Bài học

Tính chất vật lí và phản ứng đặc trưng của nhóm –OH

Mục tiêu bài học

Sau bài này, em giải thích được vì sao alcohol có nhiệt độ sôi cao hơn hẳn hydrocarbon cùng số carbon, viết đúng PTHH phản ứng của alcohol với kim loại kiềm Na và phản ứng ester hoá với carboxylic acid, đồng thời tính được lượng khí H2 sinh ra từ một lượng alcohol cho trước.

Kiến thức nền cần nhớ

Đây là nội dung ôn lại (prior-grade review) từ Hóa học 10: liên kết hydrogen là lực hút giữa nguyên tử H mang một phần điện tích dương (H liên kết với F, O hoặc N có độ âm điện lớn) và cặp electron chưa liên kết của một nguyên tử F, O, N ở phân tử bên cạnh — mạnh hơn nhiều so với lực hút giữa các phân tử không phân cực, nhưng vẫn yếu hơn liên kết cộng hoá trị trong phân tử. Bài này dùng lại đúng khái niệm đó để giải thích tính chất vật lí của alcohol. Ngoài ra, ở Course 1 (Cân bằng hoá học), em đã học nguyên lí Le Chatelier — hệ cân bằng sẽ dịch chuyển theo hướng làm giảm tác động của sự thay đổi; nguyên lí này sẽ giải thích vì sao hiệu suất phản ứng ester hoá tăng khi ta lấy dư một chất hoặc tách nước ra khỏi hỗn hợp.

Khởi động

Ethanol (M = 46 g/mol) sôi ở 78,4°C, trong khi propane (M = 44 g/mol, khối lượng phân tử gần bằng) đã sôi ở –42°C — chênh lệch tới hơn 120°C dù khối lượng phân tử gần như nhau. Điều gì trong cấu tạo phân tử ethanol khiến các phân tử của nó "bám" vào nhau chặt hơn hẳn?

Kiến thức trọng tâm

Trong phân tử alcohol, liên kết O–H phân cực mạnh vì oxygen có độ âm điện lớn. Nguyên tử H mang một phần điện tích dương này hình thành liên kết hydrogen với cặp electron chưa liên kết trên nguyên tử oxygen của phân tử alcohol bên cạnh. Muốn tách một phân tử alcohol ra khỏi khối chất lỏng, ta phải phá vỡ đồng thời các liên kết hydrogen này — cần nhiều năng lượng hơn hẳn so với hydrocarbon (chỉ có lực Van der Waals yếu giữa các phân tử). Đó là lý do alcohol có nhiệt độ sôi cao hơn nhiều so với alkane, alkene cùng số carbon, và các alcohol mạch ngắn (từ C $_1$ đến C $_3$ ) tan tốt trong nước — do chính alcohol cũng tạo được liên kết hydrogen với phân tử nước.

Về mặt hoá học, nhóm –OH của alcohol tham gia hai phản ứng đặc trưng ở mức nền tảng.

Phản ứng với kim loại kiềm: alcohol phản ứng với Na giải phóng khí hydrogen, tương tự phản ứng của nước với Na nhưng chậm hơn và không mãnh liệt bằng — do liên kết O–H trong alcohol kém phân cực hơn trong nước: $2\text{R–OH} + 2\text{Na} \rightarrow 2\text{R–ONa} + \text{H}_2\uparrow$ Sản phẩm R–ONa gọi là sodium alkoxide (ví dụ CH $_3$ CH $_2$ ONa — sodium ethoxide).

Phản ứng ester hoá: alcohol phản ứng với carboxylic acid, xúc tác H $_2$ SO $_4$ đặc, đun nóng, tạo ester và nước. Đây là phản ứng thuận nghịch: $\text{R–OH} + \text{R'–COOH} \underset{\text{H}_2\text{SO}_4 \text{ đặc}, t°}{\overset{}{\rightleftharpoons}} \text{R'–COO–R} + \text{H}_2\text{O}$ Áp dụng nguyên lí Le Chatelier đã học ở Course 1: vì cân bằng dịch chuyển để giảm tác động của sự thay đổi, lấy dư alcohol hoặc acid, hoặc chưng cất tách nước/ester ra khỏi hỗn hợp ngay khi tạo thành, đều làm cân bằng dịch chuyển theo chiều thuận, tăng hiệu suất tạo ester.

Trong phân tử alcohol, liên kết O–H phân cực mạnh vì oxygen có độ âm điện lớn. Nguyên tử H mang một phần điện tích dương này hình thành **liên kết hydrogen** với cặp electron chưa liên kết trên nguyên tử oxygen của phân tử alcohol bên cạnh. Muốn tách một phân tử alcohol ra khỏi khối chất lỏng, ta phải phá vỡ đồng thời các liên kết hydrogen này — cần nhiều năng lượng hơn hẳn so với hydrocarbon (chỉ có lực Van der Waals yếu giữa các phân tử). Đó là lý do alcohol có nhiệt độ sôi cao hơn nhiều so với alkane, alkene cùng số carbon, và các alcohol mạch ngắn (từ C$_1$ đến C$_3$) tan tốt trong nước — do chính alcohol cũng tạo được liên kết hydrogen với phân tử nước. Về mặt hoá học, nhóm –OH của alcohol tham gia hai phản ứng đặc trưng ở mức nền tảng. **Phản ứng với kim loại kiềm**: alcohol phản ứng với Na giải phóng khí hydrogen, tương tự phản ứng của nước với Na nhưng chậm hơn và không mãnh liệt bằng — do liên kết O–H trong alcohol kém phân cực hơn trong nước: $$2\text{R–OH} + 2\text{Na} \rightarrow 2\text{R–ONa} + \text{H}_2\uparrow$$ Sản phẩm R–ONa gọi là sodium alkoxide (ví dụ CH$_3$CH$_2$ONa — sodium ethoxide). **Phản ứng ester hoá**: alcohol phản ứng với carboxylic acid, xúc tác H$_2$SO$_4$ đặc, đun nóng, tạo ester và nước. Đây là phản ứng **thuận nghịch**: $$\text{R–OH} + \text{R'–COOH} \underset{\text{H}_2\text{SO}_4 \text{ đặc}, t°}{\overset{}{\rightleftharpoons}} \text{R'–COO–R} + \text{H}_2\text{O}$$ Áp dụng nguyên lí Le Chatelier đã học ở Course 1: vì cân bằng dịch chuyển để giảm tác động của sự thay đổi, lấy dư alcohol hoặc acid, hoặc chưng cất tách nước/ester ra khỏi hỗn hợp ngay khi tạo thành, đều làm cân bằng dịch chuyển theo chiều thuận, tăng hiệu suất tạo ester.

Nhiệt độ sôi (°C) của alkane so với alcohol tương ứng cùng số carbon.

Ví dụ minh hoạ

Ví dụ

Tính thể tích khí H2 từ phản ứng ethanol với Na

1
Cho 4,6 gam ethanol (C $_2$ H $_5$ OH) tác dụng hết với Na dư. Tính thể tích khí H $_2$ thu được ở điều kiện chuẩn (25°C, 1 bar, V $_m$ = 24,79 L/mol).
Cho 4,6 gam ethanol (C$_2$H$_5$OH) tác dụng hết với Na dư. Tính thể tích khí H$_2$ thu được ở điều kiện chuẩn (25°C, 1 bar, V$_m$ = 24,79 L/mol).
2
Ta có M(C $_2$ H $_5$ OH) = 46 g/mol. Suy ra n(C $_2$ H $_5$ OH) = 4,6 / 46 = 0,1 mol.
Ta có M(C$_2$H$_5$OH) = 46 g/mol. Suy ra n(C$_2$H$_5$OH) = 4,6 / 46 = 0,1 mol.
3
PTHH: 2C $_2$ H $_5$ OH + 2Na $\rightarrow$ 2C $_2$ H $_5$ ONa + H $_2$ ↑. Theo PT, cứ 2 mol ethanol sinh ra 1 mol H $_2$ , nên n(H $_2$ ) = n(C $_2$ H $_5$ OH) / 2 = 0,1 / 2 = 0,05 mol.
PTHH: 2C$_2$H$_5$OH + 2Na $\rightarrow$ 2C$_2$H$_5$ONa + H$_2$↑. Theo PT, cứ 2 mol ethanol sinh ra 1 mol H$_2$, nên n(H$_2$) = n(C$_2$H$_5$OH) / 2 = 0,1 / 2 = 0,05 mol.
4
V(H $_2$ ) = 0,05 × 24,79 = 1,2395 lít. Vậy thể tích khí H $_2$ thu được ở đkc là ≈ 1,24 lít.
V(H$_2$) = 0,05 × 24,79 = 1,2395 lít. Vậy thể tích khí H$_2$ thu được ở đkc là **≈ 1,24 lít**.

Ví dụ

Viết phản ứng ester hoá và tăng hiệu suất

1
Viết PTHH phản ứng ester hoá giữa ethanol và acetic acid. Đề xuất hai biện pháp làm tăng hiệu suất phản ứng và giải thích bằng nguyên lí Le Chatelier.
2
CH $_3$ COOH + C $_2$ H $_5$ OH $\underset{\text{H}_2\text{SO}_4 \text{ đặc}, t°}{\rightleftharpoons}$ CH $_3$ COOC $_2$ H $_5$ + H $_2$ O (ethyl acetate).
CH$_3$COOH + C$_2$H$_5$OH $\underset{\text{H}_2\text{SO}_4 \text{ đặc}, t°}{\rightleftharpoons}$ CH$_3$COOC$_2$H$_5$ + H$_2$O (ethyl acetate).
3
Lấy dư ethanol (hoặc dư acetic acid) so với tỉ lệ phản ứng. Theo Le Chatelier, tăng nồng độ một chất tham gia làm cân bằng dịch chuyển theo chiều làm giảm chất đó — tức chiều thuận, tạo thêm ester.
4
Chưng cất tách nước hoặc ester ra khỏi hỗn hợp ngay khi hình thành. Giảm nồng độ sản phẩm cũng khiến cân bằng dịch chuyển theo chiều thuận để bù lại — hiệu suất ester tăng thêm.

Ví dụ

Đề bài dạng thi — giải thích chênh lệch nhiệt độ sôi giữa hai đồng phân

1
Hai chất A và B đều có công thức phân tử C $_2$ H $_6$ O nhưng A là ethanol (CH $_3$ –CH $_2$ –OH), B là dimethyl ether (CH $_3$ –O–CH $_3$ ). Nhiệt độ sôi của A là 78,4°C, của B là –24°C. Giải thích vì sao hai chất cùng công thức phân tử nhưng nhiệt độ sôi chênh lệch tới hơn 100°C.
Hai chất A và B đều có công thức phân tử C$_2$H$_6$O nhưng A là ethanol (CH$_3$–CH$_2$–OH), B là dimethyl ether (CH$_3$–O–CH$_3$). Nhiệt độ sôi của A là 78,4°C, của B là –24°C. Giải thích vì sao hai chất cùng công thức phân tử nhưng nhiệt độ sôi chênh lệch tới hơn 100°C.
2
Ở A, oxygen liên kết trực tiếp với một nguyên tử H (nhóm –OH), tạo được liên kết hydrogen giữa các phân tử A với nhau.
3
Ở B, oxygen liên kết với hai nhóm carbon (không có H nào gắn trực tiếp trên oxygen). Không có nguyên tử H phân cực dương gắn trên oxygen, nên các phân tử B không tạo được liên kết hydrogen với nhau — chỉ có lực Van der Waals yếu.
4
A cần thêm năng lượng để phá vỡ liên kết hydrogen giữa các phân tử khi hoá hơi, còn B thì không, nên A sôi ở nhiệt độ cao hơn B rất nhiều dù cùng công thức phân tử C $_2$ H $_6$ O. Vậy sự khác biệt nằm ở vị trí nguyên tử H trên oxygen, không phải ở số nguyên tử trong phân tử.
A cần thêm năng lượng để phá vỡ liên kết hydrogen giữa các phân tử khi hoá hơi, còn B thì không, nên A sôi ở nhiệt độ cao hơn B rất nhiều dù cùng công thức phân tử C$_2$H$_6$O. Vậy sự khác biệt nằm ở vị trí nguyên tử H trên oxygen, không phải ở số nguyên tử trong phân tử.

Sai lầm thường gặp

Nhiều em nghĩ rằng cứ có nguyên tử oxygen trong phân tử là có liên kết hydrogen. Thực ra liên kết hydrogen chỉ hình thành khi nguyên tử H liên kết trực tiếp với O (hoặc F, N) — ether (R–O–R') tuy có oxygen nhưng không có H gắn trên O nên không tạo liên kết hydrogen giữa các phân tử của chính nó, nhiệt độ sôi vì vậy thấp hơn hẳn alcohol đồng phân.

Luyện tập có hướng dẫn

Luyện tập độc lập

Kiểm tra nhanh

Ghi nhớ

Liên kết hydrogen giữa các phân tử alcohol (nhờ H gắn trực tiếp trên O) giải thích nhiệt độ sôi cao bất thường và độ tan tốt trong nước của alcohol mạch ngắn. Alcohol phản ứng với Na giải phóng H2 theo tỉ lệ 2 alcohol : 1 H2 cho mỗi nhóm –OH. Phản ứng ester hoá là phản ứng thuận nghịch — hiệu suất tăng khi lấy dư một chất hoặc tách sản phẩm.

Cầu nối

Bài sau học hai phản ứng biến đổi bộ khung carbon và mức oxi hoá của alcohol: phản ứng tách nước tạo alkene, và phản ứng oxi hoá — trong đó bậc của alcohol (đã học ở bài trước) quyết định trực tiếp sản phẩm tạo thành.