Bài học

Đề tổng hợp — Hợp chất carbonyl và carboxylic acid

Mục tiêu bài học

Sau bài này, em giải được một đề tổng hợp kết hợp tính toán theo phương trình hoá học và nhận biết chất, đúng cấu trúc đề kiểm tra học kỳ, xâu chuỗi toàn bộ kiến thức khoá học Hợp chất carbonyl và carboxylic acid.

Kiến thức nền cần nhớ

Bài này không thêm kiến thức mới, mà tổng hợp lại toàn bộ 5 chương đã học — mạch carbon, danh pháp, tính chất vật lí, tính chất hoá học, điều chế của aldehyde, ketone, carboxylic acid, cùng phản ứng ester hoá.

Khởi động

Một đề kiểm tra học kỳ thực tế hiếm khi hỏi riêng lẻ từng bài — thường ghép 2, 3 dạng bài trong cùng một câu, buộc học sinh nhận ra đúng chất trước khi tính toán. Bài học này luyện đúng kỹ năng đó.

Kiến thức trọng tâm

Chiến lược làm một đề tổng hợp về nhóm chất chứa oxygen:

Bước 1 — đọc kỹ đề, gạch chân các dữ kiện thực nghiệm (hiện tượng, thuốc thử, tỉ lệ mol) để xác định ĐÚNG loại hợp chất đang xét (alcohol, aldehyde, ketone, hay carboxylic acid) trước khi viết bất kỳ phương trình nào.

Bước 2 — viết phương trình hoá học đầy đủ, cân bằng đúng hệ số, chú ý điều kiện phản ứng (xúc tác, nhiệt độ) vì đề thường yêu cầu ghi rõ.

Bước 3 — chuyển đổi dữ kiện đề bài (khối lượng, thể tích khí ở đkc) về số mol bằng công thức $n=\dfrac{m}{M}$ hoặc $n=\dfrac{V}{V_m}$ (đkc 25°C, 1 bar, $V_m=24{,}79$ lít/mol theo chương trình 2018).

Bước 4 — lập tỉ lệ mol theo đúng hệ số cân bằng của phương trình, kiểm tra chất nào phản ứng hết/dư nếu đề cho hai chất đầu, đặc biệt trong phản ứng ester hoá.

Bước 5 — tính đại lượng đề yêu cầu, đối chiếu đơn vị và làm tròn đúng theo yêu cầu đề bài, kết thúc bằng câu "Vậy …".

Áp dụng chiến lược này vào một bài tổng hợp thực sự, kết hợp ba dạng: nhận biết bằng thuốc thử, tính theo phương trình oxi hoá alcohol, và phản ứng ester hoá — đúng cấu trúc một câu hỏi lớn nhiều ý trong đề kiểm tra học kỳ.

**Chiến lược làm một đề tổng hợp về nhóm chất chứa oxygen**: Bước 1 — đọc kỹ đề, gạch chân các dữ kiện thực nghiệm (hiện tượng, thuốc thử, tỉ lệ mol) để xác định ĐÚNG loại hợp chất đang xét (alcohol, aldehyde, ketone, hay carboxylic acid) trước khi viết bất kỳ phương trình nào. Bước 2 — viết phương trình hoá học đầy đủ, cân bằng đúng hệ số, chú ý điều kiện phản ứng (xúc tác, nhiệt độ) vì đề thường yêu cầu ghi rõ. Bước 3 — chuyển đổi dữ kiện đề bài (khối lượng, thể tích khí ở đkc) về số mol bằng công thức $n=\dfrac{m}{M}$ hoặc $n=\dfrac{V}{V_m}$ (đkc 25°C, 1 bar, $V_m=24{,}79$ lít/mol theo chương trình 2018). Bước 4 — lập tỉ lệ mol theo đúng hệ số cân bằng của phương trình, kiểm tra chất nào phản ứng hết/dư nếu đề cho hai chất đầu, đặc biệt trong phản ứng ester hoá. Bước 5 — tính đại lượng đề yêu cầu, đối chiếu đơn vị và làm tròn đúng theo yêu cầu đề bài, kết thúc bằng câu "Vậy …". Áp dụng chiến lược này vào một bài tổng hợp thực sự, kết hợp ba dạng: nhận biết bằng thuốc thử, tính theo phương trình oxi hoá alcohol, và phản ứng ester hoá — đúng cấu trúc một câu hỏi lớn nhiều ý trong đề kiểm tra học kỳ.

Một điểm học sinh hay bỏ qua khi ôn thi: đề tổng hợp không kiểm tra kiến thức MỚI, mà kiểm tra khả năng KẾT NỐI kiến thức đã học theo một trình tự logic mà đề bài áp đặt, không nhất thiết theo đúng thứ tự các chương trong sách giáo khoa. Vì vậy, cách ôn tập hiệu quả nhất không phải học lại từng chương một cách tách biệt, mà là tự đặt ra các câu hỏi liên chương: "nếu đổi alcohol này thành alcohol khác, sản phẩm oxi hoá sẽ đổi ra sao?", "nếu phản ứng này không đạt hiệu suất 100%, đại lượng nào trong bài sẽ bị ảnh hưởng đầu tiên?". Hai worked example dưới đây được thiết kế theo đúng tinh thần đó — mỗi bài đều bắt đầu bằng dữ kiện của MỘT phản ứng nhưng kết thúc bằng phép tính cần đến kiến thức của một chương khác.

Ví dụ

Đề tổng hợp — oxi hoá hỗn hợp alcohol và tráng gương

1
Hỗn hợp X gồm ethanol và propan-1-ol có tổng khối lượng 10,6 gam. Oxi hoá hoàn toàn X bằng $CuO$ dư, đun nóng, thu được hỗn hợp Y gồm hai aldehyde tương ứng (hiệu suất 100%). Cho toàn bộ Y tác dụng với lượng dư dung dịch $AgNO_3/NH_3$ , đun nhẹ, thu được 43,2 gam kết tủa bạc. a) Tính số mol mỗi alcohol trong X. b) Tính phần trăm khối lượng mỗi chất trong X.
Hỗn hợp X gồm ethanol và propan-1-ol có tổng khối lượng 10,6 gam. Oxi hoá hoàn toàn X bằng $CuO$ dư, đun nóng, thu được hỗn hợp Y gồm hai aldehyde tương ứng (hiệu suất 100%). Cho toàn bộ Y tác dụng với lượng dư dung dịch $AgNO_3/NH_3$, đun nhẹ, thu được 43,2 gam kết tủa bạc. a) Tính số mol mỗi alcohol trong X. b) Tính phần trăm khối lượng mỗi chất trong X.
2
Gọi $x, y$ lần lượt là số mol ethanol ( $C_2H_5OH$ , $M=46$ ) và propan-1-ol ( $C_3H_7OH$ , $M=60$ ) trong X ( $x,y>0$ ). Theo khối lượng hỗn hợp: $46x+60y=10{,}6$ . (1)
Gọi $x, y$ lần lượt là số mol ethanol ($C_2H_5OH$, $M=46$) và propan-1-ol ($C_3H_7OH$, $M=60$) trong X ($x,y>0$). Theo khối lượng hỗn hợp: $46x+60y=10{,}6$. (1)
3
Cả hai đều là alcohol bậc I, bị $CuO$ oxi hoá hoàn toàn thành aldehyde tương ứng theo tỉ lệ 1:1: $n(CH_3CHO)=x$ , $n(C_2H_5CHO)=y$ . Cả hai đều không phải $HCHO$ nên phản ứng tráng gương theo tỉ lệ thường 1:2: $n(Ag)=2x+2y=2(x+y)$ . Ta có $n(Ag)=\dfrac{43{,}2}{108}=0{,}4$ mol, suy ra $x+y=0{,}2$ . (2)
Cả hai đều là alcohol bậc I, bị $CuO$ oxi hoá hoàn toàn thành aldehyde tương ứng theo tỉ lệ 1:1: $n(CH_3CHO)=x$, $n(C_2H_5CHO)=y$. Cả hai đều không phải $HCHO$ nên phản ứng tráng gương theo tỉ lệ thường 1:2: $n(Ag)=2x+2y=2(x+y)$. Ta có $n(Ag)=\dfrac{43{,}2}{108}=0{,}4$ mol, suy ra $x+y=0{,}2$. (2)
4
Thế $y=0{,}2-x$ vào (1): $46x+60(0{,}2-x)=10{,}6$ , suy ra $-14x+12=10{,}6$ , do đó $x=\dfrac{12-10{,}6}{14}=0{,}1$ mol, kéo theo $y=0{,}2-0{,}1=0{,}1$ mol.
Thế $y=0{,}2-x$ vào (1): $46x+60(0{,}2-x)=10{,}6$, suy ra $-14x+12=10{,}6$, do đó $x=\dfrac{12-10{,}6}{14}=0{,}1$ mol, kéo theo $y=0{,}2-0{,}1=0{,}1$ mol.
5
Vậy $n(C_2H_5OH)=0{,}1$ mol và $n(C_3H_7OH)=0{,}1$ mol.
Vậy $n(C_2H_5OH)=0{,}1$ mol và $n(C_3H_7OH)=0{,}1$ mol.
6
$m(C_2H_5OH)=0{,}1\times46=4{,}6$ gam; $\%m(C_2H_5OH)=\dfrac{4{,}6}{10{,}6}\times100\%\approx43{,}4\%$ ; $\%m(C_3H_7OH)\approx100\%-43{,}4\%=56{,}6\%$ . Vậy hỗn hợp X gồm 0,1 mol ethanol (khoảng 43,4% khối lượng) và 0,1 mol propan-1-ol (khoảng 56,6% khối lượng).
$m(C_2H_5OH)=0{,}1\times46=4{,}6$ gam; $\%m(C_2H_5OH)=\dfrac{4{,}6}{10{,}6}\times100\%\approx43{,}4\%$; $\%m(C_3H_7OH)\approx100\%-43{,}4\%=56{,}6\%$. Vậy hỗn hợp X gồm 0,1 mol ethanol (khoảng 43,4% khối lượng) và 0,1 mol propan-1-ol (khoảng 56,6% khối lượng).

Ví dụ

Đề tổng hợp — ester hoá với chất dư

1
Đun nóng hỗn hợp gồm 0,3 mol acid acetic và 0,2 mol ethanol, xúc tác $H_2SO_4$ đặc, thu được ethyl acetate với hiệu suất 75% tính theo chất phản ứng hết về mặt lý thuyết. Tính khối lượng ethyl acetate thu được và khối lượng acid dư sau phản ứng.
Đun nóng hỗn hợp gồm 0,3 mol acid acetic và 0,2 mol ethanol, xúc tác $H_2SO_4$ đặc, thu được ethyl acetate với hiệu suất 75% tính theo chất phản ứng hết về mặt lý thuyết. Tính khối lượng ethyl acetate thu được và khối lượng acid dư sau phản ứng.
2
Tỉ lệ mol theo phương trình $CH_3COOH+C_2H_5OH\rightleftharpoons CH_3COOC_2H_5+H_2O$ là 1:1. So sánh $n(CH_3COOH)=0{,}3$ mol với $n(C_2H_5OH)=0{,}2$ mol: vì $0{,}2<0{,}3$ , ethanol là chất phản ứng hết về mặt lý thuyết (chất thiếu), acid dư.
Tỉ lệ mol theo phương trình $CH_3COOH+C_2H_5OH\rightleftharpoons CH_3COOC_2H_5+H_2O$ là 1:1. So sánh $n(CH_3COOH)=0{,}3$ mol với $n(C_2H_5OH)=0{,}2$ mol: vì $0{,}2<0{,}3$, ethanol là chất phản ứng hết về mặt lý thuyết (chất thiếu), acid dư.
3
Số mol alcohol thực sự phản ứng: $n_{pư}=0{,}2\times75\%=0{,}15$ mol. (1)
Số mol alcohol thực sự phản ứng: $n_{pư}=0{,}2\times75\%=0{,}15$ mol. (1)
4
Theo phương trình, $n(CH_3COOC_2H_5)=n_{pư}=0{,}15$ mol và $n(CH_3COOH)_{pư}=0{,}15$ mol. (2)
Theo phương trình, $n(CH_3COOC_2H_5)=n_{pư}=0{,}15$ mol và $n(CH_3COOH)_{pư}=0{,}15$ mol. (2)
5
Từ (2): $m(CH_3COOC_2H_5)=0{,}15\times88=13{,}2$ gam.
Từ (2): $m(CH_3COOC_2H_5)=0{,}15\times88=13{,}2$ gam.
6
Số mol acid dư: $n(CH_3COOH)_{dư}=0{,}3-0{,}15=0{,}15$ mol, suy ra $m(CH_3COOH)_{dư}=0{,}15\times60=9$ gam. Vậy khối lượng ethyl acetate thu được là 13,2 gam, và khối lượng acid acetic còn dư sau phản ứng là 9 gam.
Số mol acid dư: $n(CH_3COOH)_{dư}=0{,}3-0{,}15=0{,}15$ mol, suy ra $m(CH_3COOH)_{dư}=0{,}15\times60=9$ gam. Vậy khối lượng ethyl acetate thu được là 13,2 gam, và khối lượng acid acetic còn dư sau phản ứng là 9 gam.

Sai lầm thường gặp

Trong bài toán ghép nhiều phản ứng liên tiếp, học sinh hay quên xác định chất thiếu/chất dư trước khi áp hiệu suất — luôn so sánh tỉ lệ mol hai chất đầu với hệ số phương trình trước, xác định đúng chất phản ứng hết về lý thuyết, rồi mới nhân hiệu suất vào đúng số mol chất đó. Nhìn rộng ra, đây chính là tổng hợp của hai lỗi đã cảnh báo riêng lẻ ở Chương 3 (nhầm chiều tăng/giảm khối lượng khi oxi hoá) và Chương 5 (nhầm hiệu suất tính trên chất dư) — một đề tổng hợp thường cố tình kết hợp nhiều "bẫy" quen thuộc vào cùng một câu hỏi để kiểm tra mức độ nắm vững toàn diện của học sinh.

Luyện tập có hướng dẫn

Luyện tập độc lập

Kiểm tra nhanh

Ghi nhớ

Chiến lược 5 bước giải đề tổng hợp: xác định đúng chất → viết PTHH → đổi mol → lập tỉ lệ, kiểm tra chất dư/thiếu → tính kết quả, kết luận "Vậy…". Đây là kỹ năng dùng lại cho mọi chương hoá học sau này.

Hoàn thành khoá Hợp chất carbonyl và carboxylic acid — nền tảng để học tiếp Hoá học 12 với ester, lipid, carbohydrate và các hợp chất chứa nitrogen phức tạp hơn. Toàn bộ nhóm chức, phản ứng đặc trưng và chuỗi oxi hoá em vừa luyện tập trong khoá này sẽ tái xuất hiện dưới dạng phức tạp hơn ở lớp 12 — nắm chắc nền tảng hôm nay chính là khoản đầu tư trực tiếp cho kết quả học kỳ tới.