Lớp 11 · Hoá Học
Bài 12
Công Thức Phân Tử Hợp Chất Hữu Cơ
Công thức tổng quát, công thức đơn giản nhất, công thức phân tử và phương pháp phổ khối lượng (MS)
1
Khái niệm công thức phân tử
▼
ĐỊNH NGHĨA
Công thức phân tử (CTPT) cho biết thành phần nguyên tố và số lượng nguyên tử của mỗi nguyên tố trong phân tử.
Ví dụ: khí butane và propane là khí hoá lỏng được nén trong bình gas, được các gia đình sử dụng để đun nấu, có CTPT lần lượt là $\text{C}_4\text{H}_{10}$ và $\text{C}_3\text{H}_8$.
| Hợp chất | Công thức phân tử |
|---|---|
| Methane | $\text{CH}_4$ |
| Ethane | $\text{C}_2\text{H}_6$ |
| Ethylene | $\text{C}_2\text{H}_4$ |
| Ethyl chloride | $\text{C}_2\text{H}_5\text{Cl}$ |
| Ethanol | $\text{C}_2\text{H}_6\text{O}$ |
Ý nghĩa: Khi nhìn vào CTPT, ta biết được:
- Phân tử chứa những nguyên tố nào.
- Mỗi nguyên tố có bao nhiêu nguyên tử trong một phân tử.
- Tính được phân tử khối (M) của hợp chất.
🧪 Ví dụ minh hoạ
Tính phân tử khối của ethanol $\text{C}_2\text{H}_6\text{O}$.
Bước 1: Đọc CTPT — có 2 nguyên tử C, 6 nguyên tử H, 1 nguyên tử O.
Bước 2: $M = 2 \times 12 + 6 \times 1 + 1 \times 16 = 24 + 6 + 16 = 46$.
M (ethanol) = 46 (đvC hay g/mol)
2
Ba loại công thức biểu diễn hợp chất hữu cơ
▼
Có 3 loại công thức thường dùng để biểu diễn một hợp chất hữu cơ. Mỗi loại cho biết một thông tin khác nhau:
| Loại công thức | Cho biết | Ví dụ |
|---|---|---|
| Công thức tổng quát | Các nguyên tố có trong phân tử | $\text{C}_x\text{H}_y\text{O}_z$ — phân tử có C, H, O |
| Công thức đơn giản nhất (CTĐGN) | Tỉ lệ số nguyên tử (tối giản) | $\text{C}_2\text{H}_4\text{O}_2$ → CTĐGN là $\text{CH}_2\text{O}$ |
| Công thức phân tử (CTPT) | Số nguyên tử thực tế của mỗi nguyên tố | $\text{C}_2\text{H}_6\text{O}$, $\text{C}_6\text{H}_{12}\text{O}_6$ |
MỐI QUAN HỆ CTPT – CTĐGN
$\text{C}_x\text{H}_y\text{O}_z = (\text{C}_p\text{H}_q\text{O}_r)_n$
Trong đó:
- $p, q, r$ là các số nguyên tối giản (ƯCLN $= 1$).
- $x, y, z, n$ là các số nguyên dương.
- $\text{C}_p\text{H}_q\text{O}_r$ là công thức đơn giản nhất.
- $n$ là hệ số nhân, cho biết CTPT lớn gấp $n$ lần CTĐGN.
🧪 Ví dụ minh hoạ
Xác định CTĐGN của glucose có CTPT $\text{C}_6\text{H}_{12}\text{O}_6$.
Bước 1: Tìm ƯCLN(6, 12, 6) = 6.
Bước 2: Chia mỗi chỉ số cho 6 → C: $6/6 = 1$; H: $12/6 = 2$; O: $6/6 = 1$.
Bước 3: CTĐGN là $\text{CH}_2\text{O}$.
Bước 4: Quan hệ: $\text{C}_6\text{H}_{12}\text{O}_6 = (\text{CH}_2\text{O})_6$ → $n = 6$.
CTĐGN của glucose: $\text{CH}_2\text{O}$, hệ số $n = 6$
⚠️
Phân biệt: Nhiều chất khác nhau có thể có cùng CTĐGN nhưng CTPT khác nhau. Ví dụ: $\text{CH}_2\text{O}$ là CTĐGN của cả formaldehyde ($\text{CH}_2\text{O}$, $n=1$), acetic acid ($\text{C}_2\text{H}_4\text{O}_2$, $n=2$) và glucose ($\text{C}_6\text{H}_{12}\text{O}_6$, $n=6$).
3
Xác định phân tử khối bằng phổ khối lượng (MS)
▼
PHỔ KHỐI LƯỢNG (MS)
Phương pháp phổ khối lượng (Mass Spectrometry – MS) được sử dụng để xác định phân tử khối của hợp chất hữu cơ.
▸ Nguyên lí hoạt động
Trong máy khối phổ, phân tử chất nghiên cứu bị bắn phá bởi một dòng electron năng lượng cao, làm phân tử mất 1 electron để tạo thành ion phân tử:
$\text{M} \xrightarrow{\;+E\;} [\text{M}^+] + e^-$
- $[\text{M}^+]$ gọi là mảnh ion phân tử.
- Giá trị $m/z$ của mỗi mảnh ion và hàm lượng tương đối của chúng được thể hiện trên phổ khối lượng.
▸ Cách xác định phân tử khối
QUY TẮC QUAN TRỌNG
Với hợp chất đơn giản, mảnh có $m/z$ lớn nhất ứng với mảnh ion phân tử $[\text{M}^+]$, và giá trị này bằng phân tử khối $M$ của chất.
Phổ MS của ethanol – peak $[\text{M}^+]$ ở $m/z = 46$ (SGK)
🧪 Ví dụ minh hoạ
Trên phổ MS của ethanol, peak có $m/z$ lớn nhất ở giá trị 46. Xác định phân tử khối của ethanol và kiểm tra với CTPT $\text{C}_2\text{H}_6\text{O}$.
Bước 1: Peak có $m/z$ lớn nhất là peak ion phân tử $[\text{M}^+]$ → $M = 46$.
Bước 2: Kiểm tra: với $\text{C}_2\text{H}_6\text{O}$, $M = 2 \times 12 + 6 + 16 = 46$ ✓.
Phân tử khối ethanol $M = 46$ (g/mol)
💡
Lưu ý: Trên phổ MS có nhiều peak (do phân tử bị "vỡ" thành các mảnh nhỏ hơn). Khi đọc phổ, ta tìm peak có $m/z$ LỚN NHẤT — đó mới là peak của ion phân tử $[\text{M}^+]$ và bằng $M$.
4
Lập công thức đơn giản nhất từ % khối lượng
▼
Khi biết phần trăm khối lượng các nguyên tố trong phân tử, ta có thể lập công thức đơn giản nhất theo các bước sau:
📐 Các bước thực hiện
Bước 1: Xác định %m của tất cả các nguyên tố (nếu cần, tính %O = 100% – %C – %H).
Bước 2: Lập tỉ lệ số nguyên tử $x : y : z$ bằng cách chia %m cho khối lượng nguyên tử.
Bước 3: Chia tất cả cho số nhỏ nhất để được tỉ lệ tối giản.
Bước 4: Viết CTĐGN $\text{C}_p\text{H}_q\text{O}_r$.
Bước 2: Lập tỉ lệ số nguyên tử $x : y : z$ bằng cách chia %m cho khối lượng nguyên tử.
Bước 3: Chia tất cả cho số nhỏ nhất để được tỉ lệ tối giản.
Bước 4: Viết CTĐGN $\text{C}_p\text{H}_q\text{O}_r$.
CÔNG THỨC TRỌNG TÂM
$x : y : z = \dfrac{\%m_C}{12} : \dfrac{\%m_H}{1} : \dfrac{\%m_O}{16}$
Khối lượng nguyên tử cần nhớ: C = 12, H = 1, O = 16, N = 14, Cl = 35,5.
🧪 Ví dụ minh hoạ
Hợp chất X chứa 40,00% C, 6,67% H, còn lại là O. Lập CTĐGN của X.
Bước 1: %O = 100 – 40,00 – 6,67 = 53,33%.
Bước 2: $x : y : z = \dfrac{40}{12} : \dfrac{6{,}67}{1} : \dfrac{53{,}33}{16} = 3{,}33 : 6{,}67 : 3{,}33$.
Bước 3: Chia cho số nhỏ nhất (3,33): $x : y : z = 1 : 2 : 1$.
Bước 4: CTĐGN là $\text{CH}_2\text{O}$.
CTĐGN của X: $\text{CH}_2\text{O}$
⚠️
Khi chia ra số lẻ gần số nguyên (như 4,998 hoặc 5,99), làm tròn về số nguyên gần nhất (ví dụ: 4,998 ≈ 5; 5,99 ≈ 6). Nếu chia ra số lẻ kiểu 1,5 ; 2,5 ; 1,33... thì nhân thêm với 2 hoặc 3 để được số nguyên.
5
Lập công thức phân tử (CTPT) — kết hợp % và phổ MS
▼
Để lập công thức phân tử của hợp chất hữu cơ, ta cần kết hợp 2 thông tin:
- Phần trăm khối lượng các nguyên tố → cho CTĐGN.
- Phân tử khối $M$ (từ phổ MS) → cho hệ số $n$.
📐 Quy trình 4 bước
Bước 1: Lập CTĐGN $\text{C}_p\text{H}_q\text{O}_r$ từ % khối lượng (như mục 4).
Bước 2: Xác định $M$ từ phổ MS (= $m/z$ của peak $[\text{M}^+]$ lớn nhất).
Bước 3: Tính $M$ của CTĐGN, rồi tính $n = \dfrac{M}{M_{\text{CTĐGN}}}$.
Bước 4: CTPT $= (\text{C}_p\text{H}_q\text{O}_r)_n$.
Bước 2: Xác định $M$ từ phổ MS (= $m/z$ của peak $[\text{M}^+]$ lớn nhất).
Bước 3: Tính $M$ của CTĐGN, rồi tính $n = \dfrac{M}{M_{\text{CTĐGN}}}$.
Bước 4: CTPT $= (\text{C}_p\text{H}_q\text{O}_r)_n$.
CÔNG THỨC HỆ SỐ N
$n = \dfrac{M}{M_{\text{CTĐGN}}}$
🧪 Ví dụ minh hoạ (Eugenol – SGK)
Eugenol (tinh dầu đinh hương) chứa 73,17% C; 7,31% H; còn lại là O. Phổ MS cho biết $M = 164$. Lập CTPT của eugenol.
Bước 1: %O = 100 – 73,17 – 7,31 = 19,52%.
Bước 2: $x:y:z = \dfrac{73{,}17}{12} : \dfrac{7{,}31}{1} : \dfrac{19{,}52}{16} = 6{,}098 : 7{,}31 : 1{,}22$.
Bước 3: Chia cho 1,22: $x:y:z \approx 5 : 6 : 1$ → CTĐGN: $\text{C}_5\text{H}_6\text{O}$.
Bước 4: $M_{\text{CTĐGN}} = 12 \times 5 + 6 + 16 = 82$ → $n = \dfrac{164}{82} = 2$.
Bước 5: CTPT $= (\text{C}_5\text{H}_6\text{O})_2 = \text{C}_{10}\text{H}_{12}\text{O}_2$.
CTPT của eugenol: $\text{C}_{10}\text{H}_{12}\text{O}_2$
🧪 Ví dụ minh hoạ (Camphor – SGK)
Camphor (long não) chứa 78,94% C; 10,53% H; 10,53% O. Phổ MS có peak $[\text{M}^+]$ tại $m/z = 152$. Lập CTPT.
Bước 1: $x:y:z = \dfrac{78{,}94}{12} : \dfrac{10{,}53}{1} : \dfrac{10{,}53}{16} = 6{,}578 : 10{,}53 : 0{,}658$.
Bước 2: Chia cho 0,658: $x:y:z \approx 10 : 16 : 1$ → CTĐGN: $\text{C}_{10}\text{H}_{16}\text{O}$.
Bước 3: $M_{\text{CTĐGN}} = 120 + 16 + 16 = 152$ → $n = \dfrac{152}{152} = 1$.
Bước 4: CTPT $= \text{C}_{10}\text{H}_{16}\text{O}$ (trùng CTĐGN).
CTPT của camphor: $\text{C}_{10}\text{H}_{16}\text{O}$
6
Tổng kết – Xem đầy đủ lý thuyết
▼
▸ Tổng kết kiến thức trọng tâm
| Nội dung | Kiến thức trọng tâm |
|---|---|
| CTPT | Cho biết thành phần nguyên tố và số nguyên tử thực tế của mỗi nguyên tố. |
| CT tổng quát | Cho biết các nguyên tố có trong phân tử (chưa biết số lượng). |
| CTĐGN | Cho biết tỉ lệ tối giản số nguyên tử các nguyên tố. |
| Quan hệ | CTPT $= (\text{CTĐGN})_n$ với $n = \dfrac{M}{M_{\text{CTĐGN}}}$. |
| Phổ MS | $M$ = $m/z$ của peak $[\text{M}^+]$ lớn nhất. |
| Lập CTĐGN | $x : y : z = \dfrac{\%C}{12} : \dfrac{\%H}{1} : \dfrac{\%O}{16}$ → rút gọn. |
Để xem lý thuyết đầy đủ kèm hình ảnh phổ MS minh hoạ, bảng tổng hợp, các lưu ý và phương pháp giải đầy đủ các dạng bài tập, hãy đọc bài viết bên dưới:
📚
Bài 12 — Công thức phân tử hợp chất hữu cơ (Lý thuyết & Phương pháp giải)
Toàn bộ định nghĩa, cách đọc phổ MS, các dạng bài tập từ cơ bản đến nâng cao và lỗi sai thường gặp.
Xem ngay →
Toàn bộ định nghĩa, cách đọc phổ MS, các dạng bài tập từ cơ bản đến nâng cao và lỗi sai thường gặp.
Sau khi đã nắm vững lý thuyết, các em hãy chuyển sang tab Bài Tập để luyện 25 câu bám sát chương trình SGK Kết Nối Tri Thức!
1
—
Điểm: 0/25
⚗️
Cùng luyện Bài 12 – Công thức phân tử!
25 câu: 19 trắc nghiệm · 2 đúng/sai · 4 tự luận
🏆
Tuyệt vời!
0/25
💡 Gợi ý
ThS. Lê Thị Mai Nhi
(Người kiểm duyệt, ra đề)
Chức vụ: Trưởng ban biên soạn môn Hoá Học THPT
Trình độ: Thạc sĩ Hóa học, Chứng chỉ hạng II, Chứng chỉ STEM, Ngoại ngữ B1
Kinh nghiệm: 10+ năm kinh nghiệm tại Trường THPT Chuyên Nguyễn Huệ