Bài học

Tính chất vật lí và tính acid của carboxylic acid

Mục tiêu bài học

Sau bài này, em giải thích được nhiệt độ sôi cao bất thường của carboxylic acid bằng liên kết hydrogen dimer, và viết được phương trình carboxylic acid tác dụng kim loại, base, oxide base, muối carbonate.

Kiến thức nền cần nhớ

Course 1 (Cân bằng hoá học) đã học phản ứng thuận nghịch $\rightleftharpoons$ ; Course 2 đã học acid theo thuyết Brønsted–Lowry là chất cho proton. Bài này áp dụng cả hai: carboxylic acid là acid yếu, phân li thuận nghịch trong nước.

Course 1 (Cân bằng hoá học) đã học phản ứng thuận nghịch $\rightleftharpoons$; Course 2 đã học acid theo thuyết Brønsted–Lowry là chất cho proton. Bài này áp dụng cả hai: carboxylic acid là acid yếu, phân li thuận nghịch trong nước.

Khởi động

Giấm ăn (chứa acid acetic) làm sủi bọt khi nhỏ lên vỏ trứng hoặc đá vôi, còn ethanol thì không có hiện tượng này dù cả hai đều là chất lỏng "có vị". Điều gì trong cấu tạo $-COOH$ tạo nên khác biệt đó?

Kiến thức trọng tâm

Tính chất vật lí: hai phân tử carboxylic acid có thể liên kết hydrogen với nhau ở CẢ HAI đầu nhóm $-COOH$ cùng lúc, tạo thành cặp phân tử gọi là dimer (dạng vòng khép kín), bền hơn hẳn liên kết hydrogen đơn lẻ giữa hai phân tử alcohol. Vì vậy nhiệt độ sôi của carboxylic acid CAO HƠN alcohol có phân tử khối tương đương, và cao hơn nhiều so với aldehyde cùng số carbon. Các acid mạch carbon ngắn (formic, acetic, propionic) tan vô hạn trong nước; độ tan giảm dần khi mạch dài thêm.

Tính acid: carboxylic acid phân li thuận nghịch trong nước, thể hiện đầy đủ tính chất một acid yếu — yếu hơn các acid vô cơ mạnh như $HCl$ , $H_2SO_4$ , nhưng mạnh hơn acid carbonic $H_2CO_3$ : $RCOOH \rightleftharpoons RCOO^- + H^+$ Bốn phản ứng đặc trưng của tính acid: (1) Tác dụng kim loại đứng trước hydrogen, giải phóng khí $H_2$ : $2CH_3COOH + Mg \to (CH_3COO)_2Mg + H_2\uparrow$ (2) Tác dụng base, tạo muối và nước: $CH_3COOH + NaOH \to CH_3COONa + H_2O$ (3) Tác dụng oxide base, tạo muối và nước: $2CH_3COOH + CaO \to (CH_3COO)_2Ca + H_2O$ (4) Tác dụng muối carbonate/hydrogencarbonate, giải phóng khí $CO_2$ — phản ứng đặc trưng nhất, dùng để phân biệt carboxylic acid với alcohol và phenol (cả hai đều KHÔNG phản ứng theo cách này, vì tính acid của chúng quá yếu, không đủ đẩy được acid carbonic ra khỏi muối): $2CH_3COOH + Na_2CO_3 \to 2CH_3COONa + H_2O + CO_2\uparrow$

**Tính chất vật lí**: hai phân tử carboxylic acid có thể liên kết hydrogen với nhau ở CẢ HAI đầu nhóm $-COOH$ cùng lúc, tạo thành cặp phân tử gọi là dimer (dạng vòng khép kín), bền hơn hẳn liên kết hydrogen đơn lẻ giữa hai phân tử alcohol. Vì vậy nhiệt độ sôi của carboxylic acid CAO HƠN alcohol có phân tử khối tương đương, và cao hơn nhiều so với aldehyde cùng số carbon. Các acid mạch carbon ngắn (formic, acetic, propionic) tan vô hạn trong nước; độ tan giảm dần khi mạch dài thêm. **Tính acid**: carboxylic acid phân li thuận nghịch trong nước, thể hiện đầy đủ tính chất một acid yếu — yếu hơn các acid vô cơ mạnh như $HCl$, $H_2SO_4$, nhưng mạnh hơn acid carbonic $H_2CO_3$: $RCOOH \rightleftharpoons RCOO^- + H^+$ Bốn phản ứng đặc trưng của tính acid: (1) Tác dụng kim loại đứng trước hydrogen, giải phóng khí $H_2$: $2CH_3COOH + Mg \to (CH_3COO)_2Mg + H_2\uparrow$ (2) Tác dụng base, tạo muối và nước: $CH_3COOH + NaOH \to CH_3COONa + H_2O$ (3) Tác dụng oxide base, tạo muối và nước: $2CH_3COOH + CaO \to (CH_3COO)_2Ca + H_2O$ (4) Tác dụng muối carbonate/hydrogencarbonate, giải phóng khí $CO_2$ — phản ứng đặc trưng nhất, dùng để phân biệt carboxylic acid với alcohol và phenol (cả hai đều KHÔNG phản ứng theo cách này, vì tính acid của chúng quá yếu, không đủ đẩy được acid carbonic ra khỏi muối): $2CH_3COOH + Na_2CO_3 \to 2CH_3COONa + H_2O + CO_2\uparrow$

Cường độ acid giữa các carboxylic acid với nhau cũng khác nhau tuỳ cấu tạo gốc R, nhưng ở mức foundation, em chỉ cần nắm nguyên tắc so sánh carboxylic acid với các nhóm chất khác (alcohol, phenol, acid vô cơ) chứ chưa cần so sánh chi tiết giữa các carboxylic acid với nhau — nội dung đó thuộc phạm vi nâng cao hơn, liên quan đến hiệu ứng cảm ứng của gốc R.

Bốn phản ứng nêu trên không phải bốn hiện tượng rời rạc — chúng đều là hệ quả trực tiếp của cùng một cân bằng phân li $RCOOH \rightleftharpoons RCOO^- + H^+$: mỗi phản ứng chỉ khác nhau ở "đối tác" nhận ion $H^+$ (kim loại nhường electron tạo $H_2$; base nhận $H^+$ trực tiếp; oxide base phản ứng qua ion oxide; carbonate nhận $H^+$ rồi phân huỷ thành $CO_2$ và nước). Nhìn theo góc độ này, em không cần nhớ máy móc bốn phương trình riêng biệt, mà chỉ cần nhớ MỘT nguyên tắc: carboxylic acid nhường $H^+$ cho bất kỳ chất nào có khả năng nhận proton mạnh hơn ion $RCOO^-$, đúng theo thuyết Brønsted–Lowry đã học ở Course 2. Cường độ acid giữa các carboxylic acid với nhau cũng khác nhau tuỳ cấu tạo gốc R, nhưng ở mức foundation, em chỉ cần nắm nguyên tắc so sánh carboxylic acid với các nhóm chất khác (alcohol, phenol, acid vô cơ) chứ chưa cần so sánh chi tiết giữa các carboxylic acid với nhau — nội dung đó thuộc phạm vi nâng cao hơn, liên quan đến hiệu ứng cảm ứng của gốc R.

Liên kết hydrogen dimer của carboxylic acid bền hơn liên kết hydrogen đơn của alcohol, nên nhiệt độ sôi của acid cao nhất trong ba nhóm chất.

Ví dụ

Viết phương trình phản ứng thể hiện tính acid

1
Viết phương trình phản ứng của acid acetic lần lượt với: $Zn$ , $KOH$ , $Na_2CO_3$ .
Viết phương trình phản ứng của acid acetic lần lượt với: $Zn$, $KOH$, $Na_2CO_3$.
2
$2CH_3COOH + Zn \to (CH_3COO)_2Zn + H_2\uparrow$ .
$2CH_3COOH + Zn \to (CH_3COO)_2Zn + H_2\uparrow$.
3
$CH_3COOH + KOH \to CH_3COOK + H_2O$ .
$CH_3COOH + KOH \to CH_3COOK + H_2O$.
4
$2CH_3COOH + Na_2CO_3 \to 2CH_3COONa + H_2O + CO_2\uparrow$ .
$2CH_3COOH + Na_2CO_3 \to 2CH_3COONa + H_2O + CO_2\uparrow$.
5
Cả ba phản ứng đều thể hiện đúng tính chất một acid: tác dụng kim loại giải phóng $H_2$ , tác dụng base và tác dụng muối carbonate tạo khí $CO_2$ . Ba phản ứng này đều là ví dụ cụ thể của cùng một cân bằng phân li acid đã nêu ở trên, chỉ khác chất nhận proton.
Cả ba phản ứng đều thể hiện đúng tính chất một acid: tác dụng kim loại giải phóng $H_2$, tác dụng base và tác dụng muối carbonate tạo khí $CO_2$. Ba phản ứng này đều là ví dụ cụ thể của cùng một cân bằng phân li acid đã nêu ở trên, chỉ khác chất nhận proton.

Ví dụ

Xác định thành phần hỗn hợp acid và alcohol qua khí CO2

1
Cho 15 gam hỗn hợp gồm acid acetic và ethanol tác dụng với $Na_2CO_3$ dư, thu được 2,479 lít khí (đkc: 25°C, 1 bar, $V_m=24{,}79$ lít/mol). Tính phần trăm khối lượng mỗi chất trong hỗn hợp.
Cho 15 gam hỗn hợp gồm acid acetic và ethanol tác dụng với $Na_2CO_3$ dư, thu được 2,479 lít khí (đkc: 25°C, 1 bar, $V_m=24{,}79$ lít/mol). Tính phần trăm khối lượng mỗi chất trong hỗn hợp.
2
Chỉ acid acetic phản ứng với $Na_2CO_3$ sinh khí $CO_2$ ; ethanol không phản ứng, vì tính acid của alcohol quá yếu, đã nêu ở Course 8.
Chỉ acid acetic phản ứng với $Na_2CO_3$ sinh khí $CO_2$; ethanol không phản ứng, vì tính acid của alcohol quá yếu, đã nêu ở Course 8.
3
$n(CO_2)=\dfrac{2{,}479}{24{,}79}=0{,}1$ mol.
$n(CO_2)=\dfrac{2{,}479}{24{,}79}=0{,}1$ mol.
4
Theo phương trình $2CH_3COOH + Na_2CO_3 \to 2CH_3COONa + H_2O + CO_2\uparrow$ , suy ra $n(CH_3COOH)=2\times n(CO_2)=0{,}2$ mol. (1)
Theo phương trình $2CH_3COOH + Na_2CO_3 \to 2CH_3COONa + H_2O + CO_2\uparrow$, suy ra $n(CH_3COOH)=2\times n(CO_2)=0{,}2$ mol. (1)
5
Từ (1): $m(CH_3COOH)=0{,}2\times60=12$ gam. Do đó $m(C_2H_5OH)=15-12=3$ gam. $\%m(CH_3COOH)=\dfrac{12}{15}\times100\%=80\%$ ; $\%m(C_2H_5OH)=100\%-80\%=20\%$ .
Từ (1): $m(CH_3COOH)=0{,}2\times60=12$ gam. Do đó $m(C_2H_5OH)=15-12=3$ gam. $\%m(CH_3COOH)=\dfrac{12}{15}\times100\%=80\%$; $\%m(C_2H_5OH)=100\%-80\%=20\%$.
6
Vậy hỗn hợp chứa 80% khối lượng acid acetic và 20% khối lượng ethanol. Bài toán này minh hoạ đúng giá trị của phản ứng với $Na_2CO_3$ như một "bộ lọc" hoá học: dù đề chỉ cho tổng khối lượng hỗn hợp và một dữ kiện khí thoát ra, ta vẫn tách được chính xác từng thành phần nhờ biết chỉ một trong hai chất phản ứng.
Vậy hỗn hợp chứa 80% khối lượng acid acetic và 20% khối lượng ethanol. Bài toán này minh hoạ đúng giá trị của phản ứng với $Na_2CO_3$ như một "bộ lọc" hoá học: dù đề chỉ cho tổng khối lượng hỗn hợp và một dữ kiện khí thoát ra, ta vẫn tách được chính xác từng thành phần nhờ biết chỉ một trong hai chất phản ứng.

Sai lầm thường gặp

Học sinh hay cho rằng alcohol cũng phản ứng được với $Na_2CO_3$ vì "có nhóm OH giống acid" — thực chất alcohol có tính acid quá yếu (yếu hơn cả acid carbonic), hoàn toàn không đẩy được $CO_2$ ra khỏi muối carbonate; chỉ carboxylic acid (và các acid mạnh hơn acid carbonic) mới làm được điều này. Một lỗi liên quan: nhầm phản ứng với $Na_2CO_3$ (tỉ lệ mol acid : muối = 2:1, vì $CO_3^{2-}$ mang 2 điện tích âm) với phản ứng với $NaHCO_3$ (tỉ lệ 1:1, vì $HCO_3^-$ chỉ mang 1 điện tích âm) — hai muối này tuy cùng là muối carbonate nhưng phản ứng theo tỉ lệ mol khác nhau, và đề thi thường cố tình đổi giữa hai muối này để kiểm tra học sinh có thực sự hiểu bản chất phản ứng hay chỉ học thuộc một tỉ lệ duy nhất.

Luyện tập có hướng dẫn

Luyện tập độc lập

Kiểm tra nhanh

Ghi nhớ

Carboxylic acid: liên kết hydrogen dimer → nhiệt độ sôi cao nhất trong ba nhóm carbonyl/alcohol/acid cùng $M$ . Tính acid yếu nhưng đủ mạnh để phản ứng kim loại, base, oxide base, VÀ muối carbonate (sinh $CO_2$ ) — phản ứng cuối phân biệt acid với alcohol, phenol.

Carboxylic acid: liên kết hydrogen dimer → nhiệt độ sôi cao nhất trong ba nhóm carbonyl/alcohol/acid cùng $M$. Tính acid yếu nhưng đủ mạnh để phản ứng kim loại, base, oxide base, VÀ muối carbonate (sinh $CO_2$) — phản ứng cuối phân biệt acid với alcohol, phenol.

Bài tiếp theo học phản ứng đặc trưng nhất của nhóm $-COOH$ khi gặp alcohol — phản ứng ester hoá, và cách điều chế carboxylic acid trong thực tế. Phản ứng này sẽ đưa carboxylic acid "gặp lại" chính alcohol — chất khởi đầu của cả chuỗi oxi hoá xuyên suốt khoá học — nhưng theo một hướng phản ứng hoàn toàn mới, không còn là oxi hoá-khử mà là kết hợp tạo hợp chất mới.