Một số biện pháp nâng cao năng lực giải bài toán đốt cháy các hợp chất hữu cơ

Nội dung text: Một số biện pháp nâng cao năng lực giải bài toán đốt cháy các hợp chất hữu cơ

1. TẠP CHÍ KHOA HỌC ĐHSP TPHCM Số 3(68) năm 2015 ___ MỘT SỐ BIỆN PHÁP NÂNG CAO NĂNG LỰC GIẢI BÀI TOÁN ĐỐT CHÁY CÁC HỢP CHẤT HỮU CƠ NGUYỄN HỮU TÀI* TÓM TẮT Bài toán đốt cháy các hợp chất hữu cơ khá phổ biến trong chương trình Hóa học phổ thông. Để giúp học sinh giải quyết bài toán này chúng tôi đưa ra một số biện pháp nâng cao năng lực lập công thức và phương trình hóa học, đồng thời qua đó giúp học sinh có khả năng đưa ra những mối tương quan giữa các chất với các thuật toán trong phản ứng đốt cháy các hợp chất hữu cơ. Từ khóa: bài toán đốt cháy, hợp chất hữu cơ, công thức hóa học, phương trình hóa học. ABSTRACT Some measures to improve students’ ability in solving the problem of burning organic compounds The problem of burning organic compounds is quite common in high school’s general chemistry. In order to help students solve the problem, several measures to improve students’ ability in building formulas and chemical equations are proposed, simultaneously, learners can find out correlations between substances and algorithms in the burning of organic compounds. Keywords: the burning problem, organic compound, chemical formulas, chemical equations. 1. Đặt vấn đề Qua thực tế giảng dạy, chúng tôi nhận thấy khi giải bài toán đốt cháy các hợp chất hữu cơ, rất nhiều học sinh không phát hiện ra mối liên hệ giữa các chất với dữ liệu của đề bài nên thường đặt quá nhiều ẩn và dẫn đến bế tắc không giải được bài toán. Những bài toán đốt cháy các hợp chất hữu cơ thường có các đặc điểm chung, đó là: Có thể sử dụng cùng một công thức, cùng một phương trình hóa học là có thể giải được dễ dàng. Cấu trúc của năng lực giải bài toán đốt cháy các hợp chất hữu cơ bao gồm: Năng lực lập công thức phân tử các hợp chất hữu cơ, năng lực lập phương trình hóa học của phản ứng đốt cháy các hợp chất hữu cơ, năng lực xây dựng các công thức tính toán liên quan đến các chất từ phương trình hóa học của phản ứng đốt cháy. Hiện nay, rất ít tài liệu nghiên cứu chuyên sâu về vấn đề này; chính vì vậy chúng tôi đã đưa ra một số biện pháp nâng cao năng lực giải bài toán đốt cháy các hợp chất hữu cơ, nhằm giúp các em học sinh giải quyết các bài toán một cách nhanh hơn đồng thời rèn luyện năng lực phát hiện và giải quyết vấn đề, từ đó giúp các em ngày càng tự tin và yêu thích việc giải toán hóa học. * ThS, Trường Tiểu học, Trung học cơ sở và Trung học phổ thông Ngô Thời Nhiệm; Email: tainguyen0406@gmail.com 106
2. TẠP CHÍ KHOA HỌC ĐHSP TPHCM Nguyễn Hữu Tài ___ 2. Một số biện pháp nâng cao năng lực giải bài toán đốt cháy các hợp chất hữu cơ 2.1. Giúp học sinh nắm vững cách lập công thức phân tử của các hợp chất hữu cơ Công thức phân tử của hợp chất hữu cơ biểu thị số lượng nguyên tử của mỗi nguyên tố trong phân tử. Để lập công thức phân tử chung của các hợp chất hữu cơ cần có nhiều thông tin. Trong đó, có những thông tin hiển thị rõ ràng có thể nhận thức ngay được như thành phần nguyên tố, số lượng nguyên tử của mỗi nguyên tố, bên cạnh đó còn có những thông tin đòi hỏi học sinh phải có năng lực phát hiện vấn đề mới nhận thức được như số liên kết , số vòng Việc lập được công thức phân tử chung của các hợp chất hữu cơ sẽ giúp cho học sinh viết được phương trình hóa học của phản ứng đốt cháy. 2.1.1. Cách lập công thức phân tử của các hidrocacbon a. Cách lập công thức phân tử của ankan * Cách 1. Giả sử phân tử ankan gồm n nguyên tử C. Tổng số hóa trị của C là 4n, số hóa trị của C dùng để liên kết giữa C với nhau là 2(n-1) vì có (n-1) liên kết C-C. Số hóa trị của cacbon dùng để liên kết với hidro là 4n – 2(n-1) = 2n+2. Vậy công thức phân tử chung của ankan là CnH2n+2 (n ≥ 1). * Cách 2. - Bước 1. Viết công thức phân tử của một vài chất kế tiếp metan bằng cách thêm một hoặc nhiều nhóm CH2, thí dụ CH4 hay H2CH2, C2H6 hay H2CH2CH2, C3H8 hay H2CH2CH2CH2 - Bước 2. Tìm quy luật biến đổi số nguyên tử C và H trong dãy chất: ở đây là H2(CH2)n. Vậy công thức phân tử chung của ankan là CnH2n+2. b. Cách lập công thức phân tử của các hidrocacbon khác ankan - Bước 1. Tìm số liên kết và vòng của hidrocacbon. - Bước 2. Tính số nguyên tử H giảm đi so với ankan tương ứng: Để hình thành 1 vòng (monoxicloankan) hoặc 1 liên kết từ ankan phải mất 2H. => Hidrocacbon có tổng số liên kết và vòng bằng k sẽ có số nguyên tử H kém hơn ankan là 2k. => Công thức phân tử của hidrocacbon là CnH2n+2-2k. Thí dụ. Lập công thức phân tử chung dãy đồng đẳng của vinyl axetilen. - Bước 1. Tìm số liên kết và vòng của hidrocacbon. Dãy đồng đẳng của vinyl axetilen là những hidrocacbon mạch hở (tức không có vòng) có 3 liên kết trong phân tử. - Bước 2. Tính số nguyên tử H giảm đi so với ankan tương ứng. Vì phân tử hidrocacbon có 3 liên kết nên số nguyên tử H giảm đi so với ankan tương ứng là 6 => công thức phân tử chung của hidrocacbon là CnH2n+2-6 hay CnH2n-4 (n ≥ 4). 107
3. TẠP CHÍ KHOA HỌC ĐHSP TPHCM Số 3(68) năm 2015 ___ 2.1.2. Cách lập công thức phân tử của các hợp chất hữu cơ có chứa nhóm chức - Bước 1. Tìm tổng số liên kết và vòng của toàn bộ phân tử rồi lập công thức phân tử hidrocacbon tương ứng. Nếu hợp chất hữu cơ có k liên kết và vòng thì hidrocacbon tương ứng sẽ có công thức là CnH2n+2-2k. - Bước 2. Xác định số nguyên tử oxi, nitơ, halogen để thêm vào công thức hidrocacbon vừa lập. Chú ý: Để đảm bảo hóa trị của các nguyên tố (cacbon có hóa trị bốn, hidro có hóa trị một, oxi có hóa trị hai, nitơ có hóa trị ba, halogen có hóa trị một), nếu thêm oxi thì không thay đổi số nguyên tử hidro nhưng nếu thêm nitơ thì phải thêm hidro (thí dụ thêm 1 nguyên tử nitơ phải thêm 1 nguyên tử hidro), thêm halogen thì phải bớt hidro (thí dụ thêm 1 nguyên tử clo phải bớt 1 nguyên tử hidro). Thí dụ. Lập công thức phân tử chung của các amino axit no, mạch hở chứa 1 nhóm –NH2 và 1 nhóm –COOH trong phân tử. - Bước 1. Tìm tổng số liên kết và vòng của toàn bộ phân tử amino axit. Vì amino axit no, mạch hở nên phần gốc của nó không có liên kết và vòng nhưng có 1 liên kết trong nhóm chức –COOH => công thức phân tử hidrocacbon tương ứng là CnH2n+2-2 hay CnH2n. - Bước 2. Xác định số nguyên tử O, N để thêm vào công thức hidrocacbon vừa lập. Chú ý để đảm bảo hóa trị của các nguyên tố, nếu thêm nitơ thì phải thêm hidro. Phân tử amino axit có 1 nhóm –NH2 và 1 nhóm –COOH nên có 2 nguyên tử O và 1 nguyên tử N. Như vậy phải thêm 1 nguyên tử H. => Công thức phân tử chung của amino axit no, mạch hở chứa 1 nhóm –NH2 và 1 nhóm –COOH là CnH2n+1O2N (n ≥ 2). 2.2. Giúp học sinh hệ thống hóa các phương trình hóa học của phản ứng đốt cháy những hợp chất hữu cơ quan trọng Bản chất của các bài toán hóa học phần lớn đều thể hiện mối quan hệ giữa các chất trong phản ứng. Việc quan sát phương trình hóa học của phản ứng sẽ giúp học sinh rút ra các công thức tính toán liên quan đến các chất, từ đó giúp học sinh giải nhanh các bài tập. Sau đây là phương trình hóa học của phản ứng đốt cháy các hợp chất hữu cơ quan trọng. 2.2.1. Phương trình hóa học của phản ứng đốt cháy các hidrocacbon y y C H (x )O xCO H O x y 4 2 2 2 2 Đốt cháy ankan 3n 1 C H ( )O nCO (n 1)H O n 2n 2 2 2 2 2 Đốt cháy xicloankan, anken 3n C H O nCO nH O n 2n 2 2 2 2 Đốt cháy ankađien, ankin 108
4. TẠP CHÍ KHOA HỌC ĐHSP TPHCM Nguyễn Hữu Tài ___ 3n 1 C H ( )O nCO (n 1)H O n 2n 2 2 2 2 2 Đốt cháy hidrocacbon có 3 như vinyl axetilen, 3n 2 C H ( )O nCO (n 2)H O n 2n 4 2 2 2 2 Đốt cháy dãy đồng đẳng của benzen 3n 3 C H ( )O nCO (n 3)H O n 2n 6 2 2 2 2 Đốt cháy axetilen, vinyl axetilen, benzen, stiren 5n n C H O nCO H O n n 4 2 2 2 2 2.2.2. Phương trình hóa học của phản ứng đốt cháy các hợp chất hữu cơ có chứa nhóm chức y z y C H O (x )O xCO H O x y z 4 2 2 2 2 2 y z y t CHON () x O xCO HO N x y z t 4 22 2 2 2 2 2 Đốt cháy ancol, ete no, đơn chức, mạch hở 3n C H O O nCO (n 1)H O n 2n 2 2 2 2 2 Đốt cháy ancol, ete no, hai chức, mạch hở 3n 1 C H O ( )O nCO (n 1)H O n 2n 2 2 2 2 2 2 Đốt cháy ancol, ete no, ba chức, mạch hở 3n 2 C H O ( )O nCO (n 1)H O n 2n 2 3 2 2 2 2 Đốt cháy anđehit, xeton no, đơn chức, mạch hở; ancol, ete đơn chức,mạch hở có một liên kết đôi C=C 3n 1 C H O ( )O nCO nH O n 2n 2 2 2 2 Đốt cháy anđehit, xeton đơn chức, mạch hở, có một liên kết đôi C=C; ancol, ete đơn chức, mạch hở, có một liên kết ba C≡C hoặc hai liên kết đôi C=C 3n 2 C H O ( )O nCO (n 1)H O n 2n 2 2 2 2 2 Đốt cháy axit, este no, đơn chức, mạch hở; tạp chức anđehit - ancol no, mạch hở 3n 2 C H O ( )O nCO nH O n 2n 2 2 2 2 2 109
5. TẠP CHÍ KHOA HỌC ĐHSP TPHCM Số 3(68) năm 2015 ___ Đốt cháy axit, este đơn chức, mạch hở, có một liên kết đôi C=C; anđehit no, hai chức, mạch hở 3n 3 C H O ( )O nCO (n 1)H O n 2n 2 2 2 2 2 2 Đốt cháy amin no, đơn chức, mạch hở 6n 3 2n 3 1 C H N ( )O nCO ( )H O N n 2n 3 4 2 2 2 2 2 2 Đốt cháy amino axit no, mạch hở, có 1 nhóm –NH2 và 1 nhóm –COOH 6n 3 2 n 1 1 CHON ()() OnCO HON n2 n 1 24 2 2 2 2 2 2 Đốt cháy muối của axit cacboxylic, thí dụ: CnH2n+1COONa 2Cn H2n 1COONa (3n 1)O2 Na2CO3 (2n 1)CO2 (2n 1)H2O 2.3. Xây dựng một số công thức tính toán quan trọng liên quan đến các chất từ phương trình hóa học của phản ứng đốt cháy các hợp chất hữu cơ (1) Từ phương trình hóa học của phản ứng đốt cháy hợp chất hữu cơ A chứa C,H,O,N: y z y t CHON () x O xCO HO N x y z t 4 22 2 2 2 2 2 ta có các công thức: n 2n (a) số nguyên tử cacbon = CO2 , số nguyên tử hidro = HO2 , nA nA 2n số nguyên tử nitơ = N2 . nA (b) m m m m m (bảo toàn khối lượng). Cx H y O z N t O2 CO 2 H 2 O N 2 z 1 (c) n n n n (bảo toàn nguyên tố oxi). 2 Cx H yOz Nt O2 CO2 2 H 2O (2) Từ phương trình hóa học của phản ứng đốt cháy hợp chất hữu cơ A có dạng CnH2n+2Oz (z ≥ 0): 3n 1 z C H O ( )O nCO (n 1)H O n 2n 2 z 2 2 2 2 ta có n n n hay n n n . A H2 O CO 2 H2 O A CO 2 (3) Từ phương trình hóa học của phản ứng đốt cháy hợp chất hữu cơ A có dạng CnH2n-2Oz (z ≥ 0): 3n 1 z C H O ( )O nCO (n 1)H O n 2n 2 z 2 2 2 2 ta có n n n hay n n n . A CO2 H 2 O CO2 A H 2 O 110
6. TẠP CHÍ KHOA HỌC ĐHSP TPHCM Nguyễn Hữu Tài ___ (4) Từ phương trình hóa học của phản ứng đốt cháy hidrocacbon có dạng (CH)n 5n n như C H , C H , C H , C H , : C H O nCO H O , ta có: 2 2 4 4 6 6 8 8 n n 4 2 2 2 2 5 5 nCO 2nH O , nO nCO , nO nH O . 2 2 2 4 2 2 2 2 (5) Từ phương trình hóa học của phản ứng đốt cháy hợp chất hữu cơ chứa C, H, O có dạng (CH2O)n (thí dụ: HCHO, CH3COOH, HCOOCH3, CH3CH(OH)COOH, glucozơ C6H12O6, ): Cn H2nOn nO2 nCO2 nH2O ta có n n n . O2 CO2 H 2O (6) Từ phương trình hóa học của phản ứng đốt cháy các hợp chất hữu cơ có dạng CnH2n , CnH2n+2O: 3n 3n C H O nCO nH O , C H O O nCO (n 1)H O n 2n 2 2 2 2 n 2n 2 2 2 2 2 3 ta có n n . O2 2 CO2 (7) Từ phương trình hóa học của phản ứng đốt cháy các hợp chất hữu cơ có dạng CnH2n, CnH2n-2O2 , CnH2n-4O4: 3n C H O nCO nH O n 2n 2 2 2 2 3(n 1) C H O O nCO (n 1)H O n 2n 2 2 2 2 2 2 3(n 2) C H O O nCO (n 2)H O n 2n 4 4 2 2 2 2 3 ta có n n . O2 2 H 2O 2.4. Giúp học sinh nắm vững các bước giải một bài toán đốt cháy các hợp chất hữu cơ Giải bài toán đốt cháy các hợp chất hữu cơ có thể theo trình tự 3 bước: - Bước 1. Tìm công thức phân tử của các hợp chất hữu cơ đem đốt cháy từ việc phân tích đặc điểm cấu tạo của chúng. - Bước 2. Viết phương trình hóa học của các phản ứng. - Bước 3. Vận dụng các công thức tính toán phù hợp để thực hiện yêu cầu của bài toán. 3. Một số bài tập áp dụng Bài tập 1. Hỗn hợp M gồm anđehit no, đơn chức X và axit cacboxylic đơn chức Y có số liên kết nhỏ hơn 3, đều mạch hở. Đốt cháy hết x mol M, cần vừa đủ 0,22 mol O2, thu 111
7. TẠP CHÍ KHOA HỌC ĐHSP TPHCM Số 3(68) năm 2015 ___ được 0,18 mol CO2 và 0,15 mol H2O. Tính thành phần phần trăm số mol của X trong hỗn hợp M. Giải: - Bước 1. Đặt công thức phân tử của các hợp chất hữu cơ Anđehit no, đơn chức mạch hở X có dạng CnH2nO (n ≥ 1). Axit Y đơn chức, mạch hở có số liên kết axit Y phải có dạng C H O . CO 2 H 2O n 2n-2 2 - Bước 2. Viết phương trình hóa học của các phản ứng 3n 1 C H O ( )O nCO nH O n 2n 2 2 2 2 3(n 1) C H O O nCO (n 1)H O n 2n 2 2 2 2 2 2 - Bước 3. Xây dựng các công thức tính toán liên quan đến các chất cần tìm Từ phương trình hóa học của phản ứng đốt cháy, ta có: n = n n = 0,18 – 0,15 = 0,03 (mol). axit Y CO2 H 2 O Dựa vào sự bảo toàn nguyên tố oxi, ta có: nO trong anđehit X + nO trong axit Y + nO trong oxi phản ứng = nO trong + nO trong CO2 H 2O => n + 2n + 2n = 2n n anđehit đơn chức X axit Y O2 COHO2 2 => nanđehit đơn chức X = 2.0,18 + 0,15 – 2.0,03 – 2.0,22 = 0,01 (mol). 0,01.100 => % nanđehit trong M = 25 . (0,01 0,03) Bài tập 2. (Đề thi TSĐH năm 2011) Đốt cháy hoàn toàn 3,42 gam hỗn hợp axit acrylic, vinyl axetat, metyl acrylat và axit oleic, rồi hấp thụ toàn bộ sản phẩm cháy vào dung dịch Ca(OH)2 (dư). Sau phản ứng thu được 18 gam kết tủa và dung dịch X. Khối lượng X so với khối lượng dung dịch Ca(OH)2 ban đầu đã thay đổi như thế nào? A. Giảm 7,38 gam. B. Tăng 2,70 gam. C. Tăng 7,92 gam. D. Giảm 7,74 gam. Giải. - Bước 1. Đặt công thức phân tử chung của các hợp chất hữu cơ Axit acrylic CH2=CHCOOH, vinyl axetat CH3COOCH=CH2, metyl acrylat CH2=CHCOOCH3, axit oleic CH3-[CH2]7-CH=CH-[CH2]7-COOH đều chứa C, H và 2 nguyên tử oxi, đều có 2 liên kết trong phân tử. Vì vậy có thể đặt công thức phân tử chung của chúng là CnH2n-2O2. 112
8. TẠP CHÍ KHOA HỌC ĐHSP TPHCM Nguyễn Hữu Tài ___ - Bước 2. Viết phương trình hóa học của các phản ứng 3(n 1) C H O O nCO (n 1)H O n 2n 2 2 2 2 2 2 CO2 Ca(OH )2 CaCO 3  H 2O - Bước 3. Xây dựng các công thức tính toán liên quan đến các chất cần tìm + Từ phương trình hóa học của các phản ứng ta có: 18 n n 0,18 (mol) CO2 CaCO3 100 3 n n O2 2 H 2O m m m m C n H 2 n 2 O 2 O 2 CO 2 H 2 O 3 => 3,42 + nH O .32 = 0,18.44 + n H O .18 => n 0,15 (mol). 2 2 2 H 2 O + Khối lượng dung dịch X tăng hay giảm so với dung dịch Ca(OH)2 ban đầu tùy thuộc vào tổng khối lượng CO2, H2O thêm vào dung dịch và khối lượng kết tủa CaCO3 tách ra. m m 0,18 .44 0,15 .18 10 ,62 (g) Khối lượng dung dịch thu được sẽ giảm và độ giảm đó bằng 18 – 10,62 = 7,38 (g). => Chọn đáp án A. 4. Kết luận Qua thực tế áp dụng các biện pháp nâng cao năng lực giải bài toán đốt cháy các hợp chất hữu cơ cho các em học sinh, chúng tôi nhận thấy để giải loại bài toán này một cách nhanh chóng và chính xác, cần kết hợp các năng lực: Lập công thức phân tử chung của các hợp chất hữu cơ, lập phương trình hóa học của phản ứng đốt cháy và xây dựng các công thức tính toán liên quan đến các chất. Khi đọc đề bài toán, các em cần nhận diện dạng của hợp chất hữu cơ, phân tích, nhận xét phương trình hóa học để đưa ra các công thức tính toán phù hợp. Đồng thời qua việc giải bài toán đốt cháy các hợp chất hữu cơ, học sinh còn được rèn luyện rất hiệu quả kĩ năng phát hiện vấn đề và giải quyết vấn đề. TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Bộ Giáo dục và Đào tạo, Đề thi tuyển sinh đại học và cao đẳng các năm 2007, 2008, 2009, 2010, 2011, 2012 . 2. Nguyễn Thanh Khuyến (2006), Phương pháp giải toán hóa học hữu cơ, Nxb Đại học Quốc gia Hà Nội. 3. Nguyễn Xuân Trường (2005), Phương pháp dạy học hóa học, Nxb Giáo dục. (Ngày Tòa soạn nhận được bài: 07-4-2014; ngày phản biện đánh giá: 01-6-2014; ngày chấp nhận đăng: 24-3-2015) 113