Bài học

Phân tích nguyên tố và công thức phân tử

Mục tiêu bài học

Sau bài này, em nêu được nguyên tắc phân tích định tính (phát hiện C, H, N, halogen) và phân tích định lượng (xác định phần trăm khối lượng nguyên tố) hợp chất hữu cơ, và xác định được công thức phân tử của một chất từ phần trăm khối lượng nguyên tố cùng khối lượng mol.

Kiến thức nền cần nhớ

Em đã quen với công thức tính số mol n = m/M và tính phần trăm khối lượng từ lớp 8, 9. Bài này dùng lại đúng hai công cụ đó, chỉ áp dụng cho hợp chất hữu cơ: từ khối lượng CO₂, H₂O sinh ra khi đốt cháy một mẫu chất, ta tính ngược lại khối lượng C, H có trong mẫu, từ đó suy ra công thức phân tử.

Khởi động

Glucose và giấm ăn (acetic acid) đều chỉ chứa ba nguyên tố C, H, O — nhưng rõ ràng là hai chất khác hẳn nhau về mùi vị, tính chất. Làm sao các nhà hoá học biết chính xác công thức phân tử của mỗi chất là C₆H₁₂O₆ hay CH₃COOH, chứ không phải một công thức nào khác cũng có ba nguyên tố đó?

Kiến thức trọng tâm

Phân tích định tính trả lời câu hỏi "phân tử có nguyên tố nào". Đốt cháy hợp chất hữu cơ trong oxygen dư rồi dẫn sản phẩm cháy qua các dung dịch/chất hấp thụ đặc trưng: khí CO₂ làm đục nước vôi trong (nhận ra có carbon), hơi H₂O làm đổi màu CuSO₄ khan từ trắng sang xanh (nhận ra có hydrogen); nếu mẫu chứa nitrogen, sản phẩm phân huỷ có thể tạo khí có mùi khai đặc trưng của NH₃; nếu mẫu chứa halogen, đốt cùng CuO rồi thử sản phẩm sẽ cho kết tủa đặc trưng với dung dịch AgNO₃.

**Phân tích định tính** trả lời câu hỏi "phân tử có nguyên tố nào". Đốt cháy hợp chất hữu cơ trong oxygen dư rồi dẫn sản phẩm cháy qua các dung dịch/chất hấp thụ đặc trưng: khí CO₂ làm đục nước vôi trong (nhận ra có carbon), hơi H₂O làm đổi màu CuSO₄ khan từ trắng sang xanh (nhận ra có hydrogen); nếu mẫu chứa nitrogen, sản phẩm phân huỷ có thể tạo khí có mùi khai đặc trưng của NH₃; nếu mẫu chứa halogen, đốt cùng CuO rồi thử sản phẩm sẽ cho kết tủa đặc trưng với dung dịch AgNO₃.

Phân tích định lượng trả lời câu hỏi "mỗi nguyên tố chiếm bao nhiêu phần trăm khối lượng". Đốt cháy hoàn toàn một khối lượng m gam mẫu chất, cân chính xác khối lượng CO₂ và H₂O sinh ra. Từ khối lượng CO₂ suy ra số mol carbon (n_C = n_CO2), từ khối lượng H₂O suy ra số mol hydrogen (n_H = 2 × n_H2O); khối lượng oxygen (nếu có) được tính bằng cách lấy khối lượng mẫu trừ đi khối lượng C và H đã tìm được. Từ số mol mỗi nguyên tố, lập tỉ lệ nguyên (chia cho số nhỏ nhất) để được công thức đơn giản nhất (CTĐGN) — công thức chỉ tỉ lệ nguyên tử tối giản, ví dụ CH₂O.

**Phân tích định lượng** trả lời câu hỏi "mỗi nguyên tố chiếm bao nhiêu phần trăm khối lượng". Đốt cháy hoàn toàn một khối lượng m gam mẫu chất, cân chính xác khối lượng CO₂ và H₂O sinh ra. Từ khối lượng CO₂ suy ra số mol carbon (n_C = n_CO2), từ khối lượng H₂O suy ra số mol hydrogen (n_H = 2 × n_H2O); khối lượng oxygen (nếu có) được tính bằng cách lấy khối lượng mẫu trừ đi khối lượng C và H đã tìm được. Từ số mol mỗi nguyên tố, lập tỉ lệ nguyên (chia cho số nhỏ nhất) để được **công thức đơn giản nhất (CTĐGN)** — công thức chỉ tỉ lệ nguyên tử tối giản, ví dụ CH₂O.

Công thức đơn giản nhất chưa chắc là công thức phân tử (CTPT) — công thức thật của phân tử. Muốn tìm CTPT, ta cần biết thêm khối lượng mol M của chất (đo bằng phương pháp phổ khối hoặc từ tỉ khối hơi), rồi tìm hệ số n sao cho n × (khối lượng CTĐGN) = M; CTPT chính là CTĐGN nhân hệ số n đó. Ví dụ CTĐGN là CH₂O (khối lượng 30 g/mol) và M = 180 g/mol thì n = 180/30 = 6, CTPT là C₆H₁₂O₆.

Công thức đơn giản nhất chưa chắc là **công thức phân tử (CTPT)** — công thức thật của phân tử. Muốn tìm CTPT, ta cần biết thêm khối lượng mol M của chất (đo bằng phương pháp phổ khối hoặc từ tỉ khối hơi), rồi tìm hệ số n sao cho n × (khối lượng CTĐGN) = M; CTPT chính là CTĐGN nhân hệ số n đó. Ví dụ CTĐGN là CH₂O (khối lượng 30 g/mol) và M = 180 g/mol thì n = 180/30 = 6, CTPT là C₆H₁₂O₆.

Ví dụ

Xác định công thức phân tử của glucose

1
Một hợp chất hữu cơ X chỉ chứa C, H, O có thành phần phần trăm khối lượng: %C = 40,0%; %H = 6,7%; %O = 53,3%. Khối lượng mol của X là M = 180 g/mol. Xác định công thức phân tử của X.
2
Giả sử có 100 gam X, ta có m_C = 40,0 gam, m_H = 6,7 gam, m_O = 53,3 gam. Suy ra n_C = 40,0/12 ≈ 3,33 mol; n_H = 6,7/1 = 6,7 mol; n_O = 53,3/16 ≈ 3,33 mol.
3
Chia cả ba giá trị cho số nhỏ nhất (3,33): C : H : O = 3,33/3,33 : 6,7/3,33 : 3,33/3,33 ≈ 1 : 2 : 1. Vậy công thức đơn giản nhất là CH₂O, khối lượng mol tương ứng M(CTĐGN) = 12 + 2×1 + 16 = 30 g/mol.
4
Theo bài, M(X) = 180 g/mol. Suy ra n = M(X)/M(CTĐGN) = 180/30 = 6. Do đó công thức phân tử của X là (CH₂O)₆, tức là C₆H₁₂O₆.
5
Vậy X có công thức phân tử C₆H₁₂O₆ — đây chính là công thức phân tử của glucose, phù hợp với phần trăm khối lượng và khối lượng mol đã cho.

Ví dụ

Bài toán đốt cháy xác định công thức phân tử hydrocarbon (dạng thi)

1
Đốt cháy hoàn toàn 3,9 gam một hydrocarbon Y (chỉ chứa C và H) thu được 13,2 gam CO₂ và 2,7 gam H₂O. Biết khối lượng mol của Y là 78 g/mol. Xác định công thức phân tử của Y.
2
n_CO2 = 13,2/44 = 0,3 mol nên n_C = n_CO2 = 0,3 mol. n_H2O = 2,7/18 = 0,15 mol nên n_H = 2 × n_H2O = 0,3 mol.
3
Khối lượng C và H trong mẫu: m_C = 0,3 × 12 = 3,6 gam; m_H = 0,3 × 1 = 0,3 gam. Tổng m_C + m_H = 3,6 + 0,3 = 3,9 gam, đúng bằng khối lượng mẫu Y đã đốt. Vậy Y chỉ chứa C và H, không có oxygen — phù hợp với giả thiết Y là hydrocarbon.
4
Tỉ lệ n_C : n_H = 0,3 : 0,3 = 1 : 1, công thức đơn giản nhất là CH, khối lượng mol tương ứng M(CTĐGN) = 12 + 1 = 13 g/mol. Theo bài, M(Y) = 78 g/mol nên n = 78/13 = 6. Công thức phân tử của Y là (CH)₆, tức là C₆H₆.
5
Vậy Y có công thức phân tử C₆H₆ — đây chính là công thức phân tử của benzene, khớp với khối lượng mol 78 g/mol đã cho trong đề.

Sai lầm thường gặp

Nhiều em dừng lại ở công thức đơn giản nhất (ví dụ CH₂O) rồi coi đó luôn là công thức phân tử — đây là lỗi sai phổ biến nhất của dạng bài này. CTĐGN chỉ là tỉ lệ tối giản; phải nhân thêm hệ số n tính từ khối lượng mol M mới ra công thức phân tử thật (trừ trường hợp n = 1, khi đó CTĐGN trùng CTPT).

Luyện tập có hướng dẫn

Luyện tập độc lập

Kiểm tra nhanh

Ghi nhớ

Phân tích định tính phát hiện nguyên tố có mặt (CO₂ báo carbon, H₂O báo hydrogen…). Phân tích định lượng tính số mol C, H (và O bằng hiệu số khối lượng) từ khối lượng CO₂, H₂O sinh ra, lập công thức đơn giản nhất, rồi dùng khối lượng mol M để tìm hệ số n và suy ra công thức phân tử thật.

Cầu nối bài sau

Công thức phân tử C₄H₁₀ vẫn chưa nói hết câu chuyện: nó có thể ứng với hai chất khác nhau về cấu tạo. Chương tiếp theo học thuyết cấu tạo hoá học — công cụ để phân biệt các chất có cùng công thức phân tử nhưng cấu tạo và tính chất khác nhau.