Bài học

Công thức phân tử và công thức cấu tạo

Em sẽ làm được gì?

Em phân biệt được công thức phân tử (CTPT) và công thức cấu tạo (CTCT), biết carbon luôn có hóa trị IV, hydrogen hóa trị I, oxygen hóa trị II, và viết được CTCT của các hợp chất hữu cơ đơn giản: $CH_4$ , $C_2H_4$ , $C_2H_5OH$ , $CH_3COOH$ .

Cần nhớ trước

Hóa trị của nguyên tố (Hóa học 8); khái niệm hợp chất hữu cơ, hydrocarbon và dẫn xuất hydrocarbon (bài trước).

Khởi động

Hai chất có cùng công thức $C_2H_6O$ : một chất là ethylic alcohol (rượu uống được, dùng trong nước sát khuẩn), chất kia là dimethyl ether (chất gây mê, không uống được). Cùng số nguyên tử C, H, O nhưng lại là hai chất khác hẳn nhau — vì sao?

Hai chất có cùng công thức $C_2H_6O$: một chất là ethylic alcohol (rượu uống được, dùng trong nước sát khuẩn), chất kia là dimethyl ether (chất gây mê, không uống được). Cùng số nguyên tử C, H, O nhưng lại là hai chất khác hẳn nhau — vì sao?

Câu trả lời nằm ở cách các nguyên tử sắp xếp và liên kết với nhau trong phân tử. Công thức phân tử chỉ cho biết có bao nhiêu nguyên tử mỗi loại, còn công thức cấu tạo cho biết chúng nối với nhau như thế nào. Với hợp chất hữu cơ, cách nối này quan trọng đến mức có thể tạo ra hai chất hoàn toàn khác nhau từ cùng một công thức phân tử.

Câu trả lời nằm ở cách các nguyên tử **sắp xếp và liên kết với nhau** trong phân tử. Công thức phân tử chỉ cho biết *có bao nhiêu* nguyên tử mỗi loại, còn công thức cấu tạo cho biết *chúng nối với nhau như thế nào*. Với hợp chất hữu cơ, cách nối này quan trọng đến mức có thể tạo ra hai chất hoàn toàn khác nhau từ cùng một công thức phân tử.

Công thức phân tử (CTPT)

Công thức phân tử cho biết số lượng nguyên tử của mỗi nguyên tố có trong một phân tử hợp chất. Ví dụ: $CH_4$ (1 nguyên tử C, 4 nguyên tử H), $C_2H_4$ (2 nguyên tử C, 4 nguyên tử H), $C_2H_5OH$ (2 nguyên tử C, 6 nguyên tử H, 1 nguyên tử O). CTPT giống như “danh sách nguyên liệu” — cho biết có gì, nhưng chưa cho biết chúng được lắp ráp ra sao.

**Công thức phân tử** cho biết **số lượng nguyên tử của mỗi nguyên tố** có trong một phân tử hợp chất. Ví dụ: $CH_4$ (1 nguyên tử C, 4 nguyên tử H), $C_2H_4$ (2 nguyên tử C, 4 nguyên tử H), $C_2H_5OH$ (2 nguyên tử C, 6 nguyên tử H, 1 nguyên tử O). CTPT giống như “danh sách nguyên liệu” — cho biết có gì, nhưng chưa cho biết chúng được lắp ráp ra sao.

Công thức cấu tạo (CTCT)

Công thức cấu tạo biểu diễn thứ tự và cách liên kết giữa các nguyên tử trong phân tử, thường vẽ bằng gạch nối: mỗi gạch nối là một liên kết, số gạch nối tại mỗi nguyên tử phải đúng bằng hóa trị của nguyên tố đó. Trong hợp chất hữu cơ, ba hóa trị em cần nhớ chắc: carbon hóa trị IV (4 liên kết), hydrogen hóa trị I (1 liên kết), oxygen hóa trị II (2 liên kết).

Ví dụ, methane $CH_4$ có cấu tạo: một nguyên tử C ở giữa, nối với 4 nguyên tử H xung quanh bằng 4 liên kết đơn — đúng hóa trị IV của carbon. Ethylene $C_2H_4$ có hai nguyên tử C nối với nhau bằng một liên kết đôi ( $C=C$ ), mỗi C còn nối thêm 2 nguyên tử H — tổng cộng carbon vẫn đủ 4 liên kết (2 trong liên kết đôi tính là 2, cộng thêm 2 liên kết đơn với H).

**Công thức cấu tạo** biểu diễn **thứ tự và cách liên kết** giữa các nguyên tử trong phân tử, thường vẽ bằng gạch nối: mỗi gạch nối là một liên kết, số gạch nối tại mỗi nguyên tử phải đúng bằng **hóa trị** của nguyên tố đó. Trong hợp chất hữu cơ, ba hóa trị em cần nhớ chắc: **carbon hóa trị IV** (4 liên kết), **hydrogen hóa trị I** (1 liên kết), **oxygen hóa trị II** (2 liên kết). Ví dụ, methane $CH_4$ có cấu tạo: một nguyên tử C ở giữa, nối với 4 nguyên tử H xung quanh bằng 4 liên kết đơn — đúng hóa trị IV của carbon. Ethylene $C_2H_4$ có hai nguyên tử C nối với nhau bằng **một liên kết đôi** ($C=C$), mỗi C còn nối thêm 2 nguyên tử H — tổng cộng carbon vẫn đủ 4 liên kết (2 trong liên kết đôi tính là 2, cộng thêm 2 liên kết đơn với H).

Viết CTCT luôn theo ba bước: hóa trị → mạch carbon → gắn nguyên tử còn lại.

Vì sao công thức cấu tạo quan trọng?

Vì cùng một công thức phân tử có thể ứng với nhiều cách sắp xếp khác nhau (gọi là hiện tượng đồng phân), dẫn tới các chất có tính chất khác hẳn nhau — như ví dụ ethylic alcohol và dimethyl ether ở phần khởi động. Vì vậy, trong hóa hữu cơ, biết CTPT là chưa đủ; phải biết CTCT mới hiểu đúng bản chất và tính chất của một chất. Ở lớp 9, em chỉ cần nhận biết và viết đúng CTCT của các chất đơn giản, chưa cần đi sâu vào các dạng đồng phân phức tạp.

Vì cùng một công thức phân tử có thể ứng với **nhiều cách sắp xếp khác nhau** (gọi là hiện tượng đồng phân), dẫn tới các chất có **tính chất khác hẳn nhau** — như ví dụ ethylic alcohol và dimethyl ether ở phần khởi động. Vì vậy, trong hóa hữu cơ, biết CTPT là chưa đủ; phải biết CTCT mới hiểu đúng bản chất và tính chất của một chất. Ở lớp 9, em chỉ cần nhận biết và viết đúng CTCT của các chất đơn giản, chưa cần đi sâu vào các dạng đồng phân phức tạp.

Ví dụ

Ví dụ 1 — Viết CTCT của

CH_4

và

C_2H_4

Ví dụ 1 — Viết CTCT của $CH_4$ và $C_2H_4$

1
Viết công thức cấu tạo của methane $CH_4$ và ethylene $C_2H_4$ .
Viết công thức cấu tạo của methane $CH_4$ và ethylene $C_2H_4$.
2
C có hóa trị IV nên cần đúng 4 liên kết đơn. Với 4 nguyên tử H, mỗi H góp đúng 1 liên kết (hóa trị I) → C ở giữa, 4 gạch nối tỏa ra 4 phía tới 4 nguyên tử H. Đủ hóa trị cho cả C và H.
3
Có 2 nguyên tử C và 4 nguyên tử H. Nếu hai C chỉ nối bằng 1 liên kết đơn, mỗi C còn 3 chỗ trống nhưng chỉ có 4 H để chia — không đủ. Vì vậy hai C phải nối với nhau bằng 1 liên kết đôi ( $C=C$ , tính là 2 liên kết), mỗi C còn đúng 2 chỗ trống, vừa khớp với 2 H mỗi bên.
Có 2 nguyên tử C và 4 nguyên tử H. Nếu hai C chỉ nối bằng 1 liên kết đơn, mỗi C còn 3 chỗ trống nhưng chỉ có 4 H để chia — không đủ. Vì vậy hai C phải nối với nhau bằng **1 liên kết đôi** ($C=C$, tính là 2 liên kết), mỗi C còn đúng 2 chỗ trống, vừa khớp với 2 H mỗi bên.
4
$CH_4$ : C nối đơn với 4 H. $C_2H_4$ : hai C nối đôi với nhau, mỗi C nối đơn với 2 H — đây chính là dấu hiệu để lớp sau nhận ra ethylene là một alkene (không no).
$CH_4$: C nối đơn với 4 H. $C_2H_4$: hai C nối đôi với nhau, mỗi C nối đơn với 2 H — đây chính là dấu hiệu để lớp sau nhận ra ethylene là một alkene (không no).

Ví dụ

Ví dụ 2 — So sánh nhóm chức của

C_2H_5OH

và

CH_3COOH

Ví dụ 2 — So sánh nhóm chức của $C_2H_5OH$ và $CH_3COOH$

1
Ethylic alcohol $C_2H_5OH$ và acetic acid $CH_3COOH$ đều là dẫn xuất hydrocarbon có thêm oxygen. Viết CTCT và chỉ ra nhóm nguyên tử đặc trưng (nhóm chức) của mỗi chất.
Ethylic alcohol $C_2H_5OH$ và acetic acid $CH_3COOH$ đều là dẫn xuất hydrocarbon có thêm oxygen. Viết CTCT và chỉ ra nhóm nguyên tử đặc trưng (nhóm chức) của mỗi chất.
2
$C_2H_5OH$ có thể viết đầy đủ là $CH_3{-}CH_2{-}OH$ : mạch 2 carbon nối với nhau, carbon thứ hai nối thêm nhóm $-OH$ (O hóa trị II, một liên kết với C, một liên kết với H). Nhóm $-OH$ này gọi là nhóm hydroxyl, đặc trưng cho alcohol.
$C_2H_5OH$ có thể viết đầy đủ là $CH_3{-}CH_2{-}OH$: mạch 2 carbon nối với nhau, carbon thứ hai nối thêm nhóm $-OH$ (O hóa trị II, một liên kết với C, một liên kết với H). Nhóm $-OH$ này gọi là nhóm **hydroxyl**, đặc trưng cho alcohol.
3
$CH_3COOH$ viết đầy đủ là $CH_3{-}COOH$ : carbon thứ hai liên kết với 2 nguyên tử oxygen theo kiểu đặc biệt — một liên kết đôi $C=O$ và một liên kết đơn $C{-}O{-}H$ . Nhóm này gọi là nhóm carboxyl ( $-COOH$ ), đặc trưng cho acid hữu cơ.
$CH_3COOH$ viết đầy đủ là $CH_3{-}COOH$: carbon thứ hai liên kết với 2 nguyên tử oxygen theo kiểu đặc biệt — một liên kết đôi $C=O$ và một liên kết đơn $C{-}O{-}H$. Nhóm này gọi là nhóm **carboxyl** ($-COOH$), đặc trưng cho acid hữu cơ.
4
Cùng có thêm oxygen nhưng hai chất khác nhóm chức: alcohol có $-OH$ , acid hữu cơ có $-COOH$ . Nhóm chức chính là phần quyết định tính chất hóa học đặc trưng của mỗi loại hợp chất — đây là lí do vì sao rượu và giấm có tính chất rất khác nhau dù đều là dẫn xuất hydrocarbon.
Cùng có thêm oxygen nhưng hai chất khác nhóm chức: alcohol có $-OH$, acid hữu cơ có $-COOH$. Nhóm chức chính là phần quyết định tính chất hóa học đặc trưng của mỗi loại hợp chất — đây là lí do vì sao rượu và giấm có tính chất rất khác nhau dù đều là dẫn xuất hydrocarbon.

Lỗi thường gặp

Đừng nhầm!

Lỗi hay gặp nhất là quên carbon luôn có hóa trị IV — nhiều bạn vẽ nhầm carbon chỉ có 2 hoặc 3 liên kết, hoặc quên rằng một liên kết đôi ( $C=C$ , $C=O$ ) phải được tính là 2 liên kết khi đếm hóa trị. Trước khi kết luận một CTCT đúng, hãy luôn đếm lại: mỗi nguyên tử C phải có đúng 4 liên kết, mỗi O đúng 2, mỗi H đúng 1.

Lỗi hay gặp nhất là **quên carbon luôn có hóa trị IV** — nhiều bạn vẽ nhầm carbon chỉ có 2 hoặc 3 liên kết, hoặc quên rằng một liên kết đôi ($C=C$, $C=O$) phải được tính là **2 liên kết** khi đếm hóa trị. Trước khi kết luận một CTCT đúng, hãy luôn đếm lại: mỗi nguyên tử C phải có đúng 4 liên kết, mỗi O đúng 2, mỗi H đúng 1.

Luyện tập

Ghi nhớ

CTPT cho biết số nguyên tử mỗi nguyên tố; CTCT cho biết cách chúng liên kết. Viết CTCT theo 3 bước: hóa trị → mạch carbon → gắn nguyên tử còn lại. Nhóm $-OH$ đặc trưng cho alcohol, nhóm $-COOH$ đặc trưng cho acid hữu cơ.

Bài tiếp theo

Bây giờ em đã biết đọc CTCT, bài sau em sẽ dùng chính kĩ năng đó để phân biệt hai nhóm hydrocarbon quan trọng: alkane (chỉ liên kết đơn) và alkene (có liên kết đôi).