH)2, Ba(OH)2 thu được kết tủa và dung dịch mới Cho lượng dư kiềm vào dung dịch mới này lại thu được kết tủa là do phản ứng:

2

HCO OH CO  H O



- Dùng dung dịch AgNO3: hấp thụ hơi nước và phản ứng với HCl

AgNO HCl AgCl HNO

3 2- Các bước tiến hành thiết lập:

3.2.1- Tính số mol CO2, số mol H2O

Giả sử đốt cháy hoàn toàn một hợp chất hữu cơ CxHyOzNtClu (x, y,

z, t, u là những số nguyên dương) thu được hỗn hợp sản phẩm gồm: khí cacbonic (CO2), nước (H2O), khí hidroclorua (HCl) và khí nitơ (N2)

Các trường hợp có thể xảy ra:

* Trường hợp 1: Hỗn hợp sản phẩm được dẫn lần lượt qua bình

1, chứa axit sunfuric (H2SO4) đậm đặc; bình 2, chứa dung dịch kiềm (NaOH, KOH, Ca(OH)2, Ba(OH)2) dư Sau quá trình hấp thụ, có khí thoát ra và có thể xuất hiện kết tủa (là CaCO3, BaCO3, nếu kiềm là Ca(OH)2, Ba(OH)2) Khi đó:

+ Khối lượng bình 1 tăng chính bằng khối lượng hơi nước sinh

ra trong phản ứng cháy

Hay m bình 1 m H O2

+ Khối lượng bình 2 tăng chính tổng khối lượng khí cacbonic (CO2), khí hidroclorua (HCl, nếu có) được sinh ra trong phản ứng cháy

Hay m bình 2 m CO2  m HCl

Và n CO2 n

+ Khí thoát ra sau quá trình hấp thụ là khí nitơ (N2)

* Trường hợp 2: Hỗn hợp sản phẩm được dẫn bình chứa dung dịch kiềm (NaOH, KOH, Ca(OH)2, Ba(OH)2) lấy dư Sau quá trình hấp thụ thấy

có khí thoát ra và có thể xuất hiện kết tủa (là CaCO3, BaCO3, nếu kiềm là Ca(OH)2, Ba(OH)2) Khi đó:

+ Khối lượng bình tăng chính bằng tổng khối lượng khí cacbonic (CO2), hơi nước (H2O) và khí hidroclorua (HCl, nếu có) được sinh ra trong phản ứng cháy

Hay m bình m CO2  m H O2  m HCl

Và n CO2 n

+ Khí thoát ra sau quá trình hấp thụ là khí nitơ (N2)

* Trường hợp 3: Hỗn hợp sản phẩm được dẫn bình chứa dung dịch kiềm của kim loại kiềm thổ, như Ca(OH)2 Sau quá trình hấp thụ thấy có khí thoát ra và xuất hiện kết tủa (là CaCO3) Khi đó:

- Khí thoát ra là nitơ (N2)

- Để tính được lượng CO2 sinh ra trong quá trình đốt cháy hoàn toàn hợp chất hữu cơ, ta có các giả định sau:

+ Nếu lượng kiềm được lấy dư thì

CO

n n

+ Nếu sản phẩm thu được thu được là 2 muối thì

n  n  n

+ Nếu khối lượng dung dịch không đổi thì

m m  m

+ Nếu khối lượng dung dịch tăng thì

dd H O CO

m  m  m  m

+ Nếu khối lượng dung dịch giảm thì

ddgiam ( H O CO )

m m  m  m

+ Nếu thu được một lượng kết tủa (1) và một dung dịch Thêm NaOH, (hoặc Ba(OH)2, KOH) dư vào, hoặc đun nóng dung dịch thu được lại thu thêm kết tủa nữa (2) thì

CO

n n  n

+ Nếu thu được một lượng kết tủa (1) và một dung dịch Thêm Ca(OH)2, dư vào dung dịch thu được lại thu thêm kết tủa nữa (2) thì

CO

n n  n

Nếu hỗn hợp sản phẩm sau khi đốt cháy hoàn toàn hchc được dẫn bình chứa dung dịch Ba(OH)2 thì cũng được xét tương tự

3.2.2- So sánh số mol CO2 với H2O

Sau khi tính được số mol H2O, số mol CO2 ta so sánh chúng với nhau Mục địch của công việc này là để xác định hợp chất hữu cơ đã cho có vòng no hoặc liên kết  trong phân tử hay không (liên kết  này có thể phân bố

ở gốc hydrocacbon, cũng có thể phân bố ở nhóm chức) Ta có các trường hợp sau:

+ Nếu n H O2 <n CO2thì hợp chất hữu cơ đã cho có nhiều hơn 1 liên kết  (hoặc vòng no hoặc cả vòng no và liên kết ) trong phân tử Khi này thì

n n  n

+ Nếu n H O2 =n CO2thì hợp chất hữu cơ đã cho có 1 liên kết  (hoặc vòng no) trong phân tử

+ Nếu n H O2 >n CO2thì hợp chất hữu cơ đã cho không có liên kết 

(hoặc vòng no) trong phân tử Khi này thì n hchcn H O2  n CO2

3 3- Một số ví dụ cụ thể:

Bài 1: Đốt cháy hoàn toàn một hydrocacbon Z mạch hở bằng lượng Oxi vừa đủ.

Dẫn toàn bộ sản phẩm cháy qua bình đựng H2SO4 đặc thì thể tích sản phẩm giảm đi một nửa Hydrocacbon Z thuộc dãy đồng đẳng nào sau đây?

Bài giải:

Đốt cháy hoàn toàn hydrocacbon thì sản phẩm cháy chỉ gồm

CO2 và H2O Khi dẫn chúng qua bình đựng H2SO4 đặc thì thể tích sản phẩm giảm đi một nửa  V H O2 V CO2

 Z là anken hoặc xicloankan

Do Z có cấu tạo mạch hở nên Z phải là anken (chọn đáp án B)

Bài 2: Đốt cháy hoàn toàn một hydrocacbon X thu được 4,48 lít khí CO2 (đktc)

và 5,4gam H2O CTPT của X là

Bài giải:

 Cách 1:

+ Nhận thấy n H O2 >n CO2 nên hydrocacbon X không có liên kết 

trong phân tử Vậy X là ankan CnH2n+2 (n2)

n n  n

= 0,1

 Số nguyên tử C=0, 2 2

Vậy CTPT của X là C2H6 (chọn đáp án C)

 Cách 2:

0

2

t

x y

y

Theo đề: 0,2 0,3 mol

Ta được 0,3 0, 2

2

y

x 

 y 3x

Do đó ta chọn đáp án C (Không chọn đáp án B vì số nguyên tử H > 2.số nguyên tử C + 2)

Bài 3: Đốt cháy hoàn toàn một hợp chất hữu cơ X cần 6,72 lít khí Oxi (đktc).

Sản phẩm cháy chỉ gồm CO2 và H2O Hấp thụ hết sản phẩm cháy vào bình đựng dung dịch Ba(OH)2, thấy có kết tủa xuất hiện và khối lượng dung dịch giảm 5,5gam Lọc lấy kết tủa, đem cân nặng 19,7gam Dung dịch nước lọc đem đun nóng thu được 9,85gam kết tủa nữa CTPT của X là:

A C2H6 B C2H6O

Bài giải: Theo đề ta có:

2

( ân 1) ( ân 2)

0,3;

0,1;

0,05.

O l l

n n n











+ mdd giảm=m  (m H O2 m CO2 )

= 14,2 (1)

= 0,2

CO

m

  thế vào (1) được m H O2  5, 4

Vậy n H O2  0,3

+ Do đó

2 2

0,1

n n  n



0

1

t

x y z

mol

+ Giải ra x=2; y=6 và z=1 Vậy CTPT của X là C2H6O (chọn B)

Bài 4: Đốt cháy hoàn toàn một hydrocacbon Y Sản phẩm cháy thu được cho

hấp thụ hết vào 200ml dung dịch Ca(OH)2 1M thấy có 10gam kết tủa xuất hiện và khối lượng bình đựng dung dịch Ca(OH)2 tăng 16,8gam Lọc lấy kết tủa, cho nước lọc tác dụng với dung dịch Ba(OH)2 dư lại thu được kết tủa nữa Tổng khối lượng hai lần kết tủa là 39,7gam CTPT của

Y là :

Bài giải :

+ mbình tăng=m H O2  m CO2

+ n(lan1)  0,1

+ Khi cho dung dịch Ba(OH)2 dư vào dung dịch nước lọc xảy ra phản ứng:

Ca HCO Ba OH  BaCO  CaCO   H O

Vậy:

3 3

39,7 10

0,1

Khi đó: n CO2  0,1 2.0,1 

 0,3

Do đó: m CO2  0,3.44

 13, 2 thế vào (1) được m H O2  3,6  n H O2  0, 2

 Cách 1:

Nhận thấy n H O2 <n CO2 nên hydrocacbon Y có nhiều hơn 1 liên kết

 trong phân tử  loại B và C

0,3 0, 2 0,1

n n  n



Số nguyên tử C=0,30,1=3

Ta thấy chỉ có đáp án D thỏa mãn điều kiện

 Cách 2:

0

2

t

x y

y

mol

3 4

x y

Vậy CTPT của Y là C3H4 (chọn đáp án D)

Bài 5: Đốt cháy hoàn toàn m gam một hợp chất chất hữu cơ X (chứa C, H, N)

cần dùng lượng vừa đủ 15,68 lít khí Oxi Sản phẩm cháy cho lội thật chậm qua bình chứa dung dịch nước vôi trong dư thấy có 40gam kết tủa xuất hiện và có 1493ml khí không bị hấp thụ Biết các khí đều được đo ở đktc CTPT của X là:

Bài giải:

+ Theo đề ta có:

2

2

2

( ) 0,7

1, 493

22, 4

0, 4

O phan ung

N CO

n

n

n n





+ Phương trình phản ứng xảy ra:

Sáng kiến cải tiến kĩ thuật Trang

1, 493

22, 4

t

x y z t

mol

+ Giải ra: x=3; y=9; t=1

+ Vậy CTPT của X là C3H9N (chọn đáp án A)

Bài 6: Cho hỗn hợp X gồm hai ancol đa chức, mạch hở, thuộc cùng một dãy

đồng đẳng Đốt cháy hoàn toàn hỗn hợp X, thu được CO2 và H2O có tỉ lệ mol tương ứng là 3:4 Công thức của hai ancol là:

A C2H4(OH)2 và C3H6(OH)2

B C2H5OH và C4H9OH

C C2H4(OH)2 và C4H8(OH)2

D C3H5(OH)3 và C4H7(OH)3

Bài giải:

Chọn số mol CO2 và H2O tương ứng là 3 và 4

2

3 4

CO

H O

n

4 3 1

X

n



1

C

n   (chọn đáp án C)

Bài 7: Đốt cháy hoàn toàn 2,3gam một hợp chất chất hữu cơ X cần V lít khí Oxi

(đkc) Sản phẩm cháy cho hấp thụ hết vào bình chứa dung dịch nước vôi trong dư thấy có 10gam kết tủa xuất hiện và khối lượng bình đựng dung dịch tăng 7,1gam Giá trị của V là:

Bài giải:

+ Theo đề ta có: n CO2 n CaCO3  0,1

 m CO2  4, 4 (1)

và m H O2  m CO2  7,1 (2)

Từ (1) và (2) ta được m H O2  2,7

Vậy n H O2  0,15

+ Nhận thấy n H O2 >n CO2 nên X không có liên kết  trong phân tử + Mặt khác n X n H O2  n CO2

 0,15 0,1 

 0,05

2,3 46 0,05

X

M

   , kết hợp với X không có liên kết  trong phân tử nên ta kết luận X có 1 nguyên tử O