Công thức phân tử cho biết gì? Lý thuyết Hóa 11 Bài 12

Trả lời nhanh

Công thức phân tử cho biết phân tử gồm những nguyên tố nào và mỗi nguyên tố có bao nhiêu nguyên tử. Ví dụ, C₂H₆O cho biết mỗi phân tử có 2 nguyên tử C, 6 nguyên tử H và 1 nguyên tử O. Công thức phân tử lại không cho biết các nguyên tử liên kết với nhau theo thứ tự nào, nên ethanol và dimethyl ether có chung công thức C₂H₆O.

1. Ba loại công thức cần phân biệt

Ở Bài 12, học sinh hay nhầm ba loại công thức với nhau. Để không nhầm, các em hãy tự hỏi: công thức này cho biết đến mức nào về phân tử?

Loại công thức	Cho biết điều gì	Ví dụ
Công thức tổng quát	Chỉ cho biết phân tử có những nguyên tố nào	C_xH_yO_z (x, y, z nguyên dương): chất chứa C, H, O
Công thức đơn giản nhất (CTĐGN)	Tỉ lệ tối giản giữa số nguyên tử của các nguyên tố	CH₂O là CTĐGN của C₂H₄O₂
Công thức phân tử (CTPT)	Thành phần nguyên tố và số lượng nguyên tử của từng nguyên tố trong một phân tử	C₂H₄O₂ (acetic acid)

Đi từ trên xuống, lượng thông tin tăng dần. Công thức tổng quát chỉ cho biết có những nguyên tố gì. CTĐGN cho biết thêm tỉ lệ giữa các nguyên tố. CTPT cho biết con số chính xác của từng loại nguyên tử.

Công thức phân tử không cho biết điều gì?

Cách liên kết giữa các nguyên tử. Thông tin này nằm ở công thức cấu tạo, sẽ học ở Bài 13: Cấu tạo hoá học hợp chất hữu cơ.
Chất cụ thể là chất nào. Một CTPT có thể ứng với nhiều chất khác nhau. Ví dụ, C₂H₆O vừa là ethanol (chất lỏng, dùng làm cồn) vừa là dimethyl ether (chất khí).

Quan hệ giữa CTPT và CTĐGN

Nếu CTPT là C_xH_yO_z và CTĐGN là C_pH_qO_t, ta có:

C_xH_yO_z = (C_pH_qO_t)_n, trong đó p : q : t là tỉ lệ số nguyên tối giản và n là số nguyên dương.

Khi n = 1, CTPT trùng với CTĐGN. Ví dụ: CH₄, C₂H₆O, C₃H₈.
Khi n > 1, CTPT gấp n lần CTĐGN. Ví dụ: glucose C₆H₁₂O₆ có CTĐGN là CH₂O (n = 6). Ethane-1,2-diol C₂H₆O₂ có CTĐGN là CH₃O (n = 2).
Nhiều chất khác nhau có thể có cùng CTĐGN. Ví dụ, formaldehyde CH₂O, acetic acid C₂H₄O₂ và glucose C₆H₁₂O₆ đều có CTĐGN là CH₂O. Vì vậy, chỉ biết CTĐGN thì chưa đủ để xác định CTPT, cần biết thêm phân tử khối.

2. Xác định phân tử khối bằng phổ khối lượng (MS)

Phương pháp phổ khối lượng (Mass Spectrometry, MS) được dùng để xác định phân tử khối của hợp chất hữu cơ. Nó không dùng để tìm thành phần nguyên tố.

Nguyên tắc ngắn gọn như sau. Trong máy phổ khối, phân tử chất bị bắn phá và mất electron, tạo thành ion phân tử [M⁺]. Một phần ion này tiếp tục bị phân mảnh thành các ion nhỏ hơn. Máy ghi lại các ion theo tỉ số khối lượng/điện tích (m/z) và vẽ thành các peak (vạch).

Ion phân tử mang điện tích +1 nên giá trị m/z của nó bằng phân tử khối M.
Peak ion phân tử [M⁺] thường là peak có giá trị m/z lớn nhất trên phổ.
Lưu ý: peak cao nhất (cường độ lớn nhất) chưa chắc là peak ion phân tử. Đó thường chỉ là một mảnh ion bền.

Lấy ví dụ phổ MS của acetone (CH₃COCH₃). Peak cao nhất nằm ở m/z = 43, ứng với mảnh CH₃CO⁺. Peak có m/z lớn nhất là 58, nên phân tử khối của acetone là 58. Kiểm tra lại với công thức C₃H₆O: 3.12 + 6.1 + 16 = 58, khớp.

3. Lập công thức phân tử hợp chất hữu cơ

Bài toán thường cho phần trăm khối lượng các nguyên tố (có được từ phân tích nguyên tố) và phân tử khối M (đọc từ phổ MS). Các em có thể giải theo một trong hai cách dưới đây.

Cách 1: Đi qua công thức đơn giản nhất

Lập tỉ lệ: x : y : z = %C/12 : %H/1 : %O/16.
Chia tất cả cho số nhỏ nhất, rồi nhân với một số nguyên phù hợp nếu cần, để được tỉ lệ nguyên tối giản p : q : t. Từ đó suy ra CTĐGN là C_pH_qO_t.
Tính n = M : M_CTĐGN, rồi suy ra CTPT là (C_pH_qO_t)_n.

Cách 2: Tính thẳng số nguyên tử khi đã biết M

x = (M × %C)/(12 × 100); y = (M × %H)/(1 × 100); z = (M × %O)/(16 × 100).

Cách này nhanh hơn khi đề đã cho M. Kết quả tính ra phải gần với số nguyên. Nếu lệch nhiều, các em nên kiểm tra lại đề hoặc phép tính.

Ví dụ 1: Chất chứa C, H, O

Đề (tự đặt): Chất X có %C = 54,55%, %H = 9,09%, còn lại là O. Trên phổ MS của X, peak ion phân tử có m/z = 88. Tìm CTPT của X.

Giải:

%O = 100 − 54,55 − 9,09 = 36,36%.
x : y : z = 54,55/12 : 9,09/1 : 36,36/16 = 4,546 : 9,09 : 2,273 = 2 : 4 : 1. Vậy CTĐGN là C₂H₄O, có M = 44.
n = 88 : 44 = 2. Vậy CTPT của X là C₄H₈O₂.

Kiểm tra: 4.12 + 8.1 + 2.16 = 88, đúng.

Ví dụ 2: Chất chứa nitrogen (giải theo cách 2)

Đề (tự đặt): Amine Y có %C = 61,02%, %H = 15,25%, %N = 23,73%. Phổ MS cho M = 59. Tìm CTPT của Y.

x = 59 × 61,02/1200 ≈ 3,0
y = 59 × 15,25/100 ≈ 9,0
số N = 59 × 23,73/1400 ≈ 1,0

Vậy CTPT của Y là C₃H₉N. Kiểm tra: 36 + 9 + 14 = 59, đúng.

Ví dụ 3: Đề cho dữ kiện đốt cháy (mở rộng)

Đề (tự đặt): Đốt cháy hoàn toàn 0,30 g chất A (chứa C, H, O), thu được 0,44 g CO₂ và 0,18 g H₂O. Biết M_A = 60. Tìm CTPT của A.

m_C = 0,44 × 12/44 = 0,12 g, nên n_C = 0,01 mol.
m_H = 0,18 × 2/18 = 0,02 g, nên n_H = 0,02 mol.
m_O = 0,30 − 0,12 − 0,02 = 0,16 g, nên n_O = 0,01 mol.
C : H : O = 0,01 : 0,02 : 0,01 = 1 : 2 : 1. Vậy CTĐGN là CH₂O (M = 30), n = 60 : 30 = 2, và CTPT là C₂H₄O₂.

4. Mẹo nhớ và lỗi sai thường gặp

Mẹo nhớ

Tổng quát, Tỉ lệ, Thật: công thức tổng quát cho biết nguyên tố, CTĐGN cho biết tỉ lệ, CTPT cho biết số nguyên tử thật.
Phổ MS: nhìn m/z lớn nhất, đừng nhìn vạch cao nhất.
Trong hợp chất chỉ chứa C, H, O hoặc chỉ chứa C, H, số nguyên tử H luôn là số chẵn. Nếu tính ra H lẻ ở những chất này thì gần như chắc chắn đã sai.

Lỗi sai thường gặp

Quên tính %O khi đề chỉ cho %C và %H. Phải lấy 100% trừ đi tổng các phần trăm đã biết.
Làm tròn quá sớm. Gặp tỉ lệ dạng 1 : 1,33 hay 1 : 2,5 mà làm tròn ngay sẽ ra sai. Hãy nhân với 3 hoặc 2 để được số nguyên (1 : 1,33 thành 3 : 4; 1 : 2,5 thành 2 : 5).
Chia cho nguyên tử khối nhầm. Ví dụ chia %O cho 8 hoặc chia %N cho 7. Chia đúng là O = 16, N = 14.
Coi CTĐGN là CTPT khi chưa kiểm tra lại bằng M.

5. Câu hỏi trắc nghiệm nhanh

Câu 1. Công thức phân tử cho biết

A. cách liên kết giữa các nguyên tử. B. tỉ lệ số nguyên tử của các nguyên tố. C. chỉ thành phần nguyên tố. D. thành phần nguyên tố và số lượng nguyên tử của mỗi nguyên tố.

Đáp án D. A là thông tin của công thức cấu tạo, B là thông tin của CTĐGN, C là thông tin của công thức tổng quát, tức là chưa đủ.

Câu 2. Phương pháp phổ khối lượng được dùng để xác định

A. thành phần nguyên tố. B. phân tử khối. C. nhóm chức. D. nhiệt độ sôi.

Đáp án B. Phổ MS cho giá trị m/z của ion phân tử, và giá trị này bằng phân tử khối. Thành phần nguyên tố phải lấy từ phân tích nguyên tố. Nhóm chức thường được nhận ra nhờ phổ hồng ngoại (IR).

Câu 3. CTĐGN của C₄H₁₀ là

A. CH₂. B. C₂H₅. C. C₄H₁₀. D. CH₃.

Đáp án B. Lấy 4 : 10 chia cho 2 được 2 : 5, và đây đã là tỉ lệ tối giản. CH₃ sai vì tỉ lệ 1 : 3 khác 2 : 5.

6. Bài tập tự luyện có đáp án

Bài 1. Hydrocarbon Z có %C = 85,71%. Peak ion phân tử trên phổ MS có m/z = 56. Tìm CTPT của Z.
Đáp án: x = 56 × 85,71/1200 = 4; y = 56 × 14,29/100 = 8. Vậy Z là C₄H₈.
Bài 2. Chất T có %C = 40,00%, %H = 6,67%, còn lại là O, M_T = 180. Tìm CTĐGN và CTPT của T.
Đáp án: C : H : O = 3,333 : 6,67 : 3,333 = 1 : 2 : 1. CTĐGN là CH₂O, n = 180 : 30 = 6, nên CTPT là C₆H₁₂O₆.
Bài 3. Viết CTĐGN của các chất: C₆H₆, C₂H₆O₂, C₃H₆O.
Đáp án: lần lượt là CH, CH₃O, C₃H₆O (chất cuối có n = 1).

7. Học tiếp Bài 12 và các bài lân cận

Giải SGK Hóa 11 Bài 12: Công thức phân tử hợp chất hữu cơ
Giải SBT Hóa 11 Bài 12
15 câu trắc nghiệm Bài 12 có đáp án
Lý thuyết Bài 11: Phương pháp tách biệt và tinh chế
Lý thuyết Bài 15: Alkane
Tổng hợp lý thuyết Hóa học 11 Kết nối tri thức

Câu hỏi thường gặp

Công thức phân tử cho biết những gì?

Công thức phân tử cho biết phân tử gồm những nguyên tố nào và mỗi nguyên tố có bao nhiêu nguyên tử. Công thức phân tử không cho biết thứ tự liên kết giữa các nguyên tử.

Công thức đơn giản nhất khác công thức phân tử thế nào?

Công thức đơn giản nhất chỉ cho biết tỉ lệ tối giản giữa số nguyên tử của các nguyên tố. Công thức phân tử bằng công thức đơn giản nhất nhân với n, trong đó n là số nguyên dương, tính bằng phân tử khối M chia cho khối lượng mol của công thức đơn giản nhất.

Trên phổ MS, phân tử khối ứng với peak nào?

Phân tử khối ứng với peak ion phân tử [M+], thường là peak có giá trị m/z lớn nhất. Peak cao nhất thường chỉ là một mảnh ion bền, không phải ion phân tử.

Hai chất khác nhau có thể có cùng công thức phân tử không?

Có. Ví dụ ethanol và dimethyl ether đều có công thức C2H6O nhưng các nguyên tử liên kết khác nhau, đó là hiện tượng đồng phân.