LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI Qua quá trình giảng dạy tôi nhận thấy phần lớn các câu trong đề thi, đặc biệt là đề thi Đại học – Cao đẳng có liên quan đến kiến thức tổng hợp, trong đó các bài tập tổ
Trang 1A ĐẶT VẤN ĐỀ
I LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI
Qua quá trình giảng dạy tôi nhận thấy phần lớn các câu trong đề thi, đặc biệt là đề thi Đại học – Cao đẳng có liên quan đến kiến thức tổng hợp, trong đó các bài tập tổng hợp về hóa hữu cơ chiếm một tỉ lệ không nhỏ và nó thường là những bài tập hay và khó Thực tế với những học sinh trung bình và khá đa số các em không làm được hoặc có những em làm giữa chừng rồi bỏ cuộc, các em luôn phàn nàn là môn hóa khó quá, kiến thức nặng quá nên các em không học được Vậy làm thế nào để đạt điểm cao môn hóa học, đây là điều trăn trở của rất nhiều giáo viên và học sinh Nhằm giúp học sinh giải quyết tốt các bài tập tổng hợp về phản ứng cháy hỗn hợp các chất hữu cơ khác dãy đồng đẳng một cách nhanh chóng đồng thời chia sẻ kinh nghiệm về phương pháp giải bài tập với các
đồng nghiệp tôi mạnh dạn chọn đề tài “Phương pháp giải bài toán đốt cháy hỗn hợp các chất hữu cơ khác dãy đồng đẳng”.
II THỰC TRẠNG CỦA VẤN ĐỀ
1 Thuận lợi
Đội ngũ cán bộ giáo viên nhà trường và tổ bộ môn đảm bảo về số lượng
và chất lượng, đáp ứng yêu cầu của cấp học Giáo viên trong nhà trường luôn có trách nhiệm cao, say mê với nghề nghiệp và hết lòng yêu thương học sinh Ngay
từ đầu năm học, ban giám hiệu và tổ bộ môn đã có triển khai các kế hoạch, chỉ thị năm học; kiểm tra khảo sát theo bộ môn để phân loại đối tượng học sinh, từ
đó có biện pháp phụ đạo học sinh yếu kém, bồi dưỡng học sinh khá giỏi
2 Khó khăn
Khi gặp những bài tập hữu cơ tổng hợp học sinh thường rất lúng túng, ngại làm hoặc nếu có làm thì thói quen của các em về giải toán hoá bao giờ cũng
là viết phương trình hoá học, đặt ẩn, lập hệ phương trình để giải Nhưng hầu hết các bài toán tổng hợp đề cho thiếu dữ kiện, số lượng học sinh thông minh biết cách ghép ẩn hoặc biện luận tìm ra kết quả cuối cùng là rất hiếm hoi Trước thực trạng đó nhiều học sinh cho rằng để đạt được điểm cao môn hóa là không thể, là
Trang 2quá khó nên có những em đang học khối A đã chuyển khối giữa chừng nhưng vẫn ngồi học ở các lớp khối A gây rất nhiều khó khăn cho công tác giảng dạy của giáo viên Để giúp các em học sinh có hứng thú, tự tin khi học môn hóa và giúp các em hình thành kĩ năng giải nhanh bài toán tổng hợp tôi đã nghiên cứu
đề tài này Do thời gian có hạn nên tôi chỉ nghiên cứu về phương pháp giải các bài toán đốt cháy hỗn hợp các chất hữu cơ khác dãy đồng đẳng mà nếu chúng ta giải theo phương pháp thông thường là gọi ẩn và lập hệ phương trình thì dữ kiện bài ra không đủ để ta giải hệ đó (tức là số phương trình ít hơn số ẩn) hoặc phải ghép ẩn thì mới giải quyết được yêu cầu bài ra
Trang 3B GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ
I CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ PHẢN ỨNG CHÁY
1 Gọi CTPTTB của hỗn hợp:
- Với hiđrocacbon gọi CT: C Hx y hoặc Cn H2n 2 2k
- Với dẫn xuất chứa oxi của hiđrocacbon: C H Ox y z
pư cháy: 0
t
x y z
2 Một số chú ý khi giải bài tập liên quan đến phản ứng cháy.
2.1: Nếu đốt cháy hỗn hợp các chất hữu cơ rồi:
- Dẫn sản phẩm cháy lần lượt vào bình 1 đựng chất háo nước ( H2SO4 đặc, CaCl2
khan ), sau đó dẫn qua bình 2 đựng dung dịch kiềm thì:
+ Qua bình 1 nước bị giữ lại mbình 1 tăng = mH O 2
+ Qua bình 2 khí CO2 bị giữ lại mbình 2 tăng = mCO 2
- Dẫn toàn bộ sản phẩm cháy vào bình đựng dung dịch kiềm ( Ca(OH)2, Ca(OH)2 ) thì cả H2O và CO2 đều bị giữ lại:
+ mbình tăng = mH O 2 + mCO 2
+ mdd giảm = mkết tủa – (mH O 2 + mCO 2)
+ mdd tăng = (mH O 2 + mCO 2) - mkết tủa
2.2: Khi đốt cháy 1 hợp chất hữu cơ X hoặc hỗn hợp các chất thuộc cùng dãy đồng đẳng mà thu được:
+ n H O2 n CO2 X là: anken CnH2n (n2) hoặc xicloankan CnH2n (n3) ; ancol không no đơn chức có 1 liên kết π (C=C) ở gốc hidrocacbon CnH2n -1OH (n3); anđehit no, đơn chức CnH2nO (n1) hoặc xeton no, đơn chức CnH2nO (n3); axit
no, đơn chức CnH2nO2 (n1); este no, đơn chức CnH2nO2 (n2)
+ n H O2 n CO2 X là ankan CnH2n + 2 (n1); ancol no CnH2n+2Ox ( n1; x1) ); ete
no đơn chức CnH2n+2O ( n2) trong đó: n X n H O2 n CO2
+ n H O2 n CO2 X là ankin CnH2n - 2 (n2); ankađien CnH2n - 2 (n3); những chất chứa từ 2 liên kết π trở lên
Trang 42.3: Khi làm bài tập về phản ứng cháy cần vận dụng thành thạo các định luật bảo toàn và phương pháp trung bình.
+ Định luật bảo toàn khối lượng: mhỗn hợp + m = m O 2 CO 2 + m H O 2
+ Định luật bảo toàn nguyên tố oxi: nO trong hỗn hợp + 2n O 2= 2n CO 2+ n H O 2
+ Phương pháp trung bình
Số nguyên tử C trung bình = CO 2
hh
n n
n =
Số nguyên tử H trung bình = H O 2
hh
2n
II CÁC PHƯƠNG PHÁP GIẢI BÀI TOÁN ĐỐT CHÁY HỖN HỢP CÁC CHẤT HỮU CƠ KHÁC DÃY ĐỒNG ĐẲNG.
1 TÍNH TOÁN LƯỢNG CHẤT DỰA VÀO PHƯƠNG PHÁP TÌM ĐIỂM CHUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP TRUNG BÌNH.
1.1: Phương pháp:
Bước 1: Viết CTCT của các chất và suy ra CTPT của chúng.
Bước 2: Đi tìm điểm chung của các chất (Có thể đề cho cùng số nguyên tử C
hoặc cùng số nguyên tử H hoặc cùng số liên kết hoặc các chất có cùng công thức phân tử) và gọi công thức phân tử trung bình
Bước 3: Tìm đại lượng trung bình và tính toán theo yêu cầu của bài ra.
1.2: Phạm vi áp dụng: Áp dụng cho những bài toán đề cho tên gọi hoặc CTPT
của các chất trong hỗn hợp
1.3: Các ví dụ minh họa:
1.3.1: Các chất trong hỗn hợp có cùng số nguyên tử C
Ví dụ 1: Hỗn hợp X gồm CH3COOC2H5, HCOOC3H5, HCOOC3H3 Tỉ khối của hỗn hợp X so với O2 là 2,7 Đốt cháy hoàn toàn 0,015 mol thì tổng khối lượng
CO2 và H2O thu được là:
A 3,450 g B 3,182 g C 3,724 g D 3,504 g
Trang 5Phân tích đề: Dựa vào CTPT của các chất trong hỗn hợp X ta thấy chúng đều
có 4 nguyên tử C, có 2 nguyên tử O và số nguyên tử H khác nhau
Hướng dẫn giải: Gọi CTPTTB cuả hỗn hợp X là: C4Hy O2
Ta có: M = 12.4 + y +16.2 = 80 + y 2,7.32 86,4X y6,4
(mol) 0,015 : 0,06 : 0,048
2 2
CO + H O
m m = 0,06.44 0,048.18 3,504 Chọn đáp án D
1.3.2: Các chất trong hỗn hợp có cùng số nguyên tử H
Ví dụ 2:
Hỗn hợp X gồm vinyl axetat, metyl axetat và etyl fomat Đốt cháy hoàn toàn 3,08 gam X, thu được 2,16 gam H2O Phần trăm số mol của vinyl axetat trong X là:
A 25% B 27,92% C 72,08% D 75%
( Trích đề thi ĐH khối B năm 2011) Phân tích đề: vinyl axetat có CTCT: CH3COOCH=CH2 ( CTPT C4H6O2);
metyl axetat (CTCT CH3COOCH3) và etyl fomat (HCOOC2H5), 2 chất này đều
có CTPT chung là: C3H6O2 Như vậy 3 chất đều có 6 nguyên tử H và 2 nguyên
tử O
Hướng dẫn giải:
Gọi CTPTTB của 3 chất là CnH6O2
Sơ đồ cháy: CnH6O2 t0
3H2O 0,03 : 2,16 0,12
18 Gọi số mol vinyl axetat là a
Gọi tổng số mol metyl axetat và etyl fomat ( 2 chất đồng phân) là b
0,04
86 74 3,08
a b
a = 0,01 % nvinyl axetat = 0,01.100 = 25%
0,04 Chọn đáp án A
Trang 6Ví dụ 3:
Cho hỗn hợp X gồm: etan, propilen, benzen, metylaxetat, axit propanoic Đốt cháy hoàn toàn m gam hỗn hợp X cần dùng 4,592 lít (đktc) khí O2 thu được hỗn hợp sản phẩm Cho toàn bộ sản phẩm cháy vào 100ml dung dịch Ca(OH)2 1M thu được 5g kết tủa và một muối của caxi Sau phản ứng thấy khối lượng dung dịch tăng 4,3g Phần trăm số mol của hỗn hợp Y (metylaxetat, axit propanoic) trong hỗn hợp X là:
A 60 % B 12.22 % C 87.78 % D 40 %
Phân tích đề: Các chất trong hỗn hợp X đều có 6 nguyên tử H.
Gọi CTPTTB của các chất trong hỗn hợp X là: C H Ox 6 z
Hướng dẫn giải:
2 3
Ca(HCO ) : 0, 05
CaCO : 0, 05
Theo định luật bảo toàn nguyên tố O:
n 0,205.2 0,15.2 0,15 n 0, 04 n = 0,02 mol
6 2
C H O 3H O (mol) 0,05 : 0,15
Y trong X
0,02.100
0,05
1.3.3: Các chất trong hỗn hợp có cùng số liên kết
Ví dụ 4:
Đốt cháy hoàn toàn 3,42 gam hỗn hợp gồm axit acrylic, vinyl axetat, metyl acrylat và axit oleic, rồi hấp thụ toàn bộ sản phẩm cháy vào dung dịch Ca(OH)2
(dư) Sau phản ứng thu được 18 gam kết tủa và dung dịch X Khối lượng dung dịch X so với khối lượng dung dịch Ca(OH)2 ban đầu đã thay đổi như thế nào?
A Tăng 2,70 gam B Giảm 7,74 gam.
C Tăng 7,92 gam D Giảm 7,38 gam.
Trang 7( Trích đề thi ĐH khối A năm 2011) Phân tích đề: CTCT axit acrylic (CH2=CH-COOH) ; axit oleic: C17H33COOH; vinyl axetat (CH3COOCH=CH2) ; metyl acrylat (CH2=CHCOOCH3) Ta thấy các chất đều có 2 liên kết
Hướng dẫn giải: Gọi CTPTTB của hỗn hợp X là:
C H O n 2n-2 2 nCO2 + (n- 1) H2O
(mol) 0,18
n : 0,18
0,18 n = 6
Ta có : mCO 2 + mH O 2 = 0,18.44 + 0,15.18 = 10,62 < m = 18
Khối lượng dung dịch X giảm so với khối lượng dung dịch Ca(OH)2 ban đầu
= m= 18 – 10,62 = 7,38 gam Chọn đáp án D
1.3.4: Các chất trong hỗn hợp có cùng công thức phân tử
Ví dụ 5:
Đốt cháy hoàn toàn 6,6 gam hỗn hợp X gồm HCOOC3H7, C2H5COOCH3 rồi hấp thụ hoàn toàn sản phẩm cháy vào m1 gam dung dịch Ba(OH)2 dư Sau phản ứng thu được m gam kết tủa Lọc, tách kết tủa thu được m2 gam dung dịch nước lọc Giá trị của m1 – m2 là:
A 45,9 B 54,45 C 53,7 D 40,5
Hướng dẫn giải:
2 este là đồng phân của nhau CTPT C4H8O2 nX = 6,6 0,075
88 (mol)
C4H8O2
0
t
4CO2 + 4H2O (mol) 0,075 : 0,3 : 0,3
nCO 2= nBaCO 3= 0,3 mol mBaCO 3= 0,3 197 = 59,1 gam
m1 – m2 = m - (mCO 2- mH O 2 ) = 59,1 – (0,3.44 + 0,3.18) = 40,5 gam Chọn đáp án D
Trang 81.3.5: Các chất trong hỗn hợp có cùng dạng công thức tổng quát
Ví dụ 6:
Hỗn hợp X gồm HCHO, CH3COOH, HCOOCH3 và CH3CH(OH)COOH Đốt cháy hoàn toàn X cần V lít O2 (đktc), hấp thụ hết sản phẩm cháy vào một lượng
dư nước vôi trong thu được 50 gam kết tủa Giá trị của V là
Phân tích đề: Dựa vào CTPT của các chất trong hỗn hợp X ta thấy các chất:
có số nguyên tử C = số nguyên tử O = 1
2số nguyên tử H
Hướng dẫn giải: Gọi CTPTTB của hỗn hợp X là: CnH2nOn
CnH2nOn + nO2
0
t
nCO2 + nH2O (1) Như vậy: từ pư (1) nO 2 = nCO 2= n= 50 0,5
100 (mol)
VO 2= 0,5 22,4 = 11,2 (l) Chọn đáp án C
1.4: Các ví dụ tương tự:
Ví dụ 7: Hóa hơi 3,35 gam X gồm CH3COOH, HCOOC2H5, CH3COOCH3,
CH3COOC2H5 thu được 1,68 lít hơi X (ở 136,5 0C và áp suất 1 atm) Đốt cháy hoàn toàn 3,35 gam hỗn hợp X trên thì thu được m gam H2O Giá trị của m là
A 2,7 gam B 3,6 gam C 3,15 gam D 2,25 gam
(Trích đề thi thử ĐH lần 3 – Trường THPT Quỳnh Lưu 1 năm 2013)
Đáp án : D
Ví dụ 8: Đốt cháy hoàn toàn một hỗn hợp X : glucozơ, fructozơ, metanal và axit
etanoic cần 3,36 lít O2 (đktc) Dẫn sản phẩm cháy qua bình đựng dung dịch
Ca(OH)2 dư, sau phản ứng hoàn toàn thu được m gam kết tủa Giá trị của m là :
A 15,0 B 12,0 C 10,0 D 20,5
(Trích đề thi thử ĐH lần 1- Trường THPT Chuyên Phan Bội Châu – Nghệ
An năm 2013)
Đáp án : A
Trang 9Ví dụ 9: Đốt cháy hoàn toàn m gam hỗn hợp gồm anđehit fomic, axit propionic,
etyl axetat, glucozo, ancol anlylic và isobutilen, rồi hấp thụ toàn bộ sản phẩm cháy vào 200ml dung dịch 200ml Ca(OH)2 1M Sau phản ứng thu được 15 gam kết tủa và dung dịch X Khối lượng X so với khối lượng dung dịch Ca(OH)2 ban đầu thay đổi như thế nào?
A Tăng 5,7 gam B Giảm 7,74 gam
C Giảm 7,38 gam D Tăng 0,5 gam
Đáp án : D
Ví dụ 10: Cho hỗn hợp X gồm ancol metylic, etylen glicol và glixerol Đốt cháy
hoàn toàn m gam X thu được 6,72 lít khí CO2 (đktc) Cũng m gam X trên cho tác dụng với Na dư thu được tối đa V lít khí H2 (đktc) Giá trị của V là
A 3,36 B 11,20 C 5,60 D 6,72
( Trích đề thi ĐH khối B năm 2012)
Đáp án : A
Ví dụ 11: Hỗn hợp khí X gồm etilen, metan, propin và vinylaxetilen có tỉ khối
so với H2 là 17 Đốt cháy hoàn toàn 0,05 mol hỗn hợp X rồi hấp thụ toàn bộ sản phẩm cháy vào bình dung dịch Ca(OH)2 (dư) thì khối lượng bình tăng thêm m gam Giá trị của m là
A 7,3 B 6,6 C 3,39 D 5,85.
Đáp án : A
2 THIẾT LẬP BIỂU THỨC LIÊN HỆ GIỮA SỐ NGUYÊN TỬ CACBON CỦA CÁC CHẤT KẾT HỢP SỬ DỤNG ĐIỀU KIỆN BỀN CỦA CHẤT 2.1: Phương pháp
Bước 1: Gọi CTPT và gọi số mol của các chất trong hỗn hợp.
Bước 2: Dựa vào các dữ kiện bài ra thiết lập hệ phương trình
Bước 3: Tính toán số mol các chất trong hỗn hợp (nếu có thể tính được) và thiết
lập biểu thức về mối liên hệ giữa số nguyên tử cacbon trong hỗn hợp
Trang 10Bước 4: Dựa vào điều kiện của số nguyên tử C trong hợp chất hữu cơ suy ra
CTPT của các chất
2.2: Phạm vi sử dụng: Dùng trong những bài tập cần xác định CTPT của hợp
chất hữu cơ khi đã tính được số mol các chất trong hỗn hợp
2.3: Các ví dụ minh họa:
Ví dụ 1:
Hỗn hợp X gồm một anđehit, một axit cacboxylic và một este (trong đó axit và este là đồng phân của nhau) Đốt cháy hoàn toàn 0,2 mol X cần 0,625 mol O2, thu được 0,525 mol CO2 và 0,525 mol nước Nếu đem toàn bộ lượng anđehit trong X cho phản ứng hoàn toàn với một lượng dư dung dịch AgNO3 trong NH3
thì khối lượng Ag tạo ra là :
A 64,8 gam B 21,6 gam C 16,2 gam D 32,4 gam
Hướng dẫn giải: Vì nCO 2= nH O 2 nên tất cả các chất trong hỗn hợp X đều no đơn chức mạch hở
- Gọi CTPT của axit và este là CnH2nO2: a mol ( n 2)
CTPT của anđehit CmHmO: b mol ( m 1)
Ta có: nhỗn hợp = a + b = 0,2 (1)
Theo định luật bảo toàn nguyên tố oxi : 2a + b + 2.0,625 = 2.0,525 + 0,525
2a + b = 0,325 (2)
Từ (1) và (2) 0,125
0,075
a b
nCO 2= na + mb = 0,125n + 0,075m = 0,525 5n + 3m = 21 n = 3 và m = 2
Khối lượng Ag tạo ra là = 0,075.2.108 = 16,2 gam Chọn đáp án C
Ví dụ 2:
Đốt cháy hoàn toàn hỗn hợp X gồm 0,07 mol một ancol đa chức và 0,03 mol một ancol không no, có một liên kết đôi, mạch hở, thu được 0,23 mol khí CO2 và
m gam H2O Giá trị của m là
A 5,40 B 2,34 C 8,40 D 2,70
Hướng dẫn giải:
Trang 11Gọi CTPT ancol đa chức là CnHmOx, ancol không no là CaH2aOz:
Ta có: 0,07n + 0,03a = 0,23 7n + 3a = 23 n = 2, a= 3 là phù hợp
Ancol đa chức có 2 nguyên tử C thì phải no và có 2 chức: C2H4(OH)2
Ancol không no có 3 nguyên tử C thì phải đơn chức: CH2=CH-CH2OH (C3H6O) Vậy nH O 2 = (0,07.6 + 0,03.6)/2 = 0,3 Khối lượng H2O = 5,4 gam
Chọn đáp án A
2.4: Ví dụ tương tự:
Ví dụ 3:
Đốt cháy hoàn toàn 0,05 mol hỗn hợp M gồm anđehit X và este Y, cần dùng vừa đủ 0,155 mol O2, thu được 0,13 mol CO2 và 2,34 gam H2O Mặt khác, cho 0,1 mol M phản ứng với lượng dư dung dịch AgNO3 trong NH3, kết thúc các phản ứng thu được 21,6 gam Ag Công thức cấu tạo thu gọn của X, Y lần lượt là
A CH3CHO và HCOOCH3 B CH3CHO và HCOOC2H5
C HCHO và CH3COOCH3 D CH3CHO và CH3COOCH3
(Trích đề thi thử ĐH lần 1 - Trường THPT chuyên Đại học Vinh năm 2013)
Đáp án : B
3 SỬ DỤNG BẤT ĐẲNG THỨC – PHƯƠNG PHÁP GIỚI HẠN MOL ĐỂ GIẢI NHANH BÀI TẬP TRẮC NGHIỆM HỮU CƠ CÓ LIÊN QUAN ĐẾN PHẢN ỨNG CHÁY
3.1: Phương pháp
Tương tự cách 2 ở trên
- Khi không thực hiện được bước 3 ở trên ta phải sử dụng cách 3
3.2: Phạm vi sử dụng: Dùng trong những bài tập xác định CTPT của hợp chất
hữu cơ khi dữ kiện bài ra không đủ để tính số mol của các chất trong hỗn hợp
Ví dụ 1:
Cho hỗn hợp M gồm anđehit X, xeton Y (X, Y có cùng số nguyên tử C) và anken Z Đốt cháy hoàn toàn m gam M cần dùng 8,848 lít O2 (đktc) sinh ra 6,496 lít CO (đktc) và 5,22 gam H O Công thức của anđehit là:
Trang 12A C3H7CHO B C2H5CHO
C C4H9CHO D CH3CHO
Hướng dẫn giải: nH O 2 = 5,22
18 = 0,29 mol; nCO 2 = 6,49622,4 = 0,29 mol
nH O 2 = nCO 2= 0,29 mol
X, Y là hợp chất hữu cơ no, đơn chức, mạch hở : CnH2nO ( n 3): x mol Anken : CmH2m ( m 2): y mol
Theo định luật bảo toàn nguyên tố oxi:
x + 2 8,84822,4 = 2 0,29 + 0,29 x = 0,08 mol
Ta có: nCO 2= nx + my = 0,08n + my = 0,29
0,08n < 0,29 n < 3,625 mà n 3→ n = 3
→ CTPT của X : C3H6O hay CH3CH2CHO Chọn đáp án B
Ví dụ 2:
Cho X và Y là hai axit cacboxylic mạch hở, có cùng số nguyên tử cacbon, trong
đó X đơn chức, Y hai chức Chia hỗn hợp X và Y thành 2 phần bằng nhau Cho phần 1 tác dụng hết với K sinh ra 2,24 lít khí H2 (đktc) Đốt cháy hoàn toàn phần
2 sinh ra 6,72 lít khí CO2 (đktc) Công thức cấu tạo thu gọn và % khối lượng của
Y trong hỗn hợp là:
A HOOCCOOH và 66,6% B HOOC–COOH và 42,86%
C HOOC-CH2-COOH và 42,86% D CH2(COOH)2 và 66,67%
Hướng dẫn giải: Y có 2 nhóm chức có số mol: y
X có 1 nhóm chức có số mol: x
- Phần 1: Tác dụng với K: nH 2 = 0,5x + y = 0,1
- Phần 2: Đốt cháy: Vì 0,1 = 0,5x + y < x + y < x + 2y = 0,2
1,5
0,2 x 2y
hh
n x y x y n = 2
CT axit X CH3COOH và axit Y HOOC-COOH