6 BÀI TẬP SO SÁNH GIẢI THÍCH CẤU TẠO, TÍNH CHẤT HÓA HỌC CỦA CÁC HYDROCACBON
7.1 CÁC PHƯƠNG PHÁP LẬP CÔNG THỨC PHÂN TỬ CỦA HYDROCACNON 1 Phương pháp khối lượng hay % khối lượng.
7.1.1 Phương pháp khối lượng hay % khối lượng.
1) Phương pháp giải :
Bước 1 : Tìm MA : tùy theo giả thiết đề bài cho mà sử dụng các cách tính sau để tìm MA
Tìm MA dựa trên các khái niệm cơ bản, các định luật cơ bản. Có nhiều cách để tìm khối lượng phân tử, tùy từng giả thiết đề bài cho mà dùng cách tính thích hợp.
1. Dựa vào khối lượng riêng DA (đktc) =>MA = 22,4 . DA với DA đơn vị g/l 2. Dựa vào tỉ khối hơi của chất hữu cơ A MA = MB . dA/B
MA = 29 . dA/KK
3. Dựa vào khối lượng (mA ) của một thể tích VA khí A ở đktc MA = (22,4 . mA)/ VA
mA: khối lượng khí A chiếm thể tích VA ở đktc 4. Dựa vào biểu thức phương trình Mendeleep – Claperon:
Cho mA (g) chất hữu cơ A hóa hơi chiếm thể tích VA (l) ở nhiệt độ T (oK) và áp suất P(atm)
PV = nRT => (R = 0,082 atm/ oKmol) 5. Dựa vào định luật Avogadro:
Định luật: Ở cùng điều kiện nhiệt độ và áp suất, mọi thể tích khí bằng nhau đều chứa cùng một số phân tử khí.
VA = VB => nA = nB => => MA = mA
Bước 2 : Đặt CTPT chất A: CxHy
Xác định thành phần các nguyên tố trong hydrocacbon. Cách 1 :Dùng khi đề bài
-Không cho khối lượng hydrocacbon đem đốt cháy -Tính được mC, mH từ mCO2, mH2O
* Tính khối lượng các nguyên tố có trong A và mA (g) chất A. - Xác định C: - Xác định H - Xác định mA => mA = mH + mA
* Xác định CTPT chất hữu cơ A: CxHy Dựa trên CTTQ chất hữu cơ A: CxHy
Cách 2 : Khi đề bài cho biết thành phần % các nguyên tố trong hỗn hợp * Dùng công thức sau: ; => CTPT A. Cách 3 : * Tìm CTĐG nhất => CTN => CTPT A hoặc - CTĐG nhất : CaHb => CTTN : (CaHb)n
- Xác định n: biện luận từ CTTN để suy ra CTPT đúng của A : y < 2x + 2; y chẵn, nguyên dương ; x ³ 1, nguyên dương. => Từ đó xác định được CTPT đúng của chất hữu cơ A.
Lưu ý: Khi bài tóan yêu cầu xác định CTĐG nhất của chất hữu cơ A (hay CTN của A) hoặc khi đề không cho dữ kiện để tìm MA thì ta nên làm theo cách trên.
2) Các ví dụ : Ví dụ 1 :
Một hydrocacbon A có thành phần nguyên tố: % C = 84,21; %H = 15,79; Tỉ khối hơi đối với không khí bằng dA/KK = 3,93. Xác định CTPT của A
GIẢI
Bước 1: Tính MA:
Biết dA/KK => MA = MKK. dA/KK = 29.3,93 = 114 Bước 2 : Đặt A : CxHy
à
à
Suy ra CTPT A: C8H18 Ví dụ 2 :
Một hydrocacbon A ở thể khí có thể tích gấp 4 lần thể tích của lưu huỳnh đioxit có khối lượng tương đương trong cùng điều kiện. Sản phẩm cháy của A dẫn qua bình đựng nước vôi trong dư thì có 1g kết tủa đồng thời khối lượng bình tăng 0,8g. Tìm CTPT A.
GIẢI
* Tìm MA :
1VA = 4VSO2(ở cùng điều kiện ) =>nA = 4nSO2
=> (A và SO2 có khối lượng tương đương nhau) =>
Cách 1 : giải theo phương pháp khối lượng hay % khối lượng : Đặt A : CxHy
Bình đựng Ca(OH)2 hấp thụ CO2 và H2O m(kết tủa) = mCaCO3 = 1g
nCO2 = nCaCO3 = 1/100= 0,01mol
=>nC = nCO2 = 0,01mol =>mC = 12.0,01=0,12g mCO2 = 0,01.44 = 0,44g rmbình = mCO2 + mH2O
=>mH2O = 0,8-0,44 = 0,36g
ĐLBT khối lượng (A) :mA = mC + mH = 0,12 +0,04 = 0,16 Ta có
Vậy CTPT A : CH4
Cách 2 : Biện luận dựa vào điều kiện y < 2x + 2; y chẵn, nguyên dương ; x ³ 1, nguyên => x =1 và y = 4 àCTPT A.
Ví dụ 3:
Đốt cháy hoàn toàn 2,64g một hydrocacbon A thu được 4,032 lít CO2 (đktc). Tìm CTPT A? GIẢI
* Tìm thành phần các nguyên tố :
mC (trong A) = mC (trong CO2) = (4,032/ 22,4)*12 = 2,16g mH = mA – mC = 2,64 – 2,16 = 0,48g
=> CTN : C3H8 => CTTN : (C3H8)n Biện luận :
Số H < 2 số C +2 => 8n < 6n + 2 => n < 1 mà n nguyên dương =>n = 1 àCTPT A : C3H8
7.1.2) Phương pháp dựa vào phản ứng cháy:
Dấu hiệu nhận biết bài toán dạng này : đề bài đốt cháy một chất hữu cơ có đề cập đến khối lượng chất đem đốt hoặc khối lượng các chất sản phẩm (CO2, H2O) một cách trực tiếp hoặc gián tiếp (tức tìm được khối lượng CO2, H2O sau một số phản ứng trung gian).
1) Phương pháp giải:
Bước 1 : Tính MA (ở phần II.2.1.1) Bước 2 : Đặt A : CxHy
* Viết phương trình phản ứng cháy. MA(g) 44x 9y
mA(g) mCO2 mH2O * Lập tỉ lệ để tính x,y hoặc * Từ đó suy ra CTPT A Một số lưu ý:
1) Nếu đề bài cho: oxi hóa hòan tòan một chất hữu cơ A thì có nghĩa là đốt cháy hòan tòan chất hữu cơ A thành CO2 và H2O
2) Oxi hóa chất hữu cơ A bằng CuO thì khối lượng oxy tham gia phản ứng đúng bằng độ giảm khối lượng a(g)của bình đựng CuO sau phản ứng oxi hóa. Thông thường trong bài toán cho lượng oxi tham gia phản ứng cháy, để tìm khối lượng chất hữu cơ A nên chú ý đến định luật bảo toàn khối lượng
mA + a = mCO2 + mH2O
3) Sản phẩm cháy (CO2, H2O) thường được cho qua các bình các chất hấp thụ chúng.
4) Bình đựng CaCl2 (khan), CuSO4 (khan), H2SO4 đặc, P2O5, dung dịch kiềm, … hấp thụ nước. Bình đựng các dung dịch kiềm…hấp thụ CO2.
Bình đựng P trắng hấp thụ O2.
5) Độ tăng khối lượng các bình chính là khối lượng các chất mà bình đã hấp thụ.
6) Nếu bài toán cho CO2 phản ứng với dung dịch kiềm thì nên chú ý đến muối tạo thành để xác định chính xác lượng CO2.
7) Viết phương trình phản ứng cháy của hợp chất hữu cơ với oxy nên để oxy lại cân bằng sau từ vế sau đến vế trước. Các nguyên tố còn lại nên cân bằng trước, từ vế trước ra vế sau phương trình phản ứng.
2) Bài tập ví dụ : Ví dụ 1 :
Đốt hoàn toàn 0,58g một hydrocacbon A được 1,76g CO2 và 0,9g H2O. Biết A có khối lượng riêng DA @ 2,59g/l. Tìm CTPT A Tóm tắt : 0,58g X + O2 => (1,76g CO2; 0,9 g H2O) DA @ 2,59g/l. Tìm CTPT A? GIẢI : * Tìm MA : Biết DA => MA = 22,4.2,59 @ 58
* Viết phương trình phản ứng cháy, lập tỉ lệ để tìm x,y MA(g) 44x 9y
mA(g) mCO2 mH2O =
=> x = 4 y =10 Vậy CTPT A : C4H10
Ví dụ 2 : Khi đốt cháy hòan tòan 0,42 g một Hydrocacbon X thu tòan bộ sản phẩm qua bình 1 đựng H2SO4 đặc, bình 2 đựng KOH dư. Kết quả, bình 1 tăng 0,54 g; bình 2 tăng 1,32 g. Biết rằng khi hóa hơi 0,42 g X chiếm thể tích bằng thể tích của 1,192 g O2 ở cùng điều kiện. Tìm CTPT của X
Tóm tắt đề: Tìm CTPT X? GIẢI
* Tính MX :
0,42g X có VX = VO2 của 0,192g O2 (cùng điều kiện) => nX = nO2 =>
=> * Gọi X : CxHy MX 44x 9y (g) 0,42 mCO2 mH2O (g) Ta có : (1)
Đề bài cho khối lượng CO2, H2O gián tiếp qua các phản ứng trung gian ta phải tìm khối lượng CO2, H2O
* Tìm mCO2, mH2O :
- Bình 1 đựng dd H2SO4 đ sẽ hấp thụ H2O do đó độ tăng khối lượng bình 1 chính là khối lượng của H2O :
rm1 = mH2O=0,54g (2)
- Bình 2 đựng dd KOH dư sẽ hấp thụ CO2 do đó độ tăng khối lượng bình 2 chính là khối lượng của CO2 : rm2 = mCO2 =1,32g (3) (1), (2), (3) => => x = 5 y = 10 Vậy CTPT X : C5H10 (M = 70đvC)
7.1.3 Phương pháp thể tích (phương pháp khí nhiên kế):
v Phạm vi ứng dụng : Dùng để xác định CTPT của các chất hữu cơ ở thể khí hay ở thể lỏng dễ bay hơi.
v Cơ sở khoa học của phương pháp : Trong một phương trình phản ứng có các chất khí tham gia và tạo thành (ở cùng điều kiện nhiệt độ, áp suất) hệ số đặt trước công thức của các chất không những cho biết tỉ lệ số mol mà còn cho biết tỉ lệ thể tích của chúng.
1) Phương pháp giải
Bước 1 : Tính thể tích các khí VA, VO2, VCO2, VH2O (hơi)…
Bước 2 : Viết và cân bằng các phương trình phản ứng cháy của hydrocacbon A dưới dạng CTTQ CxHy
Bước 3 : Lập các tỉ lệ thể tích để tính x,y 1(l) (l) x(l) (l)
VA(l) VO2 (l) VCO2 (l) VH2O (hơi)(l) hay
Cách khác : Sau khi thực hiện bước 1 có thể làm theo cách khác:
- Lập tỉ lệ thể tích VA: VB : VCO2 : VH2O rồi đưa về tỉ lệ số nguyên tối giản m:n:p:q. - Viết phương trình phản ứng cháy của hợp chất hữu cơ A dưới dạng:
mCxHy + nO2pCO2 + qH2O
- Dùng định luật bảo toàn nguyên tố để cân bằng phương trình phản ứng cháy sẽ tìm được x và y =>CTPT A
* Một số lưu ý:
- Nếu VCO2 : VH2O = 1:1 => C : H = nC : nH = 1: 2
- Nếu đề tóan cho oxy ban đầu dư thì sau khi bật tia lửa điện và làm lạnh (ngưng tụ hơi nước) thì trong khí nhiên kế có CO2 và O2 còn dư. Bài tóan lý luận theo CxHy
- Nếu đề tóan cho VCxHy = VO2 thì sau khi bật tia lửa điện và làm lạnh thì trong khí nhiên kế có CO2 và CxHy dư. Bài tóan lý luận theo oxy.
thì các nguyên tố trong hydrocacbon sẽ chuyển thành oxit bền tương ứng trừ: N2 => khí N2
Halogen => khí X2 hay HX (tùy bài) 2. Bài tập ví dụ
Ví dụ 1:
Trộn 0,5 l hỗn hợp C gồm hydrocacbon A và CO2 với 2,5 l O2 rồi cho vào khí nhiên kế đốt cháy thì thu được 3,4 l khí, làm lạnh chỉ còn 1,8 l. Cho hỗn hợp qua tiếp dung dịch KOH (đặc) chỉ còn 0,5 l khí. Các V khí đo cùng điều kiện. Tìm CTPT của hydrocacbon A.
Tóm tắt đề :
CxHy : a (l) Gọi 0,5 l hỗn hợp
CO2 : b (l)
0,5l hỗn hợp + 2,5l O2 CO2 ,O2 dư,H2O CO2,O2dư O2 dư GIẢI :
* O2 dư , bài tóan lý luận theo Hydrocacbon A a a ax a (lít) CO2 => CO2 b b (lít) Ta có Vhh = a + b = 0,5 (1) VCO2 = ax + b = 1,8 – 0,5 = 1,3 (2) VH2O = a = 3,4 – 1,8 = 1,6 (3) VO2 dư = 2,5 - a = 0,5 => ax + a = 2 (4) => ax + 3,2/4 = 2 => ax = 1,2 (5) (2), (3) VCO2 = b = 0,1 Vhh = a + b = 0,5 => a = 0,4 => x = ax /a = 3 => y = ay/a = 8 Vậy CTPT của A là C3H8 Ví dụ 2 :
Trộn 12 cm3 một hydrocacbon A ở thể khí với 60 cm3 oxi (lấy dư)
rồi đốt cháy. Sau khi làm lạnh để nước ngưng tụ rồi đưa về điều kiện ban đầu thì thể tích khí còn lại là 48 cm3, trong đó có 24cm3 bị hấp thụ bởi KOH, phần còn lại bị hấp thụ bởi P.
Tìm CTPT của A (các thể tích khí đo trong cùng điều kiện nhiệt độ và áp suất) Tóm tắt :
GIẢI :
* Tính các V: VCO2 = 24cm3
VO2 dư = 48 – 24 = 24cm3 => VO2 pứ = 60 – 24 = 36 cm3 * Tìm CTPT :
Cách 1: Tính trực tiếp từ phương trình phản ứng đốt cháy: 12 => 12 => 12x (cm3) VCO2 =12x = 24 => x = 2 VO2 dư = 60 – 12 = 24 => y = 4 => CTPT của A: C2H4 Cách 2: Lập tỉ lệ thể tích 1 x (cm3)
12 36 24 (cm3) => x = 2 và y = 4
=> CTPT của A: C2H4 Cách 3:
Nhận xét: đốt 12 cm3 A đã dùng 36 cm3 oxy và tạo ra 24 cm3 CO2 Suy ra ĐLBT (O): => ĐLBT (C): 12x = 24 => x = 2 ĐLBT (H) :12y = 48 => y = 4 àVậy CTPT của A là C2H4 Ví dụ 3 : Trong một bình kín thể tích 1dm3 có một hỗn hợp đồng thể tích gồm hydrocacbon A và O2 ở 133,5 oC, 1 atm. Sau khi bật tia lửa điện và đưa về nhiệt độ ban đầu (133,5 oC) thì áp suất trong bình tăng lên 10% so với ban đầu và khối lượng nước tạo ra là 0,216 g. Tìm CTPT A
Tóm tắt : GIẢI :
Tìm CTPT A?
Vì hỗn hợp đồng thể tích nên nA = nO2 = 0,03/2 = 0,015 mol => CxHy dư, biện luận theo O2
Sau khi đưa về nhiệt độ ban đầu, các khí tạo áp suất có trong bình gồm H2O, CO2, CxHy dư có số mol là :
n2 = n1 . P2/P1 = 0,03.110/100 = 0,033 mol nH2O = 0,216/18 = 0,012 mol
ĐLBT khối lượng (O) : nO2 = n CO2 + 1/2n H2O
=> n CO2 = nO2 – 1/2nH2O = 0,015-0,012/2 = 0,009mol nCxHydư = n2 - nCO2 - nH2O = 0,033-0,012-0,009 =0,012mol =>nCxHyphản ứng = 0,015-0,012 = 0,003 mol 1 x (mol) 0,003 0,015 0,009 0,012 (mol) Ta có : => x = 3 y = 8 Vậy CTPT A : C3H8
7.1.4 Phương pháp giá trị trung bình (xác định CTPT của hai hay nhiều chất hữu cơ trong hỗn hợp): Là phương pháp chuyển hỗn hợp nhiều giá trị về một giá trị tương đương, nhiều chất về một chất tương đương
v Đặc điểm
Phương pháp giá trị trung bình được dùng nhiều trong hóa hữu cơ khi giải bài tóan về các chất cùng dãy đồng đẳng. Một phần bản chất của giá trị trung bình được đề cập đến ở việc tính phần trăm đơn vị và khối lượng hỗn hợp khí trong bài tóan tỉ khối hơi ở chương đầu lớp 10. Do đó, học sinh dễ dàng lĩnh hội phương pháp này để xác định CTPT của hai hay nhiều chất hữu cơ trong hỗn hợp.
Phương pháp khối lượng phân tử trung bình của hỗn hợp ()
Chất tương đương có khối lượng mol phân tử là khối lượng mol phân tử trung bình của hỗn hợp. Các bước giải :
Bước 1 : Xác định CTTB của hai chất hữu cơ A, B trong hỗn hợp Bước 2 : Tìm qua các công thức sau :
Hoặc
Giả sử MA< MB => MA<< MB
Bước 3 : Biện luận tìm MA, MB hợp lý => CTPT đúng của A và B
Phạm vi ứng dụng: sử dụng có lợi nhiều đối với hỗn hợp các chất cùng dãy đồng đẳng 1) Phương pháp CTPT trung bình của hỗn hợp:
v Phạm vi áp dụng : Khi có hỗn hợp gồm nhiều chất, cùng tác dụng với một chất khác mà phương trình phản ứng tương tự nhau (sản phẩm, tỉ lệ mol giữa nguyên liệu và sản phẩm, hiệu suất, phản ứng tương tự nhau), có thể thay thế hỗn hợp bằng một chất tương đương, có số mol bằng tổng số mol của hỗn hợp. Công thức của chất tương đương gọi là CTPT trung bình.
v Phương pháp giải :
Bước 1 : Đặt CTPT của hai chất hữu cơ cần tìm rồi suy ra CTPT trung bình của chúng : Đặt A : CxHy ; B : Cx’Hy’ => CTPTTB :
Bước 2 : Viết phương trình phản ứng tổng quát và dữ liệu đề bài cho tính Bước 3 : biện luận
Nếu x<x’ => x < < x’ y<y’ => y< < y’
Dựa vào điều kiện x, x’, y, y’ thỏa mãn biện luận suy ra giá trị hợp lý của chúng => CTPT A, B. v Phạm vi ứng dụng : Phương pháp giải này ngắn gọn đối với các bài tóan hữu cơ thuộc loại hỗn hợp các đồng đẳng nhất là các đồng đẳng liên tiếp. Tuy nhiên có thể dùng phương pháp này để giải các bài toán hỗn hợp các chất hữu cơ không đồng đẳng cũng rất hiệu quả.
Ngoài phương pháp trên còn có phương pháp số C, số H, số liên kết p trung bình (). Phương pháp giải tương tự như hai phương pháp trên
v Một số lưu ý:
1) Nếu bài cho 2 chất hữu cơ A, B là đồng dẳng liên tiếp thì : m = n + 1 (ở đây n, m là số C trong phân tử A, B)
2) Nếu bài cho 2 chất hữu cơ A, B hơn kém nhau k nguyên tử C thì m = n + k. 3) Nếu bài cho 2 chất hữu cơ A, B cách nhau k nguyên tử C thì : m = n + (k +1) 4) Nếu bài cho anken, ankin thì n, m ³ 2.
5) Nếu bài toán cho A, B là hydrocacbon ở thể khí trong điều kiện thường (hay điều kiện tiêu chuẩn) thì n, m < 4
v Bài tập ví dụ : Bài 1:
Đốt cháy hòan tòan 19,2 g hỗn hợp 2 ankan liên tiếp thu được 14,56 l CO2 (ở OoC, 2 atm). Tìm CTPT 2 ankan.
GIẢI :
Gọi CTPT trung bình của hai ankan : => .
Cách 1: phương pháp số C trung bình () Số mol hỗn hợp
Số mol CO2 : nCO2 = . = 1,3
Hỗn hợp gồm 2 ankan liên tiếp CnH2n+2
CmH2m+2 ; n<m; 1< n , m = n +1 à n < < m = n +1
m = 3 C3H8
Cách 2: Dùng phương pháp phân tử khối trung bình : Gọi 2 ankan A : CnH2n+2 (a mol) ; B : CmH2m+2 (b mol) a an (mol) b bm (mol) nCO2 = an + bm = 1,3 (1) mhh = (14n + 2)a + (14m +2)b = 19,2