Đang tải... (xem toàn văn)
ỨNG DỤNG độ bất bão hòa TRONG một số bài TOÁN
Đăng trên Tạp chí Hóa học và ứng dụng (Số 13/Tháng 7 – 2013)] HOAHOC.ORG © NGUYỄN THÀNH TRÍ - 1 - ỨNG DỤNG ĐỘ BẤT BÃO HÒA TRONG MỘT SỐ BÀI TOÁN ĐỐT CHÁY CÁC CHẤT HỮU CƠ Nguyễn Thành Trí Thị Xã Tây Ninh – Tỉnh Tây Ninh Trong các bài toán đốt cháy nhiều chất hữu cơ trong một hỗn hợp, ta thường tìm các giá trị trung bình , , C H M để có thông tin khái quát về công thức phân tử của các chất trong đó. Tuy nhiên, việc chỉ xét đến công thức phân tử không thôi quả là một điều thiếu xót lớn đối với hợp chất hữu cơ. Bởi lẽ đó, tôi đã sưu tầm và chia sẽ với các học sinh cũng như quý thầy/cô một công thức quan trọng giúp tìm ra “độ bất bão hòa” – có được yếu tố này sẽ mở ra cho các bài toán đốt cháy hỗn hợp (có nhiều nhóm chức khác nhau) nhiều hướng suy luận, giúp rèn luyện tư duy trong giải toán Hóa học! “Ta đã biết một chất hữu cơ bất kì chứa 3 nguyên tố C,H,O có công thức phân tử là xknn OHC 222 với k là độ bất bão hòa (tổng số vòng và số liên kết trong công thức cấu tạo). Xét phản ứng cháy của hợp chất này, ta có: OHknnCOOHC xknn 22222 )1( Phân tích hệ số phản ứng này, ta có một kết quả rất quan trọng là: 22 1 H O CO X nn n k Với X n là số mol chất hữu cơ bị đốt cháy. Hai trường hợp riêng hay gặp trong các bài tập phổ thông là k=0 ( hợp chất no, mạch hở xnn OHC 22 ) có X n 22 COOH nn (Ankan, ancol no mạch hở, ete no mạch hở, ), và k=2 có OHCOX nnn 22 (ankin, ankađien, axit không no 1 nối đôi, anđêhit không no 1 nối đôi, xeton không no một nối đôi, ) Kết quả này có thể mở rộng cho các phản ứng cháy của các hợp chất hữu cơ có chứa nitơ. *Trích “16 phương pháp và kĩ thuật giải nhanh BTTN môn Hóa Học. Nhóm tác giả:Phạm Ngọc Bằng (Chủ biên)-Vũ Khắc Ngọc-Lê Phạm Thành,….NXB ĐHSP in lần 2, 7/2010. Một chất cụ thể: o Metan CH 4 (k=0) o Etylen 22 CH CH (k=1) o Axetylen CH CH (k=2) o Anđehit acrylic 2 CH CH CHO (k=2) Thì độ bất bão hòa k là một giá trị nguyên dương. Khi áp dụng vào bài tập hỗn hợp nhiều chất hữu cơ, thì giá trị k tìm được bằng cách dựa vào số mol CO 2 và H 2 O, trường hợp này thì k không nguyên, nó chỉ có ý nghĩa về mặt tính toán và nhận định chung về số lượng nối của cả hỗn hợp. Đăng trên Tạp chí Hóa học và ứng dụng (Số 13/Tháng 7 – 2013)] HOAHOC.ORG © NGUYỄN THÀNH TRÍ - 2 - Bài 1: Một hỗn hợp gồm anđehit acrylic và một anđehit đơn chức X. Đốt cháy hoàn toàn 1,72 gam hỗn hợp trên cần vừa đủ 2,296 lít khí oxi (đktc). Cho toàn bộ sản phẩm cháy hấp thụ hết vào dung dịch nước vôi trong dư thu được 8,50 gam kết tủa. Công thức của X là: A. HCHO B. C 3 H 5 CHO C. CH 3 CHO. D. C 2 H 5 CHO Giải: Anđehit acrylic: 2 56CH CH CHO M 2 0,1025 . O n mol 2 0,085 . CO n mol Từ định luật bảo toàn khối lượng, tính được 2 2 1,26 0,07 . HO HO m gam n mol Vì 2 anđehit đều đơn chức nên bảo toàn nguyên tố oxi, ta có: 1 0,1025 2 0,085 2 0,07 0,035 . hh hh n n mol Đến đây, có rất nhiều cách để giúp ta chọn được đáp án đúng: + Cách 1: Tìm 2 0,085 2,43 0,035 CO hh n C n . => Vì anđehit acrylic có 3 nguyên tử C, chỉ có đáp án C là 2 nguyên tử C thôi! + Cách 2: Tìm 1,17 49, 0,035 M Trong đó: HCHO (M=30), C 3 H 5 CHO (M=70), CH 3 CHO (M=44), C 2 H 5 CHO (M=58), mà 2 ( 56)CH CH CHO M nên chỉ có M=44 là giá trị nhỏ hơn và gần với giá trị trung bình. + Cách 3: Bằng cách tìm thêm độ bất bão hòa: 22 1,43 1 H O CO X nn nk k Với 1,43k chỉ giúp ta loại được đáp án B ( vì C 3 H 5 CHO có 2 ). Phải tìm thêm các yếu tố , , CH mới có thể chọn được đáp án. Chất còn lại phải có 1 . Bài 2: Hỗn hợp X có C 2 H 5 OH, C 2 H 5 COOH, CH 3 CHO trong đó C 2 H 5 OH chiếm 50% số mol. Đốt cháy m gam X thu được 3,06 gam H 2 O và 3,136 lít CO 2 (đktc). Mặt khác, 13,20 gam hỗn hợp X thực hiện hoàn toàn phản ứng tráng bạc được p gam Ag. Giá trị của p là: A. 2,16 gam B. 8,64 gam. C. 9,72 gam. D. 10,8 gam. (Đề thi thử ĐH lần 3 – năm 2010, Trường ĐH KHTN Hà Nội, Khối chuyên Vật Lý). Giải: 2 0,17 . HO n mol 2 0,14 . CO n mol Đăng trên Tạp chí Hóa học và ứng dụng (Số 13/Tháng 7 – 2013)] HOAHOC.ORG © NGUYỄN THÀNH TRÍ - 3 - Trong một bài toán trắc nghiệm, nếu đề bài cho nhiều chất cùng tham gia 1 loại phản ứng, ta phải cố gắng tìm ra được quy luật chung và riêng (từ cấu tạo, khả năng phản ứng, hệ số phản ứng trên PTHH,…) để lựa chọn hướng giải. Đối với trường hợp này, có cả ancol, axit, anđehit. Xét CTCT, ta thấy: 25 0C H OH (nhóm 1) 2 5 3 ,1C H COOH CH CHO (nhóm 2) Vì C 2 H 5 OH chiếm 50% số mol nên tỉ lệ mol giữa nhóm 1 : nhóm 2 là 1 : 1. Có đủ điều kiện hình thành đường chéo: (điều kiện: k phải 0;1 vì k là giá trị trung bình của 0 và 1). Áp dụng công thức: 22 0,17 0,14 0,06 . 1 0,5 1 H O CO X nn n mol k Dễ dàng suy ra: 25 0,06 50% 0,03 . C H OH n mol Phải tìm thêm yếu tố 2 0,14 7 0,06 3 CO hh n C n . Cũng chia ra 2 nhóm rồi lập sơ đồ đường chéo: Dễ dàng suy ra: 25 1 0,06 0,02 12 C H COOH n mol và 3 0,01CH CHO mol Tóm lại, trong m gam X có 25 3 25 0,03 0,01 3,3 . 0,02 C H OH mol CH CHO mol m gam C H COOH mol Đăng trên Tạp chí Hóa học và ứng dụng (Số 13/Tháng 7 – 2013)] HOAHOC.ORG © NGUYỄN THÀNH TRÍ - 4 - Nhưng trong 3,3 gam này chỉ có 0,01 mol –CHO. Đề cho khối lượng 13,2gam (tức gấp 4 lần khối lượng ban đầu) nên cũng có 0,04 mol –CHO tham gia tráng bạc. Bài toán sẽ trở nên ngắn gọn, dễ hiểu nếu ta biết sơ đồ phản ứng: 3 / 1 ó 2 0,04 0,08 . 8,64 . Ag NH Ag nh m CHO Ag mol m gam Bài 3: Đốt cháy hoàn toàn 0,1 mol triglixerit X ta thu được 250,8 gam CO 2 và 90 gam H 2 O. Mặt khác, 0,1 mol X phản ứng vừa đủ với V lít dung dịch Br 2 1M. Giá trị của V là: A. 0,3 B. 0,5 C. 0,1 D. 0,7 (Trích đề thi thử ĐH lần 4, THPT Chuyên KHTN Hà Nội năm học 2010 – 2011). Giải: Cách 1: 2 5,7 . CO n mol 2 5. HO n mol Từ công thức 22 8 1 H O CO X nn nk k Triglixerit là trieste của glixerol với các axit đơn chức (monocacboxylic) có số nguyên tử cacbon chẵn (khoảng 12C đến 24C) không phân nhánh, có CTCT như sau: R 1 COO CH 2 CH CH 2 COO R 3 COO R 2 (R 1 ,R 2 ,R 3 là các gốc hidrocacbon no hoặc không no, không phân nhánh, có thể giống nhau hoặc khác nhau). Xét CTCT ta thấy: phần định chức có 3 nối (3 nhóm -COO). Mà theo tính toán ở trên thì trong X có 8 5 nối còn lại sẽ phân bố trên các gốc R 1 ,R 2 ,R 3 . Khi cho X phản ứng với Br 2 thực chất là phản ứng giữa Br 2 và 5 nối . Nếu phân tử có 1 nối , phản ứng cộng với Br 2 sẽ theo tỉ lệ mol 1:1 (ví dụ: anken cộng Br 2 ). Như vậy, số mol Br 2 = số mol của 5 nối =5 0,1=0,5 (mol). Cách khác: Dựa theo công thức cấu tạo được vẽ ở trên: ta thấy có 6 oxi. Từ số mol CO 2 , H 2 O, và chất X, suy ra công thức phân tử: C 57 H 100 O 6 . Tính độ bất bão hòa: 2 57 (4 2) 100 (1 2) 8 2 k . Đăng trên Tạp chí Hóa học và ứng dụng (Số 13/Tháng 7 – 2013)] HOAHOC.ORG © NGUYỄN THÀNH TRÍ - 5 - Đến đây, ta cũng suy luận như trên. *Nhận xét: Thông thường các bài tập chương 1: Este – Chất béo (lớp 12) các học sinh thường gặp 2 loại bài về 2 phản ứng đặc trưng: phản ứng đốt cháy ( đối với công thức phân tử), phản ứng thủy phân (đối với công thức cấu tạo). Như vậy, đề bài ở trên sử dụng công thức cấu tạo “triglixerit” trong một bài toán đốt cháy là không tương xứng! Bài 4: Hỗn hợp X gồm axit panmitic, axit stearic và axit linoleic. Để trung hòa m gam X cần 40 ml dung dịch NaOH 1M. Mặt khác, đốt cháy hoàn toàn m gam X thì thu được 15,232 lít khí CO 2 (đktc) và 11,7 gam H 2 O. Số mol của axit linoleic trong m gam hỗn hợp X là: A. 0,010 B. 0,015 C. 0,020 D. 0,005 (Trích Đề thi TSĐH khối B năm 2010). Giải: Axit panmitic: 3 2 14 ()CH CH COOH (1 ) Axit stearic: 3 2 16 ()CH CH COOH (1 ) Axit linoleic: 3 2 4 2 2 7 ( ) ( )CH CH CH CHCH CH CH CH COOH (3 ). Trên đây là 3 axit béo đơn chức, nên khi trung hòa thì 0,04 hh NaOH n n mol . Từ công thức 22 1,75 1 H O CO X nn nk k . 3 0,04 0,015 8 axit linoleic n mol *Nhận xét: Hoàn toàn có thể giải theo cách viết phương trình phản ứng và đặt ẩn số (xin dành cho độc giả). Tuy nhiên, cách giải này sẽ mất nhiều thời gian hơn! Bài 5: Đốt 0,2 mol hỗn hợp gồm etyl axetat và metyl acrylat thu được H 2 O và CO 2 trong đó 22 0,08 CO H O nn . Nếu đun 0,2 mol hỗn hợp X trên với 400ml dung dịch KOH 0,75M và cô cạn thu được m gam chất rắn khan. Giá trị của m là: A. 26,16 B. 26,4 C. 26,64 D. 20,56 (Trích đề thi ĐH lần 4 năm 2011 Trường ĐHSP Hà Nội – Trường THPT Chuyên). Đăng trên Tạp chí Hóa học và ứng dụng (Số 13/Tháng 7 – 2013)] HOAHOC.ORG © NGUYỄN THÀNH TRÍ - 6 - Giải: Áp dụng công thức 22 1,4 1 H O CO hh nn nk k (1.1) Etyl axetat: 3 2 5 (1 )CH COOC H Metyl acrylat: 23 (2 )CH CH COOCH Từ sự khác nhau về số nối trong công thức cấu tạo, ta có sơ đồ đường chéo: Từ đây dễ dàng tìm được số mol của mỗi este trong hỗn hợp: 3 2 5 3 2 3 2 0,12 0,12 0,08 0,08 CH COOC H mol CH COOK mol CH CH COOCH mol CH CH COOK mol Đến đây ý tưởng của bài toán vẫn chưa dừng lại ở đó. Số mol KOH= 0,3 mol, trong khi số mol hỗn hợp este chỉ có 0,2 mol nên lượng KOH còn dư 0,1 mol. Do đó, chất rắn sau cùng ngoài 2 muối kali còn có thêm KOH 0,1 mol! Tóm lại: m=26,16 gam. *Nhận xét: Có thể tìm số mol mỗi chất bằng cách viết phản ứng đốt cháy rồi đặt ẩn số và giải hệ phương trình 2 ẩn. Đề bài sử dụng phương trình đại số 22 0,08 CO H O nn , khi áp dụng công thức tính độ bất bão hòa, ta phải linh hoạt biến đổi về 22 0,08 H O CO nn . Có thể nói bài toán này, không mấy khó khăn, nhưng việc vận dụng biến đổi toán học để tìm ra giá trị “-0,08” thì cũng thật hiếm thấy trong số các bài tập hóa học hiện nay! Đăng trên Tạp chí Hóa học và ứng dụng (Số 13/Tháng 7 – 2013)] HOAHOC.ORG © NGUYỄN THÀNH TRÍ - 7 - BÀI TẬP TƯƠNG TỰ Bài 1: Hỗn hợp X gồm axit panmitic, axit stearic và axit linoleic. Để trung hoàn m gam X cần 50ml dung dịch NaOH 1M. Mặt khác, nếu đốt cháy hoàn toàn m gam X thì thu được 19,04 lít CO 2 (ở đktc) và 14,76 gam H 2 O. Phần trăm số mol của axit linoleic trong m gam hỗn hợp X là: A. 31,25% B. 30% C. 62,5% D. 60%. Bài 2: Hỗn hợp X có C 2 H 5 OH, C 2 H 5 COOH, CH 3 CHO (trong đó C 2 H 5 OH chiếm 50% theo số mol). Đốt cháy m gam hỗn hợp X thu được 2,88 gam H 2 O và 2,912 lít CO 2 (đktc). Mặt khác 9,00 gam hỗn hợp X thực hiện phản ứng tráng bạc thấy có p gam Ag kết tủa. Giá trị của p là A. 12,96. B. 4,32. C. 8,64. D. 5,4. Tác giả bài viết: Nguyễn Thành Trí Sinh viên Khoa Hóa, ĐH Khoa học Tự nhiên – ĐHQG TpHCM. Email: nguyenthanhtri237@gmail.com . Đăng trên Tạp chí Hóa học và ứng dụng (Số 13/Tháng 7 – 2013)] HOAHOC.ORG © NGUYỄN THÀNH TRÍ - 1 - ỨNG DỤNG ĐỘ BẤT BÃO HÒA TRONG MỘT SỐ BÀI TOÁN ĐỐT CHÁY CÁC CHẤT HỮU CƠ Nguyễn. số mol mỗi chất bằng cách viết phản ứng đốt cháy rồi đặt ẩn số và giải hệ phương trình 2 ẩn. Đề bài sử dụng phương trình đại số 22 0,08 CO H O nn , khi áp dụng công thức tính độ bất bão hòa, . với k là độ bất bão hòa (tổng số vòng và số liên kết trong công thức cấu tạo). Xét phản ứng cháy của hợp chất này, ta có: OHknnCOOHC xknn 22222 )1( Phân tích hệ số phản ứng này,