Một số bài tập hay bồi dưỡng học sinh giỏi hóa học

Trên cơ sở sự lai hoá các obitan nguyên tử hãy mô tả sự hình thành các liên kết trong phân tử CH4, C2H4, C2H2.. Bốn obitan lai hoá sp3 có các trục tạo với nhau một góc 109028' và hướng v

Trang 1

Bài số 1

1 Thế nào là sự lai hoá sp3, sp2, sp?

2 Liên kết xichma(σ), liên kết pi(π) là gì?

Trên cơ sở sự lai hoá các obitan nguyên tử hãy mô tả sự hình thành các liên kết trong phân tử CH4, C2H4, C2H2

Bài giải

1

a Lai hoá sp 3 :

- Xét cho nguyên tử cacbon

Cấu hình electron: 6C 1s22s22p2

Lớp electron ngoài cùng:

Tr¹ng th¸i c¬ b¶n Tr¹ng th¸i kÝch thÝch

Một obitan 2s tổ hợp với ba obitan 3p tạo ra bốn obitan mới(4 obitan lai hoá sp 3) hoàn toàn đồng nhất và có dạng khác với các obitan ban đầu Bốn obitan lai hoá sp3 có các trục tạo với nhau một góc 109028' và hướng về bốn đỉnh của một hình tứ diện đều Sự lai hoá này

được gọi là lai hoá sp 3

hay lai hoá tứ diện

z

y

x

2pz

2px

2py 2s

1

9 2

8' 0

sp3

b Lai hoá sp 2 :

Một obitan 2s tổ hợp với hai obitan 2p cho ba obitan lai hoá sp2 hoàn toàn đồng nhất

Ba obitan lai hoá sp2 này có trục tạo với nhau một góc 1200 và hướng về ba đỉnh của một tam

giác đều Sự lai hoá này gọi là lai hóa sp 2 hay lai hoá tam giác

sp2

2p

2p 2s

1 0

0

Mỗi nguyên tử C còn một obitan 2p có trục thẳng góc với mặt phẳng chứa 3 obitan lai hoá sp2

Trang 2

c Lai hoá sp:

Một obitan 2s tổ hợp với một obitan 2p cho hai obitan lai hoá sp hoàn toàn đồng nhất Hai obitan lai hoá sp này có trục nằm trên một đường thẳng nhưng hướng về hai phía khác

nhau Sự lai hoá này gọi là lai hoá sp hay lai hoá đường thẳng

2p

Mỗi nguyên tử C còn hai obitan 2p có trục thẳng góc với nhau và thẳng góc với trục của hai obitan lai hoá sp

2.a Liên kết xichma(σ):

- Liên kết σ được hình thành do sự xen phủ của các obitan dọc theo trục nối hai hạt nhân nguyên tử(xen phủ trục)

b Liên kết pi(π):

- Liên kết π được hình thành do sự xen phủ bên của hai obitan p có trục song song với nhau Vùng xen phủ nằm ở hai phía của đường thẳng nối hai hạt nhân

p p

CH4

- Nguyên tử C ở trạng thái lai hoá sp3

- Bốn obitan lai hoá sp3 của C xen phủ với 4 obitan s của nguyên tử H tạo thành 4 liên kết σ

H

H H H

H

H H

Phân tử có dạng tứ diện đều

C2H4

- Hai nguyên tử C đều ở trạng thái lai hoá sp2

- Mỗi nguyên tử C sử dụng một obitan sp2 để xen phủ với nhau và hai obitan sp2 còn lại xen phủ với obitan 1s của hai nguyên tử H tạo nên các liên kết σ Các nguyên tử C và H nằm trong cùng một mặt phẳng

σ σ σ σ

Trang 3

C H

H

H C

Hai nguyên tử C còn hai obitan 2p không tham gia lai hoá có trục song song với nhau

và thẳng góc với mặt phẳng chứa các nguyên tử C và H Hai obitan này xen phủ bên với nhau tạo thành liên kết π

H

C C

H H

C2H2

- Hai nguyên tử C ở trạng thái lai hoá sp

- Mỗi nguyên tử C sử dụng một obitan lai hoá sp để xen phủ với nhau và obitan sp còn lại xen phủ với obitan 1s của nguyên tử H hình thành nên các liên kết σ Các nguyên tử C và H nằm trên một đường thẳng

H

C

H C

Mỗi nguyên tử C còn lại hai obitan 2p không tham gia lai hoá, chúng xen phủ bên từng đôi một tạo ra hai liên kết π

-

Ghi chú

- Obitan lai hoá có khả năng xen phủ cao hơn so với obitan chưa lai hoá

- Liên kết σ tương đối bền do vùng xen phủ giữa hai obitan tương đối lớn

Liên kết π ít bền do vùng xen phủ giữa hai obitan không lớn

- Liên kết đơn: gồm 1 liên kết σ

Liên kết đôi: gồm 1 liên kết σ và 1 liên kết π

Liên kết ba: gồm 1 liên kết σ và 2 liên kết π

- Tương tự nguyên tử C, khi tham gia liên kết nguyên tử N cũng có thể ở các trạng thái lai hoá

sp3(R1 R2 R3N), sp2(RCH = NOH), sp(HC ≡ N), v.v

- Do sự xen phủ trục của các obitan khi tạo liên kết đơn(liên kết σ) nên có sự quay tự do xung quanh trục nối hai hạt nhân nguyên tử tạo liên kết mà vẫn bảo toàn liên kết

Liên kết đôi, liên kết ba với sự xen phủ bên của các obitan tạo liên kết π nên làm triệt tiêu sự quay tự do xung quanh trục nối hai hạt nhân nguyên tử tạo liên kết

σ σ

σ π

Trang 4

Bài số 2

1 Cho biết kiểu lai hoá và loại liên kết(σ, π) của các nguyên tử trong các hợp chất sau:

ClCH2 - CHO; CH2 = CH - CN; CH2 = C = O

2 Cho biết kiểu lai hoá của các nguyên tử C, N, S, Br trong các hợp chất sau:

CH3 - CH3; CH2 = CH2; CH ≡ CH; C6H6; CH2 = C = CH2; NH2OH; H2S; BF4-; HO - C

≡ N

Bài giải

1

sp

sp2

2

CH3 - CH3 : 3 3

sp

CH2 = CH2 : 2 2

sp

CH ≡ CH : Csp − Csp

C6H6 : 2

sp

C

CH2 = C = CH2 : Csp2 − Csp − Csp2

NH2OH: 3

sp N

H2S : Sp

BF4- : Bsp3

HO - C ≡ N : Csp - Nsp

Bài số 3

1 So sánh độ dài liên kết:

CH3 a* CH2 a' CH3 CH3 b* CH b' CH2 CH3c* C c' CH

a.

Giữa (a*, b*, c*); (a', b', c')

b CH C m C CH CH2 CH n CH CH2 CH C l CH CH2

Giữa (m, n, l)

σ

π π

σ σ

σ π

Trang 5

2 So sánh góc liên kết, độ dài liên kết C - C, C - H, độ phân cực của liên kết C←H giữa các chất sau:

C2H2; C2H4; C2H6

Bài giải

1 a Do sự lai hoá các obitan của nguyên tử cacbon mà ta có bán kính của cacbon lai hoá:

sp sp

C 3 > 2 >

Cụ thể: 0 , 771 0

r sp

665 , 0

r sp

sp

→ a* > b* > c* và a' > b' > c' (độ bội liên kết càng tăng thì độ dài liên kết càng giảm)

Cụ thể: C 3 C 3 1 , 54 A0

sp

b Tương tự phần a ta có: n > l > m

c - Góc liên kết: Vì các nguyên tử cacbon ở trạng thái lai hoá khác nhau thì góc liên kết khác nhau

109 28'0 1200 180

0

3

sp

Góc liên kết trong C2H6(C lai hoá sp 3)< C2H4(C lai hoá sp 2) < C2H2(C lai hoá sp)

- Độ dài liên kết C - C: Độ bội liên kết càng tăng thì độ dài liên kết càng giảm

→ C2H2 < C2H4 < C2H6

- Độ dài liên kết C - H: Do sự lai hoá của nguyên tử cacbon nên:

→ độ dài liên kết C - H: C2H2 < C2H4 < C2H6

- Độ phân cực của liên kết C←H: Do ở các trạng thái lai hoá khác nhau thì nguyên tử cacbon

có độ âm điện khác nhau

sp sp

χ 3 < 2 <

Cụ thể: 2 , 5

sp

C

sp

C

sp

C

χ

→ Độ phân cực của liên kết C←H: C2H6 < C2H4 < C2H2

c Xiclohexan - 1(S),3(S) - điol

Trang 6

Bài số 4.

Khi cho 2 - brombutan và 2 - metyl - 3 - trimetylamonipentan tác dụng với dung dịch KOH/C2H5OH thu được những sản phẩm nào?

Bài giải

1

S¶n phÈm phô S¶n phÈm chÝnh

CH2 CH2

CH2

CH3

- HBr

KOH/C2H5OH

CH3 CH2 CH CH3

Br

CH CH3

-

Ghi chú

Qui tắc Zaixep Trong phản ứng tách nucleofin, nhóm X(Br, H 2 O + , .) tách ra cùng với nguyên tử cacbon β bên cạnh có bậc tương đối cao hơn để tạo ra olefin có tương đối nhiều nhóm thế hơn ở hai nguyên tử cacbon mang nối đôi

II' I'

H3C

H

CH3

H C C

CH3CH2

H

C C

II I

OH C

CH3CH2

H

Br

H OH

H

H HO

H3C

H

H Br

CH3 C

OH

CH2 H

CH3CH H CH Br

Trạng thái chuyển tiếp II ổn định hơn I bởi có nhiều nhóm ankyl hơn Sản phẩm II' bền hơn (nhiệt hiđro hoá 119,54kJ/mol) sản phẩm I'(nhiệt hiđro hoá 126,94kJ/mol)

Lập thể phản ứng tách

Qui tắc Ingol: Sự tách lưỡng phân tử chỉ xảy ra dễ dàng khi mà 4 trung tâm phản ứng

nằm trong một mặt phẳng và các nhóm thế được tách ra ở dạng trans(vị trí anti) đối với nhau

CH3 CH2 CH CH3

Br

KOH/C2H5OH

- HBr CHD¹ng 3 CHcis hay transCH CH3

*

Xét một đối quang và nhìn dọc theo trục C2 - C3:

CH3

H

CH3

C C

CÊu d¹ng bÒn

H

CH3 Br

H

CH3

H Br

Trang 7

OH

cis - 2 - buten

CH3

H

CH3

H

C C

CÊu d¹ng kÐm bÒn

CH3

H

H Br

H

CH3

H

Br

-

S¶n phÈm Zaixep(phô)

S¶n phÈm Hopman(chÝnh)

CH3

CH2

CH C

CH3

- N(CH3)3, HOH

CH3 CH

CH CH

CH3

CH3 OH

4 3 2

1

CH3

H3C N CH3

CH3

CH2

CH CH

CH3

2.

Qui tắc Zaixep không áp dụng được với X có thể tích lớn, hút electron

Giải thích

- Muốn xét sự tạo thành sản phẩm Zaixep ta nhìn dọc theo trục C2 - C3:

CÊu tróc nµy rÊt kh«ng bÒn

OH

H3C N CH3

CH3

H

CH3

H3C

C3

C2

S¶n phÈm Zaixep(phô)

H

CH2CH3 H

CH3

- Nhìn dọc theo trục C3 - C4:

H

CH(CH3)2

CH3

H

CH3

CÊu tróc nµy bÒn h¬n

OH

H3C N CH3

CH3

H

H3C

C3

C4

S¶n phÈm Hopman(chÝnh)

Trang 8

Bài số 5.

Đốt cháy hoàn toàn một hiđrocacbon A ròi hấp thụ hết sản phẩm cháy vào một bình đựng dung dịch Ca(OH)2 Sau thí nghiệm thấy khối lượng bình tăng 26,24 gam Lọc thu được

20 gam kết tủa Đun sôi nước lọc một thời gian lâu lại thu được 10 gam kết tủa nữa

Khi cho một lượng A bằng đúng lượng đã đốt cháy ở trên với clo ở 3000C thu được hỗn hợp C gồm 4 sản phẩm dẫn xuất chứa clo của A là đồng phân của nhau với hiệu suất 100% Hỗn hợp C có tỉ khối hơi so với H2 nhỏ hơn 93

Xác định công thức của A và tính thành phần % theo khối lượng mỗi chất trong hỗn hợp C

Bài giải

Ghi chú

Trong phản ứng thế halogen của ankan, thực nghiệm cho thấy, nếu coi khả năng phản ứng của CI - H là 1 thì khả năng phản ứng của CII - H và CIII - H như sau:

-

A + O2 →0

t CO2 + H2O Khi dẫn sản phẩm cháy vào dung dịch Ca(OH)2 thì hơi nước ngưng tụ còn CO2 có phản ứng:

CO2 + Ca(OH)2 → CaCO3↓ + H2O (1)

có thể có:

2CO2 + Ca(OH)2 → Ca(HCO3)2 (2)

→mbình tăng = mCO mH O

2

Đun nóng nước lọc lại thu được kết tủa chứng tỏ có (2), vì:

Ca(HCO3)2 →t0

CaCO3↓ + CO2↑ + H2O (3)

mol x

n n

nCO CaCO CaCO 0 , 4

100

10 2 100

20

2 (3)

) 1 ( )

3

(

),

2

(

),

1

(

3 3



mol

18

44 4 , 0 24 , 26

→

O

H

n

2

2 < → A là ankan CnH2n + 2

CnH2n + 2 + 2

2

1 3

O

n+ →t0

nCO2 + (n + 1)H2O

48

,

0

4

,

0

1 =

+

n

→ n = 5 A : C5H12

Ta có: C5H12 + nCl2 → C5H12 - nCln + nHCl

Trang 9

3 , 9 2

5 , 34 72 2

2

CH3 - CH2 - CH2 - CH2 - CH3 3 > 11 > 10

CH3 CH CH2 CH3

4 > 6 > 6

CH3 C CH3

CH3

A là:

CH3

CH2 CH

CH3

CH2 CH

CH3 Cl2, 3000C

1 : 1

CH2 CH CH2 CH3

CH3 Cl

CH3 CCl CH2 CH3

CH3

CH3 CH CH CH3

CH3 Cl

CH3 CH CH2 CH2Cl

CH3

Khả năng phản ứng với clo của H - C I : H - C II : H - C III = 1 : 3,3 : 4,4

CH2 CH CH2 CH3

CH3

Cl

6.1 + 2.3,3 + 1.4,4

100% = 30%

Tương tự:

= 22%

%

CH3

CH2 CCl

CH3

Trang 10

= 15%

%

= 33%

%

CH3

CH2Cl

CH2 CH

CH3

Cl

CH3

CH3 CH

CH

CH3

Đó là % mỗi chất về số mol cũng là % về khối lượng của mỗi chất do chúng có khối lượng phân tử bằng nhau

Bài số 6

Khi cho isobutilen vào dung dịch H2SO4 60%, đun nóng tới 800C thu được hỗn hợp gọi tắt là đi - isobutilen gồm hai chất đồng phân của nhau A và B Hiđro hoá hỗn hợp này được hợp chất C quen gọi là isooctan C là chất được dùng để đánh giá nhiên liệu lỏng

C cũng có thể được điều chế bằng phản ứng trực tiếp của isobutilen với isobutan khi

có mặt axit vô cơ làm xúc tác

Hãy gọi tên C theo IUPAC và viết các phương trình phản ứng giải thích sự tạo thành

A, B, C

Bài giải

H2SO4 → H+ + HSO4-

+

CH3

CH3 C

CH3 H

CH3

CH2 C

CH3

CH3 C

CH2

CH3

C

CH3 +

CH3

C

CH3

CH2 C

CH3 C

CH3

CH2 C CH3

CH3

CH3 C CH C CH3

CH3

CH3 (A) (> 80%)

(< 20%) (B)

CH3

CH2

CH2 C C

CH3

Zaixep

- H

H⊕ sinh ra lại quay về (1) Quá trình xảy ra liên tục

δ+

δ-

δ+

Trang 11

Copyright â Tạp chớ dạy và học Húa học, http://ngocbinh.webdayhoc.net

(A)

CH3

CH3 C

CH

C

CH3

CH2 CH CH3

CH3 Isooctan(C) 2,2,4 - trimetylpentan (Qui ước có chỉ số octan là 100)

Isobutilen với isobutan khi cú mặt axit vụ cơ làm xỳc tỏc cũng tạo ra C: Cơ chế của quỏ trỡnh tương tự ở trờn nhưng chỉ khỏc quỏ trỡnh:

CH3

CH3 C

CH2

CH3

C

CH3

CH2 CH CH3

CH3

CH3 CH CH3

CH3

+

(C) + CH3 C

CH3

H3C C CH3

CH3

sinh ra lại lặp lại (2) Cứ như vậy

Bài số 7.

Hoàn thành phản ứng theo dóy biến hoỏ sau:

Hỗn hợp hai hiđrocacbon

B' AgNO3/NH3

(CH3)3COK

Hỗn hợp chất chứa 1 nguyên

tử Cl

(CH3)3COK C

CCl4

Cl2

B'

Zn, t0 Hỗn hợp hai chất

chứa 2 nguyên tử Cl

NaOH đặc B

CCl4

Cl2

dd Na2CO3 A'

A

Propilen

Bài giải

CH2 = CH - CH3 + Cl2 400−5000C→

CH2 = CH - CH2Cl + HCl (A)

CH2 = CH - CH2Cl + Na2CO3 + H2O → CH2 = CH-CH2OH + NaHCO3 + NaCl

(A')

Trang 12

Cl Cl

CH2 CH CH2

Cl

+ Cl2 CCl4 Cl

CH2 CH

CH2

+ Cl

CH2

CH2 CH

Cl

NaOHđặc Cl

CH2 CH CH

Cl

NaCl + H2O +

Cl Cl

CH2 C CH2 + NaCl + H2O

Cl Cl

CH2 C CH2 + Zn CH2 C CH2 + ZnCl2

(B')

Cl

CH2 CH CH

Cl

+ Zn CH2 C CH2 + ZnCl2

(B')

CH3 CH CH2 + Cl2 CH3 CH CH2

Cl Cl

+

CH3 CH CH2

Cl Cl

(CH3)3COK

- (CH3)3COH

- KCl

CH2 CH CH2

Cl

CH3 CH CH

Cl

CH3 C CH2 Cl

- KCl

- (CH3)3COH

(CH3)3COK CH2 C CH2

CH3 C CH

CH

C

CH3

CH2

C

3/NH3

CH3 C CAg CH2 C CH2

Bài số 8.

Sỏu hiđrocacbon A, B, C, D, E, F đều cú cụng thức phõn tử C4H8 Cho từng chất vào brom trong CCl4 khi khụng chiếu sỏng thỡ thấy A, B, C, D tỏc dụng rất nhanh., E tỏc dụng chậm hơn, cũn F thỡ hầu như khụng phản ứng Cỏc sản phẩm thu được từ B và C là những đồng phõn quang học khụng đối quang(đồng phõn lập thể đi - a) của nhau Khi cho tỏc dụng với H2(Pd, t0) thỡ A, B, C đều cho cựng một sản phẩm G B cú nhiệt độ sụi cao hơn C

1 Xỏc định cụng thức của 6 hiđrocacbon trờn Giải thớch?

2 So sỏnh nhiệt độ sụi của E và F

3 Nếu cú C, D, E, F Hóy nờu phương phỏp hoỏ học nhậh biết chỳng

Trang 13

Bài giải

1 Các đồng phân có thể có của C4H8:

CH3 CH2 CH CH2 CH3 C CH2

CH3

CH CH

CH3 CH3

CH CH

CH3

H2C

H2C CH2

CH2

H2C CH

CH2

CH3

- Vì F hầu như không phản ứng với Br2/CCl4, nên F là:

H2C

H2C CH2

CH2

- E tác dụng chậm với Br2/CCl4, nên E là:

H2C CH

CH2

CH3

- Vì A, B, C được hiđro hoá đều cho cùng một sản phẩm G chứng tỏ A, B, C có khung C như nhau, nên còn lại D:

CH3 C CH2

CH3

- Vì B, C tác dụng với Br2/CCl4 cho những đồng phân quang học không đối quang của nhau(có ít nhất 2*C), nên B và C là đồng phân cis - trans của nhau

Do B có nhiệt độ sôi cao hơn C nên B là đồng phân cis(phân cực hơn)

B: CH3

C C

CH3

H H

C: CH3

C C

CH3

H

→ A: CH3 - CH2 - CH = CH2

Cơ chế(cộng hợp trans):

Trang 14

C C

CH3

H3C

H

Br2

H3C CH3

Br

(1) (2)

Br

H3C

CH3

H H

H3C

Br

CH3

Br

H CH3

CH3 H

Br

H

CH3

Br H

H Br

CH3

C C

CH3 H

H

H3C

Br2

CH3

(C)

III

Erythro (meso)

(I, III); (II, III) là những cặp đồng phân quang học không đối quang

2 ME = MF và dễ dàng thấy µ(E) > 0; µ(F) = 0 nên E có nhiệt độ sôi cao hơn F

Trang 15

3 Nhận biết C, D, E, F

- Dùng dung dịch Br2 nhận ra F vì không phản ứng

- Còn lại D, E, F cho tác dụng với dung dịch KMnO4 loãng, nguội E không phản ứng nên nhận ra

- C, D đem hợp nước(H+) rồi cho hai rượu tương ứng tác dụng với (HClđặc + ZnCl2)

Chất nào vẩn đục ngay là rượu bậc 3 → sản phẩm của D

Chất nào vẩn đục khá chậm là sản phẩm của C(rượu bậc 2)

Các phương trình phản ứng:

CH3

CH CH

CH3 (C)

Br2 CH3 CH CH CH3

Br

Br +

CH2 C CH3

CH3

+ Br2 BrCH2 C CH3

CH3 Br

CH3

H2C CH

CH2

Br2

CH3 CH CH CH3 KMnO4 H2O

OH OH 3

MnO2+ 2 KOH + 2

CH2 C CH3

CH3

KMnO4 H2O

3 + 2 + 4 3 CH2 C CH3+ 2 MnO2 2 KOH

CH3

OH OH

+

CH3

H2C CH

CH2

KMnO4 + kh«ng ph¶n øng +

CH3 CH CH CH3 HOH CH3 CH2 CH CH3

OH

H+

CH3

CH2

C

+ HOH

CH3

Trang 16

CH3 CH2 CH CH3

OH

CH3 C OH

CH3

HCl ZnCl2

CH3

Cl C

CH3 + H2O(nhanh) +

+ HCl ZnCl2

Cl

CH3 CH

CH2

CH3 + H2O(chËm)

OH

CH2 CH

CH3

- H2O

CH3 CH CH2

OH2 OH

H+ OH

OH

CH2 CH

CH3

Định dạng
Số trang	16
Dung lượng	437,45 KB