Bài 12. Công thức phân tử hợp chất hữu cơ

a) Công thức phân tử

Định nghĩa: Biểu diễn số lượng nguyên tử của mỗi nguyên tố trong phân tử.

Ví dụ:

• Ethanol: C₂H₆O
• Glucose: C₆H₁₂O₆
• Acetic acid: C₂H₄O₂

b) Công thức đơn giản nhất

Định nghĩa: Biểu diễn tỉ lệ số nguyên tử các nguyên tố đơn giản nhất.

Ví dụ:

• Glucose: C₆H₁₂O₆ → Công thức đơn giản: CH₂O
• Acetic acid: C₂H₄O₂ → Công thức đơn giản: CH₂O
• Ethanol: C₂H₆O → Công thức đơn giản: C₂H₆O (đã tối giản)

Quan hệ:

Công thức phân tử = n × Công thức đơn giản (n = 1, 2, 3...)

c) Công thức cấu tạo

Định nghĩa: Biểu diễn cách liên kết giữa các nguyên tử.

Ví dụ:

• Ethanol: CH₃-CH₂-OH
• Acetic acid: CH₃-COOH

d) Công thức electron

Định nghĩa: Biểu diễn các cặp electron liên kết và electron tự do.

Ví dụ: H:C:H (methane)

a) Từ thành phần phần trăm khối lượng

Phương pháp:

Bước 1: Giả sử có 100 g chất

Bước 2: Tính khối lượng mỗi nguyên tố

m(X) = %X × 100 / 100 = %X (g)

Bước 3: Tính số mol mỗi nguyên tố

n(X) = m(X) / M(X)

Bước 4: Lập tỉ lệ số mol

Chia tất cả cho số mol nhỏ nhất

Bước 5: Viết công thức đơn giản

Nếu tỉ lệ chưa nguyên, nhân với số nguyên nhỏ nhất

b) Ví dụ minh họa

Ví dụ: Hợp chất hữu cơ có %C = 40%, %H = 6.67%, còn lại là O. Xác định công thức đơn giản.

Giải:

Bước 1: Giả sử có 100 g chất

m(C) = 40 g; m(H) = 6.67 g

m(O) = 100 - 40 - 6.67 = 53.33 g

Bước 2: Tính số mol

n(C) = 40 / 12 = 3.33 mol

n(H) = 6.67 / 1 = 6.67 mol

n(O) = 53.33 / 16 = 3.33 mol

Bước 3: Lập tỉ lệ (chia cho 3.33)

C : H : O = 3.33 : 6.67 : 3.33 = 1 : 2 : 1

Bước 4: Công thức đơn giản: CH₂O

c) Từ khối lượng sản phẩm cháy

Phương pháp:

Đốt cháy hoàn toàn hợp chất hữu cơ CₓHᵧOᵤ:

CₓHᵧOᵤ + O₂ → CO₂ + H₂O

Bước 1: Tính số mol CO₂ và H₂O

n(CO₂) = m(CO₂) / 44

n(H₂O) = m(H₂O) / 18

Bước 2: Tính số mol C và H

n(C) = n(CO₂)

n(H) = 2 × n(H₂O)

Bước 3: Tính số mol O (nếu có)

m(O) = m(chất) - m(C) - m(H)

n(O) = m(O) / 16

Bước 4: Lập tỉ lệ và viết công thức

a) Từ công thức đơn giản và khối lượng mol phân tử

Công thức phân tử = n × Công thức đơn giản

Trong đó: n = M(phân tử) / M(công thức đơn giản)

Ví dụ:

Công thức đơn giản: CH₂O (M = 30)

Khối lượng mol phân tử: 180 g/mol

n = 180 / 30 = 6

Công thức phân tử: C₆H₁₂O₆ (glucose)

b) Từ mật độ hơi

1. Mật độ hơi tuyệt đối (D):

M = D × 22.4 (ở đktc)

2. Mật độ hơi tương đối:

Với không khí: d(không khí) = M / 29

→ M = 29 × d(không khí)

Với H₂: d(H₂) = M / 2

→ M = 2 × d(H₂)

Với O₂: d(O₂) = M / 32

→ M = 32 × d(O₂)

c) Quy trình tổng quát

Bước 1: Xác định công thức đơn giản (từ % hoặc sản phẩm cháy)

Bước 2: Xác định khối lượng mol phân tử (từ mật độ hơi hoặc cho trước)

Bước 3: Tính n = M(phân tử) / M(công thức đơn giản)

Bước 4: Viết công thức phân tử

d) Ví dụ tổng hợp

Ví dụ: Hợp chất hữu cơ có %C = 52.17%, %H = 13.04%, còn lại là O. Mật độ hơi so với không khí là 1.59. Xác định công thức phân tử.

Giải:

Bước 1: Công thức đơn giản

Giả sử 100 g chất:

m(C) = 52.17 g → n(C) = 52.17/12 = 4.35 mol

m(H) = 13.04 g → n(H) = 13.04/1 = 13.04 mol

m(O) = 34.79 g → n(O) = 34.79/16 = 2.17 mol

Tỉ lệ: C : H : O = 4.35 : 13.04 : 2.17 = 2 : 6 : 1

Công thức đơn giản: C₂H₆O (M = 46)

Bước 2: Khối lượng mol phân tử

M = 29 × 1.59 = 46.11 ≈ 46 g/mol

Bước 3: Tính n

n = 46 / 46 = 1

Bước 4: Công thức phân tử

Công thức phân tử: C₂H₆O (ethanol)

a) Phân tích định tính

1. Phát hiện carbon và hydrogen:

• Đốt cháy chất hữu cơ
• Có CO₂ → Có C (làm đục nước vôi trong)
• Có H₂O → Có H (làm xanh giấy quỳ tím ẩm hoặc CuSO₄ khan)

2. Phát hiện nitrogen:

• Nung chất với Na hoặc CaO
• Có NH₃ thoát ra → Có N
• Nhận biết NH₃: Mùi khai, làm xanh giấy quỳ tím ẩm

3. Phát hiện halogen (Cl, Br, I):

• Nung chất với Na
• Hòa tan trong nước, thêm AgNO₃
• Có kết tủa → Có halogen

4. Phát hiện sulfur:

• Nung chất với Na
• Hòa tan, thêm Pb(NO₃)₂
• Có kết tủa đen PbS → Có S

b) Phân tích định lượng

1. Phương pháp đốt cháy:

• Đốt cháy hoàn toàn chất hữu cơ
• Hấp thụ CO₂ bằng NaOH hoặc Ca(OH)₂
• Hấp thụ H₂O bằng H₂SO₄ đặc hoặc P₂O₅
• Cân khối lượng → Tính %C, %H

2. Phương pháp Kjeldahl (xác định N):

• Phân hủy chất hữu cơ bằng H₂SO₄ đặc
• N chuyển thành (NH₄)₂SO₄
• Thêm NaOH, cất NH₃
• Chuẩn độ NH₃ → Tính %N

3. Phương pháp Carius (xác định halogen, S):

• Phân hủy chất bằng HNO₃ đặc
• Halogen → AgX (kết tủa)
• S → BaSO₄ (kết tủa)
• Cân kết tủa → Tính %

c) Ứng dụng

• Nghiên cứu: Xác định cấu trúc hợp chất mới
• Kiểm tra: Độ tinh khiết của chất
• Sản xuất: Kiểm soát chất lượng sản phẩm
• Y học: Phân tích thuốc, sinh phẩm
• Môi trường: Phân tích chất ô nhiễm