Tài liệu Xác định công thức phân tử - hợp chất hữu cơ doc

Bài số 21: Xác định Công thức phân tử các hợp chất hữu cơ 1- Khái quát : + Những hợp chất của Cacbon trừ các hợp chất như CO, CO2, các muối cacbonat được gọi là các hợp chất hữu cơ.. T

Bài số 21: Xác định Công thức phân tử

các hợp chất hữu cơ

1- Khái quát :

+ Những hợp chất của Cacbon (trừ các hợp chất như CO, CO2, các muối cacbonat) được gọi là các hợp chất hữu cơ Như vậy trong hợp chất nhất thiết phải có chứa C, thường xuyên có H; hay có Ôxi và thỉnh thoảng gặp Nitơ Đó chính là vai trò của từng nguyên tố trong hợp chất

+ Các hợp chất hữu cơ được phân thành các hiđrocacbon (chỉ chứa hai nguyên tố C và H) và các dẫn suất của hiđrocacbon hay còn gọi là các hợp chất hữu cơ có nhóm chức (do có các nguyên tố khác như O, N, S quyết định tính chất của chức)

- Các hiđrocacbon lại được chia thành: các hiđrocacbon no (không có liên kết π mà chỉ có liên kết σ); hiđrocacbon không no (ngoài liên kết σ còn có liên kết π) và các hiđocacbon thơm (phân tử có vòng benzen)

- Các hợp chất có nhóm chức được phân loại theo nhóm định chức liên kết với gốc hiđrocacbon: dẫn suất halogien (chứa halogien), rượu (chứa nhóm OH); anđehit (chứa nhóm CHO); axit (chứa nhóm COOH)

+ Tính chất của các hợp chất nói chung và các hợp chất hữu cơ nói riêng phụ thuộc vào cấu tạo phân tử của chúng Vì thế công việc đầu tiên phải làm là xác định công thức phân tử của chất Sau đó là xác định cấu tạo phân tử

+ Hiện nay người ta có rất nhiều phương pháp nghiên cứu hiện đại dùng để nghiên cứu cấu tạo phân tử các chất hữu cơ Tuy nhiên bước đầu tiên để xác định công thức các chất hữu cơ là xác định thành phần nguyên

tố và cấu tạo của chất Đó là việc phân tích các chất hữu cơ Việc phân tích một chất hữu cơ gồm:

a) Phân tích định tính: nhằm xác định trong hợp chất có chứa những nguyên tố nào?

b) Phân tích định lượng nhằm xác định hàm lượng các nguyên tố có trong chất đem phân tích (nguyên tố có nhiều hay ít)

2- Phân tích định tính:

Nguyên tắc: Chuyển các nguyên tố có trong hợp chất thành các chất vô cơ đơn giản rồi nhận biết chúng

a) Định tính C, H: Ôxi hóa hoàn toàn bằng các chất ôxi hóa khác nhau: CuO, ôxi không khí để chuyển C thành CO2; H thành H2O Dẫn sản phẩm đi qua CuSO4 khan nếu CuSO4 đổi sang màu xanh lam đặc trưng của CuSO4.5H2O thì trong sản phẩm ôxi hoá có nước và trong mẫu chất

có H; rồi cho qua dung dịch nước vôi trong hay Ba(OH)2 nếu có kết tủa (vẩn đục) trong sản phẩm cháy có CO2 và trong mẫu chất có Cácbon b) Định tính Nitơ: đốt cháy nếu có mùi khét (như tóc cháy) có nitơ ở dạng

G.V Lờ Kim Long - ĐHKHTN

nghiệm (600-700oC) nhúng ống nghiệm vào nước thì ống nghiệm vỡ

ra, chất tạo ra trong ống nghiệm có chứa NaCN Thêm vài giọt FeCl2 lắc lên rồi thêm vài giọt FeCl3 thấy kết tủa màu xanh là có nitơ vì

Fe4[Fe(CN)6]3

c) Định tính ôxi thường khó nên người ta thường xác định gián tiếp theo hiệu khối lượng ban đầu của hợp chất và khối lượng các nguyên tố đã xác định được

3- Phân tích định lượng các nguyên tố:

a) Định lượng C: xác định khối lượng C thông qua việc xác định lượng

CO2 thông qua phương pháp khối lượng kết tủa CaCO3; độ tăng khối lượng các bình hấp thu CO2 (chứa dung dịch kiềm)

b) Định lượng H qua lượng H2O: thông qua độ tăng khối lượng bình chứa hóa chất hút nước mạnh như H2SO4 đặc, CaCl2 khan, P2O5…

c) Định lượng nitơ: Khi nung chất hữu cơ với CuO trong khí quyển CO2 rồi dẫn sản phẩm qua lưới Cu nung nóng và dung dịch KOH đậm đặc thì chỉ còn khí nitơ đi ra Đo thể tích khí nitơ sẽ xác định được khối lượng của nitơ trong mẫu chất đã cho (phương pháp Dumas) Cũng có thể đun chất hữu cơ với H2SO4 để các nguyên tử nitơ chuyển thành NH3 tồn tại ở dạng muối amôn sunphat Định lượng (NH4)2SO4 thì sẽ xác

định được lượng nitơ có trong mẫu chất đem thử (Phương pháp Kieldahl)

d) Định lượng ôxi: Định lượng gián tiếp :

mO = m chất phân tích – tổng khối lượng các nguyên tố đã biết

4- Các thí dụ:

Thí dụ 1: Đốt cháy hoàn toàn 7,5 g một chất hữu cơ A người ta thu được 8,8

g CO2, 4,5 g nước và một lượng khí nitơ có thể tích là 1,23 lít ở 15oC, áp suất trong bình là 737 mm Hg Tính khối lượng các nguyên tố có trong chất A đã phân tích?

mC = 8,8 / 44 x 12 = 2,4 g;

mH = 4,5 / 18 x 2 = 0,5 g;

PN2 = 737 mmHg nên mN = 28.nN2 = 28 x (737/760) 1,23/22,4/273/288

= 1,4 g

mC + mH + mN = 4,3 g < 7,5 g nên trong A có ôxi: mO = 7,5 – 4,3 = 3,2

g

Thí dụ 2: Phân tích 3,616 g một chất hữu cơ X bằng phương pháp Kjeldahl Lượng amoniac thoát ra được dẫn vào bình chứa 200 ml dung dịch H2SO4 0,5 M Phần axit dư cần được trung hoà bằng 80 ml dung dịch NaOH 1M Tính hàm lượng nitơcó trong hợp chất đã cho

Ta có phản ứng trung hoà:

2 NaOH + H2SO4 = Na2SO4 + H2O

Số mol H2SO4 dư bằng 1/2 x 0,08 x 1 = 0,04 mol

Số mol H2SO4 phản ứng = 0,2 x 0,5 = 0,1 mol Nên số mol NH3 = 2 (0,1

- 0,04) = 0,12 Như vậy mN = 0,12 x 14 = 1,68g Vậy %N = 1,68/3,616 g

x 100 = 46,46 %

5- Xác định công thức phân tử của chất hữu cơ

a) Các công thức xác định khối lượng phân tử của một chất: M A =

m A /n A: Thông số quan trọng để xác định được công thức phân tử là xác

định được khối lượng mol phân tử (g/mol) hay khối lượng phân tử (đvC)

1 Khối lượng riêng của khí A (g/l, đktc): DA

MA = 22,4 x DA

2 Tỉ khối hơi của A so với một chất B có mol phân tử đã

biết: dA/B

Vì dA/B = MA/ MB nên MA = MB x dA/B

3 Khối lượng của một thể tích khí ở một nhiệt độ và áp suất cho trước : m, V

PV = n RT Nên M = mRT/PV

4 Tỉ lệ thể tích khí trong cùng

điều kiện

VA = kVB nên nA =

knB

MA = (mA/mB)/kxMB

5 Độ tăng nhiệt độ sôi hay độ hạ nhiệt độ đông đặc của dung môi trong dung dịch so với dung môi tinh khiết

M = K m/∆T

K là hằng số nghiệm sôi hoặc nghiệm đông

6 Nếu hỗn hợp các chất có thể tính mol phân tử trung bình của hỗn hợp bằng tỉ số giữa tổng khối lượng các chất trên tổng số mol các chất

b) Xác định công thức đơn giản nhất: Công thức đơn giản nhất của

chất cho biết tỉ lệ các nguyên tử của các nguyên tố có trong phân tử của chất hữu cơ

Tìm tỉ lệ số nguyên tử của các nguyên tố tạo thành phân tử của một chất: Nếu giả thiết rằng công thức đơn giản nhất của chất là CxHyOzNt ta có:

x : y : z : t = nC : nH : nO : nN (1) (chia cho số bé nhất trong dãy số để có được tỉ số giữa các số nguyên đơn giản)

Hoặc sử dụng các hệ thức tính theo khối lượng hay % khối lượng các nguyên tố:

%

%

% :

% :

: : :

:

G.V Lờ Kim Long - ĐHKHTN

Đốt cháy hoàn toàn 0,6 gam chất hữu cơ A thu đựoc 1,32 g CO2; 0,72

g nước Hãy xác định công thức đơn giản nhất (CTĐGN) của A

Trong 0,6 g A có:

mC = 1,32/ 44 x 12 = 3,6 g C;

mH = 0,72 / 18 x 2 = 0,08 g H và

mO = 0,6 - (3,6 + 0,08) = 0,16 g O nên áp dụng công thức 2 thu được CTPT là C3H8O

Thí dụ 4:

Xác định công thức đơn giản nhất của chất B có chứa 40% C; 6,66%H và 52,33%O

áp dụng công thức 2 ta có CTĐGN là CH2O

c) Xác định công thức phân tử:

Công thức phân tử là bội số nguyên lần CTĐGN cho biết trong một phân

tử có bao nhiêu loại và mỗi loại có bao nhiêu nguyên tử của từng loại nguyên tố Có rất nhiều loại dữ kiện dùng được để xác định công thức phân tử của một hợp chất hữu cơ

+ Có thể căn cứ vào khối lượng phân tử:

Chẳng hạn với công thức phân tử (CxHyOzNt)n Ta có M = (12x + y + 16z + 14 t)n Từ khối liượng phân tử ta tìm được giá trị n và CTPT của chất Thí dụ 5:

Lấy dữ kiện từ thí dụ 3 cùng với điều kiện tỉ khối hơi của A so với H2

là 30 Hãy xác định CTPT

CxHyOzNt + )

2 4

2

y

H2O

Đem M gam đốt cháy thu được 44 x gam khí CO2 và 9y gam nước Nếu đốt a gam chất thu được mCO2 và mH2O

Theo điều kiện đầu bài đốt 0,06 g chất thu được 0,088 gam CO2 và

0,036 gam nước Ta có:

Vậy công thứcphân tử của chất là C2H4O2

Thí dụ 6:

Lấy dữ kiện từ thí dụ 4 với điều kiện tỉ khối hơi của chất so với hiđro bằng 30

Với các điều kiện đó ta thiết lập được đủ các phương trình để xác định ngay công thức phân tử của chất:

2

; 2

2 44

088 , 0 06 , 0

60 036

, 0

9 088 , 0 44

=

=

=

=

⇒

=

=

z y

x x

y x

a M

+ Tuỳ theo điều kiện bài toán như số nhóm chức, số nguyên tử O, N

mà kết luận về CTPT

Thí dụ 7: Xác định CTPT của chất B cho biết khi ôxi hóa hoàn toàn 0,29 g chất B thu được 0,66 g CO2, 0,27g nước Cho biết B chỉ chứa một nhóm andehit (- CHO)

Giải:

Từ dữ kiện đầu bài ta có:

015 , 0 18

27 , 0

; 015 , 0 44

66

,

0

=

0,08;

nO = 0,005 Theo công thức (2) ta có x : y : z = 0,015:0,030:0,005 = 3: 6: 1 CTĐGN của B là C3H6O Vì B chỉ có một nhóm anđehit với 1 nguyên tử O nên công thức đơn giản nhất chính là công thức phân tử

Bài luyện tập Bài tập 1: Xác định CTPT của chất với dữ kiện sau:

a) Đốt 0,9 g X thu được 0,672 l CO2 (đktc) và 0,54 g nước Tỉ khối hơi của X so với He là 15

b) Đốt 0,9 g Y thu được 1,76 gCO2, 1,26 g nước và 224 cm3 N2 (đktc) DY/H2 = 22,5

c) Đốt 0,9 g Z thu được 1,056 g CO2, 0,54 g nước và 134,4 ml N2 (đktc) Z có khối lượng phân tử bằng khối lượng phân tử của một chất A có khối lượng riêng ở đktc là 3,348 g/l

Bài tập 2: Xác định CTPT của các chất:

a) Chất A có chứa 40%C, 6,67%H và còn lại là ôxi Khi cho hoá hơi

1 gam A thì hơi chiếm một thể tích đúng bằng thể tích của 0,535 g

ôxi ở cùng điều kiện

b) Chất B cho biết khi ôxi hoá 029 gam B thu được 0,66 gam CO2, 0,27 gam nước Cho M của B bằng 116

Bài tập 3: Ô xi hóa hoàn toàn 0,74 g một chất hữu cơ A bằng CuO thu

được một hỗn hợp khí và hơi B Dẫn hỗn hợp B qua bình 1 đựng dung dịch 10 ml dung dịch H2SO4 95% có khối lượng riêng bằng 1,80 g/ml

và bình 2 đựng dung dịch KOH Sau phản ứng axit trong bình 1 có nồng độ bằng 92,32 % và bình 2 tăng khối lượng 1,32 gam Xác định CTPT của A biết dA/KK = 2,553

Bài tập 4: Chia hỗn hợp hai rượu no đơn chức kế tiếp nhau trong dãy đồng

2

; 4

; 2 40

12 100

60

%

16

%

%

12

O

z H

y C x M

G.V Lờ Kim Long - ĐHKHTN

lần lượt qua bình 1 đựng H2SO4 đặc, bình 2 đựng dung dịch NaOH dư Sau thí nghiệm bình một tăng khối lượng hơn bình hai một lượng 26,6 gam Xác định CTPT và phần trăm khối lượug của từng chất trong hỗn hợp rượu

Bài tập 5: Ôxi hoá hoàn toàn m gam một hợp chất hữu cơ A bằng cách dẫn

hơi A đi qua ống sứ đựng một khối bột CuO nung nóng ở nhiệt độ thích hợp rồi thu lấy sản phẩm cho hấp thu hoàn toàn vào 5 lít dung dịch Ca(OH)2 0,01M Sau thí nghiệm thấy khối lượng của bình đựng tăng 3,72 gam, trong bình xuất hiện 4 gam kết tủa trắng Khối lượng của khối CuO giảm 1,92 gam Hãy xác định CTPT, viết CTCT của chất A cho biết A có một nhóm chức axit và 1 chức rượu

Bài tập 6: Cho một axit hữu cơ X (chứa 1 hay nhiều nhóm -COOH) chứa

40,67% C, 5,08% H

a) Xác định công thức phân tử của X cho biết 0,1 mol A trung hoà vừa

đủ với 1 lít dung dịch NaOH 0,2 M

b) Đốt cháy hoàn toàn 11,8 gam A rồi cho sản phẩm hấp thu vào bình

đựng dung dịch Ba(OH)2 Tính thể tích dung dịch Ba(OH)2 sao cho khi hấp thu sản phẩm không tạo ra kết tủa, tạo ra 39,4 gam kết tủa khi thêm dung dịch nước vôi trong dư thì tạo ra bao nhiêu gam kết tủa nữa

Bài tập 7: Khi đốt 18,9 mg chất X thì thu được 17,6 mg CO2 và 5,4 mg

nước Nếu đốt 9,45 mg chất X có xúc tác thích hợp bằng ôxi dư rồi thu lấy hỗn hợp sản phẩm vào nước đã axit hoá bằng dung dịch HNO3 được dung dịch B Dung dịch B tác dụng với dung dịch AgNO3 tạo ra kết tủa trắng hoá đen khi gặp ánh sáng Dung dịch B tác dụng vừa đủ với 10 ml dung dịch AgNO3 0,01 M Xác định CTPT của X cho biết trong phân tử X chỉ có một nguyên tử Clo

Bài tập 8: Đốt cháy hoàn toàn 0,75 gam một chất hữu cơ A rồi thu lấy sản

phẩm hấp thu vào dung dịch nước vôi trong dư thấy trong bình xuất hiện 2 gam kết tủa, khối lượng dung dịch giảm 1,33 gam Nếu đun 0,15 gam A với dung dịch H2SO4 (phương pháp Kjeldahl) rồi cho dung dịch tác dụng với kiềm dư, đun nhẹ và thu lấy khí thoát ra cho hấp thu vào 18 ml dung dịch H2SO4 0,1 M Sau phản ứng cần 4 ml dung dịch NaOH 0,4 M để trung hoà phần axit dư Xác định CTPT của A cho biết trong phân tử A chỉ có 1 nguyên tử nitơ

Bài tập 9: Cho một hỗn hợp X gồm 1,80 gam C3H6O3 (chất A) và m gam

chất hữu cơ B có cùng số nguyên tử H và O với A nhưng khác số nguyên tử C Dẫn hơi của hỗn hợp X đi qua 200 gam CuO nung nóng

ở nhiệt độ thích hợp X bị ôxi hoá hoàn toàn Cho hỗn hợp sản phẩm khí và hơi vào dung dịch nước vôi trong dư thấy khối lượng bình

đựng tăng 26,72 gam, trong bình có 46 gam kết tủa

a) Hãy xác định CTPT của B

b) Tính m và khối lượng khối đồng ôxit sau phản ứng

Bài tập 10: Đốt hoàn toàn 2,25 g rượu bậc hai thu được 4,95 g CO2 và 2,7 g nước Cho rượu bay hơi thì 1 gam hơi rượu chiếm một thể tich bằng thể tích của 0,53g ôxi ở cùng điều kiện Xác định CTPT của rượu

Bài tập 11: Cho m gam hơi một Hiđrocacbon có cùng thể tích với m gam

CO2

a) Hãy xác định CTPT của hiđrocacbon

b) Xác định CTPT của hiđrocácbon B cho biết hỗn hợp X chứa A và B

có tỉ lệ thể tích 1:1 có tỉ khối so với C2H6 bằng 1

Bài tập 12: Xác định CTPT và CTCT của hiđrocacbon thơm A có vòng

benzen biết rằng 5,9 gam A ở thể hơi trong bình có dung tích 5,6 lít

sẽ gây nên áp suất bằng 0,3 at ở 136,5oC

Bài tập 13: Xác định CTPT và viết CTCT của một hiđrocacbon thơm (có

vòng benzen) có CT CxHx và nhánh có 2 liên kết pi

Bài tập 14: Cho chất A chứa C, H, O có tỉ khối hơi so với C2H6 = 2,4 Hãy

xác định CTPT và viết CTCT của các đồng phân của A khi A là: a) chất chứa cả chức rượu và andehit

b) chất chứa chức axit và este

Bài tập 14: cho chất hữu cơ A chứa C, H, O Nếu lấy cùng khối lượng của A

và C2H6 và cho hoá hơi riêng biệt và ở cùng điều kiện thì thể tích của hơi A chỉ bằng một nửa thể tích của C2H6 Hãy xác định CTPT và viết CTCT của A