50 chuyên đề Olympiad Hóa học 5 Cấu trúc, hoạt tính Cơ chế phản ứng Lời mở đầu Các bạn độc giả thân mến Trên tay bạn là bộ sách 50 CHUYÊN ĐỀ OLYMPIAD HÓA HỌC là tuyển tập các câu hỏi trong đề thi Ol.
Trang 350 chuyên đề Olympiad Hóa học
Cấu trúc, hoạt tính & Cơ
chế phản ứng
5
Trang 4Lời mở đầu
Các bạn độc giả thân mến Trên tay bạn là bộ sách 50 CHUYÊN ĐỀ OLYMPIAD HÓA HỌC - là tuyển tập các câu hỏi trong đề thi Olympiad quốc tế và nhiều quốc gia trên thế giới trong những năm gần đây, được phân chia chi tiết thành 50 chuyên đề nhỏ
Từ cách đây 15 năm, các [cựu] quản trị viên box Hóa học OlympiaVN (nay là Tạp chí KEM & website sachhoahoc.xyz) đã bắt đầu biên soạn các tài liệu tương tự, được lưu hành nội bộ - gọi là các Compilation Tuy nhiên, 3 bộ Compilation trước đây bị giới hạn về mặt nội dung (chủ yếu là đề thi HSGQG Việt Nam và IChO, cùng với đề thi Olympiad của khoảng 3, 4 nước), cũng như nhân lực và thời gian có hạn nên sự phân chia các chuyên mục chưa thực sự chi tiết, chỉ chia thành 7 phần lớn chứ chưa chia nhỏ thành các mảng chuyên đề sâu hơn Chính vì vậy, trong năm 2018-2019, chúng tôi quyết định biên soạn lại bộ sách này, với cập nhật thêm đề thi từ rất nhiều quốc gia trên thế giới (đặc biệt là những nước có truyền thống về Olympiad Hóa học như Trung Quốc, Nga và các nước Soviet
cũ, các quốc gia khu vực Baltic, ) và quan trọng hơn là phân chia nội dung chi tiết hơn, với 6 lĩnh vực, 50 chuyên đề - cố gắng bám sát khung chương trình IChO trong khả năng có thể Hi vọng rằng, với tuyển tập này, lời đáp cho câu hỏi: "Có những gì trong đề thi Olympiad Hóa học?" mà rất nhiều độc giả, đặc biệt là những bạn học sinh THPT, vốn thường thắc mắc - sẽ phần nào sáng tỏ
Lưu ý rằng tuyển tập này chọn lọc những câu hỏi từ các đề thi Olympiad, do đó bạn sẽ cần phải có một nền tảng kiến thức tương đối vững chắc về Hóa học phổ thông chuyên sâu để trước khi bắt đầu với hành trình chinh phục kiến thức này Ngoài ra, do tổng hợp từ nhiều nguồn tài liệu nên tuyển tập chưa có được sự thống nhất về mặt danh pháp, mong bạn bỏ qua cho sự bất tiện này
Chúc bạn tìm thấy những niềm vui trong học tập.
Trang 5Mục lục
Chuyên đề 37: Cấu trúc hóa học 11
Bài 1 11
Bài 2 13
Bài 3 14
Bài 4 19
Bài 5 21
Bài 6 22
Bài 7 24
Bài 8 25
Bài 9 28
Bài 10 29
Bài 11 30
Bài 12 31
Bài 13 32
Bài 14 33
Bài 15 34
Bài 16 38
Bài 17 40
Bài 18 41
Bài 19 43
Bài 20 46
Bài 21 48
Bài 22 49
Bài 23 51
Bài 24 54
Bài 25 55
Bài 26 56
Bài 27 57
Bài 28 61
Bài 29 63
Bài 30 66
Bài 31 71
Chuyên đề 38: Ảnh hưởng của cấu trúc đến tính chất 73
Bài 1 73
Bài 2 74
Bài 3 75
Bài 4 76
Bài 5 78
Bài 6 79
Bài 7 82
Bài 8 95
Bài 9 98
Bài 10 99
Bài 11 105
Bài 12 107
Bài 13 109
Bài 14 111
Bài 15 114
Bài 16 116
Bài 17 118
Bài 18 121
Bài 19 122
Bài 20 124
Bài 21 131
Bài 22 132
Bài 23 133
Bài 24 134
Trang 6Bài 25 136
Bài 26 137
Bài 27 138
Chuyên đề 39: Phổ học 139
Bài 1 139
Bài 2 143
Bài 3 146
Bài 4 153
Bài 5 155
Bài 6 163
Bài 7 171
Bài 8 175
Bài 9 178
Chuyên đề 40: Cơ chế phản ứng 187
Bài 1 187
Bài 2 188
Bài 3 196
Bài 4 198
Bài 5 206
Bài 6 212
Bài 7 221
Bài 8 223
Bài 9 224
Bài 10 229
Bài 11 232
Bài 12 234
Bài 14 236
Bài 15 237
Bài 16 238
Bài 17 240
Bài 18 241
Bài 19 243
Bài 20 244
Bài 21 246
Bài 22 247
Bài 23 249
Bài 24 250
Bài 25 251
Bài 26 252
Bài 27 254
Bài 28 256
Bài 29 257
Bài 30 259
Bài 31 260
Bài 33 264
Bài 34 267
Bài 35 270
Bài 36 271
Bài 37 272
Bài 38 273
Bài 39 275
Chuyên đề 41: Xác định sản phẩm phản ứng 276
Bài 1 276
Bài 2 284
Bài 3 287
Bài 4 290
Bài 5 297
Bài 6 299
Bài 7 313
Trang 7Bài 8 315
Bài 9 316
Bài 10 317
Bài 11 318
Bài 12 319
Bài 13 320
Bài 14 321
Bài 15 322
Bài 16 324
Bài 17 326
Bài 18 327
Bài 19 328
Bài 20 329
Bài 21 331
Bài 22 333
Chuyên đề 42: Chuỗi phản ứng từ chất đầu đã biết 338
Bài 1 338
Bài 2 341
Bài 3 343
Bài 4 345
Bài 5 347
Bài 6 348
Bài 7 350
Bài 8 351
Bài 9 353
Bài 10 355
Bài 11 356
Bài 12 358
Bài 14 362
Bài 15 363
Bài 16 365
Bài 17 367
Bài 18 369
Bài 19 372
Bài 20 373
Bài 21 375
Bài 22 376
Bài 23 377
Bài 24 379
Bài 25 380
Bài 26 381
Bài 27 382
Bài 28 383
Bài 29 384
Bài 30 385
Bài 31 387
Bài 32 394
Bài 33 396
Bài 34 397
Bài 35 399
Bài 36 400
Bài 37 408
Bài 38 410
Bài 39 411
Bài 40 413
Bài 41 416
Bài 42 417
Bài 43 418
Bài 44 420
Trang 8Bài 45 422
Bài 46 423
Bài 47 424
Bài 48 426
Bài 49 427
Bài 50 430
Bài 51 432
Bài 52 433
Bài 53 434
Bài 53 435
Bài 54 437
Bài 55 439
Bài 56 440
Bài 57 441
Bài 58 442
Bài 59 443
Bài 60 444
Bài 61 445
Bài 62 446
Bài 63 447
Bài 64 448
Bài 66 450
Bài 67 451
Bài 68 452
Bài 69 453
Bài 70 454
Bài 71 455
Bài 72 456
Bài 73 457
Bài 74 458
Bài 75 460
Bài 76 462
Bài 77 465
Bài 78 467
Bài 79 468
Bài 80 469
Bài 81 471
Bài 82 472
Bài 83 473
Bài 84 474
Bài 85 475
Bài 86 476
Bài 87 477
Bài 88 478
Bài 89 480
Bài 90 484
Bài 91 485
Bài 92 486
Bài 93 492
Bài 94 493
Bài 95 494
Bài 96 495
Bài 97 496
Bài 98 500
Bài 99 504
Bài 100 513
Bài 101 518
Bài 102 523
Bài 103 531
Trang 9Bài 104 534
Bài 105 537
Bài 106 544
Bài 107 549
Bài 108 551
Bài 109 556
Bài 110 562
Bài 111 567
Bài 112 573
Bài 113 578
Bài 114 584
Bài 115 587
Bài 116 594
Bài 117 598
Bài 118 608
Bài 119 612
Bài 120 615
Bài 121 619
Bài 122 622
Bài 123 624
Bài 124 626
Bài 125 632
Bài 126 635
Bài 127 636
Bài 128 638
Bài 129 640
Bài 130 643
Bài 131 646
Bài 132 649
Bài 133 652
Bài 134 655
Bài 135 658
Bài 136 660
Bài 137 662
Bài 138 667
Bài 139 670
Bài 140 672
Bài 141 675
Bài 142 677
Bài 143 679
Bài 144 681
Bài 145 682
Bài 146 685
Bài 147 688
Bài 148 691
Bài 149 695
Bài 150 697
Bài 151 699
Bài 152 701
Bài 153 704
Bài 154 706
Bài 155 709
Bài 156 712
Bài 157 715
Bài 158 719
Bài 159 723
Bài 160 728
Bài 161 730
Bài 162 734
Trang 10Bài 163 738
Bài 164 740
Bài 165 743
Bài 166 745
Bài 167 747
Bài 168 749
Bài 169 751
Bài 170 754
Bài 171 758
Bài 172 760
Bài 173 763
Bài 174 766
Bài 175 769
Bài 176 772
Bài 177 775
Bài 178 779
Bài 179 783
Bài 180 785
Bài 181 787
Bài 182 789
Bài 183 791
Trang 11Chuyên đề 37: Cấu trúc hóa học
Bài 1
Trong các bài giảng Hoá học ở trường, đa số hợp chất hữu cơ được vẽ dưới dạng công thức cấu tạo Tuy đây là phương án tốt để biểu diễn các phân tử nhỏ, nhưng nó lại trở nên phức tạp với các phân tử lớn hơn Với những phân tử phức tạp, như Progesterone, thì nên biểu diễn chúng theo công thức cấu tạo thu gọn (hay công thức khung sườn)
Bảng 1 dưới đây là những cách biểu diễn khác nhau của một số phân tử hữu cơ:
Những phân tử nào ở bảng 1 giống với các phân tử sau?
iii)
Trang 12Bài 2
Do khí propane không có mùi nên cần bổ sung thêm một lượng nhỏ hợp chất khác, có mùi để nhận biết sự rò rỉ khí gas Hợp chất thường dùng là ethyl mercaptan (hay ethanethiol, C2H5SH) Chất này được chọn dùng bởi mũi người có thể phát hiện sự có mặt của nó ở hàm lượng chỉ khoảng 0.02 ppb (ppb = phần tỉ)
tử ethyl mercaptan trên 1 tỉ phân tử propane
Trang 13Bài 3
Nhiều học sinh lầm tưởng rằng các cấu tạo hoá học chỉ được xác định chính xác sau khi các thiết bị
và công cụ phân tích hiện đại ra đời Sẽ thật bất ngờ khi biết rằng tới năm 1910, đã xác định được cấu tạo của hơn 200,000 hợp chất hữu cơ! Một trong những hợp chất hữu cơ có lịch sử thú vị nhất
là benzene (C6H6), có cấu tạo như dưới đây Benzene là một hydrocarbon vòng thơm, trong đó tất
cả các liên kết carbon-carbon đều bằng nhau.
a) Xác định công thức thực nghiệm của benzene.
Michael Faraday đã phát hiện benzene và công bố khám phá của mình với Hiệp hội Hoá học Hoàng gia Anh vào 16 tháng Sáu, 1825 Ông đã phân lập được một chất gọi là “bicarburet of hydrogen” từ một sản phẩm phụ tạo ra khi sản xuất “khí thắp sáng” Sau khi tinh chế hợp chất này bằng cách chưng cất phân đoạn và kết tinh, ông đã tiến hành một số thí nghiệm để xác định nó
Để xác định công thức thực nghiệm, Faraday đã phân tích các sản phẩm đốt cháy by weight khi dẫn hơi benzene qua đồng(II) oxide nung nóng Đồng(II) oxide có thể được tạo thành bằng cách đốt nóng đơn chất đồng trong oxygen tinh khiết, nhưng phương pháp này cũng có thể tạo thành một lượng đồng(I) oxide
b) Viết các phương trình phản ứng tạo ra đồng(I) oxide và đồng(II) oxide từ các đơn chất
Dưới đây là một đoạn trích từ bài báo của Faraday, trong đó ông đã cho hợp chất chưa biết phản ứng hoàn toàn với đồng(II) dioxide, chỉ thu được carbon dioxide và nước
0.776 grain chất này tạo ra 5.6 inch3 khí carbonic (ở 60 oC và áp suất 29.98 inch) và 0.57 grain nước.
Khí carbonic là tên cũ của carbon dioxide, do nó tan trong nước tạo thành carbonic acid “grain” là một đơn vị đo lường cũ, và trong bài toán này cũng không cần quy đổi nó về đơn vị SI
c) Tính hàm lượng hydrogen trong nước.
d) Trong hợp chất phân tích có bao nhiêu grain hydrogen?
5.6 inch3 khí tạo thành trong thí nghiệm tương đương với 0.761704 grain carbon.
e) Tính tỉ lệ khối lượng carbon : hydrogen trong mẫu chất này
f) Công thức thực nghiệm của benzene được xác định theo phương pháp này là gì?
Faraday cũng xác nhận những kết quả của mình bằng cách cho nổ hơi benzene trong oxygen
g) Viết phương trình đốt cháy hoàn toàn (i) carbon, (ii) hydrogen, (iii) hơi benzene trong oxygen
dư
Dưới đây là ghi chép của Faraday về thí nghiệm nổ hỗn hợp 1 phần hơi benzene với 19.6 phần khí oxygen Không phải toàn bộ oxygen đều được dùng tới, bởi 19.6 phần oxygen là quá dư Dưới đây
là một trích dẫn khác:
7 đơn vị thể tích hỗn hợp này được kích nổ trong một ống nghiệm bởi một tia lửa điện, và tổng khối lượng giảm còn 6.13 đơn vị thể tích Hỗn hợp khí tạo thành được dẫn vào bồ tạt
Trang 14thì lượng chất khí giảm tiếp còn 4 đơn vị thể tích Lượng khí còn lại này chính là oxygen tinh khiết.
Nước lỏng được tạo thành trong phản ứng này và không được tính vào thể tích khí Bồ tạt (potash)
là tên gọi gọi cũ của potassium hydroxide, chất này phản ứng với carbon dioxide tạo thành potassium carbonate rắn
h) Có bao nhiêu đơn vị thể tích carbon dioxide tạo thành trong phản ứng đốt cháy này?
i) Phản ứng này cần dùng bao nhiêu đơn vị thể tích oxygen?
Thể tích khí tỉ lệ thuận với số mol chất
j) Từ dữ kiện phản ứng đốt cháy, tính tỉ lệ khối lượng của carbon và hydrogen trong hợp chất
chưa biết này Từ tỉ lệ này xác định công thức thực nghiệm của hợp chất
Ở thời kì của Faraday, hydrogen chưa được biết tới là một chất khí lưỡng phân tử, mà được xem là khí đơn nguyên tử Nghĩa là carbon được gắn với khối lượng mol 6.00, còn oxygen là 8.00 so với hydrogen – chất có khối lượng mol 1.00
k) Faraday đã xác định được khối lượng mol benzene bằng bao nhiêu nếu chỉ sử dụng dữ kiện
phản ứng đốt cháy
Sau khi xác định được khối lượng mol benzene, thử thách tiếp theo của các nhà hoá học là hiểu được cấu tạo của nó Do cấu trúc có độ bất bão hoà cao và hoạt tính hoá học bất thường, nên đã
có rất nhiều tranh cãi về cấu tạo hoá học thật sự của benzene Nhiều cấu trúc đã được đề xuất cho benzene, như dưới đây, và tất cả đều thoả mãn hoá trị carbon
l) Vẽ một trong các cấu tạo khác của C6H6 cũng thoả mãn các quy tắc hoá trị của carbon.
Một trong những cơ sở xác định cấu tạo chính xác là số lượng đồng phân tạo thành khi thay thế các nguyên tử hydrogen bởi các nguyên tử chlorine Các nhà nghiên cứu thấy rằng khi thay thế 1 hydrogen trong benzene bởi 1 chlorine thì chỉ tạo ra duy nhất 1 cấu tạo mới Nghĩa là tất cả các nguyên tử hydrogen trong benzene là tương đương nhau
m) Cấu tạo nào ở trên chỉ tạo ra một sản phẩm thế mono duy nhất?
Sự thay thế 2 nguyên tử hydrogen bởi 2 nguyên tử chlorine sẽ tạo thành 3 sản phẩm thế Quan sát này cho thấy rằng chỉ có cấu tạo Kekulé và prismane có khả năng là cấu tạo thật
n) Vẽ các đồng phân hai lần thế với mỗi cấu tạo Kekulé và prismane.
Ngày nay, chúng ta đã biết cấu tạo Kekulé là chính xác, bởi Van’t Hoff đã chỉ ra rằng một trong những cấu tạo ở trên có tính quang hoạt, và phản ứng thế vào benzene thì chẳng có sản phẩm nào
có tính quang hoạt cả Có thể xem rằng một hợp chất quang hoạt thông thường thì sẽ có 1 nguyên
tử carbon với 4 liên kết đơn, và mỗi liên kết đó gắn với các nhóm khác nhau
o) Đồng phân nào bạn vẽ ở trên có tính quang hoạt?
Trang 15Bài 4
1) Khi các phân tử polyacetylene gắn với các thuốc, amino acid, đường hoặc các phân tử nhỏ khác
thì nó sẽ có các hoạt tính sinh học nhất định Dưới đây là một vài dẫn xuất của polyacetylene được tổng hợp trong những năm gần đây:
a) Hãy viết cấu trúc của phân tử thuốc carboxylic acid trong A và gọi tên theo danh pháp.
b) Hãy viết cấu trúc của amino acid trong B và gọi tên theo danh pháp.
c) Hãy viết công thức hình chiếu Fischer cho phân tử đường trong C và gọi tên theo danh pháp.
2) Liên kết C-O nào dài nhất trong số 4 chất sau Giải thích.