Bài học

Bài toán tổng hợp: xác định công thức phân tử và phản ứng của hydrocarbon

Mục tiêu bài học

Sau bài này, em xác định được công thức phân tử của một hydrocarbon (alkane, alkene, hoặc alkyne) từ số liệu đốt cháy, và vận dụng tiếp kiến thức phản ứng đã học để hoàn chỉnh một bài toán nhiều bước theo đúng cấu trúc đề kiểm tra học kì.

Kiến thức nền cần nhớ

Bài này cần đến toàn bộ ba công thức tổng quát đã học: alkane $C_nH_{2n+2}$ (Bài 1.1), alkene $C_nH_{2n}$ (Bài 3.1), alkyne $C_nH_{2n-2}$ (Bài 5.1); cùng phản ứng cháy của alkane (Bài 2.2) và hằng số $V_m = 24{,}79$ lít/mol ở đkc.

Khởi động

Khi đốt cháy hoàn toàn một mẫu khí hydrocarbon không rõ tên, người ta đo được thể tích/khối lượng $CO_2$ và $H_2O$ sinh ra. Chỉ từ hai con số đó, làm sao xác định được đó là alkane, alkene, hay alkyne, và công thức phân tử chính xác của nó?

Kiến thức trọng tâm

So sánh số mol $CO_2$ và $H_2O$ sinh ra khi đốt cháy 1 mol hydrocarbon cho một DẤU HIỆU nhận biết dãy đồng đẳng rất nhanh: với alkane $C_nH_{2n+2}$ , luôn có $n(H_2O) > n(CO_2)$ , cụ thể $n(H_2O) - n(CO_2) = n(alkane)$ ; với alkene $C_nH_{2n}$ , luôn có $n(H_2O) = n(CO_2)$ ; với alkyne $C_nH_{2n-2}$ , luôn có $n(CO_2) > n(H_2O)$ , cụ thể $n(CO_2) - n(H_2O) = n(alkyne)$ .

So sánh số mol $CO_2$ và $H_2O$ sinh ra khi đốt cháy 1 mol hydrocarbon cho một DẤU HIỆU nhận biết dãy đồng đẳng rất nhanh: với **alkane** $C_nH_{2n+2}$, luôn có $n(H_2O) > n(CO_2)$, cụ thể $n(H_2O) - n(CO_2) = n(alkane)$; với **alkene** $C_nH_{2n}$, luôn có $n(H_2O) = n(CO_2)$; với **alkyne** $C_nH_{2n-2}$, luôn có $n(CO_2) > n(H_2O)$, cụ thể $n(CO_2) - n(H_2O) = n(alkyne)$.

Quy trình giải bài toán đốt cháy xác định công thức phân tử: (1) viết phương trình cháy tổng quát của dãy đồng đẳng nghi ngờ (hoặc dùng trực tiếp bảo toàn nguyên tố carbon, hydrogen); (2) từ dữ kiện đề bài, tính số mol từng chất ( $CO_2$ , $H_2O$ , hydrocarbon ban đầu); (3) lập tỉ lệ hoặc phương trình đại số để tìm số carbon $n$ và xác định dãy đồng đẳng theo dấu hiệu ở trên; (4) kết luận công thức phân tử, kiểm tra lại điều kiện $n$ nguyên dương phù hợp với dãy đã chọn.

**Quy trình giải bài toán đốt cháy xác định công thức phân tử**: (1) viết phương trình cháy tổng quát của dãy đồng đẳng nghi ngờ (hoặc dùng trực tiếp bảo toàn nguyên tố carbon, hydrogen); (2) từ dữ kiện đề bài, tính số mol từng chất ($CO_2$, $H_2O$, hydrocarbon ban đầu); (3) lập tỉ lệ hoặc phương trình đại số để tìm số carbon $n$ và xác định dãy đồng đẳng theo dấu hiệu ở trên; (4) kết luận công thức phân tử, kiểm tra lại điều kiện $n$ nguyên dương phù hợp với dãy đã chọn.

Bài toán tổng hợp mức đề thi học kì thường không dừng ở việc tìm công thức phân tử — sau khi xác định được chất, đề tiếp tục hỏi phản ứng tiếp theo của chính chất đó (phản ứng cộng, thế, trùng hợp...), đòi hỏi học sinh xâu chuỗi kiến thức của nhiều bài, nhiều chương lại với nhau trong một lời giải liền mạch.

Cùng 2 carbon, đốt cháy 1 mol: alkane cho nhiều

H_2O

hơn

CO_2

, alkene cho bằng nhau, alkyne cho nhiều

CO_2

hơn

H_2O

Cùng 2 carbon, đốt cháy 1 mol: alkane cho nhiều $H_2O$ hơn $CO_2$, alkene cho bằng nhau, alkyne cho nhiều $CO_2$ hơn $H_2O$

Ví dụ

Xác định công thức phân tử một alkane

1
Đốt cháy hoàn toàn 0,1 mol một alkane thu được 0,4 mol $CO_2$ . Xác định công thức phân tử của alkane.
Đốt cháy hoàn toàn 0,1 mol một alkane thu được 0,4 mol $CO_2$. Xác định công thức phân tử của alkane.
2
Theo phản ứng cháy tổng quát, $n(CO_2) = n \times n(alkane)$ , suy ra $n = \dfrac{n(CO_2)}{n(alkane)} = \dfrac{0{,}4}{0{,}1} = 4$ .
Theo phản ứng cháy tổng quát, $n(CO_2) = n \times n(alkane)$, suy ra $n = \dfrac{n(CO_2)}{n(alkane)} = \dfrac{0{,}4}{0{,}1} = 4$.
3
Với $n=4$ , công thức phân tử là $C_4H_{10}$ (butane). Vậy alkane cần tìm là $C_4H_{10}$ .
Với $n=4$, công thức phân tử là $C_4H_{10}$ (butane). Vậy alkane cần tìm là $C_4H_{10}$.

Ví dụ

Xác định công thức phân tử từ dữ liệu đầy đủ (dạng thi)

1
Đốt cháy hoàn toàn 2,479 lít (đkc) hydrocarbon X mạch hở thu được 7,437 lít $CO_2$ (đkc) và 5,4 gam $H_2O$ . Xác định công thức phân tử của X.
Đốt cháy hoàn toàn 2,479 lít (đkc) hydrocarbon X mạch hở thu được 7,437 lít $CO_2$ (đkc) và 5,4 gam $H_2O$. Xác định công thức phân tử của X.
2
$n(X) = \dfrac{2{,}479}{24{,}79} = 0{,}1$ mol. $n(CO_2) = \dfrac{7{,}437}{24{,}79} = 0{,}3$ mol. $n(H_2O) = \dfrac{5{,}4}{18} = 0{,}3$ mol.
$n(X) = \dfrac{2{,}479}{24{,}79} = 0{,}1$ mol. $n(CO_2) = \dfrac{7{,}437}{24{,}79} = 0{,}3$ mol. $n(H_2O) = \dfrac{5{,}4}{18} = 0{,}3$ mol.
3
$n(CO_2) = n(H_2O) = 0{,}3$ mol (bằng nhau) → theo dấu hiệu đã học, X thuộc dãy alkene $C_nH_{2n}$ .
$n(CO_2) = n(H_2O) = 0{,}3$ mol (bằng nhau) → theo dấu hiệu đã học, X thuộc dãy alkene $C_nH_{2n}$.
4
$n = \dfrac{n(CO_2)}{n(X)} = \dfrac{0{,}3}{0{,}1} = 3$ .
$n = \dfrac{n(CO_2)}{n(X)} = \dfrac{0{,}3}{0{,}1} = 3$.
5
Vậy X có công thức phân tử $C_3H_6$ (propene) — thuộc dãy alkene.
Vậy X có công thức phân tử $C_3H_6$ (propene) — thuộc dãy alkene.

Ví dụ

Nối tiếp: phản ứng cộng của X vừa tìm được

1
X (propene, $C_3H_6$ ) xác định ở ví dụ trên phản ứng vừa đủ với dung dịch chứa $a$ mol $Br_2$ . Tính $a$ và khối lượng sản phẩm cộng thu được (dùng $Br = 80$ , một giá trị làm tròn quen thuộc trong SGK).
X (propene, $C_3H_6$) xác định ở ví dụ trên phản ứng vừa đủ với dung dịch chứa $a$ mol $Br_2$. Tính $a$ và khối lượng sản phẩm cộng thu được (dùng $Br = 80$, một giá trị làm tròn quen thuộc trong SGK).
2
Phản ứng cộng theo tỉ lệ mol $1:1$ (một liên kết đôi cộng một phân tử $Br_2$ ): $a = n(Br_2) = n(X) = 0{,}1$ mol.
Phản ứng cộng theo tỉ lệ mol $1:1$ (một liên kết đôi cộng một phân tử $Br_2$): $a = n(Br_2) = n(X) = 0{,}1$ mol.
3
Theo định luật bảo toàn khối lượng: $m(sản phẩm) = m(X) + m(Br_2)$ . Với $M(C_3H_6) = 42$ g/mol và $M(Br_2) = 160$ g/mol: $m(X) = 0{,}1 \times 42 = 4{,}2$ gam; $m(Br_2) = 0{,}1 \times 160 = 16{,}0$ gam.
Theo định luật bảo toàn khối lượng: $m(sản phẩm) = m(X) + m(Br_2)$. Với $M(C_3H_6) = 42$ g/mol và $M(Br_2) = 160$ g/mol: $m(X) = 0{,}1 \times 42 = 4{,}2$ gam; $m(Br_2) = 0{,}1 \times 160 = 16{,}0$ gam.
4
$m(sản phẩm) = 4{,}2 + 16{,}0 = 20{,}2$ gam. Vậy $a = 0{,}1$ mol và khối lượng sản phẩm cộng (1,2-dibromopropane) là $20{,}2$ gam.
$m(sản phẩm) = 4{,}2 + 16{,}0 = 20{,}2$ gam. Vậy $a = 0{,}1$ mol và khối lượng sản phẩm cộng (1,2-dibromopropane) là $20{,}2$ gam.

Sai lầm thường gặp

Lỗi phổ biến nhất là dùng NHẦM dấu hiệu — ví dụ áp dụng công thức chênh lệch của alkane cho một chất thực chất là alkyne. Hãy nhớ đúng chiều: alkane dư $H_2O$ , alkyne dư $CO_2$ , alkene bằng nhau. Một lỗi khác là quên đổi đơn vị thể tích sang mol bằng đúng $V_m = 24{,}79$ trước khi lập tỉ lệ.

Lỗi phổ biến nhất là dùng NHẦM dấu hiệu — ví dụ áp dụng công thức chênh lệch của alkane cho một chất thực chất là alkyne. Hãy nhớ đúng chiều: alkane dư $H_2O$, alkyne dư $CO_2$, alkene bằng nhau. Một lỗi khác là quên đổi đơn vị thể tích sang mol bằng đúng $V_m = 24{,}79$ trước khi lập tỉ lệ.

Luyện tập có hướng dẫn

Luyện tập độc lập

Kiểm tra nhanh — Ôn tập toàn khoá

Ghi nhớ

Dấu hiệu đốt cháy: alkane dư $H_2O$ so với $CO_2$ ; alkene có $n(CO_2)=n(H_2O)$ ; alkyne dư $CO_2$ so với $H_2O$ . Quy trình chuẩn: tính mol, lập tỉ lệ tìm $n$ , xác định dãy và công thức phân tử, rồi vận dụng tiếp phản ứng đã học để hoàn chỉnh bài toán tổng hợp.

Dấu hiệu đốt cháy: alkane dư $H_2O$ so với $CO_2$; alkene có $n(CO_2)=n(H_2O)$; alkyne dư $CO_2$ so với $H_2O$. Quy trình chuẩn: tính mol, lập tỉ lệ tìm $n$, xác định dãy và công thức phân tử, rồi vận dụng tiếp phản ứng đã học để hoàn chỉnh bài toán tổng hợp.

Cầu nối

Khoá học Hydrocarbon: Alkane, Alkene, Alkyne kết thúc tại đây. Course 7 tiếp tục mạch hữu cơ với arene (hydrocarbon thơm) và dẫn xuất halogen, dựa trên chính các phản ứng thế, cộng, và cách nhận biết vừa học.