Bài 23. Hợp chất carbonyl
Tìm hiểu về cấu tạo, tính chất vật lý, hóa học và ứng dụng của aldehyde và ketone.
Lý thuyết Hợp chất carbonyl
1. Định nghĩa và phân loại
a) Nhóm carbonyl
Nhóm carbonyl: C=O
Liên kết đôi giữa carbon và oxygen
Có trong aldehyde, ketone, acid, ester
b) Aldehyde (Andehit)
Định nghĩa: Hợp chất có nhóm -CHO
Công thức chung: R-CHO hoặc CₙH₂ₙ₊₁CHO
Ví dụ:
- HCHO: Formaldehyde (methanal)
- CH₃CHO: Acetaldehyde (ethanal)
- C₂H₅CHO: Propionaldehyde (propanal)
Danh pháp:
- Tên thông thường: Tên gốc + aldehyde
- Tên IUPAC: Tên alkane + al
c) Ketone (Xeton)
Định nghĩa: Hợp chất có nhóm >C=O giữa mạch
Công thức chung: R-CO-R' hoặc CₙH₂ₙO
Ví dụ:
- CH₃-CO-CH₃: Acetone (propanone)
- CH₃-CO-C₂H₅: Methyl ethyl ketone (butanone)
- C₂H₅-CO-C₂H₅: Diethyl ketone (pentanone)
Danh pháp:
- Tên thông thường: Tên gốc + ketone
- Tên IUPAC: Tên alkane + one
d) So sánh aldehyde và ketone
| Đặc điểm | Aldehyde | Ketone |
|---|---|---|
| Nhóm chức | -CHO (đầu mạch) | >C=O (giữa mạch) |
| Công thức | R-CHO | R-CO-R' |
| Ví dụ | CH₃CHO | CH₃-CO-CH₃ |
| Tính khử | Mạnh | Yếu/Không |
| Bị oxi hóa | Dễ → Acid | Khó |
2. Tính chất vật lý
a) Trạng thái và nhiệt độ sôi
| Chất | Công thức | M (g/mol) | t°s (°C) |
|---|---|---|---|
| Formaldehyde | HCHO | 30 | -21 |
| Acetaldehyde | CH₃CHO | 44 | 21 |
| Acetone | CH₃COCH₃ | 58 | 56 |
| Ethanol (so sánh) | C₂H₅OH | 46 | 78 |
Nhận xét:
- Aldehyde, ketone có t°s thấp hơn alcohol cùng M
- Không có liên kết H giữa các phân tử
- Có lưỡng cực C=O → t°s cao hơn hydrocarbon
b) Độ tan
Trong nước:
- HCHO, CH₃CHO: Tan tốt (tạo liên kết H với H₂O)
- Acetone: Tan vô hạn
- Aldehyde, ketone nặng: Tan ít
Trong dung môi hữu cơ: Tan tốt
c) Mùi và tính chất khác
Formaldehyde (HCHO):
- Khí không màu, mùi hắc
- Kích thích niêm mạc
- Dung dịch 37-40%: Formalin
Acetaldehyde (CH₃CHO):
- Chất lỏng, mùi đặc trưng
- Dễ bay hơi
Acetone (CH₃COCH₃):
- Chất lỏng không màu
- Mùi dễ chịu
- Dung môi tốt
3. Tính chất hóa học
a) Phản ứng cộng hydrogen (khử)
R-CHO + H₂ → R-CH₂OH (Ni, t°)
Aldehyde → Alcohol bậc 1
R-CO-R' + H₂ → R-CH(OH)-R' (Ni, t°)
Ketone → Alcohol bậc 2
Ví dụ:
CH₃CHO + H₂ → C₂H₅OH (Ni, t°)
CH₃COCH₃ + H₂ → CH₃-CH(OH)-CH₃ (Ni, t°)
b) Phản ứng oxi hóa
1. Oxi hóa hoàn toàn (cháy):
CₙH₂ₙO + (3n/2)O₂ → nCO₂ + nH₂O
2. Oxi hóa không hoàn toàn (aldehyde):
R-CHO + [O] → R-COOH
Aldehyde → Acid carboxylic
Ví dụ:
CH₃CHO + [O] → CH₃COOH
Lưu ý: Ketone khó bị oxi hóa
c) Phản ứng với thuốc thử Tollens (tráng gương)
R-CHO + 2AgNO₃ + 3NH₃ + H₂O → R-COONH₄ + 2Ag↓ + 2NH₄NO₃
Hiện tượng: Xuất hiện lớp bạc sáng bám thành ống nghiệm
Điều kiện:
- Ống nghiệm sạch
- Đun nhẹ trong nước nóng
- Chỉ aldehyde phản ứng, ketone không
Ứng dụng: Nhận biết aldehyde
d) Phản ứng với thuốc thử Fehling
R-CHO + 2Cu(OH)₂ → R-COOH + Cu₂O↓ (đỏ gạch) + H₂O (t°)
Hiện tượng: Xuất hiện kết tủa đỏ gạch Cu₂O
Điều kiện:
- Đun nóng
- Môi trường kiềm
- Chỉ aldehyde phản ứng
Ứng dụng: Nhận biết aldehyde, phân biệt aldehyde và ketone
e) Phản ứng trùng hợp (formaldehyde)
nHCHO → (-CH₂-O-)ₙ
Tạo polyoxymethylene (POM)
Ứng dụng: Sản xuất nhựa, chất dẻo
4. Điều chế và ứng dụng
a) Điều chế aldehyde
1. Oxi hóa alcohol bậc 1:
R-CH₂OH + CuO → R-CHO + Cu + H₂O (t°)
Ví dụ:
C₂H₅OH + CuO → CH₃CHO + Cu + H₂O
2. Oxi hóa alkene (công nghiệp):
2CH₂=CH₂ + O₂ → 2CH₃CHO (xúc tác PdCl₂, CuCl₂)
b) Điều chế ketone
1. Oxi hóa alcohol bậc 2:
R-CH(OH)-R' + CuO → R-CO-R' + Cu + H₂O (t°)
Ví dụ:
CH₃-CH(OH)-CH₃ + CuO → CH₃-CO-CH₃ + Cu + H₂O
2. Nhiệt phân muối calcium của acid:
(CH₃COO)₂Ca → CH₃-CO-CH₃ + CaCO₃ (t°)
c) Ứng dụng formaldehyde
1. Sản xuất nhựa:
- Nhựa phenol-formaldehyde (bakelite)
- Nhựa urea-formaldehyde
- Keo dán gỗ
2. Chất bảo quản:
- Formalin (37-40% HCHO)
- Bảo quản mẫu sinh học
- Sát trùng
3. Công nghiệp:
- Sản xuất thuốc nhuộm
- Chất dẻo
- Dược phẩm
d) Ứng dụng acetaldehyde
- Sản xuất acetic acid
- Sản xuất ethyl acetate
- Sản xuất butanol
- Nguyên liệu hóa học
e) Ứng dụng acetone
1. Dung môi:
- Tẩy sơn móng tay
- Hòa tan nhựa, sơn
- Chiết xuất
2. Công nghiệp:
- Sản xuất methyl methacrylate
- Sản xuất bisphenol A
- Dược phẩm
f) Tác hại và an toàn
Formaldehyde:
- Độc, gây ung thư
- Kích thích mắt, mũi, họng
- Gây dị ứng da
Acetaldehyde:
- Dễ cháy
- Kích thích niêm mạc
- Gây say (từ rượu)
Acetone:
- Dễ cháy
- Hơi gây buồn ngủ
- Tương đối an toàn
Biện pháp:
- Làm việc trong tủ hút
- Tránh xa lửa
- Đeo găng tay, kính
- Bảo quản nơi thoáng mát
Các dạng bài tập
Dạng 1: Dạng 1: Phản ứng tráng gương và Fehling
Phương pháp giải:
Phương pháp:
- Viết PTHH tráng gương
- Tính mol Ag theo aldehyde
- Tính khối lượng Ag
Ví dụ:
Tính số mol CH₃CHO:
M(CH₃CHO) = 44 g/mol
n(CH₃CHO) = 2.2 / 44 = 0.05 mol
a) Phản ứng tráng gương:
CH₃CHO + 2AgNO₃ + 3NH₃ + H₂O → CH₃COONH₄ + 2Ag↓ + 2NH₄NO₃
Bước 1: Tính số mol Ag
Theo PTHH: n(Ag) = 2 × n(CH₃CHO) = 2 × 0.05 = 0.1 mol
Bước 2: Tính khối lượng Ag
m(Ag) = 0.1 × 108 = 10.8g
Hiện tượng: Lớp bạc sáng bám thành ống nghiệm
b) Phản ứng với Fehling:
CH₃CHO + 2Cu(OH)₂ → CH₃COOH + Cu₂O↓ + H₂O (t°)
Bước 1: Tính số mol Cu₂O
Theo PTHH: n(Cu₂O) = n(CH₃CHO) = 0.05 mol
Bước 2: Tính khối lượng Cu₂O
M(Cu₂O) = 2×64 + 16 = 144 g/mol
m(Cu₂O) = 0.05 × 144 = 7.2g
Hiện tượng: Kết tủa đỏ gạch
c) So sánh hai phản ứng:
| Đặc điểm | Tráng gương | Fehling |
|---|---|---|
| Thuốc thử | AgNO₃/NH₃ | Cu(OH)₂/kiềm |
| Sản phẩm | Ag (bạc) | Cu₂O (đỏ gạch) |
| Hiện tượng | Lớp bạc sáng | Kết tủa đỏ |
| Nhiệt độ | Đun nhẹ | Đun sôi |
| Tỉ lệ mol | 1 RCHO : 2 Ag | 1 RCHO : 1 Cu₂O |
| Ứng dụng | Nhận biết, tráng gương | Nhận biết, phân tích |
Lưu ý quan trọng:
- Cả hai phản ứng chỉ xảy ra với aldehyde
- Ketone không phản ứng
- HCHO cho 4Ag (đặc biệt): HCHO + 4AgNO₃ + 6NH₃ + 2H₂O → (NH₄)₂CO₃ + 4Ag + 4NH₄NO₃
Đáp án: a) 10.8g Ag; b) 7.2g Cu₂O
Dạng 2: Dạng 2: Bài toán đốt cháy aldehyde, ketone
Phương pháp giải:
Phương pháp:
- PTHH: CₙH₂ₙO + (3n/2)O₂ → nCO₂ + nH₂O
- Đặc điểm: n(CO₂) = n(H₂O)
- Tính toán theo mol
Ví dụ:
a) Tính V(CO₂) và m(H₂O):
Đặc điểm aldehyde, ketone:
Công thức chung: CₙH₂ₙO
→ n(CO₂) = n(H₂O) (đặc điểm quan trọng)
Bước 1: Áp dụng bảo toàn khối lượng
m(X) + m(O₂) = m(CO₂) + m(H₂O)
Gọi n(CO₂) = n(H₂O) = x mol
5.8 + m(O₂) = 44x + 18x = 62x
Bước 2: Áp dụng bảo toàn oxygen
Trong X có: n(O) = m(X) / M trung bình
Giả sử X có n mol, công thức CₙH₂ₙO
→ n(O trong X) = n(X)
Bảo toàn O: 2n(O₂) + n(O trong X) = 2n(CO₂) + n(H₂O)
2n(O₂) + n(X) = 2x + x = 3x
Bước 3: Tính từ bảo toàn C
Gọi số C trung bình là n̄
CH₃CHO: C₂H₄O (n=2)
CH₃COCH₃: C₃H₆O (n=3)
M(CH₃CHO) = 44, M(CH₃COCH₃) = 58
Giả sử có a mol CH₃CHO, b mol CH₃COCH₃
44a + 58b = 5.8 ... (1)
n(CO₂) = 2a + 3b = x ... (2)
n(H₂O) = 2a + 3b = x ... (3)
Phương pháp nhanh:
Với CₙH₂ₙO: M = 14n + 16
n(chất) = m/M = 5.8/(14n̄ + 16)
n(CO₂) = n̄ × n(chất) = n̄ × 5.8/(14n̄ + 16)
Thử n̄ = 2.5 (trung bình giữa 2 và 3):
M̄ = 14×2.5 + 16 = 51
n(X) = 5.8/51 ≈ 0.114 mol
n(CO₂) = 2.5 × 0.114 = 0.285 mol
V(CO₂) = 0.285 × 22.4 = 6.384 lít
m(H₂O) = 0.285 × 18 = 5.13g
b) Chứng minh n(CO₂) = n(H₂O):
Phương trình cháy tổng quát:
CₙH₂ₙO + (3n/2)O₂ → nCO₂ + nH₂O
Từ PTHH: n(CO₂) = n(H₂O) = n × n(CₙH₂ₙO)
Chứng minh bằng bảo toàn nguyên tố:
- Bảo toàn C: n(C trong X) = n(CO₂)
- Bảo toàn H: n(H trong X) = 2n(H₂O)
- Với CₙH₂ₙO: n(C) = n, n(H) = 2n
- → n(CO₂) = n(H₂O)
c) Tính % khối lượng:
Giả sử: a mol CH₃CHO, b mol CH₃COCH₃
44a + 58b = 5.8
2a + 3b = 0.285
Giải hệ: a = 0.05 mol, b = 0.0617 mol
%m(CH₃CHO) = (0.05×44)/5.8 × 100% = 37.9%
%m(CH₃COCH₃) = 62.1%
Đáp án: a) 6.384 lít CO₂, 5.13g H₂O; b) Đã chứng minh; c) 37.9% và 62.1%
Dạng 3: Dạng 3: Phân biệt aldehyde và ketone
Phương pháp giải:
Phương pháp:
- Dùng AgNO₃/NH₃ (tráng gương)
- Dùng Cu(OH)₂/kiềm (Fehling)
- Aldehyde phản ứng, ketone không
Ví dụ:
Thuốc thử: Dung dịch AgNO₃/NH₃ (Tollens)
Bước 1: Cho từng chất tác dụng với AgNO₃/NH₃, đun nhẹ
Lọ 1 - Acetaldehyde (CH₃CHO):
CH₃CHO + 2[Ag(NH₃)₂]OH → CH₃COONH₄ + 2Ag↓ + 3NH₃ + H₂O
Hiện tượng:
- Xuất hiện lớp bạc sáng bám thành ống nghiệm
- Phản ứng tráng gương
- Dung dịch trong suốt ban đầu
Giải thích: Aldehyde có tính khử mạnh, khử Ag⁺ thành Ag
Lọ 2 - Acetone (CH₃COCH₃):
CH₃COCH₃ + AgNO₃/NH₃ → Không phản ứng
Hiện tượng: Không có hiện tượng gì
Giải thích: Ketone không có tính khử (hoặc rất yếu), không khử được Ag⁺
Lọ 3 - Ethanol (C₂H₅OH):
C₂H₅OH + AgNO₃/NH₃ → Không phản ứng
Hiện tượng: Không có hiện tượng gì
Giải thích: Alcohol không có tính khử
Kết luận:
- Lọ có lớp bạc: Acetaldehyde
- Hai lọ không phản ứng: Acetone và Ethanol
Bước 2: Phân biệt acetone và ethanol
Thuốc thử bổ sung: Na
Ethanol:
2C₂H₅OH + 2Na → 2C₂H₅ONa + H₂↑
Hiện tượng: Sủi bọt khí H₂
Acetone:
CH₃COCH₃ + Na → Không phản ứng
Hiện tượng: Không có hiện tượng
Phương pháp khác (dùng Cu(OH)₂/kiềm):
Acetaldehyde:
CH₃CHO + 2Cu(OH)₂ → CH₃COOH + Cu₂O↓ (đỏ gạch) + H₂O
Hiện tượng: Kết tủa đỏ gạch
Acetone và Ethanol: Không phản ứng
Bảng tổng hợp:
| Chất | AgNO₃/NH₃ | Cu(OH)₂/kiềm | Na |
|---|---|---|---|
| Acetaldehyde | Tráng bạc | Kết tủa đỏ | Không |
| Acetone | Không | Không | Không |
| Ethanol | Không | Không | Sủi bọt H₂ |
Kết luận cuối cùng:
- Chỉ cần AgNO₃/NH₃ để nhận biết acetaldehyde
- Cần thêm Na để phân biệt acetone và ethanol