Công thức phân tử cho biết gì về hợp chất hữu cơ?

Trả lời nhanh

Công thức phân tử cho biết thành phần nguyên tố và số lượng nguyên tử của mỗi nguyên tố trong một phân tử hợp chất hữu cơ. Từ đó ta tính được phân tử khối và phần trăm khối lượng các nguyên tố. Tuy vậy, công thức phân tử không cho biết các nguyên tử liên kết với nhau theo thứ tự nào. Muốn biết điều đó phải dùng công thức cấu tạo.

1. Hiểu đúng câu hỏi: “Công thức phân tử cho biết điều gì?”

Đây là câu hỏi lý thuyết rất hay gặp trong chương Đại cương về hoá học hữu cơ (Hoá học 11). Đề trắc nghiệm thường đưa ra vài phương án gần giống nhau, chẳng hạn “số lượng nguyên tử”, “thứ tự liên kết”, “tỉ lệ số nguyên tử”, “tính chất hoá học”. Các em chỉ cần nắm chắc ý nghĩa của từng loại công thức là chọn đúng.

Lấy ví dụ công thức phân tử C₂H₆O. Đọc công thức này, ta biết được:

Nguyên tố có mặt: phân tử gồm ba nguyên tố C, H, O.
Số nguyên tử mỗi nguyên tố: có 2 nguyên tử C, 6 nguyên tử H và 1 nguyên tử O, tổng cộng 9 nguyên tử.
Phân tử khối: M = 2.12 + 6.1 + 16 = 46.
Phần trăm khối lượng: %C = 24/46 ≈ 52,17%; %H = 6/46 ≈ 13,04%; %O = 16/46 ≈ 34,78%.
Tỉ lệ số nguyên tử: C : H : O = 2 : 6 : 1.

Như vậy, ý chính cần ghi nhớ là: công thức phân tử cho biết số lượng nguyên tử của mỗi nguyên tố trong phân tử. Các thông tin còn lại như phân tử khối hay phần trăm khối lượng đều được suy ra từ ý chính này.

2. Công thức phân tử KHÔNG cho biết điều gì?

Đây là chỗ học sinh hay chọn nhầm. Vẫn với C₂H₆O, có tới hai chất hoàn toàn khác nhau cùng ứng với công thức này:

Ethanol (cồn): CH₃–CH₂–OH, là chất lỏng ở điều kiện thường, tác dụng được với sodium và giải phóng khí H₂.
Dimethyl ether: CH₃–O–CH₃, là chất khí ở điều kiện thường, không tác dụng với sodium.

Hai chất có cùng số nguyên tử C, H, O nhưng các nguyên tử nối với nhau khác nhau, nên tính chất cũng khác nhau. Những chất như vậy gọi là đồng phân. Từ đây suy ra công thức phân tử không cho biết:

thứ tự liên kết giữa các nguyên tử (phần này do công thức cấu tạo thể hiện);
loại liên kết (đơn, đôi hay ba) và nhóm chức trong phân tử;
hình dạng không gian của phân tử;
tính chất vật lí và tính chất hoá học cụ thể của chất.

3. So sánh ba loại công thức thường gặp

Loại công thức	Cho biết điều gì	Ví dụ (glucose)
Công thức đơn giản nhất (công thức thực nghiệm)	Tỉ lệ tối giản về số nguyên tử của các nguyên tố	CH₂O
Công thức phân tử	Số lượng thực của nguyên tử mỗi nguyên tố trong một phân tử	C₆H₁₂O₆
Công thức cấu tạo	Thành phần, số lượng nguyên tử và thứ tự, cách liên kết giữa chúng	CH₂OH–[CHOH]₄–CHO

Quan hệ giữa hai loại công thức đầu: công thức phân tử = (công thức đơn giản nhất)_n, với n là số nguyên dương. Ở glucose, (CH₂O)₆ = C₆H₁₂O₆, nên n = 6. Có khi n = 1, tức công thức phân tử trùng với công thức đơn giản nhất, ví dụ CH₄ hay C₂H₆O.

4. Mẹo nhớ nhanh

“Phân tử: đếm. Cấu tạo: nối.” Công thức phân tử chỉ giúp ta đếm số nguyên tử. Công thức cấu tạo mới cho biết các nguyên tử nối với nhau ra sao.
Gặp phương án “tỉ lệ số nguyên tử”, các em nhớ rằng công thức đơn giản nhất cũng cho biết tỉ lệ. Công thức phân tử đặc trưng hơn ở chỗ nó cho biết số lượng thực.
Gặp phương án có chữ “thứ tự liên kết”, “cách sắp xếp” hay “cấu trúc”, hãy nghĩ ngay đến công thức cấu tạo.

5. Lỗi sai thường gặp

Nghĩ rằng biết công thức phân tử là biết chất. Điều này sai, vì một công thức phân tử có thể ứng với nhiều đồng phân. Ví dụ C₄H₁₀ ứng với butane và isobutane (2-methylpropane).
Nhầm công thức phân tử với công thức đơn giản nhất. CH₂O là công thức đơn giản nhất chung của formaldehyde, acetic acid (C₂H₄O₂) và glucose (C₆H₁₂O₆). Nếu chỉ biết công thức đơn giản nhất thì chưa xác định được chất.
Quên điều kiện về hoá trị. Công thức phân tử của hợp chất hữu cơ chứa C, H, O phải có số nguyên tử H chẵn, và số H tối đa là 2C + 2. Ví dụ “C₂H₇O” không thể là công thức phân tử của một hợp chất bền.

6. Cách lập công thức phân tử hợp chất hữu cơ

Theo chương trình Hoá học 11 hiện hành, quy trình gồm ba bước:

Tìm công thức đơn giản nhất từ phần trăm khối lượng các nguyên tố. Với hợp chất C_xH_yO_z, ta có x : y : z = %C/12 : %H/1 : %O/16, rồi đưa về tỉ lệ số nguyên tối giản.
Xác định phân tử khối M, thường dựa vào phổ khối lượng (MS). Trên phổ, peak ion phân tử [M⁺] thường là peak có giá trị m/z lớn nhất, và giá trị m/z này bằng phân tử khối. Ngoài ra có thể tính M từ tỉ khối hơi.
Tìm n theo công thức n = M : (khối lượng công thức đơn giản nhất), rồi viết công thức phân tử.

Ví dụ minh hoạ (số liệu tự đặt): Chất X chứa 40,00% C; 6,67% H; còn lại là O. Trên phổ khối lượng của X, peak có m/z lớn nhất bằng 60.

%O = 100 − 40,00 − 6,67 = 53,33%.
x : y : z = 40/12 : 6,67/1 : 53,33/16 = 3,333 : 6,67 : 3,333 = 1 : 2 : 1. Vậy công thức đơn giản nhất là CH₂O, có khối lượng bằng 30.
n = 60 : 30 = 2, nên công thức phân tử của X là C₂H₄O₂.

Lưu ý là đến đây ta mới chỉ biết X có 2C, 4H, 2O. Công thức C₂H₄O₂ có thể là acetic acid CH₃COOH hoặc methyl formate HCOOCH₃. Muốn phân biệt hai chất này cần thêm dữ kiện về tính chất hoặc phổ hồng ngoại (IR). Ví dụ này cho thấy rõ giới hạn của công thức phân tử.

7. Luyện tập (có đáp án)

Bài 1. Điền vào chỗ trống: “Công thức phân tử C₃H₈O cho biết phân tử gồm …… nguyên tố, trong đó có …… nguyên tử C, …… nguyên tử H, …… nguyên tử O; phân tử khối bằng …….”

Đáp án: 3 nguyên tố; 3 nguyên tử C, 8 nguyên tử H, 1 nguyên tử O; M = 3.12 + 8 + 16 = 60.

Bài 2. Công thức phân tử C₃H₈O có đủ để xác định một chất duy nhất không? Hãy giải thích.

Đáp án: Không đủ. Có ba đồng phân cấu tạo ứng với C₃H₈O: propan-1-ol CH₃CH₂CH₂OH, propan-2-ol CH₃CH(OH)CH₃ và ethyl methyl ether CH₃OCH₂CH₃. Công thức phân tử chỉ cho biết số nguyên tử, không cho biết cách các nguyên tử liên kết với nhau.

Bài 3. Một hydrocarbon Y có 85,71% C về khối lượng. Trên phổ khối lượng của Y, peak ion phân tử có m/z = 56. Hãy lập công thức phân tử của Y.

Đáp án: %H = 14,29%. Ta có C : H = 85,71/12 : 14,29/1 = 7,14 : 14,29 = 1 : 2, nên công thức đơn giản nhất là CH₂ (khối lượng 14). n = 56 : 14 = 4, vậy công thức phân tử của Y là C₄H₈.

Bài 4. Cho các chất có công thức phân tử: CH₄, C₂H₄O₂, C₆H₆, C₂H₆O. Chất nào có công thức phân tử trùng với công thức đơn giản nhất?

Đáp án: CH₄ và C₂H₆O, vì tỉ lệ số nguyên tử trong hai công thức này đã tối giản. C₂H₄O₂ có công thức đơn giản nhất là CH₂O, còn C₆H₆ có công thức đơn giản nhất là CH.

8. Tóm tắt kiến thức cần nhớ

Công thức phân tử cho biết nguyên tố có trong phân tử và số lượng nguyên tử của mỗi nguyên tố. Từ đó tính được phân tử khối và phần trăm khối lượng.
Công thức phân tử không cho biết thứ tự liên kết và cấu trúc phân tử, vì vậy một công thức phân tử có thể ứng với nhiều đồng phân.
Công thức phân tử = (công thức đơn giản nhất)_n. Giá trị n được tìm nhờ phân tử khối, thường lấy từ phổ khối lượng.

Câu hỏi thường gặp

Công thức phân tử cho biết thông tin gì về hợp chất hữu cơ?

Công thức phân tử cho biết phân tử gồm những nguyên tố nào và mỗi nguyên tố có bao nhiêu nguyên tử. Từ đó tính được phân tử khối và phần trăm khối lượng các nguyên tố.

Công thức phân tử có cho biết thứ tự liên kết giữa các nguyên tử không?

Không. Thứ tự liên kết giữa các nguyên tử do công thức cấu tạo thể hiện. Vì vậy một công thức phân tử như C2H6O có thể ứng với nhiều chất khác nhau, chẳng hạn ethanol và dimethyl ether.

Công thức phân tử khác công thức đơn giản nhất ở điểm nào?

Công thức đơn giản nhất chỉ cho biết tỉ lệ tối giản về số nguyên tử. Công thức phân tử cho biết số nguyên tử thực trong một phân tử, và bằng công thức đơn giản nhất nhân với n.

Làm sao xác định phân tử khối để lập công thức phân tử?

Theo chương trình Hoá học 11 hiện hành, phân tử khối thường được xác định bằng phổ khối lượng. Peak ion phân tử, thường là peak có m/z lớn nhất, cho biết giá trị phân tử khối. Ngoài ra có thể tính phân tử khối từ tỉ khối hơi.