Phương pháp giải bài tập Hóa học Lớp 11 - Phần 4

54 OHCOA A 22 m 9y m 44x m M == = 0,9 9y 1,76 44x 0,58 58 == Þ x = 4 y =10 Vậy CTPT A : C4H10 Ví dụ 2 : Khi đốt cháy hòan tòan 0,42 g một Hydrocacbon X thu tòan bộ sản phẩm qua bình 1 đựng H2SO4 đặc, bình 2 đựng KOH dư. Kết quả, bình 1 tăng 0,54 g; bình 2 tăng 1,32 g. Biết rằng khi hóa hơi 0,42 g X chiếm thể tích bằng thể tích của 1,192 g O2 ở cùng điều kiện. Tìm CTPT của X Tóm tắt đề: 0,42g X (CxHy) +O2 CO2 H2O Bình 1ñöïng ddH2SO4 ñ -H2O, m1=0,54g CO2 Bình 2 ñöïng KOHdö -CO2, m2=1,32g Tìm CTPT X? GIẢI * Tính MX : 0,42g X có VX = VO2 của 0,192g O2 (cùng điều kiện) => nX = nO2 => 2O O2 X X M m M m = => 70 0,192 0,42.32 m .Mm M 2 2 O OX X === * Gọi X : CxHy OH 2 yxCOO 4 yxHC 22 t 2yx 0 +¾®¾÷ ø ö ç è æ ++ MX 44x 9y (g) 0,42 mCO2 mH2O (g) Ta có : H2OCO2X X m 9y m 44x m M == (1) Đề bài cho khối lượng CO2, H2O gián tiếp qua các phản ứng trung gian ta phải tìm khối lượng CO2, H2O * Tìm mCO2, mH2O : - Bình 1 đựng dd H2SO4 đ sẽ hấp thụ H2O do đó độ tăng khối lượng bình 1 chính là khối lượng của H2O : rm1 = mH2O=0,54g (2) - Bình 2 đựng dd KOH dư sẽ hấp thụ CO2 do đó độ tăng khối lượng bình 2 chính là khối lượng của CO2 : rm2 = mCO2 =1,32g (3) 55 (1), (2), (3) Þ 0,54 9y 1,32 44x 0,42 70 == Þ x = 5 y = 10 Vậy CTPT X : C5H10 (M = 70đvC) II.2.1.3 Phương pháp thể tích (phương pháp khí nhiên kế): v Phạm vi ứng dụng : Dùng để xác định CTPT của các chất hữu cơ ở thể khí hay ở thể lỏng dễ bay hơi. v Cơ sở khoa học của phương pháp : Trong một phương trình phản ứng có các chất khí tham gia và tạo thành (ở cùng điều kiện nhiệt độ, áp suất) hệ số đặt trước công thức của các chất không những cho biết tỉ lệ số mol mà còn cho biết tỉ lệ thể tích của chúng. 1) Phương pháp giải Bước 1 : Tính thể tích các khí VA, VO2, VCO2, VH2O (hơi) Bước 2 : Viết và cân bằng các phương trình phản ứng cháy của hydrocacbon A dưới dạng CTTQ CxHy Bước 3 : Lập các tỉ lệ thể tích để tính x,y OH 2 yxCOO 4 yxHC 22 t 2yx 0 +¾®¾÷ ø ö ç è æ ++ 1(l) ÷ ø ö ç è æ + 4 yx (l) x(l) ÷ ø ö ç è æ 2 y (l) VA(l) VO2 (l) VCO2 (l) VH2O (hơi)(l) OHCOÒA 222 V 2 y V x V 4 yx V 1 == + = hay OHCOOA n y n x n yx n 22 241 2 == + = ; n n V V x A CO A CO 22 ==Þ A OH n n 22 2 V 2V y A OH ==Þ Cách khác : Sau khi thực hiện bước 1 có thể làm theo cách khác: - Lập tỉ lệ thể tích VA: VB : VCO2 : VH2O rồi đưa về tỉ lệ số nguyên tối giản m:n:p:q. - Viết phương trình phản ứng cháy của hợp chất hữu cơ A dưới dạng: mCxHy + nO2 ¾®¾ ot pCO2 + qH2O - Dùng định luật bảo toàn nguyên tố để cân bằng phương trình phản ứng cháy sẽ tìm được x và y =>CTPT A * Một số lưu ý: - Nếu VCO2 : VH2O = 1:1 => C : H = nC : nH = 1: 2 56 - Nếu đề tóan cho oxy ban đầu dư thì sau khi bật tia lửa điện và làm lạnh (ngưng tụ hơi nước) thì trong khí nhiên kế có CO2 và O2 còn dư. Bài tóan lý luận theo CxHy - Nếu đề tóan cho VCxHy = VO2 thì sau khi bật tia lửa điện và làm lạnh thì trong khí nhiên kế có CO2 và CxHy dư. Bài tóan lý luận theo oxy. - Khi đốt cháy hay oxi hóa hòan toàn một hydrocacbon mà giả thiết không xác định rõ sản phẩm, thì các nguyên tố trong hydrocacbon sẽ chuyển thành oxit bền tương ứng trừ: N2 ® khí N2 Halogen ® khí X2 hay HX (tùy bài) 2. Bài tập ví dụ Ví dụ 1: Trộn 0,5 l hỗn hợp C gồm hydrocacbon A và CO2 với 2,5 l O2 rồi cho vào khí nhiên kế đốt cháy thì thu được 3,4 l khí, làm lạnh chỉ còn 1,8 l. Cho hỗn hợp qua tiếp dung dịch KOH (đặc) chỉ còn 0,5 l khí. Các V khí đo cùng điều kiện. Tìm CTPT của hydrocacbon A. Tóm tắt đề : CxHy : a (l) Gọi 0,5 l hỗn hợp CO2 : b (l) 0,5l hỗn hợp + 2,5l O2 ñoát CO2 ,O2 dư,H2O ll(- H2O) CO2,O2dư KOHñ(- CO2) O2 dư GIẢI : * O2 dư , bài tóan lý luận theo Hydrocacbon A OH 2 yxCOO 4 yxHC 22 t 2yx 0 +¾®¾÷ ø ö ç è æ ++ a a ÷ ø ö ç è æ + 4 yx ax a 2 y (lít) CO2 ® CO2 b b (lít) Ta có Vhh = a + b = 0,5 (1) VCO2 = ax + b = 1,8 – 0,5 = 1,3 (2) VH2O = a 2 y = 3,4 – 1,8 = 1,6 (3) VO2 dư = 2,5 - a ÷ ø ö ç è æ + 4 yx = 0,5 Þ ax + a 4 y = 2 (4) Þ ax + 3,2/4 = 2 Þ ax = 1,2 (5) (2), (3) VCO2 = b = 0,1 57 Vhh = a + b = 0,5 Þ a = 0,4 Þ x = ax /a = 3 Þ y = ay/a = 8 Vậy CTPT của A là C3H8 Ví dụ 2 : Trộn 12 cm3 một hydrocacbon A ở thể khí với 60 cm3 oxi (lấy dư) rồi đốt cháy. Sau khi làm lạnh để nước ngưng tụ rồi đưa về điều kiện ban đầu thì thể tích khí còn lại là 48 cm3, trong đó có 24cm3 bị hấp thụ bởi KOH, phần còn lại bị hấp thụ bởi P. Tìm CTPT của A (các thể tích khí đo trong cùng điều kiện nhiệt độ và áp suất) Tóm tắt : 12cm3 CxHy 60cm3 O2 (dö) ñoát CO2 H2O O2dö laøm laïnh -H2O CO2 O2 dö (V=48cm3) 24cm3 khí bò haáp thuï bôûi KOH khí coøn laïi bò haáp thuï bôûi P (- CO2) (-O2) GIẢI : * Tính các V: VCO2 = 24cm3 VO2 dư = 48 – 24 = 24cm3 Þ VO2 pứ = 60 – 24 = 36 cm3 * Tìm CTPT : Cách 1: Tính trực tiếp từ phương trình phản ứng đốt cháy: OHyxCOOyxH ty 222x 24 C 0 +¾®¾÷ ø ö ç è æ ++ 12 ® ÷ ø ö ç è æ + 4 yx 12 ® 12x (cm3) VCO2 =12x = 24 => x = 2 VO2 dư = 60 – 12 ÷ ø ö ç è æ + 4 yx = 24 => y = 4 Þ CTPT của A: C2H4 Cách 2: Lập tỉ lệ thể tích OHCOOA 222 V 2 y V x V 4 yx V 1 == + = OH 2 yxCOO 4 yxHC 22 t 2yx 0 +¾®¾÷ ø ö ç è æ ++ 1 ÷ ø ö ç è æ + 4 yx x 2 y (cm3) 12 36 24 (cm3) 58 22 COOA V x V 4 yx V 1 = + = 24 x 36 4 yx 12 1 = + =Û => x = 2 và y = 4 Þ CTPT của A: C2H4 Cách 3: Nhận xét: đốt 12 cm3 A đã dùng 36 cm3 oxy và tạo ra 24 cm3 CO2 Suy ra O?H24CO36OH12C 22t2yx 0 +¾®¾+ ĐLBT (O): => O24H24CO36OH12C 22t2yx 0 +¾®¾+ ĐLBT (C): 12x = 24 => x = 2 ĐLBT (H) :12y = 48 => y = 4 àVậy CTPT của A là C2H4 Ví dụ 3 : Trong một bình kín thể tích 1dm3 có một hỗn hợp đồng thể tích gồm hydrocacbon A và O2 ở 133,5 oC, 1 atm. Sau khi bật tia lửa điện và đưa về nhiệt độ ban đầu (133,5 oC) thì áp suất trong bình tăng lên 10% so với ban đầu và khối lượng nước tạo ra là 0,216 g. Tìm CTPT A Tóm tắt : V = 1dm3 CxHy(A) O2 t=133,5oC,P1=1atm ñoát sp chaùy V=1dm3 t=133,5oC, P2 taêng 10% (löôïng H2O taïo ra laø 0,216g) GIẢI : Tìm CTPT A? 0,03(mol) 133,5)0,082.(273 1.1 RT PVn1 =+ == Vì hỗn hợp đồng thể tích nên nA = nO2 = 0,03/2 = 0,015 mol => CxHy dư, biện luận theo O2 Sau khi đưa về nhiệt độ ban đầu, các khí tạo áp suất có trong bình gồm H2O, CO2, CxHy dư có số mol là : n2 = n1 . P2/P1 = 0,03.110/100 = 0,033 mol nH2O = 0,216/18 = 0,012 mol ĐLBT khối lượng (O) : nO2 = n CO2 + 1/2n H2O => n CO2 = nO2 – 1/2nH2O = 0,015-0,012/2 = 0,009mol nCxHydư = n2 - nCO2 - nH2O = 0,033-0,012-0,009 =0,012mol =>nCxHyphản ứng = 0,015-0,012 = 0,003 mol OH 2 yxCOO 4 yxHC 22 t 2yx 0 +¾®¾÷ ø ö ç è æ ++ 59 1 ÷ ø ö ç è æ + 4 yx x 2 y (mol) 0,003 0,015 0,009 0,012 (mol) Ta có : 012,0 2 009,0015,0 4 003,0 1 y x yx == + = => x = 3 y = 8 Vậy CTPT A : C3H8 II.2.1.4 Phương pháp giá trị trung bình (xác định CTPT của hai hay nhiều chất hữu cơ trong hỗn hợp): Là phương pháp chuyển hỗn hợp nhiều giá trị về một giá trị tương đương, nhiều chất về một chất tương đương v Đặc điểm Phương pháp giá trị trung bình được dùng nhiều trong hóa hữu cơ khi giải bài tóan về các chất cùng dãy đồng đẳng. Một phần bản chất của giá trị trung bình được đề cập đến ở việc tính phần trăm đơn vị và khối lượng hỗn hợp khí trong bài tóan tỉ khối hơi ở chương đầu lớp 10. Do đó, học sinh dễ dàng lĩnh hội phương pháp này để xác định CTPT của hai hay nhiều chất hữu cơ trong hỗn hợp. II.1.4.1 Phương pháp khối lượng phân tử trung bình của hỗn hợp ( hhM ) Chất tương đương có khối lượng mol phân tử hhM là khối lượng mol phân tử trung bình của hỗn hợp. Các bước giải : Bước cơ bản : Xác định CTTQ của hai chất hữu cơ A,B Bước 1 : Xác định CTTB của hai chất hữu cơ A, B trong hỗn hợp Bước 2 : Tìm hhM qua các công thức sau : ( ) 100 M%A100%A.M 100 %B.M%A.M nn .Mn.Mn n m M BABA BA BBAA hh hh hh -+ = + = + + == Hoặc ( ) 100 M%A100%A.M V .MV.MV VV .MV.MV .MdM BABBAA BA BBAA Xhh/Xhh -+ = + = + + == Giả sử MA MA< hhM < MB Bước 3 : Biện luận tìm MA, MB hợp lý => CTPT đúng của A và B Phạm vi ứng dụng: sử dụng có lợi nhiều đối với hỗn hợp các chất cùng dãy đồng đẳng 1) Phương pháp CTPT trung bình của hỗn hợp: v Phạm vi áp dụng : Khi có hỗn hợp gồm nhiều chất, cùng tác dụng với một chất khác mà phương trình phản ứng tương tự nhau (sản phẩm, tỉ lệ mol giữa nguyên liệu và 60 sản phẩm, hiệu suất, phản ứng tương tự nhau), có thể thay thế hỗn hợp bằng một chất tương đương, có số mol bằng tổng số mol của hỗn hợp. Công thức của chất tương đương gọi là CTPT trung bình. v Phương pháp giải : Bước 1 : Đặt CTPT của hai chất hữu cơ cần tìm rồi suy ra CTPT trung bình của chúng : Đặt A : CxHy ; B : Cx’Hy’ Þ CTPTTB : x yC H Bước 2 : Viết phương trình phản ứng tổng quát và dữ liệu đề bài cho tính y,x Bước 3 : biện luận Nếu x<x’ Þ x < x < x’ y<y’ Þ y< y < y’ Dựa vào điều kiện x, x’, y, y’ thỏa mãn biện luận suy ra giá trị hợp lý của chúng Þ CTPT A, B. v Phạm vi ứng dụng : Phương pháp giải này ngắn gọn đối với các bài tóan hữu cơ thuộc loại hỗn hợp các đồng đẳng nhất là các đồng đẳng liên tiếp. Tuy nhiên có thể dùng phương pháp này để giải các bài toán hỗn hợp các chất hữu cơ không đồng đẳng cũng rất hiệu quả. Ngoài phương pháp trên còn có phương pháp số C, số H, số liên kết p trung bình ( k ). Phương pháp giải tương tự như hai phương pháp trên v Một số lưu ý: 1) Nếu bài cho 2 chất hữu cơ A, B là đồng dẳng liên tiếp thì : m = n + 1 (ở đây n, m là số C trong phân tử A, B) 2) Nếu bài cho 2 chất hữu cơ A, B hơn kém nhau k nguyên tử C thì m = n + k. 3) Nếu bài cho 2 chất hữu cơ A, B cách nhau k nguyên tử C thì : m = n + (k +1) 4) Nếu bài cho anken, ankin thì n, m ³ 2. 5) Nếu bài toán cho A, B là hydrocacbon ở thể khí trong điều kiện thường (hay điều kiện tiêu chuẩn) thì n, m £ 4 v Bài tập ví dụ : Bài 1: Đốt cháy hòan tòan 19,2 g hỗn hợp 2 ankan liên tiếp thu được 14,56 l CO2 (ở OoC, 2 atm). Tìm CTPT 2 ankan. GIẢI : Gọi CTPT trung bình của hai ankan : 22 +nn HC mol RT PVnCO 3,1082,0.273 56,14.2 2 === OHnCOnOnHC nn 22222 )1( 2 13 ++¾® + + + 61 X X M m ® X X M m . n Cách 1: phương pháp số C trung bình ( n ) Số mol hỗn hợp X X X M mn = Số mol CO2 : nCO2 = X X M m . n = 1,3 2,6n3,1n 2n14 19,2 =Þ= + Þ Hỗn hợp gồm 2 ankan liên tiếp CnH2n+2 CmH2m+2 ; n<m; 1£ n , m = n +1 à n < 2,6n = < m = n +1 Vậy n = 2 vậy 2 ankan là: C2H6 m = 3 C3H8 Cách 2: Dùng phương pháp phân tử khối trung bình M : Gọi 2 ankan A : CnH2n+2 (a mol) ; B : CmH2m+2 (b mol) ( ) OHnnCOOnHC nn 22222 12 13 ++¾®÷ ø ö ç è æ +++ a an (mol) ( ) OHmmCOOmHC mm 22222 12 13 ++¾®¾÷ ø ö ç è æ +++ b bm (mol) nCO2 = an + bm = 1,3 (1) mhh = (14n + 2)a + (14m +2)b = 19,2 ó 14(bm + an) + 2(a + b) = 19,2 (2) Từ (1),(2) suy ra : a + b = 0,5 = nhh => M = mhh / nhh = 19,2/0,5 = 38,4 MA < 38,4 < MB = MA + 14 A CH4 C2H6 C3H8 C4H10 MA 16 30 44 58 M 38,4 38,4 38,4 38,4 MB 30 44 58 72 Vậy A : C2H6 62 B : C3H8 II.2.1.5 - Phương pháp biện luận 1. Dựa vào giới hạn xác định CTPT của một hydrocacbon: - Khi số phương trình đại số thiết lập được ít hơn số ẩn cần tìm, có thể biện luận dựa vào giới hạn : A : CxHy thì : y £ 2x + 2; y chẵn, nguyên dương ; x ³ 1, nguyên. - Nếu không biện luận được hay biện luận khó khăn có thể dùng bảng trị số để tìm kết quả. - Điều kiện biện luận chủ yếu của loại toán này là : hóa trị các nguyên tố. Phương pháp biện luận trình bày ở trên chỉ có thể áp dụng để xác định CTPT của một chất hoặc nếu nằm trong 1 hỗn hợp thì phải biết CTPT của chất kia. 2. Biện luận theo phương pháp ghép ẩn số để xác định CTPT của một hydrocacbon : a) Các bước cơ bản : Bước 1 : Đặt số mol các chất trong hỗn hợp là ẩn số. Bứơc 2 : Ứng với mỗi dữ kiện của bài toán ta lập một phương trình toán học. Bước 3 : Sau đó ghép các ẩn số lại rút ra hệ phương trình toán học. Chẳng hạn : a + b = P (với a, b là số mol 2 chất thành phần) an + bm = Q (với n, m là số C của 2 hydrocacbon thành phần) Bước 4 : Để có thể xác định m, n rồi suy ra CTPT các chất hữu cơ thành phần, có thể áp dụng tính chất bất đẳng thức : Giả sử : n < m thì n(x + y) < nx + my < m(x + y) nx+myn< <m x+y Þ Hoặc từ mối liên hệ n,m lập bảng trị số biện luận - Nếu A, B thuộc hai dãy đồng đẳng khác nhau ta phải tìm x, y rồi thế vào phương trình nx + my = Q để xác định m, n Þ CTPT. 3. Một số phương pháp biện luận xác định dãy đồng đẳng và CTPT hydrocacbon : v Cách 1 : Dựa vào phản ứng cháy của hydrocacbon, so sánh số mol CO2 và số mol H2O. Nếu đốt 1 hydrocacbon (A) mà tìm được : * nH2O > nCO2 à (A) thuộc dãy đồng đẳng ankan ptpư : n 2n+2 2 2 2 3n+1C H + O nCO + (n+1)H O 2 ¾¾® * nH2O = nCO2 Þ (A) thuộc dãy đồng đẳng anken hay olefin hoặc (A) là xicloankan ptpư : n 2n 2 2 2 3nC H + O nCO + nH O 2 ¾¾® 63 * nH2O < nCO2 Þ (A) thuộc dãy đồng đẳng ankadien, ankin hoặc benzen ptpư : n 2n-2 2 2 2 3n-1C H + O nCO + (n-1)H O 2 ¾¾® ­ ( đồng đẳng ankin hoặc ankadien) n 2n-6 2 2 2 3n-3C H + O nCO + (n-3)H O 2 ¾¾® ­ ( đồng đẳng benzen) v Cách 2 : Dựa vào CTTQ của hydrocacbon A : * Bước 1 : Đặt CTTQ của hydrocacbon là : CnH2n+2-2k (ở đây k là số liên kết p hoặc dạng mạch vòng hoặc cả 2 trong CTCT A) Điều kiện k ³ 0, nguyên. Nếu xác định được k thì xác định được dãy đồng đẳng của A. - k = 0 Þ A thuộc dãy đồng đẳng ankan - k = 1 Þ A thuộc dãy đồng đẳng anken - k = 2 Þ A thuộc dãy đồng đẳng ankin hay ankadien - k = 4 Þ A thuộc dãy đồng đẳng benzen. Để chứng minh hai ankan A, B thuộc cùng dãy đồng đẳng, ta đặt A : CnH2n+2-2k ; B : CmH2m+2-2k’. Nếu tìm được k = k’ thì A,B cùng dãy đồng đẳng. * Bước 2 : Sau khi biết được A,B thuộc cùng dãy đồng đẳng, ta đặt CTTQ của A là CxHy. Vì B là đồng đẳng của A, B hơn A n nhóm –CH2- thì CTTQ của B :CxHy (CH2)n hay Cx+nHy+2n. * Bước 3 : Dựa vào phương trình phản ứng cháy của A, B, dựa vào lượng CO2, H2O, O2 hoặc số mol hỗn hợp thiết lập hệ phương trình toán học, rồi giải suy ra x, y, n à Xác định được CTPT A, B. v Cách 3 : dựa vào khái niệm dãy đồng đẳng rút ra nhận xét : - Các chất đồng đẳng kế tiếp nhau có khối lượng phân tử lập thành một cấp số cộng công sai d = 14. - Có một dãy n số hạng M1, M2, ,Mn lập thành một cấp số cộng công sai d thì ta có : + Số hạng cuối Mn = M1 + (n-1)d + Tổng số hạng S = 2 M1 nM+ .n + Tìm M1, , Mn suy ra các chất Trong một bài toán thường phải kết hợp nhiều phương pháp. Ví dụ : Đốt cháy một hỗn hợp gồm 2 hydrocacbon A, B (có M hơn kém nhau 28g) thì thu được 0,3mol CO2 và 0,5 mol H2O. Tìm CTPT & tên A, B GIẢI : Hydrocacbon A, B có M hơn kém nhau 28g Þ A, B thuộc cùng dãy đồng đẳng. Cách 1 : A, B + O2 ® CO2 + H2O 64 67,1 3,0 5,0 n n 2 2 CO OH == >1 Þ A, B thuộc dãy đồng đẳng ankan. Đặt CTTB A, B : 2n2n HC + : a mol O1)Hn(COnO 2 1n3HC 2222n2n ++® + + + a ® a n ® a( n +1) (mol) Ta có n 1n 3,0 5,0 n n 2 2 CO OH +== Þ n = 1,5 Đặt CTTQ A, B : CnH2n+2 và CmH2m+2 Giả sử n< m Þ n< 1,5 Þ n = 1 Þ CTPT A : CH4 (M = 16) Þ MB = 16 + 28 = 44 Þ CTPT B : C3H8. Cách 2 : Đặt CTTQ A, B : CnH2n+2 : a mol và CmH2m+2 : b mol Các ptpứ cháy : Ok)H-1(nnCOO 2 k-13nHC 2222k-22nn ++¾® + ++ a an a(n+1-k) (mol) Ok)H-1(mmCOO 2 k-13mHC 2222k-22mm ++¾® + ++ b bm b(m+1-k) (mol) Ta có : î í ì =+++ =+ 0,5k)b-1(mk)a-1(n 0,3bman Þ (a+b)(1-k) = 0,2 Þ k = 0 vì chỉ có k = 0 thì phương trình mới có nghĩa. Þ a + b = 0,2 và an + bm = 0,3 Giả sử n < m Þ n(a+b) < m (a+b) Þ n < ba bmna + + < m Þ n < 5,1 0,2 0,3 = < m Biện luận tương tự cách trên suy ra CTPT A : CH4 và B : C3H8. II.2.2 PHƯƠNG PHÁP GIẢI MỘT SỐ BÀI TOÁN LẬP CTPT HYDROCACBON Bài 1 :