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* TĨM TẮT Bài tốn đốt cháy hợp chất hữu phổ biến chương trình Hóa học phổ thơng Để giúp học sinh giải tốn chúng tơi đưa số biện pháp nâng cao lực lập công thức phương trình hóa học, đồng thời qua giúp học sinh có khả đưa mối tương quan chất với thuật toán phản ứng đốt cháy hợp chất hữu Từ khóa: tốn đốt cháy, hợp chất hữu cơ, cơng 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 Đặt vấn đề Qua thực tế giảng dạy, nhận thấy giải toán đốt cháy hợp chất hữu cơ, nhiều học sinh không phát mối liên hệ chất với liệu đề nên thường đặt nhiều ẩn dẫn đến bế tắc không giải toán Những toán đốt cháy hợp chất hữu thường có đặc điểm chung, là: Có thể sử dụng cơng thức, phương trình hóa học giải dễ dàng Cấu trúc lực giải toán đốt cháy hợp chất hữu bao gồm: Năng lực lập công thức phân tử hợp chất hữu cơ, lực lập phương trình hóa học phản ứng đốt cháy hợp chất hữu cơ, lực xây dựng cơng thức tính tốn liên quan đến chất từ phương trình hóa học phản ứng đốt cháy Hiện nay, tài liệu nghiên cứu chun sâu vấn đề này; đưa số biện pháp nâng cao lực giải toán đốt cháy hợp chất hữu cơ, nhằm giúp em học sinh giải toán cách nhanh đồng thời rèn luyện lực phát giải vấn đề, từ giúp em ngày tự tin u thích việc giải tốn hóa học * ThS, Trường Tiểu học, Trung học sở Trung học phổ thơng Ngơ Thời Nhiệm; Email: tainguyen0406@gmail.com 106 TẠP CHÍ KHOA HỌC ĐHSP TPHCM Nguyễn Hữu Tài _ Một số biện pháp nâng cao lực giải toán đốt cháy hợp chất hữu 2.1 Giúp học sinh nắm vững cách lập công thức phân tử hợp chất hữu Công thức phân tử hợp chất hữu biểu thị số lượng nguyên tử nguyên tố phân tử Để lập công thức phân tử chung hợp chất hữu cần có nhiều thơng tin Trong đó, có thơng tin hiển thị rõ ràng nhận thức thành phần nguyên tố, số lượng nguyên tử nguyên tố, bên cạnh có thơng tin đòi hỏi học sinh phải có lực phát vấn đề nhận thức số liên kết , số vòng… Việc lập công thức phân tử chung hợp chất hữu giúp cho học sinh viết phương trình hóa học phản ứng đốt cháy 2.1.1 Cách lập công thức phân tử hidrocacbon a Cách lập công thức phân tử ankan * Cách Giả sử phân tử ankan gồm n nguyên tử C Tổng số hóa trị C 4n, số hóa trị C dùng để liên kết C với 2(n-1) có (n-1) liên kết C-C Số hóa trị cacbon dùng để liên kết với hidro 4n – 2(n-1) = 2n+2 Vậy công thức phân tử chung ankan CnH2n+2 (n ≥ 1) * Cách - Bước Viết công thức phân tử vài chất metan cách thêm nhiều nhóm CH2, thí dụ CH4 hay H2CH2, C2H6 hay H2CH2CH2, C3H8 hay H2CH2CH2CH2… - Bước Tìm quy luật biến đổi số nguyên tử C H dãy chất: H2(CH2)n Vậy công thức phân tử chung ankan CnH2n+2 b Cách lập công thức phân tử hidrocacbon khác ankan - Bước Tìm số liên kết  vòng hidrocacbon - Bước Tính số nguyên tử H giảm so với ankan tương ứng: Để hình thành vòng (monoxicloankan) liên kết  từ ankan phải 2H => Hidrocacbon có tổng số liên kết  vòng k có số ngun tử H ankan 2k => Công thức phân tử hidrocacbon CnH2n+2-2k Thí dụ Lập cơng thức phân tử chung dãy đồng đẳng vinyl axetilen - Bước Tìm số liên kết  vòng hidrocacbon Dãy đồng đẳng vinyl axetilen hidrocacbon mạch hở (tức khơng có vòng) có liên kết  phân tử - Bước Tính số nguyên tử H giảm so với ankan tương ứng Vì phân tử hidrocacbon có liên kết  nên số nguyên tử H giảm so với ankan tương ứng => công thức phân tử chung hidrocacbon CnH2n+2-6 hay CnH2n-4 (n ≥ 4) 107 TẠP CHÍ KHOA HỌC ĐHSP TPHCM Số 3(68) năm 2015 _ 2.1.2 Cách lập công thức phân tử hợp chất hữu có chứa nhóm chức - Bước Tìm tổng số liên kết  vòng tồn phân tử lập cơng thức phân tử hidrocacbon tương ứng Nếu hợp chất hữu có k liên kết  vòng hidrocacbon tương ứng có cơng thức CnH2n+2-2k - Bước Xác định số nguyên tử oxi, nitơ, halogen… để thêm vào công thức hidrocacbon vừa lập Chú ý: Để đảm bảo hóa trị 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), thêm oxi khơng thay đổi số nguyên tử hidro thêm nitơ phải thêm hidro (thí dụ thêm nguyên tử nitơ phải thêm nguyên tử hidro), thêm halogen phải bớt hidro (thí dụ thêm nguyên tử clo phải bớt ngun tử hidro) Thí dụ Lập cơng thức phân tử chung amino axit no, mạch hở chứa nhóm –NH2 nhóm –COOH phân tử - Bước Tìm tổng số liên kết  vòng tồn phân tử amino axit Vì amino axit no, mạch hở nên phần gốc khơng có liên kết  vòng có liên kết  nhóm chức –COOH => cơng thức phân tử hidrocacbon tương ứng CnH2n+2-2 hay CnH2n - Bước Xác định số nguyên tử O, N để thêm vào công thức hidrocacbon vừa lập Chú ý để đảm bảo hóa trị ngun tố, thêm nitơ phải thêm hidro Phân tử amino axit có nhóm –NH2 nhóm –COOH nên có nguyên tử O nguyên tử N Như phải thêm nguyên tử H => Công thức phân tử chung amino axit no, mạch hở chứa nhóm –NH2 nhóm –COOH CnH2n+1O2 N (n ≥ 2) 2.2 Giúp học sinh hệ thống hóa phương trình hóa học phản ứng đốt cháy hợp chất hữu quan trọng Bản chất toán hóa học phần lớn thể mối quan hệ chất phản ứng Việc quan sát phương trình hóa học phản ứng giúp học sinh rút cơng thức tính tốn liên quan đến chất, từ giúp học sinh giải nhanh tập Sau phương trình hóa học phản ứng đốt cháy hợp chất hữu quan trọng 2.2.1 Phương trình hóa học phản ứng đốt cháy hidrocacbon y y Cx H y  ( x  )O2  xCO2  H 2O Đốt cháy ankan 3n  Cn H 2n   ( )O2  nCO2  (n  1) H 2O Đốt cháy xicloankan, anken 3n Cn H n  O2  nCO2  nH 2O Đốt cháy ankađien, ankin 108 TẠP CHÍ KHOA HỌC ĐHSP TPHCM Nguyễn Hữu Tài _ 3n  )O2  nCO2  (n  1) H 2O Đốt cháy hidrocacbon có  vinyl axetilen,… 3n  Cn H n   ( )O2  nCO2  (n  2) H 2O Đốt cháy dãy đồng đẳng benzen 3n  Cn H n   ( )O2  nCO2  (n  3) H 2O Đốt cháy axetilen, vinyl axetilen, benzen, stiren 5n n Cn H n  O2  nCO2  H 2O 2.2.2 Phương trình hóa học phản ứng đốt cháy hợp chất hữu có chứa nhóm chức y z y Cx H y Oz  ( x   )O2  xCO2  H 2O 2 y z y t Cx H y Oz Nt  ( x   )O2  xCO2  H 2O  N2 2 Đốt cháy ancol, ete no, đơn chức, mạch hở 3n Cn H n  2O  O2  nCO2  (n  1) H 2O Đốt cháy ancol, ete no, hai chức, mạch hở 3n  Cn H n  2O2  ( )O2  nCO2  (n  1) H 2O Đốt cháy ancol, ete no, ba chức, mạch hở 3n  Cn H n  2O3  ( )O2  nCO2  (n  1) H 2O Đốt cháy anđehit, xeton no, đơn chức, mạch hở; ancol, ete đơn chức,mạch hở có liên kết đôi C=C 3n  Cn H 2nO  ( )O2  nCO2  nH 2O Đốt cháy anđehit, xeton đơn chức, mạch hở, có liên kết đơi C=C; ancol, ete đơn chức, mạch hở, có liên kết ba C≡C hai liên kết đôi C=C 3n  Cn H n  2O  ( )O2  nCO2  (n  1) H 2O Đốt cháy axit, este no, đơn chức, mạch hở; tạp chức anđehit - ancol no, mạch hở… 3n  Cn H nO2  ( )O2  nCO2  nH 2O Cn H n   ( 109 Số 3(68) năm 2015 TẠP CHÍ KHOA HỌC ĐHSP TPHCM _ Đốt cháy axit, este đơn chức, mạch hở, có liên kết đôi C=C; anđehit no, hai chức, mạch hở… 3n  Cn H n  2O2  ( )O2  nCO2  (n  1) H 2O Đốt cháy amin no, đơn chức, mạch hở 6n  2n  Cn H 2n  N  ( )O2  nCO2  ( ) H 2O  N 2 Đốt cháy amino axit no, mạch hở, có nhóm –NH2 nhóm –COOH 6n  2n  1 Cn H 2n 1O2 N  ( )O2  nCO2  ( ) H 2O  N2 2 Đốt cháy muối axit cacboxylic, thí dụ: CnH2n+1COONa 2Cn H 2n 1COONa  (3n  1)O2  Na2CO3  (2n  1)CO2  (2n  1) H 2O 2.3 Xây dựng số cơng thức tính tốn quan trọng liên quan đến chất từ phương trình hóa học phản ứng đốt cháy hợp chất hữu (1) Từ phương trình hóa học phản ứng đốt cháy hợp chất hữu A chứa C,H,O,N: y z y t Cx H y Oz Nt  ( x   )O2  xCO2  H 2O  N2 2 ta có cơng thức: n 2n (a) số nguyên tử cacbon = CO2 , số nguyên tử hidro = H2O , nA nA số nguyên tử nitơ = 2nN2 nA (b) mCx H y Oz Nt  mO2  mCO2  mH 2O  mN2 (bảo toàn khối lượng) z nC x H y O z N t  nO2  nCO2  nH O (bảo toàn nguyên tố oxi) 2 (2) Từ phương trình hóa học phản ứng đốt cháy hợp chất hữu A có dạng CnH2n+2Oz (z ≥ 0): 3n   z Cn H n  2Oz  ( )O2  nCO2  (n  1) H 2O ta có n A  nH O  nCO hay n H O  n A  nCO (c) 2 2 (3) Từ phương trình hóa học phản ứng đốt cháy hợp chất hữu A có dạng CnH2n-2 Oz (z ≥ 0): 3n   z Cn H n  2Oz  ( )O2  nCO2  (n  1) H 2O ta có nA  nCO  nH O hay nCO  nA  nH O 110 2 TẠP CHÍ KHOA HỌC ĐHSP TPHCM Nguyễn Hữu Tài _ (4) Từ phương trình hóa học phản ứng đốt cháy hidrocacbon có dạng (CH)n 5n n C2H2, C4H4, C6H6, C8H8,…: Cn H n  O2  nCO2  H 2O , ta có: 5 , nO2  nCO2 , nO2  nH 2O nCO  nH O (5) Từ phương trình hóa học phản ứng đốt cháy hợp chất hữu chứa C, H, O có dạng (CH2O)n (thí dụ: HCHO, CH3COOH, HCOOCH3, CH3CH(OH)COOH, glucozơ C6H12O6, ): Cn H 2nOn  nO2  nCO2  nH 2O 2 ta có nO  nCO  nH O 2 (6) Từ phương trình hóa học phản ứng đốt cháy hợp chất hữu có dạng CnH2n , CnH2n+2O: 3n 3n Cn H n  O2  nCO2  nH 2O , Cn H n  2O  O2  nCO2  (n  1) H 2O 2 ta có nO2  nCO2 (7) Từ phương trình hóa học phản ứng đốt cháy hợp chất hữu có dạng CnH2n, CnH2n-2O2 , CnH2n-4O4 : 3n Cn H n  O2  nCO2  nH 2O 3(n  1) Cn H n  2O2  O2  nCO2  (n  1) H 2O 3(n  2) Cn H n  4O4  O2  nCO2  (n  2) H 2O ta có nO2  nH 2O 2.4 Giúp học sinh nắm vững bước giải toán đốt cháy hợp chất hữu Giải toán đốt cháy hợp chất hữu theo trình tự bước: - Bước Tìm cơng thức phân tử hợp chất hữu đem đốt cháy từ việc phân tích đặc điểm cấu tạo chúng - Bước Viết phương trình hóa học phản ứng - Bước Vận dụng công thức tính tốn phù hợp để thực u cầu toán Một số tập áp dụng Bài tập Hỗn hợp M gồm anđehit no, đơn chức X axit cacboxylic đơn chức Y có số liên kết  nhỏ 3, mạch hở Đốt cháy hết x mol M, cần vừa đủ 0,22 mol O2, thu 111 Số 3(68) năm 2015 TẠP CHÍ KHOA HỌC ĐHSP TPHCM _ 0,18 mol CO2 0,15 mol H2O Tính thành phần phần trăm số mol X hỗn hợp M Giải: - Bước Đặt công thức phân tử hợp chất hữu Anđehit no, đơn chức mạch hở X có dạng CnH2nO (n ≥ 1) Axit Y đơn chức, mạch hở có số liên kết  < 3, có dạng CnH2nO2 (n ≥ 1) CnH2n-2 O2 (n ≥ 3) Vì đốt cháy hỗn hợp gồm anđehit X axit Y cho n H O  nCO ,trong anđehit X cho nCO  nH 2O => axit Y phải có dạng CnH2n-2O2 - Bước Viết phương trình hóa học phản ứng 3n  Cn H 2nO  ( )O2  nCO2  nH 2O 3(n  1) Cn H n  2O2  O2  nCO2  (n  1) H 2O - Bước Xây dựng cơng thức tính tốn liên quan đến chất cần tìm Từ phương trình hóa học phản ứng đốt cháy, ta có: naxit Y = nCO  nH O = 0,18 – 0,15 = 0,03 (mol) 2 Dựa vào bảo tồn ngun tố oxi, ta có: nO anđehit X + n O axit Y + nO oxi phản ứng = nO CO2 + nO => n anđehit đơn chức X + 2naxit Y + nO = nCO  n H O 2 H 2O => n anđehit đơn chức X = 2.0,18 + 0,15 – 2.0,03 – 2.0,22 = 0,01 (mol) => % n anđehit M = 0, 01.100  25 (0, 01  0, 03) Bài tập (Đề thi TSĐH năm 2011) Đốt cháy hoàn toàn 3,42 gam hỗn hợp axit acrylic, vinyl axetat, metyl acrylat axit oleic, hấp thụ toàn sản phẩm cháy vào dung dịch Ca(OH)2 (dư) Sau phản ứng thu 18 gam kết tủa dung dịch X Khối lượng X so với khối lượng dung dịch Ca(OH)2 ban đầu thay đổi nào? A Giảm 7,38 gam B Tăng 2,70 gam C Tăng 7,92 gam D Giảm 7,74 gam Giải - Bước Đặt công thức phân tử chung hợp chất hữu Axit acrylic CH2=CHCOOH, vinyl axetat CH3COOCH=CH2, metyl acrylat CH2=CHCOOCH3, axit oleic CH3-[CH2]7-CH=CH-[CH2]7-COOH chứa C, H nguyên tử oxi, có liên kết  phân tử Vì đặt cơng thức phân tử chung chúng CnH2n-2O2 112 Nguyễn Hữu Tài TẠP CHÍ KHOA HỌC ĐHSP TPHCM _ - Bước Viết phương trình hóa học phản ứng 3(n  1) Cn H n  2O2  O2  nCO2  (n  1) H 2O CO  Ca (OH )  CaCO   H 2O - Bước Xây dựng cơng thức tính tốn liên quan đến chất cần tìm + Từ phương trình hóa học phản ứng ta có: 18 nCO2  nCaCO3   0,18 (mol) 100 nO2  nH O m C n H n  O  mO  m CO  m H O n H O 32 = 0,18.44 + n H O 18 => n H O  0,15 (mol) 2 + 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 khối lượng kết tủa CaCO3 tách => 3,42 + m CO  m H O  ,18 44  ,15 18  10 , 62 (g) < mCaCO3 => Khối lượng dung dịch thu giảm độ giảm 18 – 10,62 = 7,38 (g) => Chọn đáp án A Kết luận Qua thực tế áp dụng biện pháp nâng cao lực giải toán đốt cháy hợp chất hữu cho em học sinh, nhận thấy để giải loại tốn cách nhanh chóng xác, cần kết hợp lực: Lập công thức phân tử chung hợp chất hữu cơ, lập phương trình hóa học phản ứng đốt cháy xây dựng cơng thức tính tốn liên quan đến chất Khi đọc đề toán, em cần nhận diện dạng hợp chất hữu cơ, phân tích, nhận xét phương trình hóa học để đưa cơng thức tính tốn phù hợp Đồng thời qua việc giải toán đốt cháy hợp chất hữu cơ, học sinh rèn luyện hiệu kĩ phát vấn đề giải vấn đề TÀI LIỆU THAM KHẢO Bộ Giáo dục Đào tạo, Đề thi tuyển sinh đại học cao đẳng năm 2007, 2008, 2009, 2010, 2011, 2012 Nguyễn Thanh Khuyến (2006), Phương pháp giải tốn hóa học hữu cơ, Nxb Đại học Quốc gia Hà Nội Nguyễn Xuân Trường (2005), Phương pháp dạy học hóa học, Nxb Giáo dục (Ngày Tòa soạn nhận bài: 07-4-2014; ngày phản biện đánh giá: 01-6-2014; ngày chấp nhận đăng: 24-3-2015) 113 ... dụng biện pháp nâng cao lực giải toán đốt cháy hợp chất hữu cho em học sinh, nhận thấy để giải loại toán cách nhanh chóng xác, cần kết hợp lực: Lập công thức phân tử chung hợp chất hữu cơ, lập... 2.4 Giúp học sinh nắm vững bước giải toán đốt cháy hợp chất hữu Giải tốn đốt cháy hợp chất hữu theo trình tự bước: - Bước Tìm cơng thức phân tử hợp chất hữu đem đốt cháy từ việc phân tích đặc điểm... Nguyễn Hữu Tài _ Một số biện pháp nâng cao lực giải toán đốt cháy hợp chất hữu 2.1 Giúp học sinh nắm vững cách lập công thức phân tử hợp chất hữu