CHƯƠNG IV. ĐẠI CƯƠNG VỀ HÓA HỮU CƠ I. MỞ ĐẦU VỀ HÓA HỌC HỮU CƠ
1. Khái niệm về hợp chất hữu cơ và hóa học hữu cơ
Hợp chất hữu cơ là hợp chất của cacbon (trừ CO, CO2, muối cacbonat, muối cacbua, muối cianua, …). Hóa học hữu cơ là ngành hóa học nghiên cứu các hợp chất hữu cơ.
2. Phân loại hợp chất hữu cơ
Thường chia thành hai loại: hiđrocacbon chỉ chứa C, H và dẫn xuất hiđrocacbon chứa C, H và một số nguyên tố khác như O, N, Cl, ...
3. Đặc điểm chung của hợp chất hữu cơ
Đặc điểm cấu tạo: Liên kết hóa học chủ yếu trong hợp chất hữu cơ là liên kết cộng hóa trị.
Cacbon luôn có hóa trị là 4.
Tính chất vật lý: Nhiệt độ nóng chảy, nhiệt độ sôi thấp. Phần lớn không tan trong nước, nhưng tan nhiều trong các dung môi hữu cơ.
Tính chất hóa học: Các hợp chất hữu cơ thường kém bền với nhiệt và dể cháy. Phản ứng hóa học của các hợp chất hữu cơ thường xảy ra chậm và theo nhiều hướng khác nhau, tạo ra hỗn hợp sản phẩm.
4. Phép phân tích nguyên tố
a. Phân tích định tính: Xác định nguyên tố nào có trong hợp chất hữu cơ. Nguyên tắc:
chuyển các nguyên tố có trong hợp chất hữu cơ thành các chất vô cơ đơn giản rồi nhận biết chúng bằng các phản ứng đặc trưng.
b. Phân tích định lượng: Xác định thành phần phần trăm về khối lượng các nguyên tố có trong phân tử hợp chất hữu cơ. Nguyên tắc xác định thành phần chất hữu cơ là cân chính xác khối lượng hợp chất hữu cơ, sau đó chuyển nguyên tố có trong hợp chất như C, H, N thành chất vô cơ như CO2, H2O, N2, sau đó xác định chính xác khối lượng hoặc thể tích của các sản phẩm tạo thành, rồi tính phần trăm khối lượng các nguyên tố
Khối lượng mỗi nguyên tố: mC 12mCO2 ; mH mH O2 ; mN 28VN2
44 9 22, 4
Khối lượng oxi thường tính sau cùng: mO = m – mH – mC – mN. Từ đó tính phần trăm mỗi nguyên tố.
BÀI TẬP TỰ LUYỆN
Ví dụ 1: Oxi hóa hoàn toàn 0,6 gam hợp chất hữu cơ A thu được 0,672 lit khí CO2 đktc và 0,72 gam H2O. Tính thành phần phần trăm khối lượng của các nguyên tố trong phân tử chất A?
Hướng dẫn giải bài tập
Oxi hóa A thu được CO2 và H2O => hợp chất A có C, H có thể có O.
nCO2 = 0,672/22,4 = 0,03 mol; nH2O = 0,72/18 = 0,04 mol
=> nC = nCO2 = 0,03 mol; nH = 2nH2O = 0,08 mol;
%(m)C = (12.0,03.100%)/0,6 = 60%; %(m)H = (1.0,08.100%)/0,6 = 13,33%
%(m)O = 100% - (60% + 13,33%) = 26,67%
Ví dụ 2: Oxi hoá hoàn toàn 0,135 g hợp chất hữu cơ A rồi cho sản phẩm lần lượt qua bình 1 chứa H2SO4 đặc và bình 2 chứa KOH, thì thấy khối lượng bình 1 tăng lên 0,117 g, bình 2 tăng thêm 0,396 g. Ở thí nghiệm khác, khi nung 1,35 g hợp chất A với CuO thì thu được 112 ml (đktc) khí nitơ. Tính thành phần phần trăm của các nguyên tố trong phân tử chất A.
Hướng dẫn giải bài tập
Khối lượng bình 1 tăng là khối lượng của H2O => nH = 2nH2O = 2.0,117/18 = 0,013 mol Khối lượng bình 2 tăng là khối lượng của CO2 => nC = nCO2 = 0,396/44 = 0,009 mol Số mol N trong 0,135 gam hợp chất hữu cơ A là: nN = nN2 = 2.0,112/22,4.10 = 0,001 mol
%(m)C = (12.0,009.100%)/0,135 = 80%
%(m)H = (1.0,0013.100%)/0,135 = 9,63%
%(m)N = (14.0,001.100%)/0,135 = 10,37%
%(m)O = 100% - (80% + 9,63% + 10,37%) = 0%
Bài 1. Oxi hóa hoàn toàn 0,6 gam hợp chất hữu cơ A thu được 0,672 lít khí CO2 (ở đktc) và 0,72 gam nước. Tính phần trăm khối lượng các nguyên tố trong phân tử chất A.
ĐS: 60%C; 16,67%H; 23,33%O
Bài 2. Oxi hóa hoàn toàn 0,67 gam β–caroten rồi dẫn sản phẩm oxi hóa qua bình A đựng dung dịch H2SO4 đặc, sau đó qua bình B đựng Ca(OH)2 dư. Kết quả cho thấy khối lượng bình A tăng 0,63 gam; bình B có 5 gam kết tủa. Tính phần trăm khối lượng các nguyên tố trong phân tử của β–
caroten. ĐS: 89,55%C; 10,45%H
II. CÔNG THỨC PHÂN TỬ CỦA HỢP CHẤT HỮU CƠ
1. Công thức đơn giản nhất: Công thức đơn giản nhất là công thức biểu thị tỉ lệ tối giản về số nguyên tử của các nguyên tố trong phân tử.
Cách thiết lập công thức đơn giản nhất từ công thức tổng quát: CxHyOzNt. Tính tỉ lệ các chỉ số ở chân x : y : z : t = mC :mH :mO :mN
12 1 16 14
Đưa tỉ lệ về các số nguyên tối giản rồi viết công thức đơn giản nhất theo các số nguyên đó.
2. Công thức phân tử: Công thức phân tử là công thức biểu thị số lượng nguyên tử của mỗi nguyên tố trong phân tử.
Cách thiết lập công thức phân tử: có hai cách thiết lập công thức phân tử.
* Dựa vào phần trăm khối lượng các nguyên tố
Công thức phân tử là CxHyOzNt ta có 12x y 16z 14t M
%C %H %O %N 100. Từ đó suy ra x, y, z, t.
* Dựa vào công thức nguyên (CaHbOcNd)n. Từ phân tử khối M = n(12a + b + 16c + 14d) → n.
BÀI TẬP TỰ LUYỆN
Bài 1. Tính khối lượng mol phân tử của chất X biết thể tích hơi của 3,3 gam chất X bằng thể tích của 1,76 gam khí oxi đo ở cùng điều kiện nhiệt độ, áp suất. ĐS: M = 60 g/mol
Bài 2. Kết quả phân tích nguyên tố cho thấy limonen cấu tạo từ hai nguyên tố C và H, trong đó C chiếm 88,235% về khối lượng. Tỉ khối hơi của limonen so với không khí gần bằng 4,69. Lập công thức phân tử của limonen. ĐS: C10H16.
Bài 3. Đốt cháy hoàn toàn 0,3 gam chất A mà phân tử chỉ chứa C, H, O thu được 0,44 gam khí CO2
và 0,18 gam nước. Thể tích hơi của 0,3 gam chất A bằng thể tích của 0,16 gam khí oxi (đo ở cùng điều kiện). Xác định công thức phân tử của chất A. ĐS: C2H4O2.
Bài 4. Anetol có phân tử khối bằng 148. Phân tích nguyên tố cho thấy anetol có %C = 81,08%; %H
= 8,1%, còn lại là oxi. Lập công thức đơn giản nhất và công thức phân tử của anetol. ĐS:
C10H12O
Bài 5. Hợp chất X có phần trăm khối lượng C, H, O lần lượt là 54,54%, 9,1% và 36,36%. Phân tử khối của X là 88 đvC. Lập công thức phân tử của X. ĐS: C4H8O2.
Bài 6. Hợp chất Z có công thức đơn giản nhất là CH3O và có tỉ khối hơi so với hidro là 31. Xác định công thức phân tử của Z. ĐS: C2H6O2.
III. Cấu trúc phân tử hợp chất hữu cơ Tóm tắt lý thuyết
1.1. Công thức cấu tạo 1.1.1. Khái niệm
o Công thức cấu tạo biểu diễn thứ tự và cách thức liên kết (liên kết đơn, liên kết bội) của các nguyên tử trong phân tử.
o Biết công thức cấu tạo của hợp chất hữu cơ sẽ dự đoán tính chất hóa học cơ bản.
1.1.2. Các loại công thức cấu tạo a. Công thức cấu tạo khai triển
– Biểu diễn tất cả các liên kết trên mặt phẳng giấy.
Thí dụ
Công thức này có nhược điểm là khi viết sẽ lâu và cồng kềnh, không tiện khi viết phương trình phản ứng và tính toán hóa học do đó người ta sinh ra công thức cấu tạo thu gọn và công thức cấu tạo thu gọn nhất.
b. Công thức cấu tạo thu gọn
o Cách biểu diễn các nguyên tử, nhóm nguyên tử cùng liên kết với một nguyên tử cacbon được viết thành một nhóm.
o Ví dụ:
CH3 -CH2-CH2-OH; C6H5-COOH hay CH3-CH2-CHO c. Công thức cấu tạo thu gọn nhất
o Cách biểu diễn chỉ biểu diễn liên kết giữa các nguyên tử cacbon và với nhóm chức. mỗi đầu đoạn thẳng hoặc điểm gấp khúc ứng với một nguyên tử cacbon, không biểu diễn số nguyên tử hiđro.
o Ví dụ:
Để biểu diễn công thức cấu tạo thu gọn nhất của CH3-CH2-CH2-CH3 như sau:
Để biểu diễn công thức cấu tạo thu gọn nhất của CH3-CH2-CH2-OH như sau:
d. Bảng hệ thống
Công thức cấu tạo khai triển Công thức cấu tạo thu gọn
Hoặc
Hoặc
CH3-CH2-CH2-OH Hoặc
1.2. Thuyết cấu tạo hoá học 1.2.1. Nội dung
a. 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. Sự thay đổi liên kết đó tức là thay đổi cấu tạo hoá học sẽ tạo ra chất mới.
Ví dụ: Ancol etylic và đimetyl ete
Hình 1: Công thức cấu tạo của ancol etylic (a) và đimetyl ete (b)
o Ancol etylic có công thức cấu tạo CH3-CH2-OH, nhiệt độ sôi ts = 78,3oC. Tan vô hạn trong nước, tác dụng với Na sinh khí H2
o Đimetyl ete có công thức cấu tạo CH3-O-CH3, nhiệt độ sôi ts = -23oC. Tan ít trong nước, không tác dụng với Na.
b.Trong phân tử hợp chất hữu cơ, cacbon có hoá trị bốn. Nguyên tử cacbon không những có thể liên kết với nguyên tử của các nguyên tố khác mà còn liên kết với nhau tạo thành mạch cacbon (mạch vòng, mạch không hở (mạch nhánh và mạch không nhánh)).
Mạch hở không nhánh Mạch hở có nhánh Mạch vòng
H3C-CH2-CH2-CH3
c. Tính chất của các chất phụ thuộc vào thành phần phân tử (bản chất, số lượng các nguyên tử) và cấu tạo hoá học (thứ tự liên kết các nguyên tử).
Khác về loại nguyên tử
CH4 ts = -162oC Không tan trong nước, cháy với oxi.
CCl4 ts = 77,5oC Không tan trong nước, không cháy với oxi
Cùng CTPT, khác CTCT
CH3CH2OH ts = 78,3oC Tan nhiều trong nước, tác dụng với natri.
CH3OCH3 ts = -23oC Tan ít trong nước không phản ứng với natri
Khác CTCT, tương tự CTCT
CH3CH2OH ts = -78,3oC Tan nhiều trong nước tác dụng với Natri
CH3CH2CH2OH ts = -97,2oC Tan nhiều trong nước, tác dụng với Natri
1.2.2. Ý nghĩa
Thuyết cấu tạo hoá học giúp giải thích được hiện tượng đồng đẳng, đồng phân.
1.3. Đồng đẳng – đồng phân 1.3.1. Đồng đẳng
a. Thí dụ
o Đồng đẳng của anken là:
C2H4 (CH2=CH2), C3H6 (CH2=CH-CH3), C4H8 (CH2=CH-CH2-CH3 hay CH3-CH=CH-CH3 hoặc CH2=CH(CH3)CH3) … CnH2n
o Đồng đẳng của ancol là: CH3-OH, C2H5-OH, C3H7-OH… CnH2n+1OH b. Khái niệm
– Những hợp chất có thành phần phân tử hơn kém nhau một hay nhiều nhóm CH2 nhưng có tính chất hoá học tương tự nhau là những chất đồng đẳng, chúng hợp thành dãy đồng đẳng.
1.3.2. Đồng phân a. Thí dụ
CH3-O-CH3 và CH3-CH2-OH đều có cùng công thức phân tử là C2H6O.
b. Khái niệm
– Những hợp chất khác nhau nhưng có cùng công thức phân tử được gọi là các chất đồng phân của nhau.
– Thí dụ:
Đồng phân mạch Cacbon
CH3-CH2-CH2-OH
Đồng phân vị trí liên kết bội
CH2=CH-CH2-CH2-CH3 CH3-CH=CH-CH2-CH3
Đồng phân loại nhóm chức
CH3-CH2-OH CH3-O-CH3
Đồng phân vị trí nhóm chức
CH3-CH2-CH2-CH2-OH
1.4. Liên kết hóa học và cấu trúc phân tử hợp chất hữu cơ
o Gồm hai loại cơ bản là liên kết pi (π) và xichma ( δ\deltaδ )
o Liên kết pi kém bền, liên kết xichma bền.
o Sự tổ hợp tạo ra 3 liên kết là liên kết đơn, đôi và ba.
o LK đơn LK đôi LK ba
Hình thành do 1 cặp e do 2 cặp e do 3 cặp e
Cấu trúc 1 δ\deltaδ 1δ\deltaδ + 1π\piπ 1δ\deltaδ + 2π\piπ
Tính chất bền kém bền kém bền
Biểu diễn − = ≡
o Ví dụ về Liên kết đơn
Hình 2: Mô hình phân tử Metan CH4
a) Cấu trúc đặc b) Cấu trúc rỗng
o Ví dụ về Liên kết đôi
Hình 3: Mô hình phân tử Etilen CH2=CH2
a) Cấu trúc đặc b) Cấu trúc rỗng
o Ví dụ về Liên kết ba
Hình 4: Mô hình phân tử Axetilen CH≡CHCH \equiv CHCH≡CH a) Cấu trúc đặc b) Cấu trúc rỗng
Câu 1: Viết đồng phân ứng với công thức phân tử C4H10. ĐS:4
Câu 2: Viết đồng phân cấu tạo ứng với công thức phân tử C5H10. ĐS:5 Câu 3: Viết đồng phân cấu tạo ứng với công thức phân tử C3H5Cl. ĐS:3
