Đây là bản xem thử. Bản đầy đủ trên app có thêm bài tập, AI chấm điểm tức thì và biểu đồ theo dõi tiến độ học.
Phần
Biện luận công thức amin từ đốt cháy và phản ứng với HCl
Em sẽ làm được gì?
Bài này dạy em dựng lại công thức phân tử của một amin từ dữ kiện đốt cháy (không quên khí $N_2$ sinh ra), và xác định số nhóm chức amin của một hợp chất đa chức bằng phản ứng với HCl.
Cần nhớ trước
Em cần vững công thức tổng quát $C_nH_{2n+3}N$ của amin no, đơn chức, mạch hở; cách quy đổi thể tích khí ở đkc ($25\,°C$, $1$ bar, $V_m=24{,}79$ lít/mol) sang số mol; và phản ứng amin cộng HCl tạo muối amoni ($R-NH_2 + HCl \rightarrow R-NH_3Cl$).
Bài đốt cháy amin ở mức Foundation luôn cho sẵn công thức của amin, chỉ hỏi lượng $CO_2$, $H_2O$ sinh ra. Đề HSG đảo ngược: cho lượng $CO_2$, $H_2O$, có khi cả $N_2$, rồi bắt dựng lại công thức phân tử — và một amin đơn chức đốt cháy luôn sinh $N_2$ (không phải $NO_2$ hay $NH_3$) vì môi trường phản ứng cháy không đủ oxy hóa N lên số oxi hóa dương, nitơ trong amin bị đưa hết về đơn chất.
Chữ ký đốt cháy của amin no, đơn chức, mạch hở
Phương trình cháy tổng quát: $C_nH_{2n+3}N + \dfrac{6n+3}{4}O_2 \rightarrow nCO_2 + \dfrac{2n+3}{2}H_2O + \dfrac{1}{2}N_2$. Trừ hai vế theo số mol sản phẩm, em sẽ thấy: $n_{H_2O} - n_{CO_2} = \dfrac{3}{2}n_{amin}$ với mọi $n$ — đây là **chữ ký đặc trưng** của amin no, đơn chức, mạch hở, khác hẳn hydrocarbon no cùng loại (ở đó $n_{H_2O}-n_{CO_2}=n_{hydrocarbon}$, không có hệ số $\dfrac{3}{2}$). Nhận ra chữ ký này giúp em xác nhận ngay hợp chất đang đốt là amin trước khi tính tiếp CTPT.
Mở rộng dành cho HSG: rút ra và dùng chữ ký $n_{H_2O}-n_{CO_2}=\dfrac{3}{2}n_{amin}$ để xác nhận loại hợp chất trước khi tính CTPT không nằm trong yêu cầu chuẩn — SGK chỉ dạy viết và cân bằng phương trình cháy khi biết trước công thức. Tiên quyết: cân bằng phương trình cháy tổng quát $C_nH_{2n+3}N$.
Bước 2 là bước phân biệt bài amin với bài hydrocarbon có cùng dạng số liệu.
Ví dụ
Ví dụ 1 — Xác định CTPT từ CO2 và H2O
1
Đốt cháy hoàn toàn 0,1 mol amin no, đơn chức, mạch hở X thu được 0,2 mol $CO_2$ và 0,35 mol $H_2O$. Xác định công thức phân tử của X.
2
$n_{H_2O}-n_{CO_2}=0{,}35-0{,}2=0{,}15$ mol, đúng bằng $\dfrac{3}{2}\times0{,}1=0{,}15$ mol. Dữ kiện khớp với amin no, đơn chức, mạch hở.
Công thức phân tử: $C_2H_7N$. Ứng với CTPT này có hai đồng phân khác bậc: $CH_3CH_2NH_2$ (ethylamine, bậc I) và $(CH_3)_2NH$ (dimethylamine, bậc II) — chỉ riêng dữ kiện đốt cháy **không đủ** để phân biệt hai chất này, vì cả hai đều có cùng số $C$, $H$, $N$.
2. Amin đa chức — dùng HCl để xác định số nhóm $-NH_2$
Muốn phân biệt amin đơn chức với amin đa chức (có từ hai nhóm $-NH_2$ trở lên), chỉ đốt cháy là chưa đủ, vì đốt cháy chỉ cho biết tổng số nguyên tử C, H, N chứ không nói mỗi phân tử có mấy nhóm chức base. Đây là lúc phản ứng với HCl vào việc: mỗi nhóm $-NH_2$ phản ứng với đúng 1 phân tử HCl, nên tỉ lệ $\dfrac{n_{HCl}}{n_{amin}}$ chính là số nhóm $-NH_2$ trong phân tử.
Ví dụ
Ví dụ 2 — Xác định CTPT và CTCT của một diamine
1
Đốt cháy hoàn toàn 0,1 mol amin X (chỉ chứa C, H, N) thu được 0,2 mol $CO_2$, 0,4 mol $H_2O$ và 0,1 mol $N_2$. Mặt khác, 0,1 mol X phản ứng vừa đủ với 200 ml dung dịch HCl 1M. Xác định CTPT và CTCT của X, biết X có cấu tạo đối xứng.
2
$n_C=\dfrac{0{,}2}{0{,}1}=2$; $n_H=\dfrac{2\times0{,}4}{0{,}1}=8$; $n_N=\dfrac{2\times0{,}1}{0{,}1}=2$ (mỗi phân tử $N_2$ chứa 2 nguyên tử N). Công thức phân tử: $C_2H_8N_2$, $M=60$.
3
$k=\dfrac{2\times2+2+2-8}{2}=0$: X no, mạch hở, phù hợp với một diamine không vòng.
4
$n_{HCl}=0{,}2\times1=0{,}2$ mol. Tỉ lệ $\dfrac{n_{HCl}}{n_X}=\dfrac{0{,}2}{0{,}1}=2$: X có đúng 2 nhóm $-NH_2$, khớp với 2 nguyên tử N tìm được ở bước trên.
5
Với 2 carbon, 2 nhóm $-NH_2$ đối xứng, cấu tạo hợp lý duy nhất là $H_2N-CH_2-CH_2-NH_2$ (ethylenediamine). Vậy X là ethylenediamine, $C_2H_8N_2$, $M=60$ g/mol.
Luyện tập có hướng dẫn
Bẫy thường gặp
Ba chỗ học sinh hay vấp: quên rằng đốt cháy amin sinh $N_2$ chứ không phải $NH_3$ hay oxide của N, tính sai $n_{amin}$ từ $n_{N_2}$ (quên hệ số 2 khi amin đơn chức); nhầm lẫn giữa "xác định CTPT" và "xác định CTCT" — đốt cháy chỉ cho CTPT, không phân biệt được bậc; và khi có HCl, quên nhân đúng số nhóm chức base khi hợp chất là đa chức.
Kỹ thuật đọc chữ ký đốt cháy và dùng HCl đếm nhóm chức sẽ quay lại nhiều lần trong chương peptide sau này, khi mỗi gốc amino acid mang đúng một nhóm chức cần đếm. Chương tiếp theo chuyển sang amino acid — hợp chất vừa có tính chất của amin (nhóm $-NH_2$), vừa có tính chất của acid (nhóm $-COOH$) trong cùng một phân tử.
Bài này dạy em dựng lại công thức phân tử của một amin từ dữ kiện đốt cháy (không quên khí N2 sinh ra), và xác định số nhóm chức amin của một hợp chất đa chức bằng phản ứng với HCl.
Em cần vững công thức tổng quát CnH2n+3N của amin no, đơn chức, mạch hở; cách quy đổi thể tích khí ở đkc (25°C, 1 bar, Vm=24,79 lít/mol) sang số mol; và phản ứng amin cộng HCl tạo muối amoni (R−NH2+HCl→R−NH3Cl).
Bài đốt cháy amin ở mức Foundation luôn cho sẵn công thức của amin, chỉ hỏi lượng CO2, H2O sinh ra. Đề HSG đảo ngược: cho lượng CO2, H2O, có khi cả N2, rồi bắt dựng lại công thức phân tử — và một amin đơn chức đốt cháy luôn sinh N2 (không phải NO2 hay NH3) vì môi trường phản ứng cháy không đủ oxy hóa N lên số oxi hóa dương, nitơ trong amin bị đưa hết về đơn chất.
Phương trình cháy tổng quát: CnH2n+3N+46n+3O2→nCO2+22n+3H2O+21N2. Trừ hai vế theo số mol sản phẩm, em sẽ thấy: nH2O−nCO2=23namin với mọi n — đây là chữ ký đặc trưng của amin no, đơn chức, mạch hở, khác hẳn hydrocarbon no cùng loại (ở đó nH2O−nCO2=nhydrocarbon, không có hệ số 23). Nhận ra chữ ký này giúp em xác nhận ngay hợp chất đang đốt là amin trước khi tính tiếp CTPT.
Mở rộng dành cho HSG: rút ra và dùng chữ ký nH2O−nCO2=23namin để xác nhận loại hợp chất trước khi tính CTPT không nằm trong yêu cầu chuẩn — SGK chỉ dạy viết và cân bằng phương trình cháy khi biết trước công thức. Tiên quyết: cân bằng phương trình cháy tổng quát CnH2n+3N.
Đốt cháy hoàn toàn 0,1 mol amin no, đơn chức, mạch hở X thu được 0,2 mol CO2 và 0,35 mol H2O. Xác định công thức phân tử của X.
nH2O−nCO2=0,35−0,2=0,15 mol, đúng bằng 23×0,1=0,15 mol. Dữ kiện khớp với amin no, đơn chức, mạch hở.
n=naminnCO2=0,10,2=2.
Công thức phân tử: C2H7N. Ứng với CTPT này có hai đồng phân khác bậc: CH3CH2NH2 (ethylamine, bậc I) và (CH3)2NH (dimethylamine, bậc II) — chỉ riêng dữ kiện đốt cháy không đủ để phân biệt hai chất này, vì cả hai đều có cùng số C, H, N.
Amin đa chức — dùng HCl để xác định số nhóm −NH2
Muốn phân biệt amin đơn chức với amin đa chức (có từ hai nhóm −NH2 trở lên), chỉ đốt cháy là chưa đủ, vì đốt cháy chỉ cho biết tổng số nguyên tử C, H, N chứ không nói mỗi phân tử có mấy nhóm chức base. Đây là lúc phản ứng với HCl vào việc: mỗi nhóm −NH2 phản ứng với đúng 1 phân tử HCl, nên tỉ lệ naminnHCl chính là số nhóm −NH2 trong phân tử.
Đốt cháy hoàn toàn 0,1 mol amin X (chỉ chứa C, H, N) thu được 0,2 mol CO2, 0,4 mol H2O và 0,1 mol N2. Mặt khác, 0,1 mol X phản ứng vừa đủ với 200 ml dung dịch HCl 1M. Xác định CTPT và CTCT của X, biết X có cấu tạo đối xứng.
nC=0,10,2=2; nH=0,12×0,4=8; nN=0,12×0,1=2 (mỗi phân tử N2 chứa 2 nguyên tử N). Công thức phân tử: C2H8N2, M=60.
k=22×2+2+2−8=0: X no, mạch hở, phù hợp với một diamine không vòng.
nHCl=0,2×1=0,2 mol. Tỉ lệ nXnHCl=0,10,2=2: X có đúng 2 nhóm −NH2, khớp với 2 nguyên tử N tìm được ở bước trên.
Với 2 carbon, 2 nhóm −NH2 đối xứng, cấu tạo hợp lý duy nhất là H2N−CH2−CH2−NH2 (ethylenediamine). Vậy X là ethylenediamine, C2H8N2, M=60 g/mol.
Ba chỗ học sinh hay vấp: quên rằng đốt cháy amin sinh N2 chứ không phải NH3 hay oxide của N, tính sai namin từ nN2 (quên hệ số 2 khi amin đơn chức); nhầm lẫn giữa "xác định CTPT" và "xác định CTCT" — đốt cháy chỉ cho CTPT, không phân biệt được bậc; và khi có HCl, quên nhân đúng số nhóm chức base khi hợp chất là đa chức.
Kỹ thuật đọc chữ ký đốt cháy và dùng HCl đếm nhóm chức sẽ quay lại nhiều lần trong chương peptide sau này, khi mỗi gốc amino acid mang đúng một nhóm chức cần đếm. Chương tiếp theo chuyển sang amino acid — hợp chất vừa có tính chất của amin (nhóm −NH2), vừa có tính chất của acid (nhóm −COOH) trong cùng một phân tử.