Bài học

Tính chất vật lí của amine

Mục tiêu bài học

Sau bài này, em mô tả được trạng thái, mùi, độ tan trong nước của amine ở điều kiện thường, và giải thích được bằng liên kết hydrogen vì sao nhiệt độ sôi của amine nằm giữa hydrocarbon và alcohol có khối lượng phân tử gần bằng nhau.

Kiến thức nền cần nhớ

Ở lớp 11, khi học alcohol, em đã biết liên kết hydrogen giữa các phân tử alcohol với nhau (và với nước) là nguyên nhân khiến alcohol có nhiệt độ sôi cao bất thường so với hydrocarbon cùng khối lượng phân tử (prior-grade review). Bài này áp dụng đúng cơ chế liên kết hydrogen đó cho amine — chỉ khác nguyên tử tạo liên kết hydrogen bây giờ là N thay vì O.

Khởi động

Amoniac có mùi khai rất đặc trưng, ai cũng nhận ra ngay. Methylamin — amine đơn giản nhất — cũng có mùi gần giống vậy. Nhưng tại sao amine có mạch carbon dài hơn, như aniline, lại gần như không có mùi khai nồng mà thay vào đó chỉ có mùi hắc nhẹ, khó chịu theo kiểu khác?

Kiến thức trọng tâm

Trạng thái và mùi. Ở điều kiện thường, methylamin, đimetylamin, trimetylamin, và etylamin là chất khí, mùi khai gần giống ammonia pha lẫn mùi tanh cá đặc trưng, tan rất tốt trong nước. Từ khoảng 4 carbon trở lên, amine chuyển dần sang thể lỏng, rồi thể rắn khi mạch carbon đủ dài; độ tan trong nước giảm dần theo chiều tăng số carbon, vì phần gốc hydrocarbon kị nước ngày càng lớn lấn át ảnh hưởng của nhóm $-NH_2$ ưa nước.

Aniline là một chất lỏng không màu, sôi ở khoảng $184\,^\circ C$ , ít tan trong nước (tan tốt hơn trong các dung môi hữu cơ), và rất độc — có thể hấp thụ qua da gây ngộ độc. Để lâu ngoài không khí, aniline chuyển dần sang màu nâu đen do bị oxi hoá bởi oxygen trong khí quyển.

Vì sao nhiệt độ sôi của amine "nằm giữa"? Amine bậc I và bậc II còn liên kết $N-H$ nên các phân tử có thể tạo liên kết hydrogen liên phân tử với nhau (và với nước), giống hệt cơ chế ở alcohol. Nhờ vậy amine có nhiệt độ sôi cao hơn hẳn hydrocarbon có khối lượng phân tử tương đương — hydrocarbon chỉ có lực Van der Waals yếu giữ các phân tử lại với nhau. Nhưng liên kết hydrogen $N-H\cdots N$ lại yếu hơn liên kết hydrogen $O-H\cdots O$ ở alcohol, vì độ âm điện của N nhỏ hơn O, nên nhiệt độ sôi của amine thấp hơn alcohol có khối lượng phân tử gần bằng.

Amine bậc III là một ngoại lệ đáng chú ý: N không còn liên kết với H nào (cả ba vị trí đã gắn gốc hydrocarbon), nên các phân tử amine bậc III không tạo được liên kết hydrogen liên phân tử với nhau. Kết quả là amine bậc III có nhiệt độ sôi thấp hơn hẳn amine bậc I hoặc bậc II có cùng số carbon — dù công thức phân tử giống hệt nhau, chỉ khác cách sắp xếp gốc quanh N.

**Trạng thái và mùi.** Ở điều kiện thường, methylamin, đimetylamin, trimetylamin, và etylamin là chất khí, mùi khai gần giống ammonia pha lẫn mùi tanh cá đặc trưng, tan rất tốt trong nước. Từ khoảng 4 carbon trở lên, amine chuyển dần sang thể lỏng, rồi thể rắn khi mạch carbon đủ dài; độ tan trong nước giảm dần theo chiều tăng số carbon, vì phần gốc hydrocarbon kị nước ngày càng lớn lấn át ảnh hưởng của nhóm $-NH_2$ ưa nước. **Aniline** là một chất lỏng không màu, sôi ở khoảng $184\,^\circ C$, ít tan trong nước (tan tốt hơn trong các dung môi hữu cơ), và rất **độc** — có thể hấp thụ qua da gây ngộ độc. Để lâu ngoài không khí, aniline chuyển dần sang màu nâu đen do bị oxi hoá bởi oxygen trong khí quyển. **Vì sao nhiệt độ sôi của amine "nằm giữa"?** Amine bậc I và bậc II còn liên kết $N-H$ nên các phân tử có thể tạo **liên kết hydrogen liên phân tử** với nhau (và với nước), giống hệt cơ chế ở alcohol. Nhờ vậy amine có nhiệt độ sôi cao hơn hẳn hydrocarbon có khối lượng phân tử tương đương — hydrocarbon chỉ có lực Van der Waals yếu giữ các phân tử lại với nhau. Nhưng liên kết hydrogen $N-H\cdots N$ lại **yếu hơn** liên kết hydrogen $O-H\cdots O$ ở alcohol, vì độ âm điện của N nhỏ hơn O, nên nhiệt độ sôi của amine thấp hơn alcohol có khối lượng phân tử gần bằng. Amine bậc III là một ngoại lệ đáng chú ý: N không còn liên kết với H nào (cả ba vị trí đã gắn gốc hydrocarbon), nên các phân tử amine bậc III **không** tạo được liên kết hydrogen liên phân tử với nhau. Kết quả là amine bậc III có nhiệt độ sôi thấp hơn hẳn amine bậc I hoặc bậc II có cùng số carbon — dù công thức phân tử giống hệt nhau, chỉ khác cách sắp xếp gốc quanh N.

Nhiệt độ sôi tăng dần theo khả năng tạo liên kết hydrogen liên phân tử: ethane (không có) < methylamin (

N-H\cdots N

, yếu hơn) < methanol (

O-H\cdots O

, mạnh hơn).Nhiệt độ sôi tăng dần theo khả năng tạo liên kết hydrogen liên phân tử: ethane (không có) < methylamin ($N-H\cdots N$, yếu hơn) < methanol ($O-H\cdots O$, mạnh hơn).

Ví dụ

Giải thích thứ tự nhiệt độ sôi của ba chất có khối lượng phân tử gần bằng nhau

1
So sánh và giải thích nhiệt độ sôi của $C_2H_6$ ( $M=30$ , $t_s=-88{,}6\,^\circ C$ ), $CH_3NH_2$ ( $M=31$ , $t_s=-6{,}3\,^\circ C$ ) và $CH_3OH$ ( $M=32$ , $t_s=64{,}7\,^\circ C$ ).
So sánh và giải thích nhiệt độ sôi của $C_2H_6$ ($M=30$, $t_s=-88{,}6\,^\circ C$), $CH_3NH_2$ ($M=31$, $t_s=-6{,}3\,^\circ C$) và $CH_3OH$ ($M=32$, $t_s=64{,}7\,^\circ C$).
2
$C_2H_6$ chỉ có lực Van der Waals yếu giữa các phân tử vì không có nguyên tử N, O nào mang cặp electron tự do liên kết được với H phân cực. $CH_3NH_2$ có liên kết $N-H$ nên tạo được liên kết hydrogen $N-H\cdots N$ giữa các phân tử. $CH_3OH$ có liên kết $O-H$ , tạo được liên kết hydrogen $O-H\cdots O$ .
$C_2H_6$ chỉ có lực Van der Waals yếu giữa các phân tử vì không có nguyên tử N, O nào mang cặp electron tự do liên kết được với H phân cực. $CH_3NH_2$ có liên kết $N-H$ nên tạo được liên kết hydrogen $N-H\cdots N$ giữa các phân tử. $CH_3OH$ có liên kết $O-H$, tạo được liên kết hydrogen $O-H\cdots O$.
3
Do độ âm điện $O > N$ , liên kết hydrogen ở methanol phân cực mạnh hơn, bền hơn liên kết hydrogen ở methylamin — dù cả hai đều mạnh hơn hẳn lực Van der Waals ở ethane.
Do độ âm điện $O > N$, liên kết hydrogen ở methanol phân cực mạnh hơn, bền hơn liên kết hydrogen ở methylamin — dù cả hai đều mạnh hơn hẳn lực Van der Waals ở ethane.
4
Ba khối lượng phân tử gần bằng nhau nhưng ba loại lực liên phân tử khác hẳn nhau dẫn đến thứ tự nhiệt độ sôi: $t_s(C_2H_6) < t_s(CH_3NH_2) < t_s(CH_3OH)$ . Vậy chính khả năng và độ bền liên kết hydrogen — không phải khối lượng phân tử — quyết định thứ tự này.
Ba khối lượng phân tử gần bằng nhau nhưng ba loại lực liên phân tử khác hẳn nhau dẫn đến thứ tự nhiệt độ sôi: $t_s(C_2H_6) < t_s(CH_3NH_2) < t_s(CH_3OH)$. Vậy chính khả năng và độ bền liên kết hydrogen — không phải khối lượng phân tử — quyết định thứ tự này.

Ví dụ

So sánh nhiệt độ sôi giữa amine bậc I và amine bậc III cùng công thức phân tử

1
Hai amine X (propan-1-amin, $CH_3CH_2CH_2NH_2$ ) và Y (trimetylamin, $(CH_3)_3N$ ) đều có công thức phân tử $C_3H_9N$ . Chất nào có nhiệt độ sôi cao hơn? Giải thích.
Hai amine X (propan-1-amin, $CH_3CH_2CH_2NH_2$) và Y (trimetylamin, $(CH_3)_3N$) đều có công thức phân tử $C_3H_9N$. Chất nào có nhiệt độ sôi cao hơn? Giải thích.
2
X là amine bậc I, còn 2 liên kết $N-H$ , các phân tử X tạo được liên kết hydrogen liên phân tử $N-H\cdots N$ với nhau. Y là amine bậc III, N đã gắn đủ 3 gốc metyl, không còn liên kết $N-H$ nào, nên các phân tử Y không tạo được liên kết hydrogen liên phân tử với nhau, chỉ có lực Van der Waals.
X là amine bậc I, còn 2 liên kết $N-H$, các phân tử X tạo được liên kết hydrogen liên phân tử $N-H\cdots N$ với nhau. Y là amine bậc III, N đã gắn đủ 3 gốc metyl, không còn liên kết $N-H$ nào, nên các phân tử Y không tạo được liên kết hydrogen liên phân tử với nhau, chỉ có lực Van der Waals.
3
Cùng khối lượng phân tử ( $M=59$ ) nhưng X có thêm liên kết hydrogen liên phân tử còn Y thì không, nên lực liên kết giữa các phân tử X mạnh hơn hẳn.
Cùng khối lượng phân tử ($M=59$) nhưng X có thêm liên kết hydrogen liên phân tử còn Y thì không, nên lực liên kết giữa các phân tử X mạnh hơn hẳn.
4
Vậy X (propan-1-amin, bậc I) có nhiệt độ sôi cao hơn Y (trimetylamin, bậc III). Đây là ví dụ cho thấy bậc của amine — chứ không chỉ công thức phân tử — ảnh hưởng trực tiếp đến tính chất vật lí.

Ví dụ

Xếp hạng độ tan trong nước của ba amine cùng dãy đồng đẳng

1
So sánh định tính độ tan trong nước của $CH_3NH_2$ , $C_4H_9NH_2$ (butylamin) và $C_8H_{17}NH_2$ (octylamin). Giải thích xu hướng.
So sánh định tính độ tan trong nước của $CH_3NH_2$, $C_4H_9NH_2$ (butylamin) và $C_8H_{17}NH_2$ (octylamin). Giải thích xu hướng.
2
Cả ba đều có 1 nhóm $-NH_2$ tạo liên kết hydrogen với nước, nhưng phần gốc hydrocarbon (kị nước) tăng dần: 1 carbon, 4 carbon, rồi 8 carbon.
Cả ba đều có 1 nhóm $-NH_2$ tạo liên kết hydrogen với nước, nhưng phần gốc hydrocarbon (kị nước) tăng dần: 1 carbon, 4 carbon, rồi 8 carbon.
3
Nhóm $-NH_2$ chỉ "kéo" được một số phân tử nước nhất định vào tạo liên kết hydrogen; khi gốc hydrocarbon quá lớn, phần kị nước lấn át, cản trở amine hoà tan vào khối nước.
Nhóm $-NH_2$ chỉ "kéo" được một số phân tử nước nhất định vào tạo liên kết hydrogen; khi gốc hydrocarbon quá lớn, phần kị nước lấn át, cản trở amine hoà tan vào khối nước.
4
Độ tan giảm dần theo thứ tự $CH_3NH_2 > C_4H_9NH_2 > C_8H_{17}NH_2$ . Đây là quy luật chung của mọi hợp chất hữu cơ có nhóm chức phân cực gắn với gốc hydrocarbon: mạch carbon càng dài, độ tan trong nước càng giảm.
Độ tan giảm dần theo thứ tự $CH_3NH_2 > C_4H_9NH_2 > C_8H_{17}NH_2$. Đây là quy luật chung của mọi hợp chất hữu cơ có nhóm chức phân cực gắn với gốc hydrocarbon: mạch carbon càng dài, độ tan trong nước càng giảm.

Sai lầm thường gặp

Nhiều em nghĩ mọi amine đều "nhẹ, dễ bay hơi" như $NH_3$ nên trả lời sai khi gặp aniline (chất lỏng sôi ở $184\,^\circ C$ , không hề dễ bay hơi). Một lỗi khác là quên rằng amine bậc III không có liên kết hydrogen liên phân tử, nên so sánh nhiệt độ sôi amine bậc III với amine bậc I/II cùng số carbon mà không xét đến sự khác biệt cấu tạo này.

Nhiều em nghĩ mọi amine đều "nhẹ, dễ bay hơi" như $NH_3$ nên trả lời sai khi gặp aniline (chất lỏng sôi ở $184\,^\circ C$, không hề dễ bay hơi). Một lỗi khác là quên rằng amine bậc III không có liên kết hydrogen liên phân tử, nên so sánh nhiệt độ sôi amine bậc III với amine bậc I/II cùng số carbon mà không xét đến sự khác biệt cấu tạo này.

Luyện tập có hướng dẫn

Luyện tập độc lập

Kiểm tra nhanh

Ghi nhớ

Amine nhỏ (đến khoảng $C_4$ ) là chất khí, mùi khai; amine lớn hơn chuyển dần thành lỏng/rắn, độ tan giảm dần. Amine bậc I, II có liên kết hydrogen liên phân tử nên sôi cao hơn hydrocarbon cùng $M$ nhưng thấp hơn alcohol cùng $M$ ; amine bậc III không có liên kết hydrogen liên phân tử nên sôi thấp hơn hẳn. Aniline: lỏng, ít tan, độc, sẫm màu dần theo thời gian.

Amine nhỏ (đến khoảng $C_4$) là chất khí, mùi khai; amine lớn hơn chuyển dần thành lỏng/rắn, độ tan giảm dần. Amine bậc I, II có liên kết hydrogen liên phân tử nên sôi cao hơn hydrocarbon cùng $M$ nhưng thấp hơn alcohol cùng $M$; amine bậc III không có liên kết hydrogen liên phân tử nên sôi thấp hơn hẳn. Aniline: lỏng, ít tan, độc, sẫm màu dần theo thời gian.

Bài tiếp theo giải thích vì sao amine lại có tính base, và vì sao chính tính base đó lại khác nhau rất nhiều giữa amine béo và aniline.