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

www.khoabang.com.vn Luyện thi trên mạng
_____________________________________________________________

G.V Lờ Kim Long - HKHTN


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 nh CO, CO
2
, các
muối cacbonat) đợc gọi là các hợp chất hữu cơ. Nh vậy trong hợp chất
nhất thiết phải có chứa C, thờng 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 đợc 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 nh O, N, S...
quyết định tính chất của chức).
- Các hiđrocacbon lại đợc chia thành: các hiđrocacbon no (không có
liên kết mà chỉ có liên kết ); hiđrocacbon không no (ngoài liên kết
còn có liên kết ) và các hiđocacbon thơm (phân tử có vòng benzen).
- Các hợp chất có nhóm chức đợc phân loại theo nhóm định chức liên
kết với gốc hiđrocacbon: dẫn suất halogien (chứa halogien), rợu (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 ngời ta có rất nhiều phơng pháp nghiên cứu hiện đại

dùng để nghiên cứu cấu tạo phân tử các chất hữu cơ. Tuy nhiên bớc 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 lợng nhằm xác định hàm lợng 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 CO
2
; H thành H
2
O. Dẫn sản
phẩm đi qua CuSO
4
khan nếu CuSO
4
đổi sang màu xanh lam đặc trng
của CuSO
4
.5H
2
O thì trong sản phẩm ôxi hoá có nớc và trong mẫu chất
có H; rồi cho qua dung dịch nớc vôi trong hay Ba(OH)
2

nếu có kết tủa
(vẩn đục) trong sản phẩm cháy có CO
2
và trong mẫu chất có Cácbon.
b) Định tính Nitơ: đốt cháy nếu có mùi khét (nh tóc cháy) có nitơ ở dạng
protein; Đun với H
2
SO
4
đặc rồi với NaOH, nếu có khí có mùi khai thì
có nitơ. Một cách khác là nung chất hữu cơ với Na đến nóng đỏ ống
www.khoabang.com.vn Luyện thi trên mạng
_____________________________________________________________

G.V Lờ Kim Long - HKHTN

nghiệm (600-700
o
C) nhúng ống nghiệm vào nớc thì ống nghiệm vỡ
ra, chất tạo ra trong ống nghiệm có chứa NaCN. Thêm vài giọt FeCl
2

lắc lên rồi thêm vài giọt FeCl
3
thấy kết tủa màu xanh là có nitơ vì
Fe
4
[Fe(CN)
6
]

3
.
c) Định tính ôxi thờng khó nên ngời ta thờng xác định gián tiếp theo
hiệu khối lợng ban đầu của hợp chất và khối lợng các nguyên tố đã
xác định đợc.
3- Phân tích định lợng các nguyên tố
:
a) Định lợng C: xác định khối lợng C thông qua việc xác định lợng
CO
2
thông qua phơng pháp khối lợng kết tủa CaCO
3
; độ tăng khối
lợng các bình hấp thu CO
2
(chứa dung dịch kiềm).
b) Định lợng H qua lợng H
2
O: thông qua độ tăng khối lợng bình chứa
hóa chất hút nớc mạnh nh H
2
SO
4
đặc, CaCl
2
khan, P
2
O
5

c) Định lợng nitơ: Khi nung chất hữu cơ với CuO trong khí quyển CO
2

rồi dẫn sản phẩm qua lới Cu nung nóng và dung dịch KOH đậm đặc
thì chỉ còn khí nitơ đi ra. Đo thể tích khí nitơ sẽ xác định đợc khối
lợng của nitơ trong mẫu chất đã cho (phơng pháp Dumas). Cũng có
thể đun chất hữu cơ với H
2
SO
4
để các nguyên tử nitơ chuyển thành NH
3

tồn tại ở dạng muối amôn sunphat. Định lợng (NH
4
)
2
SO
4
thì sẽ xác
định đợc lợng nitơ có trong mẫu chất đem thử (Phơng pháp
Kieldahl).
d) Định lợng ôxi: Định lợng gián tiếp :
m
O
= m
chất phân tích
tổng khối lợng các nguyên tố đã biết.
4- Các thí dụ
:

Thí dụ 1:
Đốt cháy hoàn toàn 7,5 g một chất hữu cơ A ngời ta thu đợc 8,8
g CO
2
, 4,5 g nớc và một lợng khí nitơ có thể tích là 1,23 lít ở 15
o
C, áp
suất trong bình là 737 mm Hg. Tính khối lợng các nguyên tố có trong
chất A đã phân tích?
m
C
= 8,8 / 44 x 12 = 2,4 g;
m
H
= 4,5 / 18 x 2 = 0,5 g;
P
N2
= 737 mmHg nên m
N
= 28.n
N
2
= 28 x (737/760) .1,23/22,4/273/288
= 1,4 g.
m
C
+ m
H
+ m
N

= 4,3 g < 7,5 g nên trong A có ôxi: m
O
= 7,5 4,3 = 3,2
g.
Thí dụ 2:
Phân tích 3,616 g một chất hữu cơ X bằng phơng pháp Kjeldahl.
Lợng amoniac thoát ra đợc dẫn vào bình chứa 200 ml dung dịch H
2
SO
4

0,5 M. Phần axit d cần đợc trung hoà bằng 80 ml dung dịch NaOH 1M.
Tính hàm lợng nitơcó trong hợp chất đã cho.
Ta có phản ứng trung hoà:
2 NaOH + H
2
SO
4
= Na
2
SO
4
+ H
2
O.
Số mol H
2
SO
4
d bằng 1/2 x 0,08 x 1 = 0,04 mol.

www.khoabang.com.vn Luyện thi trên mạng
_____________________________________________________________

G.V Lờ Kim Long - HKHTN

Số mol H
2
SO
4
phản ứng = 0,2 x 0,5 = 0,1 mol. Nên số mol NH
3
= 2 (0,1
- 0,04) = 0,12. Nh vậy m
N
= 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 lợng phân tử của một chất: M
A
=
m
A
/n
A
: Thông số quan trọng để xác định đợc công thức phân tử là xác
định đợc khối lợng mol phân tử (g/mol) hay khối lợng phân tử (đvC).

Cho biết Cách tìm M
1
Khối lợng riêng của khí A
(g/l, đktc): D
A

M
A
= 22,4 x D
A

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

Vì d
A/B
= M
A
/ M
B

nên M
A
= M
B
x d
A/B

3
Khối lợng của một thể tích
khí ở một nhiệt độ và áp suất
cho trớc : m, V
PV = n RT
Nên M = mRT/PV
4
Tỉ lệ thể tích khí trong cùng
điều kiện
V
A
= kV
B
nên n
A
=
kn
B

M
A
= (m
A
/m
B
)/kxM
B

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 lợng 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 C
x
H
y
O
z
N
t
ta có:
x : y : z : t = n
C
: n
H
: n

O
: n
N
(1)
(chia cho số bé nhất trong dãy số để có đợc tỉ số giữa các số nguyên đơn
giản).
Hoặc sử dụng các hệ thức tính theo khối lợng hay % khối lợng các
nguyên tố:
14
%
16
%
1
%
:
12
%
14
:
16
:
1
:
12
:::
NOHCmmmm
tzyx
NOHC
==
(2)

Thí dụ 3
:
www.khoabang.com.vn Luyện thi trên mạng
_____________________________________________________________

G.V Lờ Kim Long - HKHTN

Đốt cháy hoàn toàn 0,6 gam chất hữu cơ A thu đựoc 1,32 g CO
2
; 0,72
g nớc. Hãy xác định công thức đơn giản nhất (CTĐGN) của A.
Trong 0,6 g A có:
m
C
= 1,32/ 44 x 12 = 3,6 g C;
m
H
= 0,72 / 18 x 2 = 0,08 g H và
m
O
= 0,6 - (3,6 + 0,08) = 0,16 g O nên áp dụng công thức 2 thu đợc
CTPT là C
3
H
8
O
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 CH
2
O.

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 đợc để xác định công thức
phân tử của một hợp chất hữu cơ.
+ Có thể căn cứ vào khối lợng phân tử:
Chẳng hạn với công thức phân tử (C
x
H
y
O
z
N
t
)
n
Ta có M = (12x + y + 16z
+ 14 t)n. Từ khối liợng phân tử ta tìm đợc 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 H
2

là 30. Hãy xác định CTPT.
C
x

H
y
O
z
N
t
+
)
24
(
zy
x +
O
2
x CO
2
+
2
y
H
2
O
Đem M gam đốt cháy thu đợc 44 x gam khí CO
2
và 9y gam nớc
Nếu đốt a gam chất thu đợc m
CO
2
và m
H

2
O

Theo điều kiện đầu bài đốt 0,06 g chất thu đợc 0,088 gam CO
2
và
0,036 gam nớc. Ta có:

Vậy công thứcphân tử của chất là C
2
H
4
O
2

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 đợc đủ các phơng 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
==
====
zy
xx
yx
a
M
www.khoabang.com.vn Luyện thi trên mạng
_____________________________________________________________

G.V Lờ Kim Long - HKHTN



+ Tuỳ theo điều kiện bài toán nh 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 đợc 0,66 g CO
2
, 0,27g nớc. 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
2
====
OHO
nn
; m
O
= 0,29 - 0,015x12 - 0,015x2 =
0,08;
n
O
= 0,005. Theo công thức (2) ta có x : y : z = 0,015:0,030:0,005 = 3: 6: 1
CTĐGN của B là C
3
H
6
O. 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 đợc 0,672 l CO
2
(đktc) và 0,54 g nớc. Tỉ khối
hơi của X so với He là 15.
b) Đốt 0,9 g Y thu đợc 1,76 gCO
2
, 1,26 g nớc và 224 cm
3

N
2

(đktc). D
Y/H
2
= 22,5.
c) Đốt 0,9 g Z thu đợc 1,056 g CO
2
, 0,54 g nớc và 134,4 ml N
2

(đktc). Z có khối lợng phân tử bằng khối lợng phân tử của một
chất A có khối lợng 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 đợc 0,66 gam CO
2
,
0,27 gam nớc. 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
đợc một hỗn hợp khí và hơi B. Dẫn hỗn hợp B qua bình 1 đựng dung
dịch 10 ml dung dịch H
2
SO
4

95% có khối lợng 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 lợng 1,32 gam. Xác định
CTPT của A biết d
A/KK
= 2,553.
Bài tập 4
: Chia hỗn hợp hai rợu no đơn chức kế tiếp nhau trong dãy đồng
đẳng làm hai phần bằng nhau. Cho phần một tác dụng với natri d thu
đợc 4,48 l H
2
(đktc). Đốt cháy hoàn toàn phần hai rồi cho sản phẩm
2;4;2
40
12
100
60
%
16
%%
12
100
======= zyx
x
O
z
H
y
C
xM