Tài liệu Xác định công thức phân tử - hợp chất hữu cơ doc

www.khoabang.com.vn Luyện thi trên mạng _____________________________________________________________ G.V Lờ Kim Long - HKHTN Bài số 21: Xác định Công thức phân tử các hợp chất hữu cơ 1- Khái quát : + Những hợp chất của Cacbon (trừ các hợp chất nh CO, CO 2 , các muối cacbonat) đợc gọi là các hợp chất hữu cơ. Nh vậy trong hợp chất nhất thiết phải có chứa C, thờng xuyên có H; hay có Ôxi và thỉnh thoảng gặp Nitơ. Đó chính là vai trò của từng nguyên tố trong hợp chất. + Các hợp chất hữu cơ đợc phân thành các hiđrocacbon (chỉ chứa hai nguyên tố C và H) và các dẫn suất của hiđrocacbon hay còn gọi là các hợp chất hữu cơ có nhóm chức (do có các nguyên tố khác nh O, N, S . quyết định tính chất của chức). - Các hiđrocacbon lại đợc chia thành: các hiđrocacbon no (không có liên kết mà chỉ có liên kết ); hiđrocacbon không no (ngoài liên kết còn có liên kết ) và các hiđocacbon thơm (phân tử có vòng benzen). - Các hợp chất có nhóm chức đợc phân loại theo nhóm định chức liên kết với gốc hiđrocacbon: dẫn suất halogien (chứa halogien), rợu (chứa nhóm OH); anđehit (chứa nhóm CHO); axit (chứa nhóm COOH) . + Tính chất của các hợp chất nói chung và các hợp chất hữu cơ nói riêng phụ thuộc vào cấu tạo phân tử của chúng. Vì thế công việc đầu tiên phải làm là xác định công thức phân tử của chất. Sau đó là xác định cấu tạo phân tử. + Hiện nay ngời ta có rất nhiều phơng pháp nghiên cứu hiện đại dùng để nghiên cứu cấu tạo phân tử các chất hữu cơ. Tuy nhiên bớc đầu tiên để xác định công thức các chất hữu cơ là xác định thành phần nguyên tố và cấu tạo của chất. Đó là việc phân tích các chất hữu cơ. Việc phân tích một chất hữu cơ gồm: a) Phân tích định tính: nhằm xác định trong hợp chất có chứa những nguyên tố nào? b) Phân tích định lợng nhằm xác định hàm lợng các nguyên tố có trong chất đem phân tích (nguyên tố có nhiều hay ít). 2- Phân tích định tính : Nguyên tắc: Chuyển các nguyên tố có trong hợp chất thành các chất vô cơ đơn giản rồi nhận biết chúng. a) Định tính C, H: Ôxi hóa hoàn toàn bằng các chất ôxi hóa khác nhau: CuO, ôxi không khí để chuyển C thành CO 2 ; H thành H 2 O. Dẫn sản phẩm đi qua CuSO 4 khan nếu CuSO 4 đổi sang màu xanh lam đặc trng của CuSO 4 .5H 2 O thì trong sản phẩm ôxi hoá có nớc và trong mẫu chất có H; rồi cho qua dung dịch nớc vôi trong hay Ba(OH) 2 nếu có kết tủa (vẩn đục) trong sản phẩm cháy có CO 2 và trong mẫu chất có Cácbon. b) Định tính Nitơ: đốt cháy nếu có mùi khét (nh tóc cháy) có nitơ ở dạng protein; Đun với H 2 SO 4 đặc rồi với NaOH, nếu có khí có mùi khai thì có nitơ. Một cách khác là nung chất hữu cơ với Na đến nóng đỏ ống www.khoabang.com.vn Luyện thi trên mạng _____________________________________________________________ G.V Lờ Kim Long - HKHTN nghiệm (600-700 o C) nhúng ống nghiệm vào nớc thì ống nghiệm vỡ ra, chất tạo ra trong ống nghiệm có chứa NaCN. Thêm vài giọt FeCl 2 lắc lên rồi thêm vài giọt FeCl 3 thấy kết tủa màu xanh là có nitơ vì Fe 4 [Fe(CN) 6 ] 3 . c) Định tính ôxi thờng khó nên ngời ta thờng xác định gián tiếp theo hiệu khối lợng ban đầu của hợp chất và khối lợng các nguyên tố đã xác định đợc. 3- Phân tích định lợng các nguyên tố : a) Định lợng C: xác định khối lợng C thông qua việc xác định lợng CO 2 thông qua phơng pháp khối lợng kết tủa CaCO 3 ; độ tăng khối lợng các bình hấp thu CO 2 (chứa dung dịch kiềm). b) Định lợng H qua lợng H 2 O: thông qua độ tăng khối lợng bình chứa hóa chất hút nớc mạnh nh H 2 SO 4 đặc, CaCl 2 khan, P 2 O 5 c) Định lợng nitơ: Khi nung chất hữu cơ với CuO trong khí quyển CO 2 rồi dẫn sản phẩm qua lới Cu nung nóng và dung dịch KOH đậm đặc thì chỉ còn khí nitơ đi ra. Đo thể tích khí nitơ sẽ xác định đợc khối lợng của nitơ trong mẫu chất đã cho (phơng pháp Dumas). Cũng có thể đun chất hữu cơ với H 2 SO 4 để các nguyên tử nitơ chuyển thành NH 3 tồn tại ở dạng muối amôn sunphat. Định lợng (NH 4 ) 2 SO 4 thì sẽ xác định đợc lợng nitơ có trong mẫu chất đem thử (Phơng pháp Kieldahl). d) Định lợng ôxi: Định lợng gián tiếp : m O = m chất phân tích tổng khối lợng các nguyên tố đã biết. 4- Các thí dụ : Thí dụ 1: Đốt cháy hoàn toàn 7,5 g một chất hữu cơ A ngời ta thu đợc 8,8 g CO 2 , 4,5 g nớc và một lợng khí nitơ có thể tích là 1,23 lít ở 15 o C, áp suất trong bình là 737 mm Hg. Tính khối lợng các nguyên tố có trong chất A đã phân tích? m C = 8,8 / 44 x 12 = 2,4 g; m H = 4,5 / 18 x 2 = 0,5 g; P N2 = 737 mmHg nên m N = 28.n N 2 = 28 x (737/760) .1,23/22,4/273/288 = 1,4 g. m C + m H + m N = 4,3 g < 7,5 g nên trong A có ôxi: m O = 7,5 4,3 = 3,2 g. Thí dụ 2: Phân tích 3,616 g một chất hữu cơ X bằng phơng pháp Kjeldahl. Lợng amoniac thoát ra đợc dẫn vào bình chứa 200 ml dung dịch H 2 SO 4 0,5 M. Phần axit d cần đợc trung hoà bằng 80 ml dung dịch NaOH 1M. Tính hàm lợng nitơcó trong hợp chất đã cho. Ta có phản ứng trung hoà: 2 NaOH + H 2 SO 4 = Na 2 SO 4 + H 2 O. Số mol H 2 SO 4 d bằng 1/2 x 0,08 x 1 = 0,04 mol. www.khoabang.com.vn Luyện thi trên mạng _____________________________________________________________ G.V Lờ Kim Long - HKHTN Số mol H 2 SO 4 phản ứng = 0,2 x 0,5 = 0,1 mol. Nên số mol NH 3 = 2 (0,1 - 0,04) = 0,12. Nh vậy m N = 0,12 x 14 = 1,68g Vậy %N = 1,68/3,616 g x 100 = 46,46 %. 5- Xác định công thức phân tử của chất hữu cơ a) Các công thức xác định khối lợng phân tử của một chất: M A = m A /n A : Thông số quan trọng để xác định đợc công thức phân tử là xác định đợc khối lợng mol phân tử (g/mol) hay khối lợng phân tử (đvC). Cho biết Cách tìm M 1 Khối lợng riêng của khí A (g/l, đktc): D A M A = 22,4 x D A 2 Tỉ khối hơi của A so với một chất B có mol phân tử đã biết: d A/B Vì d A/B = M A / M B nên M A = M B x d A/B 3 Khối lợng của một thể tích khí ở một nhiệt độ và áp suất cho trớc : m, V PV = n RT Nên M = mRT/PV 4 Tỉ lệ thể tích khí trong cùng điều kiện V A = kV B nên n A = kn B M A = (m A /m B )/kxM B 5 Độ tăng nhiệt độ sôi hay độ hạ nhiệt độ đông đặc của dung môi trong dung dịch so với dung môi tinh khiết M = K m/T K là hằng số nghiệm sôi hoặc nghiệm đông 6 Nếu hỗn hợp các chất có thể tính mol phân tử trung bình của hỗn hợp bằng tỉ số giữa tổng khối lợng các chất trên tổng số mol các chất b) Xác định công thức đơn giản nhất: Công thức đơn giản nhất của chất cho biết tỉ lệ các nguyên tử của các nguyên tố có trong phân tử của chất hữu cơ. Tìm tỉ lệ số nguyên tử của các nguyên tố tạo thành phân tử của một chất: Nếu giả thiết rằng công thức đơn giản nhất của chất là C x H y O z N t ta có: x : y : z : t = n C : n H : n O : n N (1) (chia cho số bé nhất trong dãy số để có đợc tỉ số giữa các số nguyên đơn giản). Hoặc sử dụng các hệ thức tính theo khối lợng hay % khối lợng các nguyên tố: 14 % 16 % 1 % : 12 % 14 : 16 : 1 : 12 ::: NOHCmmmm tzyx NOHC == (2) Thí dụ 3 : www.khoabang.com.vn Luyện thi trên mạng _____________________________________________________________ G.V Lờ Kim Long - HKHTN Đốt cháy hoàn toàn 0,6 gam chất hữu cơ A thu đựoc 1,32 g CO 2 ; 0,72 g nớc. Hãy xác định công thức đơn giản nhất (CTĐGN) của A. Trong 0,6 g A có: m C = 1,32/ 44 x 12 = 3,6 g C; m H = 0,72 / 18 x 2 = 0,08 g H và m O = 0,6 - (3,6 + 0,08) = 0,16 g O nên áp dụng công thức 2 thu đợc CTPT là C 3 H 8 O Thí dụ 4 : Xác định công thức đơn giản nhất của chất B có chứa 40% C; 6,66%H và 52,33%O. áp dụng công thức 2 ta có CTĐGN là CH 2 O. c) Xác định công thức phân tử: Công thức phân tử là bội số nguyên lần CTĐGN cho biết trong một phân tử có bao nhiêu loại và mỗi loại có bao nhiêu nguyên tử của từng loại nguyên tố. Có rất nhiều loại dữ kiện dùng đợc để xác định công thức phân tử của một hợp chất hữu cơ. + Có thể căn cứ vào khối lợng phân tử: Chẳng hạn với công thức phân tử (C x H y O z N t ) n Ta có M = (12x + y + 16z + 14 t)n. Từ khối liợng phân tử ta tìm đợc giá trị n và CTPT của chất. Thí dụ 5 : Lấy dữ kiện từ thí dụ 3 cùng với điều kiện tỉ khối hơi của A so với H 2 là 30. Hãy xác định CTPT. C x H y O z N t + ) 24 ( zy x + O 2 x CO 2 + 2 y H 2 O Đem M gam đốt cháy thu đợc 44 x gam khí CO 2 và 9y gam nớc Nếu đốt a gam chất thu đợc m CO 2 và m H 2 O Theo điều kiện đầu bài đốt 0,06 g chất thu đợc 0,088 gam CO 2 và 0,036 gam nớc. Ta có: Vậy công thứcphân tử của chất là C 2 H 4 O 2 Thí dụ 6 : Lấy dữ kiện từ thí dụ 4 với điều kiện tỉ khối hơi của chất so với hiđro bằng 30. Với các điều kiện đó ta thiết lập đợc đủ các phơng trình để xác định ngay công thức phân tử của chất: 2;2 2 44 088,0 06,0 60 036,0 9 088,0 44 == ==== zy xx yx a M www.khoabang.com.vn Luyện thi trên mạng _____________________________________________________________ G.V Lờ Kim Long - HKHTN + Tuỳ theo điều kiện bài toán nh số nhóm chức, số nguyên tử O, N . mà kết luận về CTPT. Thí dụ 7 : Xác định CTPT của chất B cho biết khi ôxi hóa hoàn toàn 0,29 g chất B thu đợc 0,66 g CO 2 , 0,27g nớc. Cho biết B chỉ chứa một nhóm andehit (- CHO). Giải: Từ dữ kiện đầu bài ta có: 015,0 18 27,0 ;015,0 44 66,0 2 ==== OHO nn ; m O = 0,29 - 0,015x12 - 0,015x2 = 0,08; n O = 0,005. Theo công thức (2) ta có x : y : z = 0,015:0,030:0,005 = 3: 6: 1 CTĐGN của B là C 3 H 6 O. Vì B chỉ có một nhóm anđehit với 1 nguyên tử O nên công thức đơn giản nhất chính là công thức phân tử. Bài luyện tập Bài tập 1 : Xác định CTPT của chất với dữ kiện sau: a) Đốt 0,9 g X thu đợc 0,672 l CO 2 (đktc) và 0,54 g nớc. Tỉ khối hơi của X so với He là 15. b) Đốt 0,9 g Y thu đợc 1,76 gCO 2 , 1,26 g nớc và 224 cm 3 N 2 (đktc). D Y/H 2 = 22,5. c) Đốt 0,9 g Z thu đợc 1,056 g CO 2 , 0,54 g nớc và 134,4 ml N 2 (đktc). Z có khối lợng phân tử bằng khối lợng phân tử của một chất A có khối lợng riêng ở đktc là 3,348 g/l. Bài tập 2 : Xác định CTPT của các chất: a) Chất A có chứa 40%C, 6,67%H và còn lại là ôxi. Khi cho hoá hơi 1 gam A thì hơi chiếm một thể tích đúng bằng thể tích của 0,535 g ôxi ở cùng điều kiện. b) Chất B cho biết khi ôxi hoá 029 gam B thu đợc 0,66 gam CO 2 , 0,27 gam nớc. Cho M của B bằng 116 Bài tập 3 : Ô xi hóa hoàn toàn 0,74 g một chất hữu cơ A bằng CuO thu đợc một hỗn hợp khí và hơi B. Dẫn hỗn hợp B qua bình 1 đựng dung dịch 10 ml dung dịch H 2 SO 4 95% có khối lợng riêng bằng 1,80 g/ml và bình 2 đựng dung dịch KOH. Sau phản ứng axit trong bình 1 có nồng độ bằng 92,32 % và bình 2 tăng khối lợng 1,32 gam. Xác định CTPT của A biết d A/KK = 2,553. Bài tập 4 : Chia hỗn hợp hai rợu no đơn chức kế tiếp nhau trong dãy đồng đẳng làm hai phần bằng nhau. Cho phần một tác dụng với natri d thu đợc 4,48 l H 2 (đktc). Đốt cháy hoàn toàn phần hai rồi cho sản phẩm 2;4;2 40 12 100 60 % 16 %% 12 100 ======= zyx x O z H y C xM www.khoabang.com.vn Luyện thi trên mạng _____________________________________________________________ G.V Lờ Kim Long - HKHTN lần lợt qua bình 1 đựng H 2 SO 4 đặc, bình 2 đựng dung dịch NaOH d. Sau thí nghiệm bình một tăng khối lợng hơn bình hai một lợng 26,6 gam. Xác định CTPT và phần trăm khối lợug của từng chất trong hỗn hợp rợu. Bài tập 5 : Ôxi hoá hoàn toàn m gam một hợp chất hữu cơ A bằng cách dẫn hơi A đi qua ống sứ đựng một khối bột CuO nung nóng ở nhiệt độ thích hợp rồi thu lấy sản phẩm cho hấp thu hoàn toàn vào 5 lít dung dịch Ca(OH) 2 0,01M. Sau thí nghiệm thấy khối lợng của bình đựng tăng 3,72 gam, trong bình xuất hiện 4 gam kết tủa trắng. Khối lợng của khối CuO giảm 1,92 gam. Hãy xác định CTPT, viết CTCT của chất A cho biết A có một nhóm chức axit và 1 chức rợu. Bài tập 6 : Cho một axit hữu cơ X (chứa 1 hay nhiều nhóm -COOH) chứa 40,67% C, 5,08% H. a) Xác định công thức phân tử của X cho biết 0,1 mol A trung hoà vừa đủ với 1 lít dung dịch NaOH 0,2 M. b) Đốt cháy hoàn toàn 11,8 gam A rồi cho sản phẩm hấp thu vào bình đựng dung dịch Ba(OH) 2 . Tính thể tích dung dịch Ba(OH) 2 sao cho khi hấp thu sản phẩm không tạo ra kết tủa, tạo ra 39,4 gam kết tủa khi thêm dung dịch nớc vôi trong d thì tạo ra bao nhiêu gam kết tủa nữa. Bài tập 7 : Khi đốt 18,9 mg chất X thì thu đợc 17,6 mg CO 2 và 5,4 mg nớc. Nếu đốt 9,45 mg chất X có xúc tác thích hợp bằng ôxi d rồi thu lấy hỗn hợp sản phẩm vào nớc đã axit hoá bằng dung dịch HNO 3 đợc dung dịch B. Dung dịch B tác dụng với dung dịch AgNO 3 tạo ra kết tủa trắng hoá đen khi gặp ánh sáng. Dung dịch B tác dụng vừa đủ với 10 ml dung dịch AgNO 3 0,01 M. Xác định CTPT của X cho biết trong phân tử X chỉ có một nguyên tử Clo. Bài tập 8 : Đốt cháy hoàn toàn 0,75 gam một chất hữu cơ A rồi thu lấy sản phẩm hấp thu vào dung dịch nớc vôi trong d thấy trong bình xuất hiện 2 gam kết tủa, khối lợng dung dịch giảm 1,33 gam. Nếu đun 0,15 gam A với dung dịch H 2 SO 4 (phơng pháp Kjeldahl) rồi cho dung dịch tác dụng với kiềm d, đun nhẹ và thu lấy khí thoát ra cho hấp thu vào 18 ml dung dịch H 2 SO 4 0,1 M. Sau phản ứng cần 4 ml dung dịch NaOH 0,4 M để trung hoà phần axit d. Xác định CTPT của A cho biết trong phân tử A chỉ có 1 nguyên tử nitơ. Bài tập 9 : Cho một hỗn hợp X gồm 1,80 gam C 3 H 6 O 3 (chất A) và m gam chất hữu cơ B có cùng số nguyên tử H và O với A nhng khác số nguyên tử C. Dẫn hơi của hỗn hợp X đi qua 200 gam CuO nung nóng ở nhiệt độ thích hợp X bị ôxi hoá hoàn toàn. Cho hỗn hợp sản phẩm khí và hơi vào dung dịch nớc vôi trong d thấy khối lợng bình đựng tăng 26,72 gam, trong bình có 46 gam kết tủa. a) Hãy xác định CTPT của B. b) Tính m và khối lợng khối đồng ôxit sau phản ứng. www.khoabang.com.vn Luyện thi trên mạng _____________________________________________________________ G.V Lờ Kim Long - HKHTN Bài tập 10: Đốt hoàn toàn 2,25 g rợu bậc hai thu đợc 4,95 g CO 2 và 2,7 g nớc. Cho rợu bay hơi thì 1 gam hơi rợu chiếm một thể tich bằng thể tích của 0,53g ôxi ở cùng điều kiện. Xác định CTPT của rợu. Bài tập 11 : Cho m gam hơi một Hiđrocacbon có cùng thể tích với m gam CO 2 . a) Hãy xác định CTPT của hiđrocacbon. b) Xác định CTPT của hiđrocácbon B cho biết hỗn hợp X chứa A và B có tỉ lệ thể tích 1:1 có tỉ khối so với C 2 H 6 bằng 1. Bài tập 12 : Xác định CTPT và CTCT của hiđrocacbon thơm A có vòng benzen biết rằng 5,9 gam A ở thể hơi trong bình có dung tích 5,6 lít sẽ gây nên áp suất bằng 0,3 at ở 136,5 o C Bài tập 13 : Xác định CTPT và viết CTCT của một hiđrocacbon thơm (có vòng benzen) có CT CxHx và nhánh có 2 liên kết pi. Bài tập 14 : Cho chất A chứa C, H, O có tỉ khối hơi so với C 2 H 6 = 2,4. Hãy xác định CTPT và viết CTCT của các đồng phân của A khi A là: a) chất chứa cả chức rợu và andehit. b) chất chứa chức axit và este. Bài tập 14 : cho chất hữu cơ A chứa C, H, O. Nếu lấy cùng khối lợng của A và C 2 H 6 và cho hoá hơi riêng biệt và ở cùng điều kiện thì thể tích của hơi A chỉ bằng một nửa thể tích của C 2 H 6 . Hãy xác định CTPT và viết CTCT của A. . %. 5- Xác định công thức phân tử của chất hữu cơ a) Các công thức xác định khối lợng phân tử của một chất: M A = m A /n A : Thông số quan trọng để xác định. G.V Lờ Kim Long - HKHTN Bài số 21: Xác định Công thức phân tử các hợp chất hữu cơ 1- Khái quát : + Những hợp chất của Cacbon (trừ các hợp chất nh CO, CO