Bài học

Tính chất vật lí và phản ứng cộng hydrogen

Mục tiêu bài học

Sau bài này, em giải thích được xu hướng nhiệt độ sôi của aldehyde, ketone so với alkane và alcohol có phân tử khối tương đương, và viết được phương trình phản ứng cộng $H_2$ vào nhóm carbonyl.

Kiến thức nền cần nhớ

Course 8 đã cho biết alcohol có nhiệt độ sôi cao bất thường nhờ liên kết hydrogen giữa các phân tử $O-H$ . Bài này đặt nhóm carbonyl $C=O$ vào giữa hai thái cực: alkane (không phân cực) và alcohol (liên kết hydrogen mạnh), để so sánh.

Course 8 đã cho biết alcohol có nhiệt độ sôi cao bất thường nhờ liên kết hydrogen giữa các phân tử $O-H$. Bài này đặt nhóm carbonyl $C=O$ vào giữa hai thái cực: alkane (không phân cực) và alcohol (liên kết hydrogen mạnh), để so sánh.

Khởi động

Formaldehyde là chất khí ở nhiệt độ phòng, nhưng ethanol lại là chất lỏng có nhiệt độ sôi 78°C dù phân tử khối nhỏ hơn nhiều hợp chất carbonyl khác. Cùng chứa nguyên tử oxygen, vì sao hai nhóm chất này có nhiệt độ sôi khác biệt lớn đến vậy?

Kiến thức trọng tâm

Tính chất vật lí. Liên kết $C=O$ phân cực, do độ âm điện oxygen lớn hơn carbon, khiến các phân tử aldehyde, ketone hút nhau bằng tương tác lưỡng cực–lưỡng cực — mạnh hơn lực Van der Waals giữa các phân tử alkane không phân cực, nhưng KHÔNG có liên kết hydrogen giữa các phân tử với nhau như alcohol, vì không còn nguyên tử H liên kết trực tiếp với oxygen. Kết quả: nhiệt độ sôi của aldehyde, ketone cao hơn alkane có phân tử khối tương đương, nhưng thấp hơn alcohol tương ứng. Các aldehyde, ketone có phân tử khối nhỏ ( $HCHO$ , $CH_3CHO$ , acetone) tan tốt trong nước vì tạo được liên kết hydrogen với phân tử nước, dù không tự tạo liên kết hydrogen với nhau; độ tan giảm dần khi mạch carbon dài thêm.

Phản ứng cộng hydrogen. Liên kết đôi $C=O$ , giống liên kết đôi $C=C$ , có thể cộng hydrogen khi có xúc tác nickel, đun nóng. Đây là phản ứng khử nhóm carbonyl thành nhóm alcohol: aldehyde cộng $H_2$ tạo alcohol bậc I, ketone cộng $H_2$ tạo alcohol bậc II — đúng theo chiều ngược với phản ứng oxi hoá alcohol đã học ở Course 8. $RCHO + H_2 \xrightarrow{Ni, t^\circ} RCH_2OH$ $RCOR' + H_2 \xrightarrow{Ni, t^\circ} RCH(OH)R'$ Phản ứng này khép kín một chu trình: alcohol bậc I bị oxi hoá tạo aldehyde, aldehyde bị khử (cộng $H_2$ ) lại trở về đúng alcohol bậc I ban đầu; tương tự với cặp alcohol bậc II — ketone. Trong công nghiệp, cộng $H_2$ vào nhóm carbonyl là bước quan trọng để chuyển hợp chất chứa carbonyl (thu được bằng phương pháp oxo, hydroformylation) thành alcohol mạch dài.

**Tính chất vật lí.** Liên kết $C=O$ phân cực, do độ âm điện oxygen lớn hơn carbon, khiến các phân tử aldehyde, ketone hút nhau bằng tương tác lưỡng cực–lưỡng cực — mạnh hơn lực Van der Waals giữa các phân tử alkane không phân cực, nhưng KHÔNG có liên kết hydrogen giữa các phân tử với nhau như alcohol, vì không còn nguyên tử H liên kết trực tiếp với oxygen. Kết quả: nhiệt độ sôi của aldehyde, ketone cao hơn alkane có phân tử khối tương đương, nhưng thấp hơn alcohol tương ứng. Các aldehyde, ketone có phân tử khối nhỏ ($HCHO$, $CH_3CHO$, acetone) tan tốt trong nước vì tạo được liên kết hydrogen với phân tử nước, dù không tự tạo liên kết hydrogen với nhau; độ tan giảm dần khi mạch carbon dài thêm. **Phản ứng cộng hydrogen.** Liên kết đôi $C=O$, giống liên kết đôi $C=C$, có thể cộng hydrogen khi có xúc tác nickel, đun nóng. Đây là phản ứng khử nhóm carbonyl thành nhóm alcohol: aldehyde cộng $H_2$ tạo alcohol bậc I, ketone cộng $H_2$ tạo alcohol bậc II — đúng theo chiều ngược với phản ứng oxi hoá alcohol đã học ở Course 8. $RCHO + H_2 \xrightarrow{Ni, t^\circ} RCH_2OH$ $RCOR' + H_2 \xrightarrow{Ni, t^\circ} RCH(OH)R'$ Phản ứng này khép kín một chu trình: alcohol bậc I bị oxi hoá tạo aldehyde, aldehyde bị khử (cộng $H_2$) lại trở về đúng alcohol bậc I ban đầu; tương tự với cặp alcohol bậc II — ketone. Trong công nghiệp, cộng $H_2$ vào nhóm carbonyl là bước quan trọng để chuyển hợp chất chứa carbonyl (thu được bằng phương pháp oxo, hydroformylation) thành alcohol mạch dài.

Về mặt công nghiệp, phản ứng cộng $H_2$ quy mô lớn thường thực hiện ở áp suất cao, dùng xúc tác nickel Raney hoặc platinum, tuỳ quy mô sản xuất và độ tinh khiết alcohol mong muốn. Việc hiểu đúng chiều phản ứng — carbonyl cộng $H_2$ luôn cho alcohol, chưa bao giờ cho ngược lại trong cùng điều kiện — giúp em không nhầm lẫn với phản ứng oxi hoá alcohol học ở Course 8, hai phản ứng đối nghịch nhau về mặt hoá học nhưng dễ gây nhầm chiều khi làm bài nhanh.

Độ tan trong nước của aldehyde, ketone giảm dần khi mạch carbon dài thêm, đúng theo quy luật chung của các hợp chất phân cực: phần gốc hydrocarbon không phân cực trong phân tử càng lớn, khả năng hoà tan trong nước (dung môi phân cực) càng giảm. $HCHO$ tan vô hạn trong nước — đây là cơ sở pha chế formalin, em sẽ gặp lại ở Chương 3; $CH_3CHO$ và acetone cũng tan tốt; nhưng từ khoảng 5 carbon trở lên, độ tan giảm rõ rệt, phân lớp với nước như phần lớn hydrocarbon. Xu hướng này song song với xu hướng độ tan của alcohol đã học ở Course 8 — cùng nguyên lý phân cực và liên kết hydrogen với nước, chỉ khác cường độ vì nhóm carbonyl không có nguyên tử H linh động để tự làm cầu nối hydrogen với phân tử carbonyl khác. Về mặt công nghiệp, phản ứng cộng $H_2$ quy mô lớn thường thực hiện ở áp suất cao, dùng xúc tác nickel Raney hoặc platinum, tuỳ quy mô sản xuất và độ tinh khiết alcohol mong muốn. Việc hiểu đúng chiều phản ứng — carbonyl cộng $H_2$ luôn cho alcohol, chưa bao giờ cho ngược lại trong cùng điều kiện — giúp em không nhầm lẫn với phản ứng oxi hoá alcohol học ở Course 8, hai phản ứng đối nghịch nhau về mặt hoá học nhưng dễ gây nhầm chiều khi làm bài nhanh.

Cùng phân tử khối gần bằng nhau: alkane có nhiệt độ sôi thấp nhất, carbonyl ở giữa, alcohol có liên kết hydrogen nên nhiệt độ sôi cao nhất.

Ví dụ

Viết phương trình cộng hydrogen vào aldehyde và ketone

1
Viết phương trình cộng $H_2$ (xúc tác Ni, đun nóng) của propanal và của propan-2-one (acetone). Gọi tên sản phẩm.
Viết phương trình cộng $H_2$ (xúc tác Ni, đun nóng) của propanal và của propan-2-one (acetone). Gọi tên sản phẩm.
2
$CH_3CH_2CHO + H_2 \xrightarrow{Ni,t^\circ} CH_3CH_2CH_2OH$ — sản phẩm là propan-1-ol (alcohol bậc I).
$CH_3CH_2CHO + H_2 \xrightarrow{Ni,t^\circ} CH_3CH_2CH_2OH$ — sản phẩm là propan-1-ol (alcohol bậc I).
3
$CH_3COCH_3 + H_2 \xrightarrow{Ni,t^\circ} CH_3CH(OH)CH_3$ — sản phẩm là propan-2-ol (alcohol bậc II).
$CH_3COCH_3 + H_2 \xrightarrow{Ni,t^\circ} CH_3CH(OH)CH_3$ — sản phẩm là propan-2-ol (alcohol bậc II).
4
Aldehyde cộng $H_2$ luôn cho alcohol bậc I; ketone cộng $H_2$ luôn cho alcohol bậc II — đúng theo quy luật oxi hoá–khử ngược chiều với Course 8.
Aldehyde cộng $H_2$ luôn cho alcohol bậc I; ketone cộng $H_2$ luôn cho alcohol bậc II — đúng theo quy luật oxi hoá–khử ngược chiều với Course 8.

Ví dụ

Xác định công thức aldehyde qua phản ứng cộng H2

1
Cho 5,8 gam một aldehyde no, đơn chức, mạch hở X tác dụng vừa đủ với khí $H_2$ (xúc tác Ni, $t^\circ$ ), thu được 6,0 gam alcohol Y. Xác định công thức phân tử của X.
Cho 5,8 gam một aldehyde no, đơn chức, mạch hở X tác dụng vừa đủ với khí $H_2$ (xúc tác Ni, $t^\circ$), thu được 6,0 gam alcohol Y. Xác định công thức phân tử của X.
2
Gọi công thức của X là $C_nH_{2n}O$ ( $n\ge1$ ), $M(X)=14n+16$ .
Gọi công thức của X là $C_nH_{2n}O$ ($n\ge1$), $M(X)=14n+16$.
3
Theo bảo toàn khối lượng: $m(X)+m(H_2)=m(Y)$ , suy ra $m(H_2)=6{,}0-5{,}8=0{,}2$ gam, tức $n(H_2)=\dfrac{0{,}2}{2}=0{,}1$ mol. (1)
Theo bảo toàn khối lượng: $m(X)+m(H_2)=m(Y)$, suy ra $m(H_2)=6{,}0-5{,}8=0{,}2$ gam, tức $n(H_2)=\dfrac{0{,}2}{2}=0{,}1$ mol. (1)
4
Phản ứng: $C_nH_{2n}O + H_2 \xrightarrow{Ni,t^\circ} C_nH_{2n+2}O$ . Theo phương trình, $n(X)=n(H_2)=0{,}1$ mol. (2)
Phản ứng: $C_nH_{2n}O + H_2 \xrightarrow{Ni,t^\circ} C_nH_{2n+2}O$. Theo phương trình, $n(X)=n(H_2)=0{,}1$ mol. (2)
5
Từ (1) và (2), suy ra $M(X)=\dfrac{5{,}8}{0{,}1}=58$ g/mol. Do đó $14n+16=58$ , giải ra $n=3$ .
Từ (1) và (2), suy ra $M(X)=\dfrac{5{,}8}{0{,}1}=58$ g/mol. Do đó $14n+16=58$, giải ra $n=3$.
6
Vậy X có công thức phân tử $C_3H_6O$ (propanal, $CH_3CH_2CHO$ ).
Vậy X có công thức phân tử $C_3H_6O$ (propanal, $CH_3CH_2CHO$).

Sai lầm thường gặp

Khi tính theo bảo toàn khối lượng cho phản ứng cộng $H_2$ , nhiều học sinh quên rằng khối lượng $H_2$ phản ứng chính là khối lượng tăng thêm của sản phẩm so với chất đầu — không cần biết trước công thức X vẫn tính được số mol $H_2$ , rồi mới suy ra $M(X)$ từ tỉ lệ mol 1:1 với $H_2$ . Một lỗi liên quan: nhầm chiều tăng/giảm khối lượng — phản ứng cộng $H_2$ luôn làm TĂNG khối lượng (thêm nguyên tử vào phân tử), trong khi phản ứng oxi hoá alcohol thành aldehyde ở bài sau lại làm GIẢM khối lượng (mất bớt nguyên tử H). Hai chiều ngược nhau này rất dễ gây nhầm lẫn khi làm nhiều bài liên tiếp trong cùng một đề, nên luôn xác định rõ phản ứng đang xét là cộng hay oxi hoá trước khi lập phương trình bảo toàn khối lượng.

Khi tính theo bảo toàn khối lượng cho phản ứng cộng $H_2$, nhiều học sinh quên rằng khối lượng $H_2$ phản ứng chính là khối lượng tăng thêm của sản phẩm so với chất đầu — không cần biết trước công thức X vẫn tính được số mol $H_2$, rồi mới suy ra $M(X)$ từ tỉ lệ mol 1:1 với $H_2$. Một lỗi liên quan: nhầm chiều tăng/giảm khối lượng — phản ứng cộng $H_2$ luôn làm TĂNG khối lượng (thêm nguyên tử vào phân tử), trong khi phản ứng oxi hoá alcohol thành aldehyde ở bài sau lại làm GIẢM khối lượng (mất bớt nguyên tử H). Hai chiều ngược nhau này rất dễ gây nhầm lẫn khi làm nhiều bài liên tiếp trong cùng một đề, nên luôn xác định rõ phản ứng đang xét là cộng hay oxi hoá trước khi lập phương trình bảo toàn khối lượng.

Luyện tập có hướng dẫn

Luyện tập độc lập

Kiểm tra nhanh

Ghi nhớ

Nhiệt độ sôi: alkane < aldehyde/ketone < alcohol (cùng $M$ gần bằng). Cộng $H_2$ (Ni, $t^\circ$ ): aldehyde → alcohol bậc I; ketone → alcohol bậc II — đúng chiều ngược oxi hoá alcohol đã học ở Course 8.

Nhiệt độ sôi: alkane < aldehyde/ketone < alcohol (cùng $M$ gần bằng). Cộng $H_2$ (Ni, $t^\circ$): aldehyde → alcohol bậc I; ketone → alcohol bậc II — đúng chiều ngược oxi hoá alcohol đã học ở Course 8.

Bài tiếp theo học phản ứng đặc trưng nhất để phân biệt aldehyde với ketone: phản ứng oxi hoá bằng thuốc thử tráng gương và $Cu(OH)_2$ . Chính khả năng còn hay không còn H trên carbon carbonyl — điều đã nhắc lại xuyên suốt bài này — sẽ quyết định toàn bộ kết quả của phản ứng sắp học, nên hãy chắc chắn em đã phân biệt thành thạo hai loại hợp chất trước khi tiếp tục.

Bài tiếp theo học phản ứng đặc trưng nhất để phân biệt aldehyde với ketone: phản ứng oxi hoá bằng thuốc thử tráng gương và $Cu(OH)_2$. Chính khả năng còn hay không còn H trên carbon carbonyl — điều đã nhắc lại xuyên suốt bài này — sẽ quyết định toàn bộ kết quả của phản ứng sắp học, nên hãy chắc chắn em đã phân biệt thành thạo hai loại hợp chất trước khi tiếp tục.