Chương 1: ĐẠi cưƠng về hoá học hữu cơ Hợp chất hữu cơ và hoá học hữu cơ
Phân tích nguyên tố và thiết lập công thức phân tử
tải về 3.47 Mb.
|
- Điều hướng trang này:
- 1.3.2. Phân tích định lượng nguyên tố
- 1.3.3. Xác định phân tử khối
- 1.3.4. Thiết lập công thức phân tử
- 1.4. Liên kết trong hoá học hữu cơ
- 1.4.2. Sự lai hoá obitan và các liên kết đơn, đôi, ba
- 1.4.3. Liên kết hiđro
1.3. Phân tích nguyên tố và thiết lập công thức phân tử1.3.1. Phân tích định tính nguyên tốPhân tích định tính nguyên tố nhằm xác định các loại nguyên tố có mặt trong hợp chất hữu cơ. Nguyên tắc chung là chuyển các nguyên tố trong hợp chất cần khảo sát thành những chất vô cơ đơn giản rồi nhận ra các sản phẩm này dựa vào những tính chất đặc trưng của chúng. a) Xác định C và H Đun nóng chất hữu cơ với CuO (chất oxy hóa) để chuyển C thành CO2 và H thành H2O, rồi nhận biết CO2 bằng nước vôi trong (tạo kết tủa trắng CaCO3) và nhận biết H2O bằng CuSO4 khan (màu trắng chuyển thành màu xanh của CuSO4.5H2O) [C]hchc + 2CuO CO2 + 2Cu [H]hchc + CuO H2O + Cu CO2 + Ca(OH)2 CaCO3 + H2O 5H2O + CuSO4 CuSO4.5H2O b) Xác định N Đun nóng hợp chất hữu cơ với Na sẽ xinh ra NaCN. Để nhận ra ion CN- ta cho thêm Fe2+ và Fe3+ rồi axit hoá nhẹ, nếu có CN- sẽ sinh ra kết tủa màu xanh đậm rất đặc trưng của Fe4[Fe(CN)6]3: Na + [C] + [N] NaCN hợp chất hữu cơ Fe2+ + 6CN- [Fe(CN)6]4- 4Fe3+ + 3[Fe(CN)6]4- Fe4[Fe(CN)6]3 c) Xác định halogen Đốt một băng giấy lọc tẩm chất hữu cơ có chứa Hal và ancol etylic (nhiên liệu) sẽ sinh ra HX. Ta nhận biết HX bằng dd AgNO3 (sinh ra kết tủa AgX) sau đó xác nhận AgX bằng dd NH3 (hoà tan kết tủa): [X]hchc + [H]hchc or ancol HX HX + AgNO3 AgX + HNO3 AgX + 3NH3 + H2O [Ag(NH3)2]OHtan + NH4X
Phân tích định lượng nhằm xác định thành phần % về khối lượng của các nguyên tố trong hợp chất hữu cơ. Nguyên tắc chung là chuyển hoàn toàn các nguyên tố trong một lượng cân nhất định của chất hữu cơ thành các chất vô cơ đơn giản, sau đó xác định khối lượng (hoặc thể tích đối với chất khí) củ sản phẩm đó, rồi tính thành phần % các nguyên tố. a) Định khối lượng C và H Nung nóng một lượng cân chính xác a gam hợp chất hữu cơ với CuO dư trong dòng khí O2. Khí CO2 và hơi nước sinh ra được hấp thụ hoàn toàn và riêng rẽ bởi những bình chứa các chất hấp thụ thích hợp được cân trước và sau khi thí nghiệm. Giả sử trong thí nghiệm sinh ra và , ta tính: b) Định lượng N Đun nóng một lượng cân chính xác a gam hợp chất hữu cơ với CuO dư trong dòng khí CO2 để chuyển hết N trong hợp chất thành khí N2 và dẫn vào “nitơ kế” (dụng cụ đo khí nitơ) chứa trong dd KOH đậm đặc (để hấp thụ CO2 và H2O). Giả sử thu được V ml khí N2, đo ở nhiệt độ t, áp suất khí quyển p, áp suất hơi nước bão hoà f, ta tính được : c) Định lượng halogen Sau khi phân huỷ mẫu chất hữu cơ chẳng hạn bằng oxi hay axit nitric bốc khói, các halogen được chuyển thành AgX để định lượng. d) Định lượng oxi Thông thường hàm lượng oxi trong một hợp chất hữu cơ được xác định trực tiếp bằng cách lấy 100% trừ đi tổng số % của các nguyên tố khác có trong hợp chất. tuy vậy, khi cần thiết cũng có thể xác định trực tiếp bằng cách chuyển oxi trong mẫu thành CO rồi định lượng CO dựa theo phản ứng: 5CO + I2O5 5CO2 + I2
Đối với các chất khí hoặc chất lỏng dễ bay, ta có thể xác định tỷ khối d của chất đó so với một khí đơn giản nào đó (thí dụ: H2, N2, không khí, ...) rồi tính khối lượng phân tử: Đối với chất rắn hoặc chất lỏng không bay hơi: dựa vào phương pháp nghiệm lạnh và phương pháp nghiệm sôi: Phép nghiêm lạnh được dùng rộng rãi hơn phép nghiệm sôi.
Giả sử hợp chất hữu cơ có CTPT là CxHyOzNt Lập công thức đơn giản nhất: x : y : z : t = Lập công thức phân tử dựa vào khối lượng các nguyên tố:
Lập công thức phân tử dựa vào phần trăm các nguyên tố: Thí dụ: Đốt cháy hoàn toàn 0,44 gam một hợp chất hữu cơ A, sản phẩm cháy được hấp thu hoàn toàn vào bình 1 đựng P2O5, và bình 2 đựng dung dịch KOH. Sau thí nghiệm thấy khối lượng bình 1 tăng 0,36g và bình 2 tăng 0,88. a) Xác định CTđơn giản nhất của A? b) Xác định CTCT đúng của A, biết để phản ứng hết với 0,05 mol A cần dùng 250ml dung dịch NaOH 0,2M và A có khả năng tham gia phản ứng tráng gương.
Liên kết hoá học quan trọng và phổ biến nhất trong hợp chất hữu cơ là liên kết cộng hoá trị. Liên kết này được hình thành bằng sự xen phủ các obitan nguyên tử (AO) tạo nên obitan phân tử (MO) chung cho cả hai nguyên tử tham gia liên kết. Có hai kiểu xen phủ chính: a) Xen phủ trục MO có trục đối xứng trùng với trục nối hai hạt nhân nguyên tử liên kết: Hình 1.1: Obitan Đó là những MO bền vững, được gọi là MO . Liên kết cộng hoá trị được hình thành bằng sự xen phủ trục như trên được gọi là liên kết xích ma. Liên kết tương đối bền, hai nguyên tử nối với nhau chỉ bằng liên kết thôi thì có khả năng quay quanh trục liên kết mà không làm mất sự xun phủ (thí dụ: CH3 – CH3), do đó có khả năng xuất hiện cấu dạng ở hợp chất hữu cơ.
Vùng xen phủ nằm ở hai bên tục nối hai hạt nhân nguyên tử liên kết nên MO tương đối kém bền. Đó là MO , và liên kết tương ứng là liên kết . So với liên kết xích ma thì liên kết pi kém bền. Hai nguyên tử nối với nhau bằng liên kết pi (và một liên kết xích ma) không thể quay quanh trục nối hai hạt nhân được vì như thế sẽ vi phạm sự xen phủ cực đại của hai AO. Do đó, có khả năng xuất hiện đồng phân hình học ở các hợp chất có nối đôi: C = C, C = N, ...
Ở trạng thái cơ bản nguyên tử C có cấu hình electron: Ở trạng thái liên kết năng lượng cao, một electron 2s chuyển chỗ sang obitan còn trống 2pz, do đó C* có cấu hình: Khi ấy có sự tổ hợp giữa obitan 2s với một số obitan 2p, gọi là sự lai hoá obitan. Các obitan mới hình thành được gọi là obitan lai hoá. Cacbon có 3 kiểu lai hoá:
Hình 1.3: Sự lai hóa sp3 Các obitan sp3 sẽ xen phủ trục với AO của các nguyên tử khác tạo thành những liên kết . Thí dụ:
Lai hóa sp2: Một obitan 2s lai hóa với 2 obitan 2p tạo thành 3 obitan lai hóa sp2 giống hệt nhau. Ba obitan này hướng tới 3 đỉnh của tam giác đều, hình thành góc giữa các obitan lai hóa bằng 1200 (hình 1.5). Hình 1.5: Sự lai hoá sp2 Các obitan sp2 sẽ xen phủ trục với obitan của các nguyên tử khác tạo thành các liên kết xích ma. Còn lại một obitan 2p chưa lai hoá có trục thẳng góc với mặt phẳng chứa 3 obitan lai hoá sp2 sẽ dùng để xen phủ bên với obitan 2p của nguyên tử khác tạo thành liên kết pi (thí dụ hình 1.6). Hình 1.6: Sự hình thành liên kết xích ma (a) và liên kết pi (b) trong phân tử C2H4 c) Lai hoá sp (hay lai hoá đường thẳng) Lai hóa sp: Một obitan 2s lai hóa với 1 obitan 2p tạo thành 2 obitan lai hóa sp giống hệt nhau. Hai obitan này nằm trên một đường thẳng tạo thành góc giữa hai obitan lai hóa bằng 1800 (hình 1.7). Hình 1.7: Sự lai hoá sp Các obitan sp sẽ xen phủ trục với obitan của hai nguyên tử khác tạo thành hai liên kết xích ma. Còn lại hai obitan chưa lai hoá 2p có trục đối xứng thẳng góc với nhau và cùng thẳng góc với trục đối xứng chung của hai obitan lai hoá sp, sẽ dùng để xen phủ bên với obitan chưa lai hoá của nguyên tử khác tạo nên những liên kết pi. Thí dụ:
a) Khái niệm Liên kết hiđro là liên kết được hình thành giữa một nguyên tử H đã tham gia liên kết cộng hoá trị với một nguyên tử khác cũng dã tham gia liên kết cộng hoá trị và còn chứa cặp electron tự do. Thí dụ: liên kết hiđro được hình thành giữa phân tử H2O Điều kiện để hình thành liên kết hiđro: là LKCHT X – H chứa nguyên tử H phải phân cực mạnh, nguyên tử H mang một phần mang điện tích dương (+), còn nguyên tử thứ hai Y phải có cặp e tự do mang một phần điện tích âm (-) và có độ âm điện lớn hơn. Ở đây X cũng như Y thường là O, N, F. Liên kết X – H càng phân cực và khả năng nhường electron của Y càng lớn thì liên kết hiđro càng bền vững. b) Phân loại liên kết hiđro Liên kết hiđro liên phân tử: đó là liên kết giữa X – H và Y thuộc về hai phân tử riêng rẽ (giống nhau hoặc khác nhau). Thí dụ: Liên kết hiđro nội phân tử: đó là liên kết giữa X – H và Y của một phân tử. Thí dụ:
Liên kết hiđro liên phân tử làm tăng mạnh nhiệt độ sôi và nhiệt độ nóng chảy so với những chất có phân tử khối tương đương mà không có liên kết hiđro hoặc chỉ có liên kết hiđro nội phân tử. Thí dụ: Hợp chấtMts (oC)tnc (oC)CH3 – CH2 – OH 4678-CH3 – O – CH3 46-24-CH3 – SH 486-p-NO2 – C6H4 – OH 139-114o-NO2 – C6H4 – OH 139-44 Sự hình thành liên kết hiđro giữa chất tan và dung môi làm tăng mạnh độ tan trong dung môi đó. Nhóm chức có khả năng tạo liên kết hiđro với dung môi càng tăng thì độ tan của chất càng lớn, trái lại gốc H – C càng lớn độ tan của chất càng nhỏ. Thí dụ: Hợp chấtMĐộ tan (g/100g H2O)CH3 – CH2 – OH 46 N – C4H9 – OH 747,4n – C6H13 – OH 1020,6C6H12O6 (glucozơ) 18083n – C6H14 860,01CH3 – COOH 60 HCOOCH36030 Chú ý rằng ngoài liên kết hiđro ra, giữa các phân tử hợp chất hữu cơ còn có thể có các lực liên kết yếu như lực hút lưỡng cực giũă các phân tử phân cực, lực Vandecvan, ...
|