Lập CTPT hợp chất hữu cơ dựa vào PP khối lượng

Vì đây là bài tập đầu tiên giúp cho học sinh làm quen với bài tập lập công thức phân tử của hợp chất hữu cơ cho nên người giáo viên cần chọn bài tập cơ bản nhất và lần lượt hướng dẫn ch[r]

DẠNG TOÁN LẬP CÔNG THỨC PHÂN TỬ HỢP CHẤT HỮU

CƠ THEO PHƯƠNG PHÁP KHỐI LƯỢNG

Đây là dạng toán cơ bản nhất mà yêu cầu tất cả các đối tượng học sinh phải nắm bắt được Giáo viên có thể cung cấp nội dung của phương pháp này trong tiết luyện tập, nếu trường nào có điều kiện giáo viên có thể truyền đạt đến học sinh trong tiết học tự chọn hay tiết phụ đạo thì hiệu quả sẽ cao hơn

Nội dung của phương pháp này có thể được tóm tắt như sau:

1 Giả thiết bài toán:

Đốt cháy a (gam) hợp chất hữu cơ A thu được

2

CO

m , m H O

2 và

2

N

m (nếu có)

Để cho giả thiết tính M khối lượng mol của A (mA) yêu cầu lập công thức phân tử của A

2 Các bước lập công thức phân tử:

Với giả thiết trên ta lập công thức phân tử A theo các bước sau:

Bước 1: Định lượng các nguyên tố trong A

- Tìm cacbon: Dựa vào CO2

mC =

44

12

2

CO

m

= 11

3

2

CO m

hoặc mC =

2

CO

n 12

- Tìm hidro: Dựa vào H2O

mH =

18

2

2O

H

m

=

9

2O H m

hoặc mH = 2.n H O

2

- Tìm nitơ: Dựa vào N2

mN =

2

N

m hoặc mN =

2

N

n 28

- Tìm oxi: Dùng phương pháp loại suy

Mo = a - (mC + mH = mN)

Bước 2: Tính khối lượng phân tử gần đúng của hợp chất hữu cơ

- Dựa vào tỉ khối hơi

dA/B =

B

A

M

M

-> mA = dA/B. MB

Nếu B là không khí thì MB = 29

- Dựa vào số mol và khối lượng

MA =

A

A

n

m

- Dựa vào khối lượng riêng của chất khí

Do =

4

,

22

A

M

-> MA = Do.22,4

Bước 3: Lập công thức phân tử của A

Đối với bước này tôi chia thành ba cách, tuỳ thuộc vào điều kiện của bài toán cho mà học sinh có thể chọn cho mình cách giải nhanh và dễ dàng nhất

Cách 1: Dựa vào thành phần khối lượng của các nguyên tố trong phân tử hợp chất hữu cơ

Đối với cách này thường phổ biến đối với bài toán cơ bản cho trước MA

Ta có công thức tổng quát CxHyOzNt

c

m

x

12

=

H

m

y

=

o m

z

16

=

N m

t

14

=

A

A m M

Hoặc nếu bài toán cho phần trăm khối lượng của các %C chất thì giáo viên hướng dẫn cho học sinh sử dụng công thức:

C

x

%

12

=

H

y

z

%

16

=

N

t

%

14

= 100

A M

Thay các giá trị đã biết vào công tác thức trên suy ra các giá trị x, y, z, t, sau đó thay vào công thức tổng quát ta được công thức phân tử cần lập

Cách 2: Lập công thức phân tử qua công thức thực nghiệm

Đối với cách này thường dùng để giải các bài toán mà yêu cầu lập công thức nguyên hay bài toán cho thiếu giả thiết để tính MA

Trước tiên ta lập tỷ lệ số nguyên tử giữa các nguyên tố

C : H : O : N =

12

c m

: 1

H m

: 16

O m

: 14

N m

Hoặc C : H : O : N =

12

%C

:

1

%H

:

16

%O

:

14

%N

= a : b : c : d (là tỉ lệ số nguyên, tối giản) Suy ra công thức thực nghiệm (CaHbOcNd)n

Trong đó n ≥ 1 (là số nguyên): gọi là hệ số thực nghiệm

Dựa vào MA hoặc giả thiết của đề cho suy ra n, thay vào công thức thực nghiệm suy ra công thức phân

tử cần lập

Cách 3: Dựa vào phương trình cháy

Giáo viên hướng dẫn cho học sinh phương trình cháy tổng quát nhất và cách điền số vào phương trình

CxHyOZNt + (x +

4

y

-

2

z

)O2 to xCO2 +

2

y

H2O +

2

t

N2

MA 44x 9y 14t

a

2

CO

m m H O

2

2

N m

-> x, y, t

Sau đó dựa vào MA = 12x + y + 16z + 14t

-> Z

* Lưu ý: Đối với cách thứ 3 này ta không cần tính bước 1 định lượng các nguyên tố trong A

Bài tập vận dụng

1 Đốt chát hoàn toàn 7,4g hợp chất hữu cơ A Sau khi phản ứng kết thúc thu được 13,2 (g) CO2 và 5,4 (g) H2O Lập công thức phân tử của A biết tỉ khối hơi của A so với khí hidro là 37

Vì đây là bài tập đầu tiên giúp cho học sinh làm quen với bài tập lập công thức phân tử của hợp chất hữu cơ cho nên người giáo viên cần chọn bài tập cơ bản nhất và lần lượt hướng dẫn cho học sinh các bước giải thật cụ thể để bước đầu giúp cho học sinh cảm nhận rằng việc giải một bài tập hoá hữu cơ cũng không quá khó đối với học sinh

Bước 1: Định lượng các nguyên tố trong A

mC =

11

3

2

CO

m

=

11

2 , 13 3

= 3,6 (g)

mH =

9

2O

H

m

=

9

4 , 5

= 0,6 (g)

mO = mA – (mC + mH) = 7,4 – (3,6 + 0,6) = 3,2 (g)

Vậy A có chứa 3 nguyên tố C, H và O

Bước 2: Tính MA =

2

/ H

A

d

2

H

m = 37.2 = 74 (g)

Bước 3: Lập công thức phân tử của A

Giáo viên có thể hướng dẫn học sinh lập theo cả 3 cách:

Cách 1: Đặt công thức tổng quát CxHyOz

C

m

x

12

=

H

m

y

=

O m

z

16

=

A

A m

M

= 4 , 7

74 = 10

-> x =

12

10m C

=

12

6 , 3 10

= 3

y = 10.mH = 10.0,6 = 6

z =

16

10m O

=

16

2 , 3 10

= 2 Vậy công thức phân tử A là C3H6O2

Cách 2:

C : H : O =

12

c m

: 1

H m

: 16

O m

=

12

6 , 3

:

1

6 , 0

:

16

2 , 3

= 0,3 : 0,6 : 0,2 = 3 : 6 = 2

-> Công thức thực nghiệm (C3H6O2)n

MA = (3.12 + 6.1 + 2.16)n = 74n = 74

-> n = 1

-> Công thức phân tử của A là C3H6O2

Cách 3:

CxHyOz + (x +

4

y

-

2

Z

)O2 to

xCO2 +

2

y

H2O

->

4

,

7

74

=

2

,

13

44x

= 4 , 5

9 y

-> x = 3; y = 6

MA = 12.3 + 6.1 + 16.z = 74

-> Z = 2

Vậy công thức phân tử C3H6O2

Các bài tập tương tự

Giải các bài tập số 5/112, 4/133, 4/144 sách giáo khoa Hoá 9

Đốt chát hoàn toàn 0,72g hợp chất hữu cơ A thu được 1,12l CO2 (đktc) và 1,08g H2O Lập công thức phân tử của A biết tỉ khối của A đối với khí oxi là 2,25

3 Các trường hợp biến dạng:

Để giải một bài tập theo phương pháp khối lượng không phải bao giờ cũng chỉ dừng lại ở dạng cơ bản

mà nó còn đi sâu vào các trường hợp biến dạng đòi hỏi học sinh phải có tư duy để giải Đối với những trường hợp này không yêu cầu đối với các học sinh có mức độ trung bình, yếu, kém mà các truờng hợp này chủ yếu giành cho học sinh khá, giỏi Giáo viên có thể đưa vào chương trình bồi dưỡng học sinh giỏi hoặc có thể hướng dẫn mở rộng thêm cho học sinh trong các giờ luyện tập nếu có thời gian Với phạm vi đề tài nghiên cứu này tôi xin đưa ra các trường hợp biến dạng như sau:

1 Trường hợp 1: Đề toán không cho biết khối lượng của hợp chất hữu cơ ban đầu mà cho biết lượng

O2 cần dùng để đốt cháy hợp chất hữu cơ

Đối với dạng bài tập này ta sẽ giải quyết như sau:

Dựa vào phương trình: A + O2 to CO2 + H2O + N2

Theo định luật bảo toàn khối lượng ta có:

mA +

2

O

m =

2

CO

m + m H O

2 +

2

N m

-> mA =

2

CO

m + m H O

2 +

2

N

m -

2

O

m Hoặc có thể dựa vào định luật bảo toàn khối lượng cho nguyên tố ôxi

mO(A) + mO cháy =

) ( 2

CO O

) (

2O H O m

-> mO(A) =

) ( 2

CO O

) (

2O H O

m - mO cháy

Muốn tính được khối lượng oxi trong CO2 và H2O ta phải phân tích quá trình cháy

C + O2  CO2

4H + O2  H2O

Dựa vào CO2 và H2O ta tính được oxi trong CO2 và trong H2O

=> mA = mC + mH + mN + mO

Sau đó đưa bài toán về dạng cơ bản để giải

Bài tập vận dụng:

Đốt cháy hoàn toàn hợp chất hữu cơ A cần dùng 6,72 lít O2 (đktc) Sau khi phản ứng kết thúc thu được 13,2g CO2 và 5,4g H2O Xác định công thức phân tử của A biết dA/He = 15

Giáo viên hướng dẫn học sinh các bước xử lý giả thiết đề cho:

2

O

n =

4

,

22

2

O

V

=

4 , 22

72 , 6 = 0,3 (mol)

2

O

m =

2

O

n

2

O

M = 0,3.32 = 9,6 (g)

Dựa vào dịnh luật bảo toàn khối lượng ta có:

MA =

2

CO

m + m H O

2 -

2

O

m = 13,2 + 5,4 – 9,6 = 9 (g) -> Bài toán đã được đưa về dạng cơ bản, giáo viên cho học sinh tự giải tiếp

2 Trường hợp 2: Bài toán không cho trực tiếp lượng CO2 và H2O mà cho các giả thiết như sau:

a Giả thiết 1: Đốt cháy hoàn toàn hợp chất hữu cơ rồi dẫn sản phẩm cháy lần lượt qua bình một đựng

H2SO4 đặc (hoặc P2O5, hoặc CaCl2 khan), cho tiếp sản phẩm còn lại qua bình 2 đựng dung dịch Ca(OH)2 (hoặc Ba(OH)2, NaOH, KOH)

Sau đó cho khối lượng bình 1 tăng, khối lượng bình 2 tăng

Hướng giải quyết: Ta có thể suy ra m H O

2 = m bình 1 tăng;

2

CO

m = m bình 2 tăng sau đó đưa bài toàn về dạng cơ bản để giải

b Giả thiết 2: Đốt cháy hoàn toàn hợp chất hữu cơ rồi dẫn toàn bộ sản phẩm cháy qua bình đựng dung

dịch Ba(OH)2 dư hoặc Ca(OH)2 dư Sau thí nghiệm đề cho khối lượng của bình tăng và khối lượng kết

tủa trong bình

Hướng giải quyết: Khi dẫn sản phẩm cháy vào bình thì cả CO2 và H2O bị giữ lại trong bình Do đó:

2

CO

m + m H O

2 = m bình tăng (*)

Và CO2 tạo kết tủa với Ba(OH)2 hoặc Ca(OH)2

Từ khối lượng kết tủa -> Số mol kết tủa => dựa vào phương trình suy ra số mol CO2 => Khối lượng

CO2

Thay vào * suy ra m H O

2

Sau đó đưa bài toán về dạng cơ bản để giải

* Lưu ý: Trong giả thiết này khi cho sản phẩm cháy gồm CO2 và nước vào dd Ca(OH)2 hoặc Ba(OH)2

thì dung dịch thu được có thể tăng lên hay giảm xuống so với khối lượng ban đầu

Nếu mtăng = m (chất hấp thụ CO H O

2

2 , ) - m kết tủa

Nếu m giảm = m kết tủa - m chất hấp thụ

Bài tập vận dụng:

1 Đốt cháy hoàn toàn 0,46g hợp chất hữu cơ A thu toàn bộ sản phẩm cháy qua bình 1 đựng P2O5, bình

2 đựng KOH thấy khối lượng bình 1 tăng 0,88g và bình 2 tăng 0,54g Biết tỉ khối của khí A so với không khí bằng 1,58 Xác định công thức phân tử của A

Hướng giải quyết bài toán này nằm trong giả thiết 1

O

H

m

2 = m bình P2O5 tăng = 0,54 (g)

2

CO

m = m bình KOH tăng = 0,88 (g)

MA = 1,58 29 = 46 (g)

Bài toán được đưa vào dạng cơ bản

2 Đốt cháy hoàn toàn 10,4g chất hữu cơ A rồi cho sản phẩm cháy hấp thụ hết vào bình chứa dung dịch Ca(OH)2 dư thấy khối lượng của bình tăng 16,8 (g) đồng thời trong bình có xuất hiện 30 gam kết tủa Biết khối lượng của 0,05 mol A là 5,2g Xác định công thức phân tử của A

Đối với bài tập này nằm ở giả thiết thứ 2 Giáo viên hướng dẫn học sinh giải quyết trường hợp biến dạng này để đưa vào dạng cơ bản

2

CO

m + m H O

2 = mbìnhCa(OH)2 tăng = 16,8 (g)

CO2 + Ca(OH)2  CaCO3 + H2O

2

CO

n =

3

CaCO

m =

100

30

= 0,3 (mol)

2

CO

m = 0,3 44 = 13,2 (g)

-> m H O

2 = 16,8 - 13,2 = 3,6 (g)

MA =

A

A

m

m

=

05 , 0

2 , 5 = 104 (g) Bài toán được đưa về dạng cơ bản

3 Trường hợp 3: Bài toán không cho biết khối lượng sản phẩm cháy CO2, H2O cụ thể, riêng biệt sinh

ra khi đốt cháy hợp chất hữu cơ mà cho lượng hỗn hợp các sản phẩm này và tỉ lệ về khối lượng hay thể tích của chúng

Cách giải quyết: Đặc ẩn số mol cho CO2 và H2O (

2

CO

n = a; n H O

2 = b) rồi lập phương trình toán học về khối lượng CO2 và H2O cụ thể Sau đó tính lượng CO2 và H2O riêng biệt rồi đưa vài toán về dạng cơ bản để giải

Bài tập vận dụng: Đốt cháy hoàn toàn 18g hợp chất hữu cơ A cần vừa đủ 16,8 (l) O2 đktc Hỗn hợp sản phẩm cháy gồm CO2 và H2O theo tỉ lệ thể tích

2

CO

V : V H O

2 = 3 : 2 Xác định công thức phân tử của A biết

2

/ H

A

d = 36

Giáo viên hướng dẫn học sinh giải quyết bài toán để đưa về dạng cơ bản

2

O

n =

4

,

22

8

,

16

= 0,75 (mol)

2

O

m = n.M = 0,75 32 = 24 (g)

Ta có: A + O2 to CO2 + H2O

Theo định luật bảo toàn khối lượng ta có:

2

CO

m + m H O

2 = mA +

2

O m

= 18 + 24 = 42 (g)

Gọi a =

2

CO

n , b = n H O

2

-> 44a + 18b = 42 (1)

O

H

CO

V

V

2

2

=

O

H

CO

n

n

2

2

=

b

a

=

2 3

-> 2a - 3b = 0 (2)

Giải hệ 2 phương trình (1) và (2) suy ra a = 0,75

b = 0,5

2

CO

m = 0,75 44 = 33 (g)

O

H

m

2 = 0,5 18 = 9 (g)

MA = 36 2 = 72 (g)