Phần II: Hóa hữu cơ - Bài 5: Kiến thức nền tảng hữu cơ

PHẦN II: HÓA HỮU CƠ LÊ ĐĂNG KHƯƠNG Trang 48 Bài 5: KIẾN THỨC NỀN TẢNG HỮU CƠ Trong hóa hữu cơ thì c|c kiến thức sau l{ kiến thức vô cùng cốt lõi. Việc năm chắc c|c kiến thức n{y l{ nền tảng của việc l{m chủ môn Hóa. 1. Đồng phân 2. Danh pháp ( sẽ được chia sẻ đầy đủ trong từng b{i) 3. Phản ứng cháy Chúng ta cùng khám phá nào! 1. Khái niệm Độ không no: Độ không no (độ bất bão hòa) là tổng số liên kết (π) và vòng (v) của hợp chất hữu cơ: x y z t 2x 2 y t C H O N k v 2        Với CxHy hoặc CxHyOz : 2x 2 y k v 2      Liên kết đơn gồm: 1 liên kết ϭ (xích ma) Liên kết đôi gồm: 1 liên kết ϭ và 1 liên kết π Liên kết ba gồm: 1 liên kết ϭ và 2 liên kết π Mạch vòng: Ví dụ: C3H6 Kí hiệu tam gi|c trên có nghĩa l{ mỗi đỉnh có 1 nguyên tử cacbon, mỗi đoạn thẳng là 1 liên kết. Cacbon hóa trị IV, Oxi hóa trị II, hiđro hóa trị I Ví dụ: 4 2.1+2-4 CH k = = 0 2 => chỉ có liên kết ϭ :    2 4 2.2 2 4 C H k 1 2 => có 1 liên kết π: CH2=CH2 3 6 2.3 2 6 C H k 1 2     PHẦN II: HÓA HỮU CƠ LÊ ĐĂNG KHƯƠNG Trang 49    3 4 2.3 2 4 C H k 2 2 6 6 2.6 2 6 C H k 4 2     Ví dụ: Học thuộc lòng bảng sau: k = 0 k = 1 k = 2 CH4 C2H6 C2H4 C2H2 C3H8 C3H6 C3H4 C4H10 C4H8 C4H6 C5H12 C5H10 C5H8 C6H14 C6H12 C6H10 CTTQ: CnH2n+2 CTTQ: CnH2n CTTQ: CnH2n-2 Ứng dụng của độ không no: - Viết đồng phân. - Tính toán phản ứng cháy. - X|c định công thức cấu tạo, nhóm chức, công thức tổng quát (CTTQ). a) Ứng dụng viết đồng phân Hidrocacbon: Bước 1: Tính k, xem có liên kết π hoặc vòng hay không Bước 2: Tính theo thứ tự sau:  Mạch Cacbon  không nhánh  nhánh  vòng  Thay đổi vị trí liên kết đôi, ba. Ví dụ: Viết c|c đồng phân cấu tạo của các chất có CTPT là: C4H10 Bước 1: 2.4 2 10 k 0 2     => không có liên kết π hoặc vòng Bước 2: Mạch Cacbon Benzen (k = 4, π = 3, v = 1) Không nhánh C - C – C - C có nhánh PHẦN II: HÓA HỮU CƠ LÊ ĐĂNG KHƯƠNG Trang 50 Chú ý: Viết C – C – C – C sẽ hiểu là CH3 – CH2 – CH2 – CH3 do hiđro (H) quá nhiều nên việc bỏ H khi viết đồng phân sẽ nhanh hơn trong thi trắc nghiệm. Nếu muốn viết đầy đủ ta chỉ cần lấy hóa trị của cacbon (C) là IV trừ đi số liên kết xung quanh C, còn lại là số hiđro. Ví dụ 2: Số đồng phân cấu tạo của các chất có cùng công thức phân tử C5H12 là: A. 3 B. 4 C. 1 D. 5 Hướng dẫn giải Bước 1: 2.5 2 12 k 0 2     => Không có liên kết π hoặc vòng Bước 2: Viết mạch Cacbon - Mạch không nhánh: - Mạch nhánh: Mạch chính 4 Cacbon, 1 nhánh: Mạch chính 3 Cacbon, 2 nhánh: Mạch vòng: Các ankan không có đồng phân mạch vòng. => Có 3 đồng phân Ví dụ 3: Số đồng phân cấu tạo của các chất có cùng công thức phân tử C6H14 là: A. 5 B. 6 C. 4 D. 2 Hướng dẫn giải Bước 1: 2.6 2 14 k 0 2     => không có liên kết π hoặc vòng. Bước 2: Viết mạch cacbon - Mạch không nhánh: - Mạch nhánh: Mạch chính 5 cacbon, 1 nhánh: Mạch chính 4 cacbon, 2 nhánh: => Có 5 đồng phân 4-1=3, thêm 3 H 4-2 = 2, thêm 2 H Ví dụ 1: C – C – C – C => CH3–CH2–CH2–CH3 PHẦN II: HÓA HỮU CƠ LÊ ĐĂNG KHƯƠNG Trang 51 Ví dụ 4: Số đồng phân cấu tạo của các chất có công thức phân tử C3H6 là: A. 1 B. 2 C. 3 D. 4 Hướng dẫn giải Bước 1: 2.3 2 6 k 1 2     => có 1 liên kết π hoặc 1 vòng. Bước 2: Viết mạch cacbon  Trường hợp 1: π = 1 => có liên kết đôi trong ph}n tử => có đồng phân anken: - Mạch không nhánh: - Mạch nhánh: Vì số cacbon n = 3 => không có đồng phân anken mạch nhánh.  Trường hợp 2: v = 1 => có đồng phân mạch vòng: - Vòng: CnH2n với n = 3 có 1 đồng phân mạch vòng: => Có 2 đồng phân Ví dụ 5: Số đồng phân cấu tạo của các chất có công thức phân tử C4H8 là: A. 5 B. 4 C. 6 D. 2 Hướng dẫn giải Bước 1: 2.4 2 8 k 1 2     => có 1 liên kết π hoặc 1 vòng. Bước 2: Mạch cacbon  Trường hợp 1: π = 1 => có liên kết đôi trong ph}n tử => C4H8 có các đồng phân anken sau: - Mạch không nhánh: Thay đổi vị trí nối đôi trong mạch cacbon ta được c|c đồng phân cacbon mạch không nhánh: - Mạch nhánh: mạch chính có 3 cacbon, 1 nhánh:  Trường hợp 2: v = 1 => có đồng phân mạch vòng: - Vòng C4H8 có các đồng phân sau: Vòng 4 cạnh: Vòng 3 cạnh và 1 nhánh: => Có 5 đồng phân Ví dụ 6: Số đồng phân cấu tạo của các chất có công thức phân tử C5H10 là: A. 10 B. 9 C. 5 D. 7 Hướng dẫn giải Bước 1: 2.5 2 10 k 1 2     => có 1 liên kết π hoặc 1 vòng. PHẦN II: HÓA HỮU CƠ LÊ ĐĂNG KHƯƠNG Trang 52 Bước 2: Mạch cacbon  Trường hợp 1: π = 1 => có liên kết đôi trong ph}n tử => C5H10 có c|c đồng phân anken sau: - Mạch thẳng: - Mạch nhánh: Có 3 đồng phân mạch nhánh (mạch chính có 4 cacbon và 1 nhánh)  Trường hợp 2: v = 1 => có đồng phân mạch vòng: - Vòng C5H10 có c|c đồng phân sau: Vòng 5 cạnh : Vòng 4 cạnh, 1 nhánh: Vòng 3 cạnh, 1 nhánh và 2 nhánh: => Có 10 đồng phân Ví dụ 7: Số đồng phân cấu tạo của các chất có công thức phân tử C6H12 là: A. 13 B. 18 C. 12 D. 11 Hướng dẫn giải Bước 1: 2.6 2 12 k 1 2     => có 1 liên kết π hoặc 1 vòng. Bước 2: Mạch cacbon  Trường hợp 1: π = 1 => có liên kết đôi trong ph}n tử => C6H12 có c|c đồng phân anken sau: - Mạch không nhánh: - Mạch nhánh: Mạch chính 5 cacbon, 1 nhánh: Mạch chính 4 Cacbon, 2 nhánh:  Trường hợp 2: v = 1 => có đồng phân mạch vòng: PHẦN II: HÓA HỮU CƠ LÊ ĐĂNG KHƯƠNG Trang 53 - Vòng C6H12 : Vòng 6 cạnh: Vòng 5 cạnh, 1 nhánh: Vòng 4 cạnh, 1 nhánh và 2 nhánh: Vòng 3 cạnh, 1, 2 và 3 nhánh: => Có 22 đồng phân Ví dụ 8: Số đồng phân cấu tạo, mạch hở của các chất có công thức phân tử C3H4 là: A. 1 B. 2 C. 3 D. 4 Hướng dẫn giải Bước 1: 2.3 2 4 k 2 2     => có 2 liên kết π (2 liên kết đôi hoặc một liên kết ba), chỉ xét mạch hở nên v = 0. Bước 2: Mạch cacbon - Mạch không nhánh: - Mạch nhánh: Vì số cacbon n = 3 => không có đồng phân ankin hoặc ankađien mạch nhánh. => Có 2 đồng phân Ví dụ 9: Số đồng phân cấu tạo, mạch hở của các chất có công thức phân tử C4H6 là: A. 4 B. 3 C. 2 D. 1 Hướng dẫn giải Bước 1: 2.4 2 6 k 2 2     => có 2 liên kết π (2 liên kết đôi hoặc một liên kết ba), chỉ xét mạch hở nên v = 0. Bước 2: Mạch cacbon - Mạch thẳng: Thay đổi vị trí các nối đôi, nối ba ta thu được c|c đồng phân mạch thẳng: - PHẦN II: HÓA HỮU CƠ LÊ ĐĂNG KHƯƠNG Trang 54 - Mạch nhánh: Vì số cacbon n = 4 => không có đồng phân ankin hoặc ankađien mạch nhánh. => Có 4 đồng phân Ví dụ 10: Số đồng phân cấu tạo, mạch hở của các chất có công thức phân tử C5H8 là: A. 6 B. 7 C. 8 D. 9 Hướng dẫn giải Bước 1: 2.5 2 8 k 2 2     => có 2 liên kết π (2 liên kết đôi hoặc một liên kết ba), chỉ xét mạch hở nên v = 0. Bước 2: Mạch cacbon - Mạch không nhánh: Thay đổi vị trí các nối đôi, nối ba trong mạch ta thu được c|c đồng phân ankin và ankađien: - Mạch nhánh: Viết c|c đồng phân mạch nhánh gồm mạch chính 4 cacbon và một nhánh: => Có 9 đồng phân PHẦN II: HÓA HỮU CƠ LÊ ĐĂNG KHƯƠNG Trang 55 PHẢN ỨNG CHÁY Phản ứng ch|y l{ phản ứng chiếm tới 60% c|c b{i tập trong hóa hữu cơ. Việc nắm chắc c|c kiến thức n{y sẽ giúp em nhanh chóng l{m chủ phần tính to|n phức tạp. H~y đơn giản hóa những b{i to|n khó bằng c|ch học thật kỹ v{ bấm m|y sao cho tốc độ đạt trung bình 30 giây/câu. Phản ứng đốt cháy: Cách 1: C OH N C OH N m mm m x : y : z : t : : : 12 1 16 14 %m %m%m %m : : : 12 1 16 14 a : b : c : d     Công thức đơn giản nhất (CTĐGN) của X l{ CaHbOcNd  Công thức ph}n tử (CTPT) của X l{ (CaHbOcNd)n Mx = (12a+b+16c+14d)n => CxHyOzNt Cách 2: CxHyOzNt + ( O2 → xCO2 + H2O + N2 mol a xa Bảo toàn nguyên tố: 2 2 2 2 2 2 CO CO H O O X X H O N X X n 2n n 2n C : x (1) O : z (3) n n 2n 2n H : y (2) N : t (4) n n       Bảo toàn khối lượng: 2 2 2 2 X O CO H O N X C H O N m m m m m (5) m m m m m (6)         Khi cho sản phẩm ch|y đi qua dung dịch Ca(OH)2 hoặc Ba(OH)2 Nếu Ca(OH)2 hoặc Ba(OH)2 dư => 2 3 CO CaCO n n   hoặc 2 3 CO BaCO n n   Cách 3: Dùng độ không no (CxHyOz) 2x 2 y k 2    ; (CxHyOzNt) 2x 2 y t k 2      Công thức ph}n tử của X l{ CnH2n+2-2kOz CnH2n+2-2kOz + ∆O2 → nCO2 + (n+1-k)H2O a na (n+1-k)a PHẦN II: HÓA HỮU CƠ LÊ ĐĂNG KHƯƠNG Trang 56  2 2 CO H O X n n a n k 1     2 2 2 2CO H O X H O CO k 0 n n n n n      : ankan, ancol, ete no, mạch hở 2 2CO H O k 1 n n   : anken, anđehit, xeton, axit, este no, đơn chức, mạch hở. 2 2 2 2CO H O X CO H O k 2 n n n n n      : ankin, ankađien Câu 1: Hợp chất X có phần trăm khối lượng cacbon, hiđro v{ oxi lần lượt bằng 48,65%, 8,11% v{ 43,24%. Khối lượng mol ph}n tử của X bằng 74,0 g/mol. Công thức ph}n tử n{o sau đ}y ứng với hợp chất X? A. C2H4O2. B. C2H6O. C. C3H6O2. D. C4H8O. Hướng dẫn giải Gọi công thức phân tử của X là CxHyOz %C %H %O x : y :z : : 12 1 16 48,65 8,11 43,24 : : 12 1 16 4,05 : 8,11 : 2,70 1,5 : 3 : 1 3 : 6 : 2      Vậy công thức đơn giản nhất của X là C3H6O2 Công thức tổng quát của X là (C3H6O2)n MX = 74 g/mol → (3.12 + 6 + 2.32).n = 74 → n = 1 Vậy công thức phân tử của X là C3H6O2 → Đáp án C Câu 2: Đốt cháy hoàn toàn một ancol đơn chức, mạch hở X thu được 6,72 lít khí CO2 (đktc) và 7,20 gam H2O. Công thức phân tử của ancol X là A. C3H8O. B. C2H6O. C. C3H6O. D. C4H8O. Hướng dẫn giải 2 2 CO H O V 6,72 n 0,3 mol 22,4 22,4 m 7,2 n 0,4 mol M 18       2 2CO H O n n → ancol X l{ ancol no. Gọi công thức của ancol no, đơn chức, mạch hở là CnH2n+1OH ot n 2n 1 2 2 2 3n C H OH O nCO (n 1)H O 2      2 2 CO H O n n 0,3 n 3 n n 1 0,4      → công thức của X là C3H7OH hay C3H8O PHẦN II: HÓA HỮU CƠ LÊ ĐĂNG KHƯƠNG Trang 57 → Đáp án A Câu 3: Đốt cháy hoàn toàn hỗn hợp X gồm hai hiđrocacbon kế tiếp nhau trong d~y đồng đẳng, thu được 2,24 lít khí CO2 (đktc) v{ 3,24 gam H2O. Hai hiđrocacbon trong X l{ A. C2H6 và C3H8. B. CH4 và C2H6. C. C2H2 và C3H4. D. C2H4 và C3H6. Hướng dẫn giải → Do hai chất l{ đồng đẳng liên tiếp nên hai chất là CH4 và C2H6 → Đáp án B Câu 4: Đốt ch|y ho{n to{n 6,96 gam hai ancol no, đơn chức, mạch hở X và Y (MX < MY) cần vừa đủ 0,36 mol O2. Công thức phân tử của X và Y lần lượt là A. CH3OH và C2H5OH. B. C2H5OH và C3H7OH. C. C3H7OH và C4H9OH. D. C3H5OH và C4H7OH. Hướng dẫn giải Gọi công thức chung của hai ancolno, đơn chức, mạch hở là n 2n 1 C H OH  2 2 2n 2n 1 3n C H OH O nCO (n 1)H O 2 6,96 0,36 14n 18       Theo tỉ lệ phương trình: 6,96 3n . 0,36 n 1,2 214n 18     Vì hai ancol l{ đồng đẳng kế tiếp nhau nên ancol X là CH3OH và ancol Y là C2H5OH → Đáp án A Câu 5 (B-08): Đốt cháy hoàn toàn 1 lít hỗn hợp khí gồm C2H2 và hiđrocacbon X sinh ra 2 lít khí CO2 và 2 lít hơi H2O (các thể tích khí và hơi đo ở cùng điều kiện nhiệt độ, áp suất). Công thức phân tử của X là A. C2H6. B. C2H4. C. CH4. D. C3H8. Hướng dẫn giải: Tỉ lệ về thể tích cũng chính l{ tỉ lệ số mol 2 2CO CO hh hh n V 2 C 2 n V 1     Vì C2H2 có 2 Cacbon nên trong X cũng phải có 2 Cacbon → loại C và D 2 2 2 2 2 CO H O X H O CO CO X 2,24 3,24 n 0,1 mol n 0,18 mol haiankan 22,4 18 n n n 0,08mol n 0,1 C 1,25 n 0,08              PHẦN II: HÓA HỮU CƠ LÊ ĐĂNG KHƯƠNG Trang 58 2 2H O H O hh hh 2n 2V 2.2 H 4 n V 1     Vì C2H2 có 2H < 4 → X có nhiều hơn 4H → Đáp án A Câu 6 (B-12): Đốt cháy hoàn toàn hỗn hợp X gồm hai hiđrocacbon (tỉ lệ số mol 1 : 1) có công thức đơn giản nhất khác nhau, thu được 2,2 gam CO2 và 0,9 gam H2O. Các chất trong X là A. một ankan và một ankin. B. hai ankađien. C. hai anken. D. một anken và một ankin. Hướng dẫn giải 2 2 CO H O m 2,2 n 0,05 mol M 44 m 0,9 n 0,05 mol M 18       2 2CO H O n n → trong X gồm { Vì hai hiđrocabon có công thức đơn giản nhất khác nhau nên loại khả năng hai anken → Đáp án A Câu 7 (CĐ-12) : Đốt cháy hoàn toàn hỗn hợp X gồm hai hiđrocacbon kế tiếp nhau trong dãy đồng đẳng, thu được 2,24 lít khí CO2 (đktc) v{ 3,24 gam H2O. Hai hiđrocacbon trong X là A. C2H6 và C3H8. B. CH4 và C2H6. C. C2H2 và C3H4. D. C2H4 và C3H6. Hướng dẫn giải 2 2 CO H O V 2,24 n m 0,1 mol 22,4 22,4 m 3,24 n 0,18 mol M 18       2 2CO H O n n → hai hiđrocabon thuộc d~y đồng đẳng ankan. Gọi công thức chung của hai ankan là n 2n 2 C H  2 2 2n 2n 2 3n 1 C H O nCO (n 1)H O 2      2 2 CO H O n n 0,1 n 1,25 n 0,18n 1      Vì hai ankan kế tiếp nhau trong d~y đồng đẳng nên hai ankan đó l{ CH4 và C2H6 → Đáp án B Câu 8 (CĐ-07): Đốt cháy hoàn toàn một thể tích khí thiên nhiên gồm metan, etan, propan bằng oxi không khí (trong không khí, oxi chiếm 20% thể tích), thu được 7,84 lít khí CO2 (ở PHẦN II: HÓA HỮU CƠ LÊ ĐĂNG KHƯƠNG Trang 59 đktc) v{ 9,9 gam nước. Thể tích không khí (ở đktc) nhỏ nhất cần dùng để đốt cháy hoàn to{n lượng khí thiên nhiên trên là A. 70,0 lít. B. 78,4 lít. C. 84,0 lít. D. 56,0 lít. Hướng dẫn giải 2 2 CO H O V 7,84 n 0,35 mol 22,4 22,4 m 9,9 n 0,55 mol M 18       Gọi công thức chung của c|c hiđrocacbon l{ CxHy x y 2 2 2 y y C H (x )O xCO H O 4 2     Nhận xét: 2 2 2 H O O CO n 0,55 n n 0,35 0,675 mol 2 2      (*) 2O V n.22,4 0,675.22,4 14 (L)   Vì trong không khí oxi chiếm 20% thể tích nên Vkhông khí = 100 14. 70 (L) 20  → Đáp án A Phương trình (*) ở trên l{ phương ph|p bảo toàn nguyên tố oxi, nghĩa l{ số mol oxi trước phản ứng (ở đ}y Oxi chỉ có trong O2 không khí) bằng số mol oxi sau phản ứng (có trong CO2 và H2O) Câu 9 (CĐ-10): Đốt ch|y ho{n to{n 6,72 lít (đktc) hỗn hợp gồm hai hiđrocacbon X v{ Y (MY > MX), thu được 11,2 lít khí CO2 (đktc) và 10,8 gam H2O. Công thức của X là A. C2H4. B. CH4. C. C2H6. D. C2H2. Hướng dẫn giải 2 2 hh CO H O V 6,72 n 0,3 mol 22,4 22,4 V 11,2 n 0,5 mol 22,4 22,4 m 10,8 n 0,6 mol M 18          2CO hh n 0,5 C 1,67 n 0,3    ; 2 H O hh 2n 2.0,6 H 4 n 0,3    Vì MY > MX → X có số C < 1,67 v{ H <4 → X l{ CH4 → Đáp án B. (phương ph|p trên được gọi l{ phương ph|p trung bình, thường được sử dụng trong các bài toán hỗn hợp !) PHẦN II: HÓA HỮU CƠ LÊ ĐĂNG KHƯƠNG Trang 60 Câu 10 (CĐ-08) 42: Đốt cháy hoàn toàn hỗn hợp M gồm một ankan X và một ankin Y, thu được số mol CO2 bằng số mol H2O. Thành phần phần trăm về số mol của X và Y trong hỗn M lần lượt là A. 75% và 25%. B. 20% và 80%. C. 35% và 65%. D. 50% và 50%. Hướng dẫn giải Gọi công thức phân tử của ankan là CnH2n+2 Công thức phân tử của ankin là CmH2m-2 2 2 O n 2n 2 2 2 O m 2m 2 2 2 C H nCO (n 1)H O C H mCO x nx (n 1)x y my (m 1)y (m 1)H O                      Theo đề bài 2 2CO H O n n nên ta có phương trình nx + my = (n + 1)x + (m – 1)y → x = y Số mol của X và Y bằng nhau nên phần trăm số mol của X và Y là 50% và 50% → Đáp án D Câu 11: Đốt cháy hoàn toàn 20 mL hơi hợp chất hữu cơ X (chỉ gồm C, H, O) cần vừa đủ 110 mL khí O2, thu được 160 mL hỗn hợp Y gồm khí và hơi. Dẫn Y qua dung dịch H2SO4 đặc (dư), còn lại 80 mL khí Z. Biết c|c thể tích khí v{ hơi đo ở cùng điều kiện. Công thức ph}n tử của X l{ A. C4H8O2. B. C4H10O. C. C3H8O. D. C4H8O. Hướng dẫn giải Tỉ lệ thể tích cũng chính l{ tỉ lệ số mol ta coi như thể tích l{ mol trong tính to|n: Dựa v{o dữ kiện đề b{i: 2 2Z:CO 80mol H O 160 80 80mol      Bảo to{n nguyên tố O: trong XO 80.2 80 110.2 20 mol     Gọi công thức:                  2 2 CO X H O x y z 4 8 X O X n 80 x 4 n 20 n 2.80 X :C H O y 8 C H O n 20 n 20 z 1 n 20 → Đáp án D Phương ph|p bảo toàn nguyên tố oxi: số mol oxi trước phản ứng (ở đ}y Oxi có trong O2 không khí và O có trong X) bằng số mol oxi sau phản ứng (có trong CO2 và H2O)