Luyện tập biện luận công thức cấu tạo — dạng bài thi
Mục tiêu bài học
Sau bài này, em giải được một bài toán tổng hợp: từ dữ kiện đốt cháy hoặc phần trăm khối lượng, tìm công thức phân tử, rồi viết và đếm đúng số công thức cấu tạo tương ứng — đúng dạng bài hay gặp trong đề kiểm tra và đề thi học kì.
Kiến thức nền cần nhớ
Một đề kiểm tra học kì thường không hỏi thẳng "C₅H₁₂ có mấy đồng phân?" mà thường bắt đầu từ một thí nghiệm đốt cháy, yêu cầu tự tìm ra công thức phân tử trước, rồi mới hỏi tiếp về cấu tạo. Em đã sẵn sàng ghép các bước lại thành một lời giải hoàn chỉnh chưa?
Kiến thức trọng tâm
- 1
Viết tất cả công thức cấu tạo (đồng phân mạch carbon) của C₅H₁₂ và đếm số lượng.
- 2
Mạch thẳng 5 carbon liên tiếp: CH₃–CH₂–CH₂–CH₂–CH₃ (pentane). Đây là công thức thứ nhất.
- 3
Rút mạch chính còn 4 carbon, gắn 1 nhóm CH₃ làm nhánh vào carbon thứ hai (tính đối xứng nên gắn vào carbon thứ ba cho kết quả trùng): CH₃–CH(CH₃)–CH₂–CH₃ (2-methylbutane). Đây là công thức thứ hai, khác với pentane vì có nhánh.
- 4
Rút mạch chính còn 3 carbon, gắn 2 nhóm CH₃ cùng vào carbon giữa (carbon giữa khi đó có 2 nhóm CH₃ + 2 liên kết C hai bên = đủ 4 liên kết, không còn chỗ cho H): (CH₃)₃C–CH₃, tức là 2,2-dimethylpropane (neopentane). Đây là công thức thứ ba.
- 5
Không còn cách sắp xếp mạch carbon nào khác cho 5 carbon mà không trùng với ba công thức trên. Vậy C₅H₁₂ có đúng 3 đồng phân mạch carbon: pentane, 2-methylbutane, và 2,2-dimethylpropane.
- 1
Đốt cháy hoàn toàn 3,0 gam hợp chất hữu cơ X (chỉ chứa C, H, O, mạch hở, đơn chức) thu được 4,4 gam CO₂ và 1,8 gam H₂O. Biết M(X) = 60 g/mol. Xác định công thức phân tử của X, sau đó cho biết công thức phân tử này có phù hợp với một alcohol no đơn chức mạch hở hay không.
- 2
n_CO2 = 4,4/44 = 0,1 mol → n_C = 0,1 mol → m_C = 1,2 gam. n_H2O = 1,8/18 = 0,1 mol → n_H = 0,1×2 = 0,2 mol → m_H = 0,2 gam. Khối lượng oxygen: m_O = 3,0 − 1,2 − 0,2 = 1,6 gam → n_O = 1,6/16 = 0,1 mol.
- 3
Tỉ lệ n_C : n_H : n_O = 0,1 : 0,2 : 0,1 = 1 : 2 : 1, công thức đơn giản nhất là CH₂O, khối lượng mol tương ứng M(CTĐGN) = 30 g/mol. Vì M(X) = 60 g/mol, hệ số n = 60/30 = 2. Vậy công thức phân tử của X là C₂H₄O₂.
- 4
Alcohol no đơn chức mạch hở có công thức chung CₙH₂ₙ₊₂O (một nguyên tử oxygen). Với n = 2, công thức tương ứng là C₂H₆O, KHÔNG khớp với C₂H₄O₂ (thừa một oxygen, thiếu hai hydrogen so với dạng no đơn chức một –OH). Vậy X không thể là alcohol no đơn chức mạch hở.
- 5Vậy công thức phân tử của X là C₂H₄O₂ — trùng với công thức của acetic acid (giấm ăn, CH₃COOH), một hợp chất chứa nhóm chức –COOH mà em sẽ học kĩ ở chương carboxylic acid của khoá sau. Bài học rút ra: sau khi tìm được công thức phân tử, luôn đối chiếu với công thức chung CₙH₂ₙ₊₂O của alcohol no đơn chức trước khi kết luận X thuộc loại hợp chất nào — công thức không khớp là dấu hiệu X mang một loại nhóm chức khác.
Khi đếm đồng phân, lỗi hay gặp nhất là liệt kê trùng — viết cùng một cấu trúc nhưng đặt tên carbon khác thứ tự khiến tưởng là hai chất khác nhau. Cách tránh: sau khi vẽ mỗi công thức, đọc lại từ trái sang phải; nếu đọc từ phải sang trái cho ra cùng dãy nguyên tử/nhóm, đó là MỘT chất, không phải hai.
Luyện tập có hướng dẫn
Luyện tập độc lập
Kiểm tra nhanh
Ghi nhớ
Đếm đồng phân có hệ thống: liệt kê mạch carbon từ dài đến ngắn dần, xét từng vị trí nhóm chức, và kiểm tra không đếm trùng cấu trúc đối xứng. Bài toán tổng hợp luôn đi theo thứ tự: dữ kiện đốt cháy → công thức đơn giản nhất → công thức phân tử (nhờ M) → công thức cấu tạo phù hợp điều kiện đề.
Toàn bộ ngôn ngữ đại cương — phân loại chất, tách biệt, công thức phân tử, cấu tạo, đồng đẳng, đồng phân — sẽ được ôn lại và ghép thành các bài toán tổng hợp hoàn chỉnh trong chương cuối, chuẩn bị cho hành trình học hydrocarbon ở khoá tiếp theo.