Hóa học nâng cao THPT - CHƯƠNG VII LIÊN kết HIDRO và ỨNG DỤNG
CHUYÊN ĐỀ LIÊN KẾT HIDRO VÀ ỨNG DỤNG KIẾN THỨC CẦN NẮM I ĐẠI CƯƠNG: Liên kết hidro loại liên kết yếu hình thành lực hút tĩnh điện hidro (đã liên kết phân tử) với nguyên tử có độ âm điện lớn, có kích thước bé N, O, F phân tử khác phân tử Liên kết hidro biểu diễn dấu ba chấm (…) Liên kết hidro hình thành phân tử nội phân tử Năng lượng liên kết hidro bé (20-25 kJ/mol) ảnh hưởng lớn tới độ tan nhiệt độ sôi, tính acid hợp chất hữu Mô hình chung liên kết hidro: X δ- ← Hδ+ ∙ ∙ ∙ Yδ(1) (2) (1): Liên kết cộng hóa trị phân cực (2): Liên kết hidro Điều kiện: X nguyên tố có độ âm điện lớn ( N, F, O), Y cặp electron chưa chia (chưa tham gia liên kết) Liên kết X-H phân cực liên kết hidro bền vững Có loại liên kết hidro: 1.Liên kết hidro nội phân tử: Là liên kết hidro hình thành hai nhóm nguyên tử phân tử, dẫn tới vòng khép kín (phức cua, phức chelat) Ví dụ: Liên kết hidro liên phân tử( ngoại phân tử): Là liên kết hidro hình thành phân tử riêng rẽ (giống khác nhau) Ví dụ: (1): Liên kết hidro nội phân tử (2), (3), (4): Liên kết hidro liên phân tử II ẢNH HƯỞNG CỦA LIÊN KẾT HIDRO LÊN NHIỆT ĐỘ SÔI VÀ ĐỘ TAN + Liên kết hidro làm tăng mạnh nhiệt độ sôi nhiệt độ nóng chảy so với chất có phân tử khối tương đương mà liên kết hidro có liên kết hidro nội phân tử Ví dụ: CH3-CH2-OH có nhiệt độ sôi cao CH3-O-CH3 etanol tạo liên kết hidro ngoại phân tử + Sự hình thành liên kết hidro chất tan dung môi làm tăng mạnh độ tan dung môi Nhóm chức có khả tạo liên kết hidro với dung môi độ tan lớn ngược lại gốc hidrocacbon lớn độ tan nhỏ Đối với dung môi nước, chất tạo liên kết hidro mạnh với nước thường tan tốt nước Ví dụ: Độ tan C2H5OH 250C vô hạn C4H7OH 7,4g/100 ml nước Độ tan C4H7OH thấp nguyên nhân ảnh hưởng gốc hidrocacbon, butanol có gốc hidrocacbon dài etanol (gốc hidrocacbon kỵ nước) Một số chất tan vô hạn nước 250C: Metanol, etanol, benzylamin, HCHO, axit axetic,.v v III ỨNG DỤNG LIÊN KẾT HIDRO TRONG SO SÁNH NHIỆT ĐỘ SÔI: Nhiệt độ sôi chất nhiệt độ mà áp suất chất lỏng áp suất khí bề mặt chất lỏng Nhiệt độ sôi phụ thuộc vào số yếu tố sau: - Khối lượng phân tử: Khối lượng phân tử lớn khó bay hơi, nhiệt độ sôi cao Ví dụ: Butan có nhiệt độ sôi cao etan - Liên kết hidro phân tử: Liên kết hidro bền, nhiều nhiệt độ sôi cao Ví dụ: C2H5OH (M=46g/mol) có nhiệt độ sôi thấp nước, nguyên nhân khối lượng phân tử mà số liên kết hidro tạo phân tử etanol phân tử nước Trong phân tử etanol tạo tối đa liên kết hidro với phân tử etanol khác nước tạo tới liên kết hidro (tương ứng với phân tử nước) Do đó, lượng cần để hóa nước cao hóa etanol Thực tế etanol nguyên chất dễ bay hơi, dễ bắt lửa - Diện tích bề mặt: Phân tử có cấu tạo phân nhánh diện tích bề mặt giảm dẫn đến nhiệt độ sôi giảm Ví dụ: Vì neopentan (CH3)4C lại có nhiệt độ sôi thấp pentan CH3-CH2-CH2-CH2-CH3 ? Ở dạng lỏng, chất không xếp theo trật tự định, chúng chuyển động hỗn loạn Khi nhiệt độ cung cấp gần với nhiệt độ sôi phân tử neopentan pentan xích lại gần hơn, nhiên diện tích tiếp xúc chúng lại khác hình dạng phân tử Phân tử neopentan có hình dạng gọn hơn, tròn phân tử pentan, nhờ mà lực Van-đe-Van chúng nhỏ Dẫn tới nhiệt độ sôi thấp Ngoài ra, nhiệt độ sôi bị chi phối cấu hình cis-trans, độ phân cực phân tử lực London Các yếu tố không đề cập THPT IV MỘT SỐ ĐIỂM CẦN LƯU Ý KHI SO SÁNH NHIỆT ĐỘ SÔI: - Những hợp chất liên kết hidro như: Hidrocacbon, dẫn xuất halogen, xeton,…thì nhiệt độ sôi thường tăng theo khối lượng phân tử - Hợp chất hữu có liên kết ion muối amoni, muối amin với acid,…tan tốt nhiều so với hợp chất liên kết ion, có nhiệt độ nóng chảy cao - Trong dãy chất chất có cấu tạo phân nhánh có nhiệt độ sôi thấp - Tất có liên kết hidro như: ancol, acid, phenol,…thì nhiệt độ sôi tăng theo độ bền liên kết hidro (tỉ lệ với khối lượng phân tử): Độ bền liên kết hidro tăng theo dãy: R-OH < C6H5-OH < R-COOH - Những hợp chất có liên kết hidro nội phân tử có nhiệt độ sôi thấp chất có liên kết hidro ngoại phân tử - Đồng phân cis có nhiệt độ sôi cao đồng phân trans Các bước so sánh nhiệt độ sôi: Bước 1: Phân loại chất liên kết ion hay cộng hóa trị Liên kết ion có nhiệt độ sôi cao Đối với chất liên kết cộng hóa trị thực bước sau: Bước 2: Phân loại chất có liên kết Hidro Phân loại chất có liên kết hidro liên kết hidro thành hai nhóm Bước 3: So sánh chất nhóm - Trong nhóm có liên kết hidro phân thành nhóm nhỏ chức khác nhau, dựa theo quy tắc lực liên kết Hidro chất để xác định nhóm nhỏ có nhiệt độ sôi thấp, cao - Chỉ so sánh chất số C có khối lượng phân tử tương đương Với nhóm chức, nhiệt độ sôi thường theo thứ tự: -COOH > -OH (ancol) > -COO- (este) > -CHO > -O- (ete) - Trong nhóm chức lực liên kết hidro dựa vào khối lượng phân tử, hình dạng phân tử (phân nhánh hay không phân nhánh) để so sánh nhiệt độ sôi Bước 4: Kết luận Dựa vào kết thu để tổng kết đưa đáp án BÀI TẬP VẬN DỤNG Câu 1: Chất sau có nhiệt sôi cao ? A etan B butan C pentan D hexan Câu 2: Cho chất sau: CH3-CHO (1); CH3-CH2-OH (2); HCOOCH3 (3), CH3COOH (4) Thứ tự tăng dần nhiệt độ sôi từ trái sang phải A (1) < (2) < (3) < 4) B (1) < (3) < (4) < (2) C (1) < (3) < (2) < (4) D (3) < (2) < (1) < (4) Câu 3: Cho đồng phân sau benzendiol: Đồng phân có nhiệt độ sôi cao A (1) B (2) C (3) D Cả Câu 4: Cho chất sau: C2H5OH (1), C3H7OH (2), CH3CH(OH)CH3 (3), C2H5Cl (4), CH3COOH (5), CH3-O-CH3 (6) Các chất xếp theo chiều nhiệt độ sôi tăng dần là: A (4), (6), (1), (2), (3), (5) B (6), (4), (1), (3), (2), (5) C (6), (4), (1), (2), (3), (5) D (6), (4), (1), (3), (2), (5) Câu 5: X, Y, Z, T chất khác số chất sau đây: C6H5-OH, C6H5-Cl, C6H5-COOH, CH3-NH2 Nhiệt độ sôi chất ghi nhận bảng sau: Chất X Y Z T Nhiệt độ sôi(t0C) 132 182 249 -6,5 Phát biểu sau ? A Chất Y C6H5-Cl, thu cho benzen tác dụng với Cl2/Fe B Chất T tan tốt nước nóng, có tính axit yếu C Chất X C6H5-COOH, có tên axit benzoic D Chất Z tan tốt dung dịch kiềm, tác dụng với chất T Câu 6: Chất sau tan tốt nước ? A CH3-CH2-OH B CH3-CH2-CH2-OH C CH3-O-CH3 D HCOOCH3 Câu 7: Amin sau không tạo liên kết hidro với ? A CH3-NH2 B CH3-NH-CH3 C C6H5-CH2-NH2 D (CH3)3N Câu 8: Cho dãy chất sau đây: HO-(CH2)4-OH (1); HO-(CH2)3-CHO (2); C3H7CHO (3), CH3-CH2-CH2-COOH (4) Thứ tự tăng dần độ tan nước là: A (1) < (2) < (3) < (4) B (2) < (1) < (3) < (4) C (3) < (2) < (1) < (4) D (2) < (3) < (1) < (4) Câu 9: Các đồng phân xilen (CH3-C6H4-CH3) có nhiệt độ sôi gần nhau, người ta chưng cất để phân biệt đồng phân Trên thực tế, để phân biệt đồng phân này, người ta oxi hóa xilen dung dịch KMnO4/H2SO4 loãng Khi dễ dàng nhận biết đồng phân xilen Vậy cách làm trên, người ta dựa vào đâu để phân biệt ? A Nhiệt độ sôi đồng phân xilen B Dựa vào phân tử khối axit sau oxi hóa KMnO4/H2SO4 C Dựa vào nhiệt nóng chảy khác axit tạo oxi hóa xilen KMnO4/H2SO4 D Dựa vào tính chất hóa học xilen Câu 10: Cho chất sau: CH3-Cl, HF, CH3-CO-CH3, HCOOH, C6H5-OH, CH4, CH3-CHO, (CH3)3N Có chất tạo liên kết hidro với nước ? A B C D Câu Đáp án D C ĐÁP ÁN BÀI TẬP VẬN DỤNG C B D A D C C 10 C HƯỚNG DẪN GIẢI CHI TIẾT Câu 1: Các hidrocacbon liên kết hidro, mạch thẳng nên nhiệt độ sôi tăng theo khối lượng phân tử Hexan (C6H14) có phân tử khối lớn nhất, có nhiệt độ sôi cao => Đáp án D Câu 2: Các chất gồm hai nhóm: Nhóm I: Không có liên kết hidro gồm CH3-CHO HCOOCH3 Nhóm II: Có liên kết hidro gồm CH3-CH2-OH CH3COOH Ở nhóm I, nhiệt độ sôi tăng dần theo khối lượng phân tử => (3) > (1) Ở nhóm II, liên kết H axit bền ancol nên nhiệt độ sôi cao => (4) > (2) Thứ tự là: (1) < (3) < (2) < (4) => Đáp án C Câu 3: Cả có công thức phân tử, tạo liên kết hidro Tuy nhiên, vị trí nhóm –OH nhân benzen khác nhau, nhiệt độ sôi khác Liên kết hidro phân tử sau: Liên kết hidro nội phân tử đồng phân ortho Liên kết hidro liên phân tử đồng phân meta Liên kết hidro liên phân tử đồng phân para Ta thấy, đồng phân ortho có liên kết hidro nội phân tử, liên kết không làm tăng lực hút phân tử nên nhiệt độ sôi thấp Đồng phân meta para có nhiệt độ sôi cao hơn, nhiên đồng phân para có nhiệt độ sôi cao cấu trúc mạch liên kết dài, đồng đều, bền vững Còn đồng phân meta có mạch không đồng đều, bền, nên nhiệt độ sôi thấp Vậy đồng phân số (3) có nhiệt độ sôi cao => Đáp án C Câu 4: Phân thành nhóm: - Nhóm I : C2H5Cl (4) CH3-O-CH3 (6) Hai chất không tạo liên kết hidro - Nhóm II: C2H5OH (1), C3H7OH (2), CH3CH(OH)CH3 (3) CH3COOH (5) Các chất nhóm có liên kết hidro nên nhiệt độ sôi cao nhóm I Ở nhóm I, hai chất liên kết hidro nên nhiệt độ sôi tăng theo khối lượng phân tử => (6) < (4) Ở nhóm II lại gồm hai loại chức: -OH ancol (chất (1), (2), (3)) chức axit (chất số (5)) Trong nhóm ancol, chất số (1) có nhiệt độ sôi thấp khối lượng phân tử thấp Chất số (2) chất số (3) khối lượng phân tử chất số (3) nhiệt độ sôi thấp (do có mạch cacbon phân nhánh) => (1) < (3) < (2) Và dĩ nhiên, chức axit có nhiệt độ sôi cao nên chất số (5) có nhiệt độ sôi cao nhóm II Vậy từ phân tích trên, ta có thứ tự sau: (6) < (4) < (1) < (3) < (2) < (5) => Đáp án B Câu 5: Trong chất, có chất C6H5-OH, C6H5-Cl, C6H5-COOH chứa nhân benzen Có chất amin thể khí (CH3-NH2) có phân tử khối nhỏ nhất, chất có nhiệt độ sôi thấp => T CH3-NH2 Trong nhóm chất C6H5-OH, C6H5-Cl, C6H5-COOH C6H5-Cl liên kết hidro nên nhiệt độ sôi thấp nhóm => X C6H5-Cl Hai chất lại C6H5-COOH C6H5-OH có liên kết hidro, liên kết hidro C6H5-COOH bền có phân tử khối cao nên sôi cao => Z C6H5-COOH Còn lại Y C6H5-OH A Sai Chất Y C6H5-OH B Sai T CH3-NH2 tan nước cho môi trường bazo (hóa xanh quỳ tím) C Sai Chất X C6H5-Cl có tên phenyl clorua D Đúng C6H5-COOH axit benzoic, tan tốt kiềm phản ứng với CH3-NH2 (chất T) C6H5-COOH + NaOH → C6H5-COONa + H2O C6H5-COOH + CH3-NH2 → [C6H5-COO]-[CH3-NH3]+ => Đáp án D Câu 6: Chất tan nước tạo liên kết hidro với nước Ở chất tạo liên kết hidro với nước, nhiên hai ancol tạo liên kết hidro bền vững nên tan tốt Với chất ancol độ dài mạch cacbon làm giảm độ tan (tính kỵ nước) Do C2H5OH tan nước tốt => Đáp án A Câu 7: Muốn tạo liên kết hidro bắt buộc phân tử phải có H liên kết với nguyên tố có độ âm điện lớn O, N hay F Ở đây, trimetyl amin H thỏa mãn điều kiện trên, chúng tạo liên kết hidro với Đó lý mà (CH3)3N chất khí Chú ý: C6H5-CH2-NH2 (benzyl amin) tan vô hạn nước !! => Đáp án D Câu 8: Ta thấy chất có nguyên tử cacbon phân tử Nhưng chất lại mang nhóm chức khác Và chất chức quy định độ tan nước chất Nhóm chức tạo liên kết hidro tốt với nước tan tốt nước Vậy: Chất số (3) tan nhóm –CHO tạo liên kết H với nước Chất số (2) tan tốt chất (3) có thêm nhóm –OH ancol Chất số (1) có nhóm –OH ancol nên tan tốt chất (2) (3) Với chất số (4) có nhóm –COOH, tạo liên kết hidro tốt với nước nên tan tốt Thứ tự là: (3) < (2) < (1) < (4) => Đáp án C Câu 9: Các đồng phân xilen gồm: Ba đồng phân có nhiệt độ sôi gần nhau, nhận biết chưng cất Để dễ dàng nhận biết, người ta oxi hóa xilen KMnO4/H2SO4 loãng Khi đó, điaxit sinh có nhiệt độ nóng chảy khác nhau, dễ dàng phân biệt xilen Các đồng phân điaxit sinh có chất liên kết hidro khác nên có nhiệt độ nóng chảy khác (Xem thêm câu 3) Theo thứ tự tăng dần nhiệt độ sôi đồng phân điaxit là: (1) < (2) < (3) Nguyên nhân chất liên kết hidro => Đáp án C Câu 10: Chất tạo liên kết hidro với nước phân tử phải chứa nguyên tố có độ âm điện lớn O, N, F Vậy chất tạo liên kết hidro với nước gồm: HF, CH3-CO-CH3, HCOOH, C6H5-OH, CH3-CHO, (CH3)3N Chú ý: HF có nhiệt độ sôi cao HX (X: halogen) HF tạo liên kết hidro => Đáp án C