Đây là bản xem thử. Phiên bản đầy đủ trong ứng dụng có bài tập, AI chấm ngay và theo dõi tiến độ học.
Bài học
Thuyết cấu tạo hoá học
Mục tiêu bài học
Sau bài này, em phát biểu được ba luận điểm của thuyết cấu tạo hoá học, vẽ được công thức cấu tạo của một hợp chất hữu cơ đơn giản đúng hoá trị IV của carbon, và giải thích được vì sao hai chất có cùng công thức phân tử vẫn có thể khác nhau về tính chất.
Kiến thức nền cần nhớ
Bài trước đã tìm được công thức phân tử C₄H₁₀ cho một hydrocarbon. Nhưng công thức phân tử chỉ cho biết phân tử gồm 4 carbon và 10 hydrogen, chứ không nói rõ các nguyên tử liên kết với nhau theo trật tự nào. Em cũng đã biết từ THCS: carbon luôn có hoá trị IV trong hợp chất hữu cơ, hydrogen có hoá trị I.
Khởi động
Trong tự nhiên tồn tại hai chất khí đều có công thức phân tử C₄H₁₀: một chất sôi ở −0,5 °C thường dùng làm nhiên liệu bật lửa (butane), chất kia sôi ở −11,7 °C (isobutane). Cùng số nguyên tử C và H, vì sao hai chất lại có nhiệt độ sôi khác nhau và được coi là hai chất khác nhau?
Kiến thức trọng tâm
**Thuyết cấu tạo hoá học** (do Butlerov đề xuất) gồm ba luận điểm cốt lõi. Thứ nhất, trong phân tử hợp chất hữu cơ, các nguyên tử liên kết với nhau theo đúng hoá trị và theo một thứ tự nhất định — thứ tự liên kết đó gọi là **cấu tạo hoá học** của phân tử, và mỗi chất chỉ có một cấu tạo hoá học xác định. Thứ hai, trong phân tử hữu cơ, carbon có hoá trị IV; các nguyên tử carbon không chỉ liên kết với nguyên tử của nguyên tố khác mà còn có thể liên kết trực tiếp với nhau tạo thành mạch carbon — mạch thẳng (không nhánh), mạch nhánh, hoặc mạch vòng. Thứ ba, tính chất của một chất phụ thuộc vào cả **thành phần phân tử** (loại và số lượng nguyên tử) lẫn **cấu tạo hoá học** (thứ tự liên kết) — hai chất cùng thành phần nhưng khác cấu tạo thì tính chất khác nhau.
Áp dụng vào C₄H₁₀: bốn nguyên tử carbon có thể sắp xếp theo hai cách khác nhau mà vẫn giữ đúng hoá trị IV cho mỗi carbon. Cách thứ nhất, bốn carbon nối thành một mạch thẳng liên tục: CH₃–CH₂–CH₂–CH₃ (butane). Cách thứ hai, ba carbon nối thành mạch chính, carbon thứ tư gắn làm nhánh vào carbon giữa: CH₃–CH(CH₃)–CH₃ (isobutane, còn gọi là 2-methylpropane). Cả hai cấu trúc đều có đúng 4 carbon, 10 hydrogen, và mỗi carbon đều đủ bốn liên kết — nhưng trật tự liên kết khác nhau khiến hai phân tử có hình dạng khác nhau, kéo theo lực hút giữa các phân tử khác nhau và do đó nhiệt độ sôi khác nhau.
Ba luận điểm trên không tách rời nhau mà bổ sung cho nhau: luận điểm thứ nhất và thứ hai cho biết PHẢI viết cấu tạo như thế nào cho hợp lệ (đúng hoá trị, đúng kiểu mạch), còn luận điểm thứ ba giải thích TẠI SAO việc viết đúng cấu tạo lại quan trọng — vì chính cấu tạo đó quyết định tính chất mà học sinh sẽ dự đoán và kiểm chứng bằng thực nghiệm ở các bài sau. Đây cũng là lí do vì sao hoá học hữu cơ luôn yêu cầu viết công thức cấu tạo tường minh thay vì chỉ dùng công thức phân tử: hai chất có thể trùng công thức phân tử nhưng là hai chất hoàn toàn khác nhau trên thực tế, với nhiệt độ sôi, mùi, độ tan, và phản ứng hoá học riêng.
Ví dụ
Vẽ và kiểm tra hoá trị công thức cấu tạo của butane
1
Vẽ công thức cấu tạo mạch thẳng của C₄H₁₀ (butane) và kiểm tra mỗi nguyên tử carbon có đúng hoá trị IV hay không.
2
Nối bốn nguyên tử carbon liên tiếp thành một mạch thẳng: C–C–C–C. Sau đó gắn nguyên tử hydrogen vào các liên kết còn trống của mỗi carbon sao cho mỗi carbon đủ bốn liên kết.
3
Carbon đầu mạch (C1) và carbon cuối mạch (C4) mỗi carbon có 1 liên kết với carbon bên cạnh, nên cần thêm 3 liên kết với H: CH₃–. Hai carbon giữa (C2, C3) mỗi carbon có 2 liên kết với carbon hai bên, nên cần thêm 2 liên kết với H: –CH₂–. Công thức cấu tạo đầy đủ: CH₃–CH₂–CH₂–CH₃.
4
Mỗi carbon trong CH₃–CH₂–CH₂–CH₃ đều có đúng 4 liên kết (đúng hoá trị IV), tổng cộng phân tử có 4 carbon và 10 hydrogen — đúng công thức phân tử C₄H₁₀. Vậy công thức cấu tạo mạch thẳng của butane là CH₃–CH₂–CH₂–CH₃.
Ví dụ
So sánh cấu tạo và tính chất của butane với isobutane (dạng thi)
1
Butane (CH₃–CH₂–CH₂–CH₃) sôi ở −0,5 °C, còn isobutane (CH₃–CH(CH₃)–CH₃) sôi ở −11,7 °C, dù cùng công thức phân tử C₄H₁₀. Hãy chỉ ra điểm khác nhau về cấu tạo giữa hai chất và dùng thuyết cấu tạo hoá học để giải thích vì sao hai chất có tính chất vật lí khác nhau.
2
Butane có mạch carbon thẳng, 4 carbon nối liên tiếp thành một hàng. Isobutane có mạch carbon nhánh: 3 carbon tạo mạch chính, carbon thứ tư gắn nhánh vào carbon ở giữa. Cả hai vẫn cùng có 4 carbon, 10 hydrogen, mỗi carbon đều đủ hoá trị IV.
3
Theo luận điểm thứ ba của thuyết cấu tạo hoá học, tính chất của chất phụ thuộc vào cả thành phần lẫn cấu tạo. Hai chất này cùng thành phần (C₄H₁₀) nhưng khác cấu tạo (mạch thẳng so với mạch nhánh), nên tính chất vật lí khác nhau là điều thuyết đã dự đoán trước, không phải ngẫu nhiên.
4
Phân tử mạch thẳng có hình dạng kéo dài, diện tích tiếp xúc giữa các phân tử với nhau lớn hơn, lực hút giữa các phân tử (lực Van der Waals) mạnh hơn, nên cần nhiều nhiệt hơn để tách các phân tử ra khỏi nhau khi sôi — do đó butane sôi ở nhiệt độ cao hơn. Phân tử mạch nhánh có hình dạng gọn, cầu hơn, diện tích tiếp xúc nhỏ hơn nên lực hút yếu hơn, sôi ở nhiệt độ thấp hơn.
5
Vậy butane và isobutane tuy cùng công thức phân tử C₄H₁₀ nhưng khác cấu tạo hoá học (mạch thẳng khác mạch nhánh), dẫn đến khác nhau về nhiệt độ sôi — đúng với luận điểm thứ ba của thuyết cấu tạo hoá học.
Sai lầm thường gặp
Khi vẽ công thức cấu tạo, nhiều em quên đếm đủ 4 liên kết cho mỗi carbon — hoặc vẽ dư, hoặc vẽ thiếu liên kết H. Cách kiểm tra nhanh: đếm số vạch nối tại mỗi carbon (kể cả nối với H); nếu chưa đủ 4, carbon đó còn "thiếu tay" và công thức chưa hợp lệ.
Luyện tập có hướng dẫn
Luyện tập độc lập
Kiểm tra nhanh
Ghi nhớ
Thuyết cấu tạo hoá học: (1) nguyên tử liên kết theo đúng hoá trị và theo một trật tự xác định gọi là cấu tạo hoá học; (2) carbon có hoá trị IV, tạo được mạch thẳng, nhánh, vòng; (3) tính chất phụ thuộc cả thành phần lẫn cấu tạo hoá học. Luôn kiểm tra đủ 4 liên kết ở mỗi carbon khi vẽ công thức cấu tạo.
Cầu nối bài sau
Vậy khi nào hai chất có cấu tạo khác nhau vẫn giữ tính chất hoá học tương tự nhau, và khi nào chúng trở thành những chất hẳn khác? Bài sau phân biệt hai khái niệm quan trọng: đồng đẳng và đồng phân.
Thuyết cấu tạo hoá học (do Butlerov đề xuất) gồm ba luận điểm cốt lõi. Thứ nhất, trong phân tử hợp chất hữu cơ, các nguyên tử liên kết với nhau theo đúng hoá trị và theo một thứ tự nhất định — thứ tự liên kết đó gọi là cấu tạo hoá học của phân tử, và mỗi chất chỉ có một cấu tạo hoá học xác định. Thứ hai, trong phân tử hữu cơ, carbon có hoá trị IV; các nguyên tử carbon không chỉ liên kết với nguyên tử của nguyên tố khác mà còn có thể liên kết trực tiếp với nhau tạo thành mạch carbon — mạch thẳng (không nhánh), mạch nhánh, hoặc mạch vòng. Thứ ba, tính chất của một chất phụ thuộc vào cả thành phần phân tử (loại và số lượng nguyên tử) lẫn cấu tạo hoá học (thứ tự liên kết) — hai chất cùng thành phần nhưng khác cấu tạo thì tính chất khác nhau.
Áp dụng vào C₄H₁₀: bốn nguyên tử carbon có thể sắp xếp theo hai cách khác nhau mà vẫn giữ đúng hoá trị IV cho mỗi carbon. Cách thứ nhất, bốn carbon nối thành một mạch thẳng liên tục: CH₃–CH₂–CH₂–CH₃ (butane). Cách thứ hai, ba carbon nối thành mạch chính, carbon thứ tư gắn làm nhánh vào carbon giữa: CH₃–CH(CH₃)–CH₃ (isobutane, còn gọi là 2-methylpropane). Cả hai cấu trúc đều có đúng 4 carbon, 10 hydrogen, và mỗi carbon đều đủ bốn liên kết — nhưng trật tự liên kết khác nhau khiến hai phân tử có hình dạng khác nhau, kéo theo lực hút giữa các phân tử khác nhau và do đó nhiệt độ sôi khác nhau.
Ba luận điểm trên không tách rời nhau mà bổ sung cho nhau: luận điểm thứ nhất và thứ hai cho biết PHẢI viết cấu tạo như thế nào cho hợp lệ (đúng hoá trị, đúng kiểu mạch), còn luận điểm thứ ba giải thích TẠI SAO việc viết đúng cấu tạo lại quan trọng — vì chính cấu tạo đó quyết định tính chất mà học sinh sẽ dự đoán và kiểm chứng bằng thực nghiệm ở các bài sau. Đây cũng là lí do vì sao hoá học hữu cơ luôn yêu cầu viết công thức cấu tạo tường minh thay vì chỉ dùng công thức phân tử: hai chất có thể trùng công thức phân tử nhưng là hai chất hoàn toàn khác nhau trên thực tế, với nhiệt độ sôi, mùi, độ tan, và phản ứng hoá học riêng.
Phân tử mạch thẳng có hình dạng kéo dài, diện tích tiếp xúc giữa các phân tử với nhau lớn hơn, lực hút giữa các phân tử (lực Van der Waals) mạnh hơn, nên cần nhiều nhiệt hơn để tách các phân tử ra khỏi nhau khi sôi — do đó butane sôi ở nhiệt độ cao hơn. Phân tử mạch nhánh có hình dạng gọn, cầu hơn, diện tích tiếp xúc nhỏ hơn nên lực hút yếu hơn, sôi ở nhiệt độ thấp hơn.