Đang tải... (xem toàn văn)
MỘT SỐ KINH NGHIỆM GIẢI BÀI TOÁN LIÊN QUAN ĐẾN PHẢN ỨNG ĐỐT CHÁY HỢP CHẤT HỮU CƠ Bài tập toán hữu cơ liên quan đến phản ứng cháy là dạng tương đối nhiều trong các đề thi tuyển sinh đại h[r]
(1)MỘT SỐ KINH NGHIỆM GIẢI BÀI TOÁN LIÊN QUAN ĐẾN PHẢN ỨNG ĐỐT CHÁY HỢP CHẤT HỮU CƠ Bài tập toán hữu liên quan đến phản ứng cháy là dạng tương đối nhiều các đề thi tuyển sinh đại học khối A và B từ giả thiết phản ứng cháy ta có thể giải nhiều vấn đề như: xác định công thức phân tử , công thức cấu tạo, công thức chung dãy đồng đẳng , tính lượng chất phản ứng, tính hiệu suất phản ứng … Vấn đề đặt ta cần trang bị cho mình kiến thức gì giải loại bài toán này ? Sau đây là số kinh nghiệm giải bài toán liên quan đến phản ứng đốt cháy hợp chất hữu cơ: Vấn đề 1: Sử dụng các công thức để tính nhanh số nguyên tử các nguyên tố phân tử hợp chất hữu cơ, dựa vào sản phẩm phản ứng cháy; từ đó xác định công thức phân tử cách dễ dàng , làm sở để tính các đại lượng khác theo yêu cầu bài Với công thức X :CxHyOzNt Ta có: x = số mol CO2/số mol X y = 2.số mol H2O /số mol X t = Số mol N2 /số mol X ( điều này dùng cho hỗn hợp các chất hữu , đó giá trị x,y,t là giá trị trung bình Có thể sử dụng giá trị trung bình để tính khối lượng thể tích hỗn hợp chất có bài ra) Với công thức HCHC có dạng CxHy, CxHyOz ,y ≤ 2x+2 (luôn chẵn ) Với công thức HCHC có dạng CxHyNt, CxHyOzNt : y,t cùng chẵn cùng lẻ Nếu bài toán hỗn hợp các chất sau đã tính giá trị trung bình số nguyên tử các nguyên tố công thức tính nhanh ta có thể vận dụng giá trị lớn , giá trị nhỏ so với giá trị trung bình để xác định chất cụ thể nào đó hỗn hợp đã cho Sau đây là số bài toán cụ thể: Ví dụ 1: x mol hỗn hợp M gồm anđehit và ankin có cùng số nguyên tử C đem đốt thu 3x mol CO2 và 1,8 x mol H2O % số mol anđehit hỗn hợp M là: A 30 B 40 C 50 D 20 (Đề khối B -2011) Số nguyên tử C trung bình = 3, andehit và ankin có cùng số C => anđehit và ankin có C Công thức ankin C3H4 Số nguyên tử H trung bình = 3,6 => số nguyên H andehit < 3,6 (vì số nguyên tử H ankin = 4; đó là giá trị lớn giá trị trung bình ) => số nguyên tử H anđehit=2 phù hợp => công thức andehit C3H2O C3H4 → H2O a 2a C3H2O → H2O b b a + b=x 2a + b =1,8x => a= 0,8 x , b = 0,2x % số mol andehit = 20% (2) Ví dụ 2: Hidro hóa hoàn toàn m gam hỗn hợp M gồm anđehit X và Y no,đơn chức , mạch hở dãy đồng đẳng( M X < MY) thu hỗn hợp ancol có khối lượng lớn khối lượng M là gam Đốt cháy hoàn toàn M thu 30,8 gam CO2 Công thức và phần trăm khối lượng X là A CH3CHO và 49,44% B HCHO và 32,44 % C HCHO và 50,56% D CH3CHO và 67,16% (Đề khối A -2009) Giải: Có thể sử dụng công thức giải nhanh và phương pháp tăng giảm khối lượng để giải bài toán này Công thức chung anđehit : RCHO , số mol CO2 = 0,7 mol Sơ đồ tỷ lệ: RCHO RCH2OH 1mol phản ứng khối lượng tăng gam x.mol phản ứng khối lượng tăng gam => x = 1/2 = 0,5 mol => số nguyên tử C trung bình = 0,7/0,5 =1,4 => hỗn hợp gồm: X là HCHO có a mol ; Y là CH3CHO có b mol a + b = 0,5 => a=0,3 % HCHO = (0,3.30 ) / (0,3.30 + 0,2.44)= 50,56% a + 2b=0,7 b=0,2 Ví dụ 3: Hỗn hợp X gồm hai axit cacboxilic đơn chức Đốt cháy hoàn toàn 0,1 mol X cần 0,24 mol O2 thu CO2 và 0,2 mol H2O Công thức axit là: A HCOOH, C2H5COOH B CH2=CHCOOH , CH2=C(CH3)COOH C CH3COOH, C2H5COOH D CH3COOH, CH2=CHCOOH ( Đề khối B -2012) Giải: Chỉ cần dùng công thức số nguyên tử H trung bình = Số mol H2O/số mol hh axit = (2.0,2): 0,1= =>loại đáp án B,C vì số nt H = và lớn Áp dụng định luật bảo toàn nguyên tố O : 0,1 + 0,24.2=2 Số mol CO2 + 0,2=> số mol CO2= 0,24> số mol H2O= 0,2 => đáp án D phù hợp có axit không no, (còn đốt hh A là hh axit no,đơn, hở số mol CO2=số mol H2O) Ví dụ 4: Đốt cháy hoàn toàn lượng hỗn hợp X gồm ancol (đêu no, đa chức , mạch hở , có cùng nhóm –OH) cần vừa đủ V lít O2 thu 11,2 lít CO2 và 12,6gam H2O (các thể tích khí đo đktc ) Giá trị V là : A 11,2 B 14,56 C 4,48 D 15,68 (Đề khối B -2010) Giải : Đặt ancol công thức chung CnH2n + Ox hay CnH2n+2-x(OH)x với ≤ x ≤ n số mol CO2 = 0,5 mol ; số mol H2O = 0,7 mol => số mol hh ancol = 0,7-0,5=0,2 mol số nguyên tử C trung bình = 0,5 /0,2=2,5 => vì ancol đa chức , nên phải có 1ancol chứa ít C => số nhóm OH =x =2(vì số nhóm OH không thể lớn số nguyên tử C phân tử) (3) CnH2n + Ox + (3n+1-x)/2 O2 n CO2 + (n+1) H2O 0,2 mol 0,2 (3n+1-x)/2 Số mol O2 = 0,2(3n+1-x)/2 = 0,2 (3.2,5+ 1-2)/2=0,65 mol =>V= 0,65.22,4=14,56 lít Ví dụ 5: Hỗn hợp X gồm ankan và anken Tỉ khối X so với H2 11,25 Đốt cháy hoàn toàn 4,48 lít X , thu 6,72 lít CO2 (các thể tích đo đktc) Công thức ankan,anken là: A CH4 và C3H6 B CH4 và C4H8 C C2H6 và C2H4 D CH4 và C2H4 Giải: ankan có CT : CnH2n+2 n≥ Anken có CT: CmH2m m≥ nx =0,2 mol , n CO2 = 0,3 mol => số nguyên tử C trung bình = 0,3/0,2=1,5 => so sánh giá trị TB với số C ankan , anken thì ankan X phải là CH4 CH4 có x mol ; CmH2m có y mol ; M = 11,25.2=22,5 x+y = 0,2 x=0,15 Ta có hệ x+my = 0,3 => y=0,15 16x+14my =22,5.0,2 my=0,05 => m= 3=> anken: C3H6 Vấn đề 2: Nếu gặp bài toán có nhiều chất cụ thể thì cần nhìn cái chung ( giống ) từ các chất cụ thể đó để viết thành hay nhiều công thức tổng quát cho số công thức tổng quát ít số công thức cụ thể bài Khi đó số ẩn ít so với số chất cụ thể bài toán phù hợp với giả thiết đã cho thì chúng ta giải bài toán Thường bài toán này số chất cụ thể có bài nhiều số giải thiết Ví dụ : 0,05 mol hh X gồm etylen, metan, propin, vinylaxetylen đem đốt cháy , sau đó cho toàn sản phẩm vào bình đựng dd Ca(OH)2 dư thấy khối lượng bình tăng m gam Giá trị m là:(biết tỷ khối X H2 17 ) A 7,3 B 6,6 C 3,39 D 5,85 ( Đề khối B năm 2011) Sự giống chất này là có nguyên tử H vì công thức chung có thể viết dạng: CnH4 , MX = 34, 12n+4 =34=> n= 2,5 CnH4 + (n+1) O2 nCO2 + 2H2O 0,05mol 0,05n 0,1 mol Độ tăng khối lượng bình đựng dd Ca(OH)2 tổng khối lượng CO2 , H2O = 44 0,05 2,5 + 18.0,1= 7.3 Ví dụ 2: 3,42 gam hh axit acrylic , vinyl axetat , metylarylat, axit oleic đem đốt cháy hoàn toàn thu hh sản phẩm cho vào dd Ca(OH)2 dư thu 18 gam kết tủa và dd X khối lượng dd X so với dd Ca(OH)2 thay đổi nào : A tăng 2,7 g B giảm 7,74 g C tăng 7,92 g D giảm 7,38 g ( Đề khối A -2011) Giải : Đối với dạng bài toán đốt hợp chất hữu cơ, cho sản phẩm cháy (CO2,H2O ) vào bình đựng dung dịch bazo kiềm Ca(OH)2, Ba(OH)2 thì cần nắm vững kiến thức như: -Độ tăng khối lượng bình đựng dung dịch bazo =Tổng khối lượng CO2 và H2O (4) - Độ tăng khối lượng dung dịch sau phản ứng so với khối lượng dung dịch bazo ban đầu = Tổng khối lượng CO2 , H2O – khối lượng kết tủa ( CaCO3 BaCO3) - Độ giảm khối lượng dung dịch sau phản ứng so với khối lượng dung dịch bazo ban đầu = khối lượng kết tủa – tổng khối lượng CO2 , H2O axit acrylic CH2=CH-COOH ;Vinyl axetat CH3COOCH=CH2 metylacrylat CH2=CH-COOCH3 ; axit oleic C17H33COOH Cả công thức này có công thức chung : CnH2n-2O2 số mol hh : a mol => (14n+ 32)a= 3,42 Sơ đồ tỷ lệ: CnH2n-2O2 nCO2 + (n-1) H2O a mol na (n-1)a Số mol CO2= na= số mol CaCO3 = 18/100=0,18 mol (14n+32).a=3,42 => a= (3,42-14.0,18)/32= 0,03 mol Khối lượng (CO2 , H2O) = 44.na + 18 (n-1)a = 44 0,18 + 18 0,18+ 18.0,03 = 10,62 gam Khối lượng kết tủa = 18 gam => độ giảm khối lượng dd = 18-10,62= 7,38 gam Vấn đề 3: Dựa vào tỷ lệ số mol CO2 và H2O, viết công thức chung đã biết không cần phải thiết lập công thức chung chất , từ đó giải bài toán ngắn gọn đỡ tốn thời gian Khi đốt cháy hợp chất hữu lượng nước và lượng khí cacbonic thu phụ thuộc lượng hydro và lượng cacbon không phụ thuộc lượng oxi hay lượng nito hợp chất Sau đây là số kiến thức hay gặp cần phải nhớ để vận dụng : a)Số mol CO2 < số mol H2O => công thức tổng quát có dạng : CnH2n+ Ox đó số mol HCHC luôn số mol H2O – số mol CO2 + Nếu x =0 : * ankan + Nếu x=1 : * ancol no, đơn chức , mạch hở + Nếu x ≥ 2: * ancol no, đa chưc , mạch hở b)Số mol CO2 = số mol H2O => công thức tổng quát có dạng : CnH2nOx + Nếu x=0: * anken * xicloankan + Nếu x=1: * anđehit no, đơn, hở * xeton no,đơn , hở * ancol không no, đơn, hở có liên kết đôi + Nếu x=2: * axit no, đơn , hở * este no, đơn hở c) Số mol CO2 > số mol H2O => công thức tổng quát có dạng CnH2n -2 Ox (đây là dạng hay gặp nhất, ngoài dạng này có thể có dạng khác CnH2n-6Ox ) Với CnH2n-2Ox thì ta luôn có : Số mol HCHC = số mol CO2 – số mol H2O + Nếu x=0: * ankadien * ankin + Nếu x=1: * andehit không no đơn chức có liên kết đôi C=C * xeton không no đơn chức có liên kết đôi C=C *ancol không no, đơn chức , có liên kết π (5) + Nếu x=2: * axit không no, đơn chức, mạch hở có liên kết đôi C=C * Este không no, đơn chức, mạch hở có liên kết đôi C=C Ví dụ : CH2=CH-COOH, HCOOCH=CH2 , CH2=CH-COOCH3 … thỏa mãn công thức CnH2n-2O2 + Nếu x = 4: * axit no, chức , mạch hở * este no, chức ,mạch hở Ví dụ : HOOC-COOH, HOOC-CH2-CH2-CH2-CH2-COOH , CH3OOC-COOCH3 … thỏa mãn công thức CnH2n-2O4 Sau đây là số bài toán cụ thể: Ví dụ 1: Đốt x gam hỗn hợp axit cacboxilic chức , mạch hở có liên kết đôi C=C phân tử thu V lít CO2 (đktc) và y mol H2O Biểu thức liên hệ x,y,V a V=28/55(x-30y) b V= 28/95(x-62y) c V =28/55 (x + 30y) d V = 28/95(x + 62y) ( Đề khối A -2011) Giải : Ta đã có công thức chung axit no, chức , mạch hở CnH2n-2O4 => công thức chung axit chức mạch hở không no có liên kết đôi C=C là CnH2n-4O4 Số mol hỗn hợp axit là a mol => số mol CO2= na= V/22,4 Số mol H2O = y= na-2a => a = na/2- y/2=V/44,8-y/2 (14n + 60)a =x => 14na + 60a = x => 14.V/22,4 + 60( V/44,8- y/2) =x => V = 28/55.(x+ 30) Ví dụ 2: Đốt cháy hoàn toàn 0,11 gam este X ( tạo nên từ axit cacboxylic đơn chức và ancol đơn chức) thu 0,22 gam CO và 0,09 gam H2O Số este đồng phân X là: A B C D.4 ( Đề khối A -2011) Số mol CO2 = 0,22/44=0,05 mol , số mol H2O = 0,09/18=0,05 mol => X là este no, đơn chức , mạch hở , công thức có dạng: CnH2nO2 với n≥ Sơ đồ phản ứng CnH2nO2 n CO2 (14n +32)g n mol 0,11g 0,05 mol => n= => CTPT C4H8O2 Số đồng phân este: HCOOCH2CH2CH3 HCOOCH(CH3)2 CH3COOCH2CH3 CH3CH2COOCH Vấn đề 4: Sử dụng các phương pháp giải nhanh : phương pháp bảo toàn khối lượng , phương pháp bảo toàn nguyên tố, phương pháp tăng giảm khối lượng, phương pháp ghép ẩn … ,để giải bài toán nhanh Thường giải bài toán cần kết hợp nhiều phương pháp (6) Sau đây là số bài toán cụ thể: Ví dụ : Một hỗn hợp X gồm CH3OH, CH2=CH-CH2OH, C2H5OH, C3H5(OH)3 Cho 25,4 gam hỗn hợp X tác dụng với Na dư thu 5,6 lít khí H2 (đktc) Mặt khác đem đốt cháy hoàn toàn 25,4 gam X thu b mol CO2 và 27 gam H2O Giá trị b là: A 1,2 mol B 1,25 mol C 1,4 mol D mol Giải: Giải bài này sử dụng phương pháp bảo toàn nguyên tố số mol H2= 5,6/22,4=0,25 => số nhóm (OH)= số mol H2=2 0,25= 0,5 mol Số mol nguyên tử O= số nhóm OH = 0,5 mol => khối lượng nguyên tố O 25,4 gam X=0,5.16= gam Số mol H =2 số mol H2O = 2.27/18=3 mol => khối lượng nguyên tố H 25,4 gam X= 3g Khối lượng hỗn hợp X = m (C) + m (H) + m (O) => m(O) = 25,4 – 3- =14,4 gam Số mol CO2 = số mol C = 14,4/12= 1,2 mol Ví dụ 2: Hidro hóa hoàn toàn m gam hh X gồm anđehit no,đơn chức , mạch hở dãy đồng đẳng thu (m+1) gam hh ancol Mặt khác đốt cháy hoàn toàn m gam hh X thì cần vừa đủ 17,92 lít O2 (đktc) Giá trị m là : A 17,8 gam B 24,8 gam C 10,5 gam D 8,8 gam (Đề khối B -2009) Sử dụng phương pháp tăng giảm khối lượng và sử dụng giá trị trung bình để giải bài tập này Công thức chung hỗn hợp anđehit no, dơn chức , mạch hở : CnH2nO (n≥1) Số mol O2 = 0,8 mol Sơ đồ phản ứng: CnH2nO CnH2n+2O 1mol phản ứng thì khối lượng tăng thêm gam xmol phản ứng thì khối lượng tăng thêm m +1 –m = 1g x = 1/2=0,5 mol CnH2nO + (3n-1)/2 O2 nCO2 + nH2O 0,5 mol (3n-1)/2 0,5 => (3n-1)/2 0,5 = 0,8 => n= 1,4 Khối lượng X= (14n + 16) 0,5 = (14.1,4 + 16) 0,5= 17,6 gam Ví dụ Cho hỗn hợp X gồm ancol metylic, etylen glicol, glixerol Đốt cháy hoàn toàn m gam X thu 6,72 lít khí CO2 (đktc) Cũng m gam X trên cho tác dụng với Na dư thu tối đa V lít khí H2 Giá trị V là: A 3,36 B 11,2 C 5,6 D 6,72 ( Đề khối B -2012) Giải: Đối với bài này ta không thể lập hệ để tính số mol chất sau đó tính số mol H2 chất phản ứng tạo ra, cộng lại vì có ẩn số có giả (7) thiết là số mol CO2 Chính vì giải dạng toán này ( ẩn số nhiều giả thiết ) phải nghĩ đến phương pháp ghép ần mối liên hệ đại lượng cần tìm và giả thiết đã cho) Tính thể tích H2 thì liên quan đến số nhóm OH an col Số nhóm OH lại liên quan đến số nguyên tử C công thức và cuối cùng lại có mối liên quan đến số mol CO2 đã cho bài Đốt a mol CH3OH thu a mol CO2 Đốt b mol C2H4 (OH)2 thu 2b mol CO2 Đốt c mol C3H5 (OH)3 thu 3c mol CO2 Tổng số mol CO2 thu = a + 2b + 3c = 0,3 mol CH3OH có a mol => số mol (OH ) = a C2H4(OH)2 có b mol => số mol (OH) =2b C3H5(OH)3 có c mol => số mol (OH) =3c => Tổng số mol (OH) = a+2b +3c = số mol CO2 = 0,3 mol Sơ đồ - OH 1/2 H2 0,3 mol 0,15mol V H2 = 0,15 22,4 = 3,36 lít Ví dụ Hỗn hợp X gồm axit fomic, axit acrylic, axit oxalic, axit axetic.Cho m gam X phản ứng hết với dung dịch NaHCO3 thu 1,344 lít CO2(đktc) Đốt cháy hoàn toàn m gam X cần 2,016 lít O2 (đktc) , thu 4,84 gam CO2 và a gam H2O Giá trị a là: A 1,44 B 1,62 C 3,6 D 1,8 ( Đề khối A -2012) Giải: Sử dụng phương pháp bảo toàn nguyên tố và phương pháp ghép ẩn Số mol HCOOH : x mol ; số mol C2H3COOH : y mol ; số mol CH3COOH: z mol Số mol HOOC-COOH : t mol + Axit đơn chức tác dụng với NaHCO3 thu số mol CO2 = số mol axit phản ứng Axit chức tác dụng với NaHCO3 thu số mol CO2 =2 số mol axit phản ứng => Tổng số mol CO2 = x+ y+z+ 2t = 1,344/22,4=0,06 + Tổng số mol nguyên tử O các axit (theo số mol x, y z,t )= 2x + 2y+2z + 4t = 2.0,06=0,12 mol + Bảo toàn nguyên tố O phản ứng cháy hỗn hợp các axit : Số mol nguyên tử O/ hh axit + số mol O phản ứng = số mol O/CO2 + số mol O/H2O 0,12 + 2,016.2/22,4 = 4,84.2/44 + a/18=> a = 1,44 gam Tóm lại: Để giải các bài toán hữu liên quan đến phản ứng cháy chúng ta cần : 1) Nhớ các công thức tính nhanh để sử dụng chúng cần (8) 2) Nhớ công thức chung các dãy đồng đẳng Ví dụ nhớ công thức chung dãy đồng đẳng => tỷ lệ số mol CO2 : H2O Ngược lại từ tỷ lệ số mol CO2:H2O => công thức chung dãy đồng đẳng Các bài toán hỗn hợp tính các đại lượng chung nên sử dụng giá trị trung bình 3) Nhớ sử dụng các phương pháp giải nhanh : bảo toàn electron , bảo toàn khối lượng , bảo toàn nguyên tố , tăng giảm khối lượng , ghép ẩn , sơ đồ đường chéo … 4) Một bài toán có thể giải cách kết hợp nhiều phương pháp giải nhanh Trên đây là số kinh nghiệm nhỏ thân giải bài toán đốt cháy Có thể còn sai sót ngoài ý muốn mong trao đổi đồng nghiệp và các em học sinh Người viết Trần Thị Xuân (9)