Từ ethylene đến ester: đọc nhóm chức để làm chủ chuỗi phản ứng hữu cơ
Đọc nhóm chức để hoàn thành chuỗi ethylene, ethanol, acetic acid, ethyl acetate; tính hiệu suất, chất thiếu và hằng số cân bằng của phản ứng ester hóa; phân…
Hóa học 9 · Hợp chất hữu cơ
Từ ethylene đến ester: đọc nhóm chức để làm chủ chuỗi phản ứng hữu cơ
Cùng một chuỗi carbon, chỉ đổi một nhóm nguyên tử ở đầu mạch mà ta có khí làm chín trái cây, chất lỏng sát trùng, giấm ăn và hương thơm của dung môi. Bài này dạy em đọc “địa chỉ” của phản ứng là nhóm chức, rồi tự hoàn thành chuỗi ethylene, ethanol, acetic acid, ethyl acetate và tính toán cho từng chặng.
110 phút Mức: khá – giỏi
Bạn sẽ học: phản ứng cộng của ethylene · tính chất của ethanol · năm phản ứng của acid yếu · ester hóa thuận nghịch và hiệu suất · xà phòng hóa · cách đọc dấu hiệu để giải bài chuỗi
1 Ba mùi quen thuộc và một bản đồ nhóm chức
Trước khi viết phương trình, ta nhìn bản đồ để biết mình đang đứng ở ga nào.
Hãy nghĩ tới ba mùi quen thuộc. Mùi cồn khi bôi lên vết xước ở trường y tế. Mùi giấm chua nồng khi mẹ trộn gỏi. Và mùi thơm ngọt như trái cây của nước tẩy sơn móng tay hay của một viên kẹo. Ba mùi khác hẳn nhau, nhưng ba chất tạo nên chúng chỉ chứa những nguyên tử rất bình thường: carbon, hydrogen và oxygen. Cồn là ethanol, giấm chứa acetic acid, và mùi thơm ngọt là của các ester .
Vậy điều gì làm ba chất khác nhau đến thế? Không phải là loại nguyên tử, mà là cách gắn nguyên tử oxygen vào mạch carbon . Một nhóm nguyên tử nhỏ đứng ở đầu mạch quyết định chất đó phản ứng với chất nào, cho sản phẩm gì. Nhóm nguyên tử ấy được gọi là nhóm chức . Học hóa hữu cơ ở lớp 9 thực chất là học cách nhìn vào công thức, tìm nhóm chức, rồi đoán được tính chất.
Hình 1. Bốn nhóm chức nối tiếp nhau. Mũi tên liền là chuỗi chuyển hóa chính, mũi tên đứt là phép thử đặc trưng của từng chất.
GV
Cô Lukato
Em đừng học thuộc từng phản ứng như học thuộc số điện thoại nhé. Cô muốn em nhìn Hình 1 và tự hỏi ở mỗi ga: nhóm chức là gì, nó “thích” phản ứng với ai? Khi hiểu điều đó, em sẽ tự viết được phương trình chứ không cần nhớ mặt chữ.
Ghi nhớ
Nhóm chức là nhóm nguyên tử gây ra những tính chất hóa học đặc trưng của một loại hợp chất. Trong bài này em gặp bốn nhóm: liên kết đôi C=C (ethylene), hydroxyl \mathrm{-OH} (ethanol), carboxyl \mathrm{-COOH} (acetic acid) và ester \mathrm{-COO-} (ethyl acetate). Nhớ ba việc cho mỗi nhóm: nó nằm ở đâu trong công thức, thử nó bằng gì, và nó cho phản ứng nào.
Bản đồ bài học
Mục · Nội dung · Em làm được gì
2 · Ethylene · Viết phản ứng cộng và trùng hợp; nhận biết bằng dung dịch bromine
3 · Ethanol · Viết phản ứng với sodium, đốt cháy, oxi hóa; điều chế ethanol
4 · Acetic acid · Viết năm phản ứng của một acid yếu và tính theo phương trình
5 · Ester hóa · Giải thích vai trò \mathrm{H_{2}SO_{4}} đặc, tính hiệu suất, tính hằng số cân bằng
6 · Thủy phân ester · Phân biệt thủy phân trong acid với xà phòng hóa
7 · Đọc dấu hiệu · Nhìn thí nghiệm để suy ra chất, rồi hoàn thành chuỗi
8 – 10 · Luyện tập, thách thức, tự kiểm tra · Hơn hai mươi bài có chấm điểm, cùng câu hỏi trắc nghiệm
Khởi động: ba câu hỏi nhanh
Chưa biết cũng không sao, chọn theo trực giác rồi đọc lời giải thích của cả bốn phương án.
Trong bốn chất ở Hình 1, chất nào có thể làm quỳ tím chuyển sang màu đỏ nhạt?
Sai: ethylene là hydrocarbon, không có tính acid nên không đổi màu quỳ tím.
Sai: nhóm \mathrm{-OH} của ethanol không phân li ra ion hydrogen, dung dịch ethanol không làm đổi màu quỳ tím.
Đúng: nhóm \mathrm{-COOH} của acetic acid phân li một phần ra ion hydrogen nên có tính acid (yếu).
Sai: ester trung tính, không làm đổi màu quỳ tím.
Chất nào trong Hình 1 làm mất màu dung dịch bromine ở điều kiện thường?
Đúng: liên kết đôi dễ cho phản ứng cộng với bromine, và sản phẩm không còn màu.
Sai: nhóm \mathrm{-OH} không cộng bromine; dung dịch bromine vẫn giữ màu khi gặp ethanol.
Sai: acid này không có liên kết đôi giữa hai carbon để cộng bromine.
Sai: liên kết đôi C=O trong ester không cộng bromine theo cách của C=C.
Phản ứng cộng nước vào ethylene tạo ra ethanol. Số nguyên tử carbon của phân tử ethanol so với ethylene là
Sai: nước không chứa carbon nên không thể làm tăng số carbon.
Sai: nguyên tử carbon không chuyển sang nước; nước chỉ có H và O.
Sai: nhóm \mathrm{-OH} chứa O và H chứ không chứa carbon.
Đúng: cả hai đều có 2 nguyên tử carbon; phản ứng cộng chỉ thêm H và OH vào hai đầu liên kết đôi.
2 Ethylene: liên kết đôi và phản ứng cộng
Một liên kết kém bền là tất cả những gì ethylene cần để trở thành nguyên liệu của cả một ngành công nghiệp.
Ethylene, công thức \mathrm{C_{2}H_{4}}, là chất khí không màu, hơi nhẹ hơn không khí (khối lượng mol 28 g/mol so với khoảng 29 g/mol của không khí) và ít tan trong nước. Hai nguyên tử carbon nối với nhau bằng liên kết đôi , mỗi carbon mang hai nguyên tử hydrogen, nên công thức cấu tạo là \mathrm{CH_{2}=CH_{2}}.
Cần nhớ ý này: trong liên kết đôi, hai liên kết không bền như nhau. Một liên kết rất chắc, còn liên kết kia kém bền và dễ bị “bẻ” ra để hai carbon mỗi bên nhận thêm một nguyên tử hoặc một nhóm nguyên tử. Phản ứng như thế gọi là phản ứng cộng . Các phản ứng đặc trưng của ethylene đều bắt nguồn từ chỗ này.
Phản ứng cộng
Cộng bromine. Dẫn ethylene vào dung dịch bromine màu da cam, màu mất đi vì bromine bị dùng hết để tạo chất không màu:
\mathrm{CH_{2}=CH_{2}+Br_{2}\longrightarrow CH_{2}Br-CH_{2}Br}
Đây là phép thử quen thuộc để phân biệt ethylene với methane: methane không làm mất màu dung dịch bromine, còn ethylene làm mất màu ngay. Tỉ lệ mol là 1:1, nên mỗi mol liên kết đôi dùng hết đúng 1 mol bromine (160 g).
Cộng nước. Khi có acid làm xúc tác và đun nóng, ethylene cộng nước tạo ethanol, đây là một trong hai cách sản xuất ethanol:
\mathrm{C_{2}H_{4}+H_{2}O\overset{\text{acid, }t^{\circ}}{\longrightarrow} C_{2}H_{5}OH}
Cộng hydrogen. Với xúc tác nickel và đun nóng, ethylene cộng hydrogen thành ethane, chất chỉ có liên kết đơn:
\mathrm{C_{2}H_{4}+H_{2}\overset{\text{Ni, }t^{\circ}}{\longrightarrow} C_{2}H_{6}}
Phản ứng trùng hợp và phản ứng cháy
Nhiều phân tử ethylene có thể tự nối với nhau nhờ liên kết đôi bị bẻ ra, tạo thành chuỗi rất dài gọi là polyethylene (viết tắt PE), chất dẻo dùng làm túi bóng, màng bọc thực phẩm. Phản ứng nối nhiều phân tử nhỏ thành một phân tử lớn như vậy gọi là phản ứng trùng hợp :
\mathrm{nCH_{2}=CH_{2}\overset{\text{xúc tác, }t^{\circ}\text{, áp suất}}{\longrightarrow} (-CH_{2}-CH_{2}-)_{n}}
Vì phản ứng trùng hợp không thải gì ra ngoài, khối lượng polymer bằng đúng tổng khối lượng ethylene đã phản ứng. Ethylene cũng cháy trong không khí, tạo carbon dioxide và nước, tỏa nhiều nhiệt:
\mathrm{C_{2}H_{4}+3O_{2}\overset{t^{\circ}}{\longrightarrow} 2CO_{2}+2H_{2}O}
Ethylene còn là “hormone” làm chín quả
Chính quả cũng tự sinh ra một lượng nhỏ ethylene. Khí này thúc đẩy quá trình chín, vì thế một quả chuối chín để cạnh quả xanh sẽ làm quả xanh chín nhanh hơn. Người ta lợi dụng điều đó trong kho bảo quản: kiểm soát ethylene để trái cây chín đúng lúc cần bán. Đây là ví dụ cho thấy một chất đơn giản như \mathrm{C_{2}H_{4}} vừa là nguyên liệu công nghiệp, vừa có mặt trong sinh học.
Phản ứng · Điều kiện · Dấu hiệu quan sát
Cộng bromine · nhiệt độ thường · dung dịch da cam mất màu
Cộng nước · acid, đun nóng · tạo chất lỏng tan trong nước
Cộng hydrogen · nickel, đun nóng · chuyển thành ethane
Trùng hợp · xúc tác, nhiệt, áp suất · tạo chất dẻo dạng rắn
Cháy · đốt trong không khí · ngọn lửa sáng, tạo \mathrm{CO_{2}} và \mathrm{H_{2}O}
Bẫy thường gặp
“Khí làm mất màu dung dịch bromine thì chắc chắn là ethylene.” Chưa chắc. Khí \mathrm{SO_{2}} cũng làm mất màu dung dịch bromine (theo kiểu phản ứng khác: oxi hóa khử). Vì vậy, muốn kết luận có ethylene, em cần biết trước khí không phải \mathrm{SO_{2}}, hoặc phải loại \mathrm{SO_{2}} trước bằng dung dịch kiềm rồi mới thử bromine.
Ví dụ 1 · Hỗn hợp ethane và ethylene qua dung dịch bromine
Đề. Hỗn hợp 8{,}6 g gồm ethane \mathrm{C_{2}H_{6}} và ethylene làm mất màu vừa đủ 32 g bromine. Tính khối lượng ethane trong hỗn hợp.
Chỉ ethylene phản ứng với bromine. n_{\mathrm{Br_{2}}}=\dfrac{32}{160}=0{,}2 mol.
Ethane chỉ có liên kết đơn nên không cộng bromine; toàn bộ bromine đi vào ethylene.
Tỉ lệ 1:1, nên n_{\mathrm{C_{2}H_{4}}}=0{,}2 mol và m_{\mathrm{C_{2}H_{4}}}=0{,}2\cdot 28=5{,}6 g.
Từ số mol bromine suy ra số mol ethylene bằng hệ số phương trình.
m_{\mathrm{C_{2}H_{6}}}=8{,}6-5{,}6=3{,}0 g.
Khối lượng hỗn hợp trừ khối lượng ethylene. Kiểm tra: 3 g là 0{,}1 mol ethane (30 g/mol).
Luyện tập tại chỗ
Bài 1 Mức 1 · Nhận biết
Cho 0{,}1 mol ethylene phản ứng hoàn toàn với dung dịch bromine dư. Khối lượng bromine đã phản ứng là bao nhiêu gam? (\mathrm{Br}=80)
Gợi ý 1. Viết phương trình: 1 mol ethylene cộng 1 mol \mathrm{Br_{2}}.
Gợi ý 2. Khối lượng mol của \mathrm{Br_{2}} là 160 g/mol, không phải 80.
Chính xác! 0{,}1\cdot 160=16 g.
Em lấy khối lượng mol nguyên tử bromine 80; phân tử bromine gồm hai nguyên tử nên 160.
Em quên nhân với 0{,}1 mol.
Lời giải mở sau khi bạn làm đúng, thử 2 lần, hoặc xem hết gợi ý.
Lời giải
n_{\mathrm{Br_{2}}}=n_{\mathrm{C_{2}H_{4}}}=0{,}1 mol, m=0{,}1\cdot 160=16 g.
Bài 2 Mức 2 · Vận dụng
Hỗn hợp X gồm methane và ethylene có tổng 0{,}25 mol và khối lượng 5{,}2 g. Dẫn X qua bình đựng dung dịch bromine dư. Khối lượng bình tăng thêm bao nhiêu gam?
Gợi ý 1. Chỉ ethylene bị giữ lại trong bình, nên khối lượng bình tăng đúng bằng khối lượng ethylene.
Gợi ý 2. Gọi a mol \mathrm{CH_{4}}, b mol \mathrm{C_{2}H_{4}}: a+b=0{,}25 và 16a+28b=5{,}2.
Chính xác! b=0{,}1 mol, 0{,}1\cdot 28=2{,}8 g.
Đó là khối lượng cả hỗn hợp; methane không bị bromine giữ lại.
Đó là khối lượng methane 0{,}15\cdot 16; bình chỉ giữ ethylene.
Lời giải mở sau khi bạn làm đúng, thử 2 lần, hoặc xem hết gợi ý.
Lời giải
Giải hệ được a=0{,}15, b=0{,}1. Bình tăng m_{\mathrm{C_{2}H_{4}}}=0{,}1\cdot 28=2{,}8 g; còn methane 0{,}15\cdot 16=2{,}4 g thoát ra. Kiểm tra: 2{,}8+2{,}4=5{,}2.
Bài 3 Mức 2 · Vận dụng
Hydrate hóa (cộng nước) 5{,}6 kg ethylene với hiệu suất 80\%. Khối lượng ethanol thu được là bao nhiêu kg?
Gợi ý 1. Đổi ra kmol: 5{,}6:28=0{,}2 kmol; tỉ lệ ethylene : ethanol là 1:1.
Gợi ý 2. Nhân hiệu suất 0{,}8 rồi nhân 46.
Chính xác! 0{,}2\cdot 0{,}8\cdot 46=7{,}36 kg.
Em chưa nhân hiệu suất 80\%; đó là lượng lí thuyết.
Em lấy khối lượng ethanol bằng khối lượng ethylene; khối lượng mol của hai chất khác nhau (46 và 28).
Lời giải mở sau khi bạn làm đúng, thử 2 lần, hoặc xem hết gợi ý.
Lời giải
n_{\mathrm{C_{2}H_{5}OH}}=0{,}2\cdot 0{,}8=0{,}16 kmol; m=0{,}16\cdot 46=7{,}36 kg. Lí thuyết là 9{,}2 kg.
Bài 4 Mức 2 · Vận dụng
Trùng hợp 14 kg ethylene với hiệu suất 90\%. Khối lượng polyethylene thu được là bao nhiêu kg?
Gợi ý 1. Trùng hợp không thải chất nào ra ngoài.
Gợi ý 2. Khối lượng polymer tạo ra bằng khối lượng ethylene đã phản ứng.
Chính xác! 14\cdot 0{,}9=12{,}6 kg.
Đó là khối lượng lí thuyết (hiệu suất 100\%); còn phải nhân 0{,}9.
Em chia cho 0{,}9 thay vì nhân (14:0{,}9\approx 15{,}56); lượng thu được thực tế nhỏ hơn lí thuyết.
Lời giải mở sau khi bạn làm đúng, thử 2 lần, hoặc xem hết gợi ý.
Lời giải
Khối lượng ethylene phản ứng là 14\cdot 0{,}9=12{,}6 kg, bằng khối lượng polyethylene tạo thành.
3 Ethanol: nhóm hydroxyl và bốn phản ứng
Phần lớn phân tử là gốc trơ; nhóm hydroxyl là nơi mọi chuyện xảy ra.
Ethanol có công thức \mathrm{C_{2}H_{5}OH}, còn viết là \mathrm{CH_{3}-CH_{2}-OH}. Phân tử gồm gốc ethyl \mathrm{C_{2}H_{5}} (một chuỗi hai carbon đã “no”, chỉ có liên kết đơn) gắn với nhóm hydroxyl \mathrm{-OH}. Nhìn Hình 2, em thấy phần lớn phân tử là gốc hydrocarbon rất trơ; toàn bộ “cá tính” của ethanol nằm ở nhóm \mathrm{-OH}.
Hình 2. Phân tử ethanol và acetic acid. Nhóm được khoanh màu cam quyết định phản ứng đặc trưng của chất.
Tính chất vật lí. Ethanol là chất lỏng không màu, mùi đặc trưng, sôi ở khoảng 78^{\circ}\mathrm{C}, nhẹ hơn nước (D=0{,}8 g/mL) và tan vô hạn trong nước . Ethanol hòa tan được nhiều chất mà nước không hòa tan, ví dụ iodine và tinh dầu, nên hay dùng làm dung môi. “Độ rượu” cho biết số mL ethanol nguyên chất có trong 100 mL dung dịch: rượu 40 độ nghĩa là 100 mL rượu có 40 mL ethanol.
Bốn phản ứng cần nhớ
1. Cháy. Ethanol cháy với ngọn lửa xanh nhạt, tỏa nhiều nhiệt, nên dùng làm nhiên liệu (đèn cồn, xăng pha ethanol):
\mathrm{C_{2}H_{5}OH+3O_{2}\overset{t^{\circ}}{\longrightarrow} 2CO_{2}+3H_{2}O}
Để ý: một mol ethanol cho 2 mol \mathrm{CO_{2}} và 3 mol \mathrm{H_{2}O}, nên số mol nước nhiều hơn số mol khí carbon dioxide đúng bằng số mol ethanol. Em sẽ dùng nhận xét này để giải nhanh.