Một số phương pháp xác định công thức cấu tạo của hợp chất hữu cơ chứa các nguyên tố c, h, o, n trong chương trình hóa học THPT

Lí do chọn đề tài Hợp chất mà phân tử chứa các nguyên tố C, H, O, N thường là hợp chấtkhó phân tích hay làm cho học sinh lúng túng trong cách định hướng để xácđịnh công thức cấu tạo từ đ

2.1 Cơ sở lí luận của sáng kiến kinh nghiệm 22.2 Thực trạng vấn đề trước khi áp dụng sáng kiến kinh

2.3 Giải pháp đã sử dụng để giải quyết vấn đề 5

2.3.1 Dạng bài tập định tính chỉ xác định công thức cấu tạo

2.3.2 Dạng bài toán định lượng dựa trên cơ sở phân tích định

2.4 Hiệu quả của sáng kiến kinh nghiệm đối với hoạt

động giáo dục, với bản thân, đồng nghiệp và nhà trường 16

1 Mở đầu

1.1 Lí do chọn đề tài

Hợp chất mà phân tử chứa các nguyên tố C, H, O, N thường là hợp chấtkhó phân tích hay làm cho học sinh lúng túng trong cách định hướng để xácđịnh công thức cấu tạo từ đó chỉ ra được con đường đúng và nhanh nhất trongquá trình giải các bài toán định lượng Với mức độ kiến thức trong đề thi TNTHPT hàng năm gần đây, thì học sinh có những kiến thức để giải quyết một sốbài toán khó (đạt điểm 9; 10) là thực sự khó, trong khi số lượng câu hỏi khác (kể

cả lý thuyết lẫn bài tập) để học sinh đạt điểm từ 6,0 – 8,0 là tương đối bìnhthường Với chất lượng học tập của học sinh trường THPT Vĩnh Lộc hàng nămthi TN THPTQG với môn Hóa nói riêng thì đạt điểm trung bình dao độngkhoảng 6,5-7,8 điểm Bên cạnh đó, chất lượng học sinh giỏi hàng năm của nhàtrường (với môn Hóa học) đều đạt ở mức độ khá cao (năm học 2018-2019 có 5giải trong đó 2 giải ba và 3 giải khuyến khích, năm học 2020-2021 có 4 giảitrong đó có 1 Nhì, 2 giải Ba và 1 giải Khuyến khích Tuy nhiên đa số học sinhchưa thể giải quyết một cách thấu đáo các bài toán khó trong đề thi, đặc biệt lànhững đề thi có một số câu khó để đạt điểm cao trong các đề thi học sinh giỏicũng như đề thi TN THPTQG có thể gặp ở phần hữu cơ về hợp chất chứa cácnguyên tố C, H, O, N

Nhằm mục đích nâng cao mức độ tư duy về kiến thức để giải quyết các bàitoán hữu cơ chứa các nguyên tố C, H, O, N thì trong quá trình giảng dạy vớikinh nghiệm khoảng hơn 10 năm, tôi đưa ra một số giải pháp phân tích để tìm ranhững hợp chất chứa các nguyên tố C, H, O, N mà có thể tồn tại trong phân tử

đó dựa trên cơ sở phân loại liên kết hóa học trong phân tử Vì vậy tôi chọn đề tài

“Một số phương pháp xác định công thức cấu tạo của hợp chất hữu cơ chứa các nguyên tố C, H, O, N trong chương trình Hóa học THPT” làm đề tài nghiên

cứu và áp dụng cho các em học sinh mũi nhọn trong trường THPT Vĩnh Lộc

1.2 Mục đích nghiên cứu

Trong những năm gần đây chất lượng thi tốt nghiệp THPT Quốc gia củatrường THPT Vĩnh Lộc được cải thiện rất nhiều đặc biệt là về môn Hóa học.Tuy nhiên trong đó vẫn có một số câu hỏi thường làm cho học sinh lúng túng vàmất phương hướng trong quá trình làm bài, đặc biệt là bài tập hữu cơ về các hợpchất chứa các nguyên tố C, H, O, N Vậy nên mục đích đề tài tôi đưa ra là nhằmgiúp cho các em học sinh có thêm một số phương pháp tốt để giải nhanh nhữngdạng bài này góp phần cải thiện và nâng cao chất lượng môn hóa nói riêng vàthành tích của nhà trường nói chung

Đề tài được đưa ra mong muốn thêm nữa là được các bạn đồng nghiệptrong và ngoài nhà trường có thể sử dụng làm cơ sở để hướng dẫn cho học sinhtrong quá trình giảng dạy ôn luyện

1.3 Đối tượng nghiên cứu

- Học sinh khối 12 trường THPT Vĩnh Lộc, trong các năm học 2018 –2019;

2019 – 2020 và 2020 – 2021

- Thông qua việc trao đổi kiến thức và phương pháp áp dụng đề tài của cácgiáo viên trong cùng bộ môn Hóa học của trường THPT Vĩnh Lộc

1.4 Phương pháp nghiên cứu

- Nghiên cứu, tìm tòi, tham khảo các tài liệu có liên quan đến nội dung của

2 Nội dung sáng kiến kinh nghiệm

2.1 Cơ sở lí luận của sáng kiến kinh nghiệm

Với các hợp chất chứa các nguyên tố C, H, O, N trong phân tử có 2 loại liênkết hóa học ta thường gặp: Liên kết cộng hóa trị và Liên kết ion

* Đối với các hợp chất chỉ chứa các liên kết công hóa trị thì các loại hợp chất có thể tồn tại trong phân tử bao gồm:

- Hợp chất tạp chức của Amin với Axit hữu cơ;

- Muối hình thành từ phần tử CO2 với NH3

* Đối với các hợp chất mà phân tử chứa liên kết ion thì các cấu tạo có thể tồn tại trong phân tử đó gồm:

- Muối của axit cacboxylic với amoniac;

- Muối của axit cacboxylic với aminoaxit;

- Muối của axit cacboxylic với amin;

- Muối của aminoaxit với amin;

- Muối của aminoaxit với amoniac;

- Muối của aminoaxit với axit Nitric;

- Muối của amin với axit Nitric;

- Muối của amin với axit Cacbonic;

- Muối của aminoaxit với axit Cacbonic;

- Muối của amino axit với axit cacboxylic và amin hoặc amoniac;

Ngoài ra để xác định chính xác cấu tạo của hợp chất hữu cơ theo điều kiệncủa bài toán thì nhất thiết học sinh phải nắm vững tính chất hóa học của cácnhóm chức để áp dụng trong quá trình lập luận

Để xác định được đúng công thức cấu tạo giúp cho việc định hướng giải bàitoán định lượng được nhanh hơn và chính xác, ta phân tích như sau

Gọi công thức tổng quát của hợp chất chứa các nguyên tố C, H, O và N làCxHyOzNt ta có:

* Nếu hợp chất hữu cơ đó chỉ chứa các liên kết cộng hóa trị trong phân tửthì độ bất bão hòa K trong phân tử được gọi là độ bất bão hòa lý thuyết (kí hiệu

là Klt) khi đó giá trị Klt bằng giá trị Ktt (Ktt được gọi là độ bất bão hòa phân tửthực tế) giá trị này được xác định như sau

Klt =2 x +2− y+t2 = số liên kết π + số vòng

* Nếu hợp chất có chứa liên kết ion, tức dạng muối amoni thì trong phân tử

có hai loại liên kết tương ứng với hai giá trị độ bất bão hòa Trong đó Ktt đượcxác định Ktt ≤ 2z Nếu z có giá trị lẻ thì Ktt là số nguyên dương gần nhất

Nếu z có giá trị chẵn thì Ktt = 2z Khi đó nếu gọi i là số liên kết ion trongphân tử thì: i = Ktt – Klt

Ktt ≤ 32 = 1,5 Khi đó Ktt nhận giá trị là 1 Vậy số liên kết ion trong phân tử

i = 1-(-1) = 2 Từ đó ta có thể khẳng định X có hai nhóm muối amoni và đượctạo ra từ axit cacbonic với amin hoặc amoniac, các cấu tạo của X có thể có là:

O – NH4

O = C

O – NH3 – C3H7 (Muối của axit cacbonic với NH3 và amin C3H7NH2)

O – NH4

O = C

O – NH3 – CH – CH3

CH3 (Muối của axit cacbonic với NH3 và amin i-C3H7NH2)

O – NH4

O = C

O – NH2 – CH2 – CH3

CH3 (Muối của axit cacbonic với NH3 và amin bậc 2 C2H5NHCH3)

O – NH4

O = C

O – NH(CH3) – CH3

CH3 (Muối của axit cacbonic với NH3 và amin bậc 3 (CH3)3N)

O –NH3 – CH3

O = C

O – NH3 – C2H5

(Muối của axit cacbonic với 2 amin CH3NH2 và C2H5NH2)

O –NH3 – CH3

O = C

O – NH2 – CH3

CH3 (Muối của axit cacbonic với 2 amin CH3NH2 và (CH3)2NH)

2.2 Thực trạng vấn đề trước khi áp dụng sáng kiến kinh nghiệm

Trong quá trình giảng dạy và ôn luyện cho các em học sinh thi tốt nghiệpTHPT Quốc gia tôi nhận thấy rằng đa số các em học sinh đều chủ quan dễ mắcsai lầm và mang tính ngộ nhận trong việc xác định công thức cấu tạo đầy đủ củahợp chất hữu cơ chứa các nguyên tố C, H, O, N

Từ việc xác định sai công thức cấu tạo của hợp chất hữu cơ (do tính chủquan, ngộ nhận, ) dẫn đến việc làm sai kết quả cả bài toán định tính và địnhlượng

Cụ thể tôi đưa ra một số ví dụ sau:

* Ví dụ 1: Cho hợp chất hữu cơ A mạch hở có công thức phân tử là

C3H7O2N Có bao nhiêu cấu tạo mà A tác dụng được với dung dịch NaOH

Đối với ví dụ này đa phần các em chỉ xác định được 5 công thức cấu tạo đó

là các amino axit và este của amino axit bao gồm:

Vậy A có thêm một số cấu tạo là HCOONH3CH=CH2 ; COONH4;

CH2=CH-* Ví dụ 2: Chất B mạch hở có công thức phân tử là C4H8O3N2 Biết rằng Btác dụng với dung dịch NaOH Xác định cấu tạo của B

Trong ví dụ này học sinh thường lúng túng khi xác định cấu tạo ở chỗthường chỉ chú ý trọng tâm do phân tử B có 3 nguyên tử oxi nên các em haynghi ngờ dạng tổng quát của B là muối cacbonat hoặc nitrat Do hướng giảiquyết vấn đề này mang tính chủ quan dẫn đến không tìm ra kết quả của bài Vớiphương pháp tính K các em có thể dễ dàng xác định được cấu tạo của B làđipeptit tạo từ Glyxin:

Cách tính: Klt = 2

Vì B mạch hở nên trong B có hai liên kết π vậy B không thể là muối amonisuy ra B là đipeptit được tạo ra từ Gly

H2N-CH2-CONH-CH2-COOH

* Ví dụ 3: Hợp chất X mạch hở có công thức là CH6O3N2 Biết X tác dụngvới dung dịch NaOH Tìm công thức cấu tạo của X

Đối với bài này học sinh thường lúng túng ở chỗ là chỉ xác định giá trị Klt =

0, sau đó kết luận trong X không có liên kết π từ đó không tìm ra được côngthức cấu tạo Vậy nên trong quá trình giảng dạy tôi hướng dẫn các em tính thêmgiá trị Ktt = 1 để từ đó suy ra trong X có một liên kết ion tức là tồn tại một nhómmuối amoni

Nên để khi hình thành một liên kết ion thì phân tử sẽ tạo ra một liên kết π.Khi đó cấu tạo của X là CH3NH3NO3 (Muối nitrat của amin CH3NH2)

2.3 Giải pháp đã sử dụng để giải quyết vấn đề

2.3.1 Dạng bài tập định tính chỉ xác định công thức cấu tạo thông qua việc tính các giá trị K (độ bất bão hòa) của phân tử.

* Ví dụ 1: Cho hợp chất X mạch hở có công thức phân tử là C3H9O2N Biết

X tác dụng với dung dịch NaOH Số công thức cấu tạo của X thỏa mãn tính chấttrên là

Hướng phân tích bài toán như sau:

Klt =3.2+ 2−9+12 = 0

Với số nguyên tử O là 2 Khi đó Ktt = 22 = 1

Từ đó có thể suy ra số liên kết ion trong phân tử X là i = 1 – 0 = 1 Vậy X

có một liên kết ion tức là X có một nhóm muối amoni Vì trong X chỉ có 1nguyên tử N suy ra X là muối của axit cacboxylic với amin hoặc amoniac

Các cấu tạo của X là

HCOONH3C2H5 (HCOOH với C2H5NH2)

CH3COONH3CH3 (CH3COOH với CH3NH2)

HCOONH2(CH3)2 (HCOOH với (CH3)2NH)

Vậy số công thức cấu tạo của X thỏa mãn là 4 Đáp án đúng là B

* Ví dụ 2: Cho hợp chất X mạch hở có công thức phân tử là C2H8O4N2 Biết Xtác dụng với dung dịch NaOH Số công thức cấu tạo của X thỏa mãn tính chấttrên là

Hướng phân tích bài toán như sau:

Klt =2.2+ 2−8+22 = 0

Với số nguyên tử O trong phân tử là 4 Nên Ktt = 42 = 2

Số liên kết ion trong phân tử của X là i = 2- 0 = 2 Vậy phân tử X chứa 2 nhómmuối amoni

Hoặc: H4NOOC-COONH4 (X1) ; hoặc HCOOH3N-COONH4 (X2)

Đáp án đúng là C

* Ví dụ 3: Cho hợp chất X mạch hở có công thức phân tử là C2H8O3N2.Biết X tác dụng với dung dịch NaOH Số công thức cấu tạo của X thỏa mãn tínhchất trên là

A 3 B 4 C 5 D 6

Hướng phân tích bài toán như sau:

Klt =2.2+ 2−8+22 = 0

Với số nguyên tử O trong phân tử là 3 Nên Ktt ≤ 32 = 1,5 Vậy Ktt có giá trị

là 1, nghĩa là trong phân tử của X tồn tại một nhóm muối amoni

Vì trong X có hai nguyên tử nitơ nên hợp chất của X được chia làm hailoại

- Loại 1: X là muối tạo bới CH2(NH2)2 với axit cacbonic có tỉ lệ mol 1:1.Khi đó X có cấu tạo như sau

[H2N – CH2 – NH3] HCO3

hoặc X là muối tạo bới CH2(NH2)2 với axit cacbonic có tỉ lệ mol 1:2 Khi đó X

có cấu tạo thu gọn như sau:

[CH2(NH3)2]CO3

- Loại 2: X là muối nitrat của amin đơn chức với axit nitric

[C2H5 - NH3]NO3 (amin C2H5NH2 với HNO3)

[(CH3)2NH2]NO3 (amin (CH3)2NH với HNO3)

Số công thức cấu tạo của X thỏa mãn tính chất trên là 4 Đáp án đúng là B

* Ví dụ 4: Cho hợp chất X mạch hở có công thức phân tử là C3H10O3N2.Cho X tác dụng với dung dịch NaOH dư Cô cạn dung dịch sau phản ứng thuđược chất rắn Y chỉ chứa các hợp chất vô cơ và phần hơi Z chỉ có một hợp chấthữu cơ no đơn chức có mạch cacbon không phân nhánh Số công thức cấu tạocủa X thỏa mãn tính chất trên là

Hướng phân tích bài toán như sau:

Klt =3.2+ 2−10+22 = 0

Với số nguyên tử O trong phân tử là 3 Nên Ktt ≤ 32 = 1,5

Vậy Ktt có giá trị là 1tức là trong phân tử của X tồn tại một nhóm muốiamoni

Trong bài tập này cần chú ý vì sau khi X tác dụng với dung dịch NaOH chỉthu được các chất vô cơ và hợp chất hữu cơ no đơn chức có mạch cacbon khôngphân nhánh

Nội dung cốt lõi của bài toán là kết hợp với việc phân tích chỉ ra trong Xchỉ có một nhóm muối amoni Để giúp cho học sinh định hướng X không thểchứa muối cacbonat Vì vậy X chỉ có thể là muối của amin với axit nitric Từ đóxác định các công thức cấu tạo của X là:

[(i-C3H7)NH3]NO3; [(CH3)NH2(C2H5)]NO3

Trong 4 cấu tạo của X ở trên Chú ý cấu tạo [(i-C3H7)NH3]NO3 không thỏamãn điều kiện đề bài vì mạch cacbon phân nhánh (gốc iso propyl) Do đó số cấutạo của X thỏa mãn yêu cầu của đề bài là 3 Đáp án đúng là A

* Bài tập tự luyện.

Câu 1: Hợp chất hữu cơ X mạch hở có công thức phân tử là C2H8O3N2 tácdụng với dung dịch NaOH thu được hợp chất hữu cơ đơn chức Y và các hợpchất vô cơ Khối lượng phân tử của Y là

A Đều tác dụng với dd Br2 B Lực bazơ của X>Y

C Đều là hợp chất lưỡng tính D Đều tác dụng với H2 khi có xt NiCâu 4: Cho sơ đồ phản ứng sau (theo đúng tỉ lệ mol)

C7H18O2N2 + NaOH → X1 + X2 + H2OX1 + 2HCl → X3 + NaCl

X4 + HCl → X3X4 → tơ nilon – 6 + H2OPhát biểu nào sau đây là đúng

A X2 làm quì tím chuyển thành màu hồng

B X và X4 có tính lưỡng tính

C Phân tử khối của X> X3

D Nhiệt độ nóng chảy của X1 < X4

Câu 5: Hợp chất hữu cơ A mạch hở có công thức phân tử là C3H10O2N2 tácdụng với dung dịch NaOH giải phóng NH3, mặt khác A tác dụng với dung dịchaxit tạo thành muối của amin bậc 1 Số công thức cấu tạo thỏa mãn tính chất của

A là

Câu 6: Hợp chất hữu cơ A có công thức phân tử C4H9O2N biết

A + NaOH → B + CH3OH B + HCldư→ C + NaCl

biết A là muối của α –amino axit Công thức cấu tạo của A và C lần lượt là

A H2N – CH2 – CH2 – COOCH3 và ClH3N – CH2 – CH2 – COOH

B CH3 – CH(NH2) – COOCH3 và CH3 – CH(NH3Cl) – COOH

C H2N – CH2 – CH2 – COOCH3 và CH3 – CH(NH3Cl) – COOH

D CH3 – CH2 – CH(NH2) – COOH và CH3 – CH2 – CH(NH3Cl) – COOHCâu 7: Hợp chất hữu cơ A mạch hở có công thức phân tử là C8H15O4N từ Athực hiện dãy biến hóa sau:

A + dd NaOH dư, t0 → Natri glutamat + CH3OH + C2H6O

Số công thức cấu tạo của A thỏa mãn tính chất trên là

Câu 8: Hợp chất hữu cơ X có công thức phân tử là C6H8O3N2 chứa vòngbenzen và tác dụng được với dung dịch NaOH Số công thức cấu tạo X thỏa mãntính chất trên là

Câu 9: Hợp chất hữu cơ X mạch hở có công thức phân tử là C3H10O2N2 tácdụng với dung dịch NaOH sinh ra khí Y nhẹ hơn không khí và làm xanh quì tím

ẩm Số công thức cấu tạo X thỏa mãn tính chất trên là

Câu 10: Hợp chất hữu cơ X mạch hở có công thức phân tử là C4H9O2N2 tácdụng với dung dịch NaOH, HCl và làm mất màu dung dịch Br2 Số công thứccấu tạo X thỏa mãn tính chất trên là

ra kết quả được nhanh nhất và chính xác nhất Với kinh nghiệm đã giảng dạy tôinhận thấy vẫn còn một bộ phận không nhỏ các em học sinh chưa có kỹ năng tưduy tổng hợp một cách tốt nhất

Trong khuôn khổ (giới hạn) của đề tài tôi đưa ra một số ví dụ tiêu biểu vớimong muốn rằng các em học sinh và các bạn đồng nghiệp có thể tham khảo đểgiải quyết vấn đề một cách thích hợp nhất nhưng đạt hiệu quả cao trong quátrình học tập của học sinh và giảng dạy của giáo viên

* Ví dụ 1: Cho chất X có công thức phân tử CnH2n+4O4N2 là muối amoi củaaxit cacboxylic đa chức, chất Y là CmH2m+4O2N2 là muối amoni của một aminoaxit Cho m gam hỗn hợp E gồm X và Y có tỉ lệ mol tương ứng là 7 : 3 tác dụnghết với dung dịch NaOH dư đun nóng thu được 0,17 mol etylamin và 15,09 gamhỗn hợp muối % khối lượng của X trong E gần nhất với giá trị nào sau đây

Hướng phân tích bài toán

Trước hết trong bài toán này ta nhận thấy các chất X và Y đã có dạng côngthức tổng quát Vấn đề nằm ở chỗ là trong X có chứa một nhóm muối amoni hay

2 nhóm muối amoni Y có chứa liên kết bội C – C hay không chứa liên kết bội C– C Khi đó ta có thể sử dụng nhanh các giá trị độ bất bão hòa phân tử để kiểmtra

Đối với chất X ta có

Klt =2.n+ 2−2 n−4+22 = 0

Với số nguyên tử O trong phân tử là 4 nên Ktt = 4/2 = 2

Vậy X có số liên kết ion là i = 2 – 0 = 2 Do đó X là hợp chất chứa hai nhómmuối amoni của axit no hai chức với amin hoặc amoniac

Đối với chất Y ta có

Klt =2.2+ 2−8+22 = 0

Với số nguyên tử O trong phân tử là 2 nên Ktt = 22=1 vậy số liên kết iontrong Y là 1; đồng thời Y tạo ra từ amino axit no phân tử chứa một nhóm COOH

và một nhóm NH2

Trong phần định lượng vấn đề khó của bài toán này là yêu cầu tính % khốilượng của chất X, nghĩa là phải tìm được công thức cấu tạo cụ thể và số mol củatừng chất trong hỗn hợp E

Do E + NaOH thu được C2H5NH2 nên trong phân tử của X và Y đều đượctạo ra từ etyl amin Như vậy X tạo ra hai phân tử etyl amin còn Y tạo a 1 phân tửetyl amin

Vì nX: nY = 7: 3 và số mol của etyl amin là 0,17 mol nên dễ dàng suy rađược

n X = 0,07 (mol) và nY = 0,3 (mol)

Đến đây việc giải bài toán vẫn làm cho học sinh lúng túng trong việc tìm tacông thức cấu tạo biện pháp tốt nhất để giải quyết bài toán là sử dụng định luậtbảo toàn khối lượng và quy đổi hỗn hợp E Cụ thể

nNaOH = 2nX + nY = 0,17 (mol)

Sơ đồ phản ứng: E + NaOH → Muối + C2H5NH2 + H2O

Trong quá trình giải cần chú ý rằng nước được tạo ra từ quá trình phân hủycủa bazơ tạo ra từ amin nên nước và C2H5NH2 có số mol bằng nhau

Áp dụng định luật bảo toàn khối lượng ta có:

mE = 19,0 gam

Quy hỗn hợp muối về

(COONa)2: 0,07 mol15,09 gam gồm NH2 – CH2 - COONa: 0,03 mol

CH2:

Bảo toàn khối lượng cho muối ta có:

mCH2 = 15,09 – 0,07.134 – 0,03.97 = 2,8(gam)

n CH 2= 2,814 = 0,2 mol

Gọi số nhóm CH2 trong X là a Số nhóm CH2 trong Y là b

Suy ra: 0,07.a + 0,03.b = 0,2

Vì a,b là các số nguyên dương nên cặp nghiệm duy nhất của phương trìnhlà:

a = b = 2 Vậy cấu tạo của X

C2H4(COO)2[NH3C2H5]2

%mX = 0,07.20819 . 100%= 76,63% ≈ 77% Đáp án đúng là A

* Ví dụ 2: Cho chất X có công thức phân tử C6H16O4N2 là muối amoi củaaxit cacboxylic, Chất Y là C6H15O3N3 mạch hở là muối amoni của đipeptit Cho17,82 gam hỗn hợp A gồm X và Y dụng hết với dung dịch NaOH dư đun nóngthu được sản phẩm hữu cơ gồm 0,1 mol hỗn hợp hai amin no (đều có hai nguyên

tử cacbon trong phân tử và không phải là đồng phân của nhau) và m gam hỗnhợp gồm hai muối Giá trị của m gần nhất là?