Hóa 11 chương trình mới: Công thức phân tử hợp chất hữu cơ

1. Công thức phân tử hợp chất hữu cơ

1.1 Khái niệm

Công thức phân tử sẽ cho chúng ta biết về thành phần nguyên tố cũng như số lượng nguyên tử của mỗi nguyên tố nằm trong một phân tử hợp chất hữu cơ.

⇒ Thành phần các nguyên tử nằm trong phân tử hợp chất hữu cơ cho chúng ta biết những nguyên tố hoá học nào cấu tạo nên hợp chất ấy. Số lượng của các nguyên tử cho chúng ta biết các nguyên tố đó kết hợp với nhau theo tỉ lệ như thế nào.

Hóa 11 chương trình mới: Công thức phân tử hợp chất hữu cơ

Ví dụ 1: Thành phần chủ yếu có trong gas được sử dụng làm nhiên liệu chính là butane. Butane có công thức phân tử là C4H10. Vì vậy, chất này được cấu tạo từ nguyên tố carbon và hydrogen, và trong mỗi phân tử butane bao gồm 4 nguyên tử carbon kết hợp cùng với 10 nguyên tử hydrogen theo tỉ lệ số nguyên tử C : H bằng 2 : 5.

Công thức đơn giản nhất (hay còn được biết đến là công thức thực nghiệm) cho chúng ta biết tỉ lệ tối giản nhất về số lượng nguyên tử của những nguyên tố trong một phân tử hợp chất hữu cơ.

Ví dụ 2: Công thức đơn giản nhất của Propene là CH2, có nghĩa là trong một phân tử propene, số lượng nguyên tử hydrogen sẽ gấp đôi số lượng nguyên tử carbon.

Công thức đơn giản nhất hay được xác định dựa vào việc phân tích xác định thành phần phần trăm khối lượng những nguyên tố trong một hợp chất hữu cơ (hay còn được biết đến là phân tích nguyên tố). Hiện nay, việc phân tích nguyên tố thường được thực hiện thông qua các máy phân tích chuyên dụng.

Với hợp chất hữu cơ H với công thức đơn giản nhất là CxHyOz, ta được như sau:

x, y, z là những số nguyên tố cùng nhau theo từng đôi một
Tỉ lệ $\large x:y:z=\frac{%C}{12}:\frac{%H}{1}:\frac{%O}{16}$

Với %C, %H, %O tương ứng chính là phần trăm khối lượng của những nguyên tố C, H, O ấy có trong một hợp chất hữu cơ H được xác định từ quá trình phân tích nguyên tố.

Công thức phân tử cho chúng ta biết số lượng nguyên tử của từng nguyên tố có mặt trong phân tử.

Số nguyên tử của mỗi nguyên tố có mặt trong phân tử là số nguyên cho nên chính bằng số nguyên lần số nguyên tử của mỗi nguyên tử tương ứng xuất hiện trong công thức đơn giản nhất. Chẳng hạn, với công thức đơn giản nhất của một chất là (CxHyOz)n, có n là số nguyên dương.

Có thể được xác định được công thức phân tử thông qua công thức đơn giản nhất của chất cùng với phân tử khối của chất ấy.

Đăng ký ngay khóa học DUO để được các thầy cô của vuihoc giúp bạn lên lộ trình học tập chi tiết môn Hóa nhé!

Hóa 11 chương trình mới: Công thức phân tử hợp chất hữu cơ

1.2 Cách biểu diễn công thức phân tử hợp chất hữu cơ

Như đã trình bày rõ trong khái niệm phía trên, để biểu diễn công thức phân tử hợp chất hữu cơ sẽ có thể sử dụng 2 cách là biểu diễn bằng công thức tổng quát hoặc dựa vào công thức đơn giản nhất

* Công thức tổng quát: cho chúng ta biết sự có mặt của các nguyên tố trong phân tử hợp chất hữu cơ.

Ví dụ: CxHyOz (trong đó x, y, z là những số nguyên dương) cho biết rằng phân tử chất hữu cơ đã cho có chứa 3 loại nguyên tố là C, H và O.

* Công thức đơn giản nhất: cho chúng ta biết tỉ lệ số nguyên tử của những nguyên tố có mặt trong một phân tử hợp chất hữu cơ (chính là tỉ lệ những số nguyên tối giản).

Ví dụ: Hợp chất với công thức phân tử là C2H4O2 sẽ có công thức đơn giản nhất chính là CH2O.

2. Cách lập công thức phân tử hợp chất hữu cơ

2.1 Xác định phân tử khối bằng phương pháp phổ khối lượng

Trước đây, một trong các phương pháp thường được các nhà khoa học sử dụng nhằm xác định phân tử khối của một hợp chất hữu cơ là dựa trên tỉ khối (d) của chất ấy ở dạng khí (hay hơi) so với một khí đã biết trước trong cùng một điều kiện thí nghiệm.

Ví dụ: Khí K với tỉ khối khi so với hydrogen là 15 (dK/H2 = 15) thì khối lượng mol phân tử của khí K chính là Mk = MH2 x dK/H2 = 2 x 15 = 30 (g) hay nói cách khác, K có phân tử khối là 30.

Hiện nay, người ta lại thường xác định phân tử khối của một hợp chất hữu cơ dựa vào phổ khối lượng (hay còn gọi là phổ MS) của chúng.

Trong máy khối phổ, chất được nghiên cứu sẽ bị bắn phá bởi một dòng electron hình thành nên các mảnh ion.

Ví dụ: $\large M\xrightarrow[10-100eV]{+E} M^{+} +e$

Mảnh ion [M+] còn được gọi là mảnh ion phân tử. Giá trị m/z của từng mảnh ion và hàm lượng của chúng sẽ được thể hiện thông qua phổ khối lượng.

Đối với những hợp chất đơn giản, mảnh ion phân tử (có kí hiệu là [M+]) thường ứng với mảnh có giá trị m/z lớn nhất và giá trị này chính bằng giá trị phân tử khối của chất đang nghiên cứu.

Ví dụ: Từ phổ MS của chất acetone, xác định được ion phân tử [M+] với giá trị m/z bằng 58, chứng tỏ rằng acetone có phân tử khối là 58.

Hoặc: Phổ khối lượng của chất ethanol có peak ion phân tử [C2H6O+] với giá trị m/z = 46, bằng với phân tử khối của chất ấy

Hóa 11 chương trình mới: Công thức phân tử hợp chất hữu cơ

Phổ khối lượng của hợp chất sẽ giúp xác định được công thức phân tử của chất một cách nhanh chóng và thuận lợi.

2.2 Lập công thức phân tử hợp chất hữu cơ

Một hợp chất hữu cơ với công thức phân tử là CxHyOz. Thiết lập công thức đơn giản nhất bằng cách lập được tỉ lệ x : y : z với dạng số nguyên tối giản là p : q : r

Phân tích định lượng, ta thu được tỉ lệ phần trăm giữa những nguyên tố trong phân tử.

$\large x:y:z=\frac{%mC}{12}:\frac{%mH}{1}:\frac{%mO}{16}= p:q:r$

Từ đó thiết lập ra được công thức đơn giản nhất chính: CpHqOr

Mối quan hệ giữa công thức phân tử với công thức đơn giản nhất được biểu thị dưới đây:

CxHyOz = (CpHqOr)n

Trong đó: p, q, r là những số nguyên tối giản; còn x, y, z, n là những số nguyên dương.

Khi biết phân tử khối, có thể xác định giá trị n, từ đó có thể suy ra công thức phân tử

Ví dụ: Kết quả phân tích nguyên tố cho biết được thành phần về khối lượng những nguyên tố có mặt trong hợp chất H là 62,07% C; 10,34% H cùng với 27,59% O. Nếu H có công thức tổng quát là CxHyOz ta có:

$\large x:y:z=\frac{%mC}{12}:\frac{%mH}{1}:\frac{%mO}{16}\approx 3:6:1$

Công thức đơn giản nhất của chất H là C3H6O và công thức phân tử của H có dạng là (C3H6O)n

Để xác định được công thức phân tử của H, người ta nghiên cứu phổ MS của H và thấy rằng ion phân tử [M+] có m/z = 58. Điều này có thể kết luận được H có phân tử khối bằng 58 và tính ra được n = 1. Từ đó, công thức phân tử của H có thể kết luận là C3H6O

Tham khảo bộ sách cán đích 9+ hé lộ cách học nhanh và hiệu quả nhất của học sinh các trường chuyên nổi tiếng trên cả nước

Hóa 11 chương trình mới: Công thức phân tử hợp chất hữu cơ

3. Bài tập về công thức phân tử hợp chất hữu cơ

Để các em có thể ôn tập lại phần kiến thức vừa trình bày phía trên, VUIHOC sẽ tổng hợp bộ bài tập hay và bổ ích cho các em ở ngay phía dưới.

Bài tập 1: Chất A được cấu tạo nên từ những nguyên tố C, H, O; tỉ lệ về số lượng nguyên tử của mỗi nguyên tố tương ứng là 2 : 6 : 1. Nghiên cứu cũng đã xác định được phân tử khối của hợp chất hữu cơ này là 46.

Dựa vào đâu để nắm được những dữ kiện phía trên và A có công thức phân tử như thế nào?

Lời giải:

A có công thức phân tử là C2H6O.

Căn cứ vào những dữ kiện sau:

Chất A được tạo nên từ những nguyên tố là C, H, O: Phân tích thành phần nguyên tố dựa vào cơ sở chuyển chất hữu cơ sang chất đơn giản hơn rồi tiến hành đến bước phân tích định tính (xác định hợp chất đó là gì)

Tỉ lệ về số lượng nguyên tử giữa những nguyên tố: Phân tích định lượng (xác định được lượng chất đó là bao nhiêu) bằng cách phân tích thành phần phần trăm về khối lượng của những nguyên tố có mặt trong chất.

Phân tử khối: xác định dựa vào phổ khối lượng (hay phổ MS) của chất đó.

Bài tập 2: Kết quả phân tích nguyên tố cho biết thành phần phần trăm khối lượng của các nguyên tố có mặt trong hợp chất B đó là: cacbon chiếm 52,17%; hydrogen chiếm 13,04%; còn lại là nguyên tố oxygen. Xác định công thức đơn giản nhất của hợp chất hữu cơ B.

Lời giải:

Phần trăm về khối lượng của nguyên tố oxygen là:

100% - 52,17% - 13,04% = 34,79%

Gọi công thức đơn giản nhất của chất B là CxHyOz.

Ta có tỉ lệ: x : y : z = $\frac{%mC}{12} : \frac{%mH}{1} : \frac{%mO}{16}$ = 2 : 6 : 1

Vậy công thức đơn giản nhất của chất B là: C2H6O

Bài tập 3: Xác định công thức phân tử của chất propene, biết rằng chất propene có công thức đơn giản nhất là CH2 (xác định được từ việc phân tích nguyên tố) và phân tử khối của nó là 42.

Lời giải:

Công thức đơn giản nhất của chất propene là CH2

Phân tử khối của chất propene là 42

Mà công thức phân tử sẽ có dạng là (CH2)n ⇒ (12 + 1.2).n = 42 ⇔ 14.n = 42 ⇒ n = 3

Công thức phân tử của hợp chất propene là C3H6.

Bài tập 4: Công thức phân tử và công thức thực nghiệm có quan hệ gì với nhau? Cần thông tin gì để có thể xác định được công thức phân tử sau khi đã xác định được công thức thực nghiệm? Nêu một ví dụ minh hoạ.

Lời giải:

Công thức thực nghiệm hay còn được biết đến là công thức đơn giản nhất cho thấy tỉ lệ tối giản về số lượng nguyên tử giữa các nguyên tố có mặt trong phân tử hợp chất hữu cơ.

Số nguyên tử của mỗi nguyên tố chính bằng số nguyên lần số nguyên tử của mỗi nguyên tố tương ứng có mặt trong công thức đơn giản nhất. Hay công thức đơn giản nhất là CxHyOz thì có thể suy ra công thức phân tử là (CxHyOz)n, với n là số nguyên dương.

Cần thông tin về phân tử khối thì mới có thể xác định được công thức phân tử sau khi đã có công thức thực nghiệm.

Ví dụ propene với công thức đơn giản nhất là CH2 và có phân tử khối là 42.

=> Công thức phân tử của propene có thể suy ra là C3H6.

Bài tập 5: Hai hợp chất X và Y có cùng công thức thực nghiệm là CH2O. Phổ MS cho biết X và Y có những tín hiệu như sau:

Chất X

m/Z Cường độ tương đối (%) 29 19 31 100 60 39

Chất Y

m/Z Cường độ tương đối (%) 31 100 59 50 90 16

Xác định công thức phân tử của chất X và Y. Biết rằng mảnh ion [M+] có giá trị m/z lớn nhất.

Lời giải:

* Xác định công thức phân tử của hợp chất X:

Công thức đơn giản nhất của hợp chất X là CH2O.

Phân tử khối của chất X là 60 vì ta có thể thấy giá trị m/z của peak [M+] chính bằng 60.

⇒ (12 + 1.2 + 16).n = 60 ⇔ 30.n = 60 ⇒ n = 2

Công thức phân tử của X là C2H4O2.

* Xác định công thức phân tử của hợp chất Y:

Công thức đơn giản nhất của hợp chất Y là CH2O.

Phân tử khối của chất Y là 90 do giá trị m/z của peak [M+] chính bằng 90.

⇒ (12 + 1.2+ 16).n = 90 ⇔ 30.n = 90 ⇒ n = 3

Công thức phân tử của hợp chất Y là C3H6O3.

Bài tập 6: Safrol là một hợp chất có mặt trong tinh dầu xá xị (hay còn gọi là gù hương), được sử dụng làm hương liệu trong công nghệ chế biến thực phẩm. Phổ MS của chất safrol cho biết chất này có phân tử khối là 162. Kết quả phân tích nguyên tố cho biết thành phần phần trăm về khối lượng những nguyên tố carbon, hydrogen và oxygen nằm trong safrol lần lượt như sau: 74,07%; 6,18% và 19,75%. Hãy xác định công thức đơn giản nhất cùng công thức phân tử của hợp chất safrol.

Lời giải:

Gọi công thức đơn giản nhất của hợp chất safrol là CxHyOz.

Ta có tỉ lệ: x : y : z = $\frac{%mC}{12} : \frac{%mH}{1} : \frac{%mO}{16}$ = 5:5:1

Công thức đơn giản nhất của hợp chất safrol là: C5H5O

Mà biết rằng Safrol có phân tử khối là 162

=> (12.5 + 1.5 + 16).n = 162 ⇔ 81.n = 162 => n = 2.

Công thức phân tử của hợp chất safrol là: C10H10O2.

Công thức phân tử hợp chất hữu cơ là một phần kiến thức vô cùng quan trọng khi muốn tìm hiểu tính chất của một hợp chất hữu cơ. Ngoài ra, khi biết được công thức phân tử thì những bài tập khó cũng phần nào trở nên dễ dàng hơn. Bởi vậy, cùng tham khảo bài viết tổng hợp lý thuyết và bộ bài tập về công thức phân tử hợp chất hữu cơ cùng VUIHOC và chia sẻ nó tới các bạn để cùng nhau tiến bộ. Ngoài ra, để học thêm những kiến thức hay và bổ ích về môn Hoá học, nhanh tay truy cập vào website vuihoc.vn và đăng ký các khoá học cùng thầy cô VUIHOC ngay nhé!

>> Mời bạn tham khảo thêm:

Tổng hợp kiến thức Hóa 11 theo chương trình mới