SKKN Sáng kiến kinh nghiệm ứng dụng độ bất bão hoà trong Hoá học hữu cơ - Nguyễn Thị Diễm

Nội dung text: SKKN Sáng kiến kinh nghiệm ứng dụng độ bất bão hoà trong Hoá học hữu cơ - Nguyễn Thị Diễm

1. TRƯỜNG THPT NINH CHÂU CHUYÊN ĐỀ ỨNG DỤNG ĐỘ BẤT BÃO HOÀ SỞ GD-ĐT QUẢNG BÌNH TRƯỜNG THPT NINH CHÂU   ÂÄ SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM ỨNG DỤNG ĐỘ BẤT BÃO HOÀ TRONG HOÁ HỌC HỮU CƠ Giáo viên: Nguyễn Thị Diễm Tổ : Hoá học Quảng Ninh, tháng 01 năm 2019 GV NGUYỄN THỊ DIỄM 1
2. TRƯỜNG THPT NINH CHÂU CHUYÊN ĐỀ ỨNG DỤNG ĐỘ BẤT BÃO HOÀ MỤC LỤC Trang I. ĐẶT VẤN ĐỀ 3 1. Thực trạng 3 2. Giải pháp 3 3. Tóm tắt nội dung đề tài 4 4. Giới hạn áp dụng của đề tài 4 II. GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ 5 1. Những vấn đề lý luận chung 5 1.1. Khái niệm và công thức tính 5 1.1.1. Khái niệm 5 1.1.2. Công thức tính 5 1.2. Tính chất của độ bất bão hoà 6 1.3. Các thí dụ minh hoạ 6 2. Ứng dụng của độ bất bão hoà 9 2.1. Xác định công thức phân tử từ công thức đơn giản nhất 9 2.2. Dựa vào độ bất bão hoà để viết công thức cấu tạo 11 2.3. Biện luận để xác định công thức cấu tạo hoặc công thức phân tử 13 2.3.1. Biện luận để xác định công thức cấu tạo 13 2.3.2. Biện luận để xác định công thức phân tử 16 2.4. Sử dụng số liên kết pi trung bình 19 2.5. Phân tích hệ số trong phản ứng đốt cháy 21 3. Bài tập áp dụng 25 III. KẾT LUẬN 28 TÀI LIỆU THAM KHẢO 29 PHỤ LỤC 30 Đáp án phần bài tập áp dụng 30 GV NGUYỄN THỊ DIỄM 2
3. TRƯỜNG THPT NINH CHÂU CHUYÊN ĐỀ ỨNG DỤNG ĐỘ BẤT BÃO HOÀ I. ĐẶT VẤN ĐỀ 1. Thực trạng - Trong quá trình giảng dạy môn Hóa học ở trường THPT, bản thân tôi nhận thấy học sinh gặp nhiều khó khăn trong việc nắm kiến thức lí thuyết và giải bài tập. Đặc biệt là Hoá học hữu cơ kiến thức lí thuyết nhiều, số tiết bài tập ít , nhất là hình thức kiểm tra trắc nghiệm khách quan nhiều lựa chọn, một trong các vấn đề đó là viết đồng phân, biện luận công thức phân tử hoặc làm các bài toán phức tạp nên yêu cầu học sinh phải giải quyết vấn đề chính xác, nhanh chóng. - Việc học sinh viết các đồng phân cấu tạo đa phần là mang tính chất mò mẫm, thiếu phương hướng. Với các trường hợp đơn giản của hiđrocacbon thì học sinh có thể làm tương đối đơn giản, nhưng để làm các bài tập của phần hợp chất hữu cơ có nhóm chức, đặc biệt là các bài toán este, aminoaxit, peptit của sách giáo khoa, sách bài tập hoá học lớp 12 thì đa số học sinh lúng túng hoặc không biết làm. Đơn cử như bài tập “viết tất cả các đồng phân cấu tạo mạch hở của hợp chất có công thức C 4H8O” thì đa số học sinh chỉ viết được đồng phân cấu tạo của anđehit no mạch hở đơn chức và xeton no mạch hở đơn chức (vì có học trong chương trình) mà quên nó có thể có ancol không no có 1 liên kết đôi hoặc ete không no có 1 liên kết đôi. Để làm được các bài tập này nhanh chóng hiệu quả thì đòi hỏi phải có một phương pháp hỗ trợ khi làm bài tập. Phương pháp hỗ trợ này dựa trên khái niệm độ bất bão hoà. Đối với các học sinh không đi học bồi dưỡng kiến thức hay đi luyện ở các trung tâm luyện thi đại học thì khái niệm độ bất bão hoà là một khái niệm hoàn toàn mới chưa nghe bao giờ. Nội dung các bài tập trong sách giáo khoa cơ bản thì không đề cập tới độ bất bão hoà, ngay cả sách giáo khoa Hoá học ban tự nhiên lớp 11 thì cũng chỉ đề cập ở bài tập 1 trang 181, bài tập 1 trang 219. Do đó việc làm quen và sử dụng độ bất bão đối với học sinh là một vấn đề hết sức cần thiết. 2. Giải pháp - Thông qua thực tiễn giảng dạy, nhằm giúp học sinh định hướng tư duy, xử lý nhanh các bài tập hữu cơ đặc biệt là các bài tập hữu cơ trong đề thi đại học, cao đẳng khối A, B, tôi đã soạn chuyên đề "ứng dụng độ bất bão hoà trong hoá học hữu cơ” GV NGUYỄN THỊ DIỄM 3
4. TRƯỜNG THPT NINH CHÂU CHUYÊN ĐỀ ỨNG DỤNG ĐỘ BẤT BÃO HOÀ 3. Tóm tắt nội dung đề tài - Nội dung chủ yếu của chuyên đề là hướng dẫn học sinh những khái niệm, quy tắc của độ bất bão hoà kèm theo một số thí dụ hướng dẫn minh hoạ để giúp học sinh làm quen với độ bất bão hoà, trên cơ sở đó giúp học sinh tiếp cận các phương pháp giải bài tập nhanh chóng, hiệu quả. 4. Giới hạn áp dụng của đề tài - Đối tượng áp dụng của đề tài là các học sinh có học lực môn hoá từ trung bình trở lên, các học sinh chọn tổ hợp môn xét tuyển tốt nghiệp THPT, đại học, cao đẳng có môn Hoá. GV NGUYỄN THỊ DIỄM 4
5. TRƯỜNG THPT NINH CHÂU CHUYÊN ĐỀ ỨNG DỤNG ĐỘ BẤT BÃO HOÀ II. GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ 1. Những vấn đề lý luận chung 1.1. Khái niệm và công thức tính 1.1.1. Khái niệm - Độ bất bão hoà (k) là đại lượng đặc trưng cho mức độ chưa no của một hợp chất hữu cơ được tính bằng tổng số liên kết pi (π) và số vòng trong công thức cấu tạo. 1.1.2. Công thức tính Chứng minh công thức * Giả sử có hợp chất hữu cơ có công thức là CxHyOzNtXv (X là halogen) Nhận xét - Tất cả các liên kết đều là liên kết cộng hoá trị, mỗi liên kết đều do một cặp electron tạo nên. - Trong hợp chất: nguyên tử C có hoá trị IV (sử dụng 4 electron hoá trị) nguyên tử N có hoá trị III (sử dụng 3 electron hoá trị) nguyên tử O có hoá trị II (sử dụng 2 electron hoá trị) nguyên tử H và X hoá trị I (sử dụng 1 electron hoá trị) - Khi hợp chất đóng vòng tương đương với việc tạo thêm một liên kết cộng hoá trị (sử dụng 2 electron dùng chung) - Chỉ có các nguyên tử có hoá trị 2 mới có khả năng tạo liên kết π hoặc đóng vòng, các nguyên tử hoá trị 1 không có khả năng này. Chứng minh - Tổng số các nguyên tử có hoá trị ≥ 2 là z + t + x  tổng số electron hoá trị là 2z + 3t + 4x - Tổng số liên kết σ giữa các nguyên tử có hoá trị ≥ 2 là (z + t + x) - 1  tổng số electron tham gia tạo liên kết là 2(z + t + x - 1) - Gọi k là độ bất bão hoà (số liên kết π + số mạch vòng)  tổng số electron tham gia tạo liên kết là 2k - Số electron tham gia tạo liên kết σ với các nguyên tử hoá trị 1 chính bằng số nguyên tử H và X là y + v GV NGUYỄN THỊ DIỄM 5
6. TRƯỜNG THPT NINH CHÂU CHUYÊN ĐỀ ỨNG DỤNG ĐỘ BẤT BÃO HOÀ - Ta có: 2z + 3t + 4x = 2(z + t + x - 1) + 2k + y + v  2k = t + 2x - y - v +2  2x t 2 - (y v) 2S S 2 - S k hay k 4 3 1 2 2 Trong đó: + S4 là tổng số các nguyên tử hoá trị IV + S3 là tổng số các nguyên tử hoá trị III + S1 là tổng số các nguyên tử hoá trị I 1.2. Tính chất của độ bất bão hoà + k N (k≥0) + k (phân tử) = k (gốc hiđrocacbon) + k (nhóm chức) Chú ý: Công thức tính k ở trên không đúng đối với muối amoni của axit cacboxylic. Nếu rơi vào trường hợp muối amoni thì cứ thêm vào 1 gốc muối amoni ta sẽ cộng thêm vào k tính theo công thức một đơn vị 1.3. Các thí dụ minh hoạ Câu 1: Tính độ bất bão hoà trong các hợp chất sau: C4H10, C4H8O, C5H12O, C5H7Cl, C4H11N, C4H10N2, C4H9NO2. 2.4 10 2 + Với C4H10 ta có k 0 2 2.4 8 2 + Với C4H8 ta có k 1 2 2.5 12 2 + Với C5H12O ta có k 0 2 2.5 8 2 + Với C5H7Cl ta có k 2 (vì nguyên tử clo có hoá trị I nên ta gộp 2 chung 7 nguyên tử H với 1 nguyên tử Cl là 8 nguyên tử có hoá trị I) 2.4 1 11 2 + Với C4H11N ta có k 0 2 2.4 2 10 2 + Với C4H10N2 ta có k 1 2 2.4 1 9 2 + Với C4H9NO2 ta có k 1 2 GV NGUYỄN THỊ DIỄM 6
7. TRƯỜNG THPT NINH CHÂU CHUYÊN ĐỀ ỨNG DỤNG ĐỘ BẤT BÃO HOÀ * Nhận xét + trong hợp chất chứa C, H, oxi có thể có hoặc không (có thể có thêm halogen) ta có thể so sánh hiệu số nguyên tử hoá trị I với ankan tương ứng có cùng số cacbon rồi chia 2) Ví dụ: trong hợp chất C 5H7Cl ta so sánh với ankan C5H12 lấy hiệu số nguyên tử hoá trị I (12-8)/2=2, như vậy k=2 + nếu có thêm nitơ thì cứ thêm một nguyên tử nitơ thì ta cộng thêm vào số nguyên tử hiđro ở ankan 1 nguyên tử hiđro và tính hiệu số nguyên tử hoá trị I như trên Ví dụ: trong hợp chất C 4H11N ta so sánh với C4H10 nhưng do có thêm 1 nitơ nên số hiđro trong C4H10 là 10 ta cộng thêm 1 là 11 rồi tính hiệu số nguyên tử hoá trị I và được k = 0; hoặc trong hợp chất C4H10N2 ta có (10+2-10)/2=1 Nhận xét này là 1 thủ thuật giúp học sinh nhẩm nhanh. Câu 2: Tính độ bất bão hoà trong các hợp chất sau: CH3COOH, C3H5COOH, C6H5NO2. Nhận xét: ở đây ta có thể dùng công thức để tính tuy nhiên ta có thể dựa vào cấu tạo để nhẩm nhanh + Với CH 3COOH ta có CH3 là gốc ankyl có k=0, nhóm cacboxyl (COOH) có k=1 nên tổng độ bất bão hoà của cả phân tử CH3COOH là 1 + Với C3H5COOH ta có C3H5 là gốc không no có 1 liên kết đôi nên có k=1, nhóm cacboxyl (COOH) có k=1 nên tổng độ bất bão hoà của cả phân tử C3H5COOH là 2 + Với C 6H5NO2 ta có C6H5 là gốc phenyl có k=4 (3 liên kết π và 1 vòng), nhóm nitro (NO2) có k=1 nên tổng độ bất bão hoà của cả phân tử C6H5NO2 là 5. Câu 3: Tính độ bất bão hoà trong các chất sau: CH 3-COONH4, CH2=CH-COONH3CH3, CH3NH3OOC-COONH3CH3. + Với CH3-COONH4 2.2 1 2 7 Theo công thức ta có k 0; thực tế cấu tạo có 1 nhóm COO nên k của cả 2 phân tử phải là 1. + Với CH2=CH-COONH3CH3 GV NGUYỄN THỊ DIỄM 7
8. TRƯỜNG THPT NINH CHÂU CHUYÊN ĐỀ ỨNG DỤNG ĐỘ BẤT BÃO HOÀ 2.4 1 2 9 Theo công thức ta có k 1, thực tế cấu tạo gồm có 1 liên kết đôi ở gốc 2 hiđrocacbon và có 1 nhóm COO nên k của cả phân tử phải là 2. + Với CH3NH3OOC-COONH3CH3 2.4 2 2 12 Theo công thức ta có k 0 , nhưng thực tế xét cấu tạo thì k=2 2 Nhận xét: Nếu rơi vào trường hợp muối amoni thì cứ thêm vào 1 gốc muối amoni ta sẽ cộng thêm vào k tính theo công thức một đơn vị. Câu 4: Dựa vào công thức cấu tạo của các chất sau đây hãy xác định độ bất hoà của chúng. a. 1-Metyl-4-(1-metyletenyl)-xiclohexen (limonen) - Nhìn công thức cấu tạo thấy có 2 liên kết đôi và 1 vòng như vậy limonen có độ bất bão hoà của cả phân tử là 3. Cl O Cl b. 2,3,7,8-tetraclođibenzo-p-đioxin (đioxin) Cl O Cl - Phân tử đioxin gồm có 2 nhân thơm và 1 vòng như vậy độ bất bão hoà của cả phân tử bằng 9. O OH O O HO OH c. Axit 2-hiđroxipropan-1,2,3-tricacboxylic (axit xitric) OH - Phân tử axit xitric có 3 liên kết đôi ở 3 nhóm cacboxyl nên độ bất bão hoà của cả phân tử bằng 3. Cl Cl Cl d. 1,1,1-Triclo-2,2-bis(4-clophenyl)etan (thuốc trừ sâu DDT) Cl Cl - Phân tử DDT có độ bất bão hoà bằng 8 (do có 2 nhân benzen) GV NGUYỄN THỊ DIỄM 8
9. TRƯỜNG THPT NINH CHÂU CHUYÊN ĐỀ ỨNG DỤNG ĐỘ BẤT BÃO HOÀ 2. Ứng dụng của độ bất bão hoà - Việc sử dụng độ bất bão hoà vào quá trình giải quyết các bài tập hoá học hữu cơ, đặc biệt là trong các đề thi đại học sẽ giúp học sinh tiết kiệm được thời gian. Dưới đây là một số các ứng dụng cơ bản của độ bất bão hoà kèm theo các ví dụ minh hoạ có hướng dẫn chi tiết để giúp hiểu sâu sắc hơn về độ bất bão hoà, đồng thời qua các ví dụ này cũng giúp học sinh biết cách định hướng và áp dụng độ bất bão hoà vào quá trình giải bài tập. 2.1. Xác định công thức phân tử từ công thức đơn giản nhất - Xác định công thức phân tử chất hữu cơ là yêu cầu phổ biến và cơ bản nhất của bài tập Hóa hữu cơ. Có nhiều phương pháp để xác định công thức phân tử chất hữu cơ (trung bình, bảo toàn nguyên tố, bảo toàn khối lượng, ), tùy thuộc vào đặc điểm số liệu của bài toán đưa ra. Trong chuyên đề này, ta xét trường hợp đề bài yêu cầu xác định công thức phân tử từ công thức đơn giản nhất mà không cho khối lượng mol phân tử của chất hữu cơ đó. + Bước 1: Từ công thức đơn giản nhất viết lại công thức phân tử theo n. + Bước 2: Tính k theo n. + Bước 3: So sánh giá trị k tìm được với đặc điểm Hóa học của chất hữu cơ đã cho hoặc tính chất của k. Câu 1: Công thức đơn giản nhất của 1 anđehit no, đa chức, mạch hở là C2H3O. Công thức phân tử của nó là A. C8H12O4. B. C4H6O. C. C12H18O6. D. C4H6O2. Giải: + Trước hết phải viết công thức phân tử của anđehit dạng (C 2H3O)n hay C2nH3nOn. Độ bất 2.2n 2 3n bão hoà tính theo công thức phân tử là k 2 + Vì anđehit no, mạch hở nên gốc hiđrocacbon của anđehit có k=0, mặt khác cứ 1 nguyên tử oxi trong nhóm CHO thì có 1 liên kết π  n nguyên tử oxi sẽ có n liên kết π,  tổng k của cả phân tử là n. GV NGUYỄN THỊ DIỄM 9