Bài học

Aldehyde, ketone và carboxylic acid

Mục tiêu bài học

Sau bài này, em phân biệt được aldehyde với ketone bằng phản ứng tráng gương và $Cu(OH)_2$ / $NaOH$ , viết đúng phản ứng đặc trưng của carboxylic acid (kim loại, base, carbonate, ester hóa), và trình bày được trọn vẹn chuỗi oxi hóa alcohol → aldehyde → carboxylic acid.

Sau bài này, em phân biệt được aldehyde với ketone bằng phản ứng tráng gương và $Cu(OH)_2$/$NaOH$, viết đúng phản ứng đặc trưng của carboxylic acid (kim loại, base, carbonate, ester hóa), và trình bày được trọn vẹn chuỗi oxi hóa alcohol → aldehyde → carboxylic acid.

Kiến thức nền cần nhớ

Bài trước đã cho alcohol bậc 1 bị oxi hóa thành aldehyde — bài này tiếp nối đúng mạch đó, đưa quá trình oxi hóa đi xa hơn tới carboxylic acid, đồng thời giới thiệu ketone (sản phẩm oxi hóa của alcohol bậc 2) như một nhóm chức song song, dễ nhầm lẫn với aldehyde nếu không có phép thử phân biệt.

Khởi động

Cùng mang nhóm carbonyl $C=O$ , acetaldehyde ( $CH_3CHO$ ) và acetone ( $CH_3COCH_3$ ) trông khá giống nhau trên công thức. Nhưng chỉ acetaldehyde tạo được lớp gương bạc sáng bóng khi phản ứng với $AgNO_3$ / $NH_3$ , còn acetone thì hoàn toàn không. Khác biệt cấu tạo nào gây ra điều đó?

Cùng mang nhóm carbonyl $C=O$, acetaldehyde ($CH_3CHO$) và acetone ($CH_3COCH_3$) trông khá giống nhau trên công thức. Nhưng chỉ acetaldehyde tạo được lớp gương bạc sáng bóng khi phản ứng với $AgNO_3$/$NH_3$, còn acetone thì hoàn toàn không. Khác biệt cấu tạo nào gây ra điều đó?

Kiến thức trọng tâm

Aldehyde (nhóm $-CHO$ , luôn ở đầu mạch) và ketone (nhóm $C=O$ nằm giữa mạch, cả hai bên đều gắn carbon) đều mang nhóm carbonyl $C=O$ nên có một số tính chất chung: cả hai đều cộng $H_2$ (khử thành alcohol tương ứng — aldehyde cho alcohol bậc 1, ketone cho alcohol bậc 2, đúng chiều ngược lại phản ứng oxi hóa alcohol đã ôn ở bài trước).

Khác biệt cốt lõi: CHỈ aldehyde mới dễ bị oxi hóa tiếp (vì còn nguyên tử $H$ gắn trực tiếp vào carbon carbonyl), cho hai phản ứng đặc trưng mà ketone hoàn toàn không có — đây là phép thử phân biệt hai nhóm chức. Phản ứng tráng gương: $CH_3CHO + 2AgNO_3 + 3NH_3 + H_2O \to CH_3COONH_4 + 2Ag\downarrow + 2NH_4NO_3$ — lớp bạc kim loại bám thành gương sáng bóng trên thành ống nghiệm, ứng dụng thực tế trong sản xuất gương và ruột phích. Phản ứng với $Cu(OH)_2$ / $NaOH$ đun nóng: $CH_3CHO + 2Cu(OH)_2 + NaOH \xrightarrow{t^\circ} CH_3COONa + Cu_2O\downarrow(đỏ\ gạch) + 3H_2O$ — tạo kết tủa đỏ gạch đặc trưng của $Cu_2O$ .

Carboxylic acid (nhóm $-COOH$ ) là acid — yếu hơn các acid vô cơ mạnh như $HCl$ hay $H_2SO_4$ đã ôn ở Chương 3, nhưng vẫn mang đầy đủ tính chất chung của một acid: phản ứng với kim loại hoạt động giải phóng $H_2$ ( $2CH_3COOH + Mg \to (CH_3COO)_2Mg + H_2\uparrow$ ), phản ứng với base tạo muối và nước, và đặc biệt phản ứng được với muối carbonate giải phóng khí $CO_2$ : $2CH_3COOH + Na_2CO_3 \to 2CH_3COONa + CO_2\uparrow + H_2O$ — phản ứng này chính là phép thử phân biệt carboxylic acid với alcohol và phenol (cả hai đều KHÔNG phản ứng với $Na_2CO_3$ , vì lực acid quá yếu để giải phóng $CO_2$ khỏi carbonate).

Phản ứng ester hóa giữa carboxylic acid và alcohol (xúc tác $H_2SO_4$ đặc, đun nóng) đã được nêu ở bài trước theo hướng alcohol — nhìn từ phía carboxylic acid, đây chính là phản ứng đặc trưng nhất của nhóm $-COOH$ với alcohol, cũng là phản ứng thuận nghịch cần vận dụng lại Le Chatelier để tăng hiệu suất.

Chuỗi oxi hóa hoàn chỉnh: alcohol bậc 1 $\xrightarrow{oxi\ hóa}$ aldehyde $\xrightarrow{oxi\ hóa\ tiếp}$ carboxylic acid — ba nấc oxi hóa liên tiếp của cùng một mạch carbon, mỗi nấc mất thêm nguyên tử $H$ và/hoặc thêm nguyên tử $O$ trên carbon chức năng. Đây là mạch tư duy tổng kết toàn bộ phần hợp chất chứa oxygen của chương trình lớp 11.

**Aldehyde** (nhóm $-CHO$, luôn ở đầu mạch) và **ketone** (nhóm $C=O$ nằm giữa mạch, cả hai bên đều gắn carbon) đều mang nhóm carbonyl $C=O$ nên có một số tính chất chung: cả hai đều cộng $H_2$ (khử thành alcohol tương ứng — aldehyde cho alcohol bậc 1, ketone cho alcohol bậc 2, đúng chiều ngược lại phản ứng oxi hóa alcohol đã ôn ở bài trước). Khác biệt cốt lõi: CHỈ aldehyde mới dễ bị oxi hóa tiếp (vì còn nguyên tử $H$ gắn trực tiếp vào carbon carbonyl), cho hai phản ứng đặc trưng mà ketone hoàn toàn không có — đây là phép thử phân biệt hai nhóm chức. **Phản ứng tráng gương**: $CH_3CHO + 2AgNO_3 + 3NH_3 + H_2O \to CH_3COONH_4 + 2Ag\downarrow + 2NH_4NO_3$ — lớp bạc kim loại bám thành gương sáng bóng trên thành ống nghiệm, ứng dụng thực tế trong sản xuất gương và ruột phích. **Phản ứng với $Cu(OH)_2$/$NaOH$ đun nóng**: $CH_3CHO + 2Cu(OH)_2 + NaOH \xrightarrow{t^\circ} CH_3COONa + Cu_2O\downarrow(đỏ\ gạch) + 3H_2O$ — tạo kết tủa đỏ gạch đặc trưng của $Cu_2O$. **Carboxylic acid** (nhóm $-COOH$) là acid — yếu hơn các acid vô cơ mạnh như $HCl$ hay $H_2SO_4$ đã ôn ở Chương 3, nhưng vẫn mang đầy đủ tính chất chung của một acid: phản ứng với kim loại hoạt động giải phóng $H_2$ ($2CH_3COOH + Mg \to (CH_3COO)_2Mg + H_2\uparrow$), phản ứng với base tạo muối và nước, và đặc biệt phản ứng được với muối carbonate giải phóng khí $CO_2$: $2CH_3COOH + Na_2CO_3 \to 2CH_3COONa + CO_2\uparrow + H_2O$ — phản ứng này chính là phép thử phân biệt carboxylic acid với alcohol và phenol (cả hai đều KHÔNG phản ứng với $Na_2CO_3$, vì lực acid quá yếu để giải phóng $CO_2$ khỏi carbonate). **Phản ứng ester hóa** giữa carboxylic acid và alcohol (xúc tác $H_2SO_4$ đặc, đun nóng) đã được nêu ở bài trước theo hướng alcohol — nhìn từ phía carboxylic acid, đây chính là phản ứng đặc trưng nhất của nhóm $-COOH$ với alcohol, cũng là phản ứng thuận nghịch cần vận dụng lại Le Chatelier để tăng hiệu suất. **Chuỗi oxi hóa hoàn chỉnh**: alcohol bậc 1 $\xrightarrow{oxi\ hóa}$ aldehyde $\xrightarrow{oxi\ hóa\ tiếp}$ carboxylic acid — ba nấc oxi hóa liên tiếp của cùng một mạch carbon, mỗi nấc mất thêm nguyên tử $H$ và/hoặc thêm nguyên tử $O$ trên carbon chức năng. Đây là mạch tư duy tổng kết toàn bộ phần hợp chất chứa oxygen của chương trình lớp 11.

Ví dụ

Viết phản ứng tráng gương và

Cu(OH)_2

NaOH

Viết phản ứng tráng gương và $Cu(OH)_2$/$NaOH$

1
Viết phương trình phản ứng của acetaldehyde ( $CH_3CHO$ ) với: (a) dung dịch $AgNO_3$ trong $NH_3$ ; (b) $Cu(OH)_2$ trong môi trường $NaOH$ , đun nóng.
Viết phương trình phản ứng của acetaldehyde ($CH_3CHO$) với: (a) dung dịch $AgNO_3$ trong $NH_3$; (b) $Cu(OH)_2$ trong môi trường $NaOH$, đun nóng.
2
$CH_3CHO + 2AgNO_3 + 3NH_3 + H_2O \to CH_3COONH_4 + 2Ag\downarrow + 2NH_4NO_3$ — bạc kim loại bám thành gương sáng.
$CH_3CHO + 2AgNO_3 + 3NH_3 + H_2O \to CH_3COONH_4 + 2Ag\downarrow + 2NH_4NO_3$ — bạc kim loại bám thành gương sáng.
3
$CH_3CHO + 2Cu(OH)_2 + NaOH \xrightarrow{t^\circ} CH_3COONa + Cu_2O\downarrow + 3H_2O$ — kết tủa $Cu_2O$ màu đỏ gạch.
$CH_3CHO + 2Cu(OH)_2 + NaOH \xrightarrow{t^\circ} CH_3COONa + Cu_2O\downarrow + 3H_2O$ — kết tủa $Cu_2O$ màu đỏ gạch.
4
Cả hai phản ứng đều oxi hóa nhóm $-CHO$ thành $-COO^-$ (dạng muối), đồng thời chất oxi hóa ( $Ag^+$ hoặc $Cu^{2+}$ ) bị khử về kim loại/oxide có màu đặc trưng — đây chính là cơ sở của cả hai phép thử.
Cả hai phản ứng đều oxi hóa nhóm $-CHO$ thành $-COO^-$ (dạng muối), đồng thời chất oxi hóa ($Ag^+$ hoặc $Cu^{2+}$) bị khử về kim loại/oxide có màu đặc trưng — đây chính là cơ sở của cả hai phép thử.

Ví dụ

Phân biệt bốn chất bằng chuỗi phép thử — dạng thi

1
Có bốn lọ mất nhãn chứa riêng biệt: acetaldehyde, acetone, ethanol, acetic acid. Đề xuất quy trình nhận biết cả bốn chỉ dùng quỳ tím, dung dịch $Na_2CO_3$ và dung dịch $AgNO_3$ / $NH_3$ .
Có bốn lọ mất nhãn chứa riêng biệt: acetaldehyde, acetone, ethanol, acetic acid. Đề xuất quy trình nhận biết cả bốn chỉ dùng quỳ tím, dung dịch $Na_2CO_3$ và dung dịch $AgNO_3$/$NH_3$.
2
Nhúng quỳ tím vào từng mẫu. Mẫu làm quỳ tím hóa đỏ là acetic acid (do có tính acid); ba mẫu còn lại không đổi màu quỳ tím.
3
Nhỏ $AgNO_3$ / $NH_3$ vào ba mẫu còn lại. Mẫu xuất hiện lớp bạc sáng (phản ứng tráng gương) là acetaldehyde. Hai mẫu còn lại (acetone, ethanol) không phản ứng.
Nhỏ $AgNO_3$/$NH_3$ vào ba mẫu còn lại. Mẫu xuất hiện lớp bạc sáng (phản ứng tráng gương) là acetaldehyde. Hai mẫu còn lại (acetone, ethanol) không phản ứng.
4
Cho $Na$ kim loại vào hai mẫu còn lại: ethanol sủi bọt khí $H_2$ (do có nhóm $-OH$ linh động); acetone không phản ứng với $Na$ (không có $-OH$ , chỉ có nhóm carbonyl).
Cho $Na$ kim loại vào hai mẫu còn lại: ethanol sủi bọt khí $H_2$ (do có nhóm $-OH$ linh động); acetone không phản ứng với $Na$ (không có $-OH$, chỉ có nhóm carbonyl).
5
Vậy thứ tự nhận biết: quỳ tím tách acetic acid; $AgNO_3$ / $NH_3$ tách acetaldehyde; $Na$ kim loại tách ethanol khỏi acetone (chất còn lại). Bước dùng $Na_2CO_3$ trong đề không cần thiết nếu đã có quỳ tím, nhưng có thể thay thế bước 1 để kiểm chứng thêm.
Vậy thứ tự nhận biết: quỳ tím tách acetic acid; $AgNO_3$/$NH_3$ tách acetaldehyde; $Na$ kim loại tách ethanol khỏi acetone (chất còn lại). Bước dùng $Na_2CO_3$ trong đề không cần thiết nếu đã có quỳ tím, nhưng có thể thay thế bước 1 để kiểm chứng thêm.

Ví dụ

Chuỗi phản ứng oxi hóa và ester hóa có tính toán

1
Từ 9,2 gam ethanol, thực hiện lần lượt hai phản ứng: oxi hóa hoàn toàn thành acetic acid, sau đó ester hóa hoàn toàn acetic acid vừa tạo ra với ethanol dư (giả sử hiệu suất mỗi giai đoạn là 100%). Tính khối lượng ethyl acetate thu được.
2
$n(C_2H_5OH) = \dfrac{9{,}2}{46} = 0{,}2$ mol.
$n(C_2H_5OH) = \dfrac{9{,}2}{46} = 0{,}2$ mol.
3
$C_2H_5OH \xrightarrow{oxi\ hóa} CH_3COOH$ (qua trung gian $CH_3CHO$ , tính gộp cả quá trình). Với hiệu suất 100%: $n(CH_3COOH) = n(C_2H_5OH) = 0{,}2$ mol.
$C_2H_5OH \xrightarrow{oxi\ hóa} CH_3COOH$ (qua trung gian $CH_3CHO$, tính gộp cả quá trình). Với hiệu suất 100%: $n(CH_3COOH) = n(C_2H_5OH) = 0{,}2$ mol.
4
$CH_3COOH + C_2H_5OH \rightleftharpoons CH_3COOC_2H_5 + H_2O$ (dùng ethanol dư nên $CH_3COOH$ phản ứng hết). Với hiệu suất 100%: $n(CH_3COOC_2H_5) = n(CH_3COOH) = 0{,}2$ mol.
$CH_3COOH + C_2H_5OH \rightleftharpoons CH_3COOC_2H_5 + H_2O$ (dùng ethanol dư nên $CH_3COOH$ phản ứng hết). Với hiệu suất 100%: $n(CH_3COOC_2H_5) = n(CH_3COOH) = 0{,}2$ mol.
5
$M(CH_3COOC_2H_5) = 88$ g/mol. $m = 0{,}2 \times 88 = 17{,}6$ gam. Vậy khối lượng ethyl acetate thu được là $17{,}6$ gam — bài toán này gộp trọn cả chuỗi oxi hóa và ester hóa vừa ôn.
$M(CH_3COOC_2H_5) = 88$ g/mol. $m = 0{,}2 \times 88 = 17{,}6$ gam. Vậy khối lượng ethyl acetate thu được là $17{,}6$ gam — bài toán này gộp trọn cả chuỗi oxi hóa và ester hóa vừa ôn.

Sai lầm thường gặp

Học sinh hay áp dụng phản ứng tráng gương cho CẢ ketone — SAI, chỉ aldehyde phản ứng được vì còn nguyên tử $H$ gắn vào carbon carbonyl để tách ra trong quá trình oxi hóa; ketone không có nguyên tử $H$ đó nên hoàn toàn trơ với cả $AgNO_3$ / $NH_3$ lẫn $Cu(OH)_2$ / $NaOH$ .

Luyện tập có hướng dẫn

Luyện tập độc lập

Kiểm tra nhanh

Ghi nhớ

Aldehyde: phản ứng tráng gương (Ag) và $Cu(OH)_2$ / $NaOH$ (Cu2O đỏ gạch) — ketone KHÔNG có hai phản ứng này. Carboxylic acid: phản ứng kim loại, base, VÀ $Na_2CO_3$ (giải phóng CO2, phân biệt với alcohol/phenol); ester hóa thuận nghịch với alcohol. Chuỗi: alcohol bậc 1 → aldehyde → carboxylic acid.

Aldehyde: phản ứng tráng gương (Ag) và $Cu(OH)_2$/$NaOH$ (Cu2O đỏ gạch) — ketone KHÔNG có hai phản ứng này. Carboxylic acid: phản ứng kim loại, base, VÀ $Na_2CO_3$ (giải phóng CO2, phân biệt với alcohol/phenol); ester hóa thuận nghịch với alcohol. Chuỗi: alcohol bậc 1 → aldehyde → carboxylic acid.

Chương cuối cùng của khóa ôn tập tổng hợp toàn bộ Grade 11 — bắt đầu từ mảng vô cơ (nhận biết, chuỗi phản ứng) rồi khép lại bằng một đề tổng hợp hữu cơ–vô cơ đúng cấu trúc đề kiểm tra học kỳ.