Tài liệu Cấu trúc phân tử và tính chất vật lí của các hợp chất hữu cơ trong dạy học hóa học ở trường phổ thông

PHẦN I: MỞ ĐẦU 1. Lí do chọn đề tài Hóa học hữu cơ là một ngành khoa học nghiên cứu về những thành phần, cấu trúc, tính chất, cách thức phản ứng, cách tổng hợp của những hợp chất hữu cơ và vật liệu hữu cơ…cũng như nhiều vật chất khác nhau chứa nguyên tử cacbon. Việc nghiên cứu cấu trúc phân tử của một hợp chất hữu cơ có thể sử dụng nhiều thành tựu của các lĩnh vực khác nhau như phương pháp quang phổ, phương pháp vật lí và hóa học để định danh thành phần hóa học cũng như cấu tạo của chúng. Tuyệt đại đa số các hợp chất hữu cơ là hiđrocacbon và dẫn xuất thế hiđro của hiđrocacbon. Tính chất của hợp chất hữu cơ chịu ảnh hưởng của cấu trúc của phân tử. Sự thay đổi các liên kết trong cấu trúc phân tử các hợp chất hữu cơ ảnh hưởng lớn đến tính chất hóa học và tính chất vật lí của chúng. Sự thay đổi này sẽ tạo ra những chất mới có những tính chất mới. Trong chương trình hóa học hữu cơ ở trường đại học, tính chất vật lí của các hợp chất hữu cơ cũng là một nội dung quan trọng được đề cập nhiều. Tuy nhiên, đa số sinh viên hóa học còn chưa hiểu rõ sự ảnh hưởng của cấu trúc phân tử và các liên kết yếu đến tính chất vật lí của hợp chất hữu cơ như thế nào và những liên kết trong phân tử gây ra những quy luật biến đổi trong tính chất của chúng hay không. Chính vì vậy, tôi xin chọn đề tài nghiên cứu của mình là: “Cấu trúc phân tử và tính chất vật lí của các hợp chất hữu cơ trong dạy học hóa học ở trường phổ thông”. Thông qua đề tài này, học sinh hiểu rõ hơn về đặc điểm cấu trúc, các liên kết yếu trong hợp chất và ảnh hưởng của chúng đến tính chất vật lí của các hợp hữu cơ. Đồng thời học sinh nắm được các quy luật và nguyên nhân sự thay đổi các tính chất vật lí đó. Mặt khác, đề tài giúp các giáo viên sử dụng đề giảng dạy về tính chất vật lí của các hợp chất hữu cơ trong chương trình hóa học phổ thông. 2. Khách thể và đối tượng nghiên cứu - Khách thể: Các hợp hữu cơ trong chương trình Hóa học phổ thông - Đối tượng: Cấu trúc phân tử và tính chất vật lí của các hợp chất hữu cơ. 3. Mục đích nghiên cứu 1 - Xác định cấu trúc, tính chất vật lí của các hợp hữu cơ (Nhiệt độ sôi, nhiệt độ nóng chảy, tính tan). - Ảnh hưởng của các liên kết yếu đến tính chất vật lí - Các quy luật biến đổi các tính chất vật lí và giải thích nguyên nhân của sự biến đổi đó. 4. Nhiệm vụ nghiên cứu - Nghiên cứu cơ sở lí thuyết về cấu trúc phân tử của các hợp chất hữu cơ. - Nghiên cứu tài liệu về tính chất vật lí của các hợp chất. - Chỉ ra quy luật biến đổi các tính chất vật lí, ảnh hưởng của các liên kết yếu và giải thích quy luật biến đổi các tính chất đó. 5. Phương pháp nghiên cứu - Nghiên cứu các vấn đề lí thuyết có liên quan đến đề tài. - Đọc và tham khảo các tài liệu có liên quan, từ đó hệ thống hóa lý thuyết một cách tổng quát về cấu trúc phân tử và tính chất vật lí của các hợp chất hữu cơ về quy luật biến đổi và nguyên nhân biến đổi. - Tham khảo ý kiến của giáo viên giảng dạy môn Hóa học, từ học sinh, nghiên cứu các tài liệu liên quan. 6. Nội dung đề tài Nội dung đề tài gồm các phần: - Các khái niệm cơ bản về nhiệt độ sôi, nhiệt độ nóng chảy, tính tan, liên kết yếu trong các hợp chất hữu cơ. - Tổng quan về cấu trúc phân tử các hợp chất hữu cơ. - Cấu trúc phân tử của các hợp chất hữu cơ trong chương trình hóa học phổ thông (hiđrocacbon, hợp chất có chứa nhóm chức, hợp chất cao phân tử polime) - Quy luật biến đổi các tính chất vật lí (nhiệt độ sôi, nhiệt độ nóng chảy, tính tan) và giải thích nguyên nhân gây ra những biến đổi đó. - Áp dụng những kiến thức vào trong quá trình giảng dạy phần tính chất vật lí của các hợp chất hữu cơ trong chương trình hóa học phổ thông phần hữu cơ lớp 11 và 12. 2 PHẦN II: NỘI DUNG CHƯƠNG 1. CƠ SỞ LÍ THUYẾT 1.1 Những khái niệm cơ bản[1][2][3] 1.1.1. Nhiệt độ sôi Quá trình chuyển thể từ thể lỏng sang thể khí xảy ra ở cả bên trong và trên bề mặt chất lỏng gọi là sự sôi. Mỗi chất lỏng sôi ở một nhiệt độ xác định. Nhiệt độ đó gọi là nhiệt độ sôi. Nhiệt độ sôi là nhiệt độ tại đó áp suất hơi của các chất bằng áp suất khí quyển trên bề mặt chất lỏng, nên nhiệt độ sôi phụ thuộc: - Áp suất khí quyển trên bề mặt chất lỏng (áp suất thấp thì nhiệt độ sôi thấp) - KLPT các chất: KLPT các chất càng lớn thì chất càng khó bay hơi - Liên kết hiđro: LK hiđro càng bền thì nhiệt độ sôi càng cao - Các yếu tố khác: Lực hút Van đec Van, sự phân cực của phân tử. 1.1.2. Nhiệt độ nóng chảy Nhiệt độ nóng chảy hay điểm nóng chảy/nhiệt độ hóa lỏng của một chất rắn là nhiệt độ mà khi đạt tới ngưỡng đó thì chất chuyển trạng thái từ rắn sang lỏng. Nhiệt độ của thay đổi ngược lại (tức là từ trạng thái lỏng sang trạng thái rắn) là nhiệt độ đông đặc hay điểm đông đặc. Điểm nóng chảy trùng với điểm đông đặc vì trong quá trình chuyển pha của một chất nhiệt độ không đổi. 1.1.3. Tính tan Tính tan là khả năng hòa tan của một chất trong nước hay trong các dung môi. Tính tan được thể hiện qua độ tan (g/100g dung môi). Ngoài ra còn thể hiện ở tích số tan của chất trong dung môi nhất định. Tích số tan trong một dung môi phụ thuộc vào bản chất của chất tan và nhiệt độ mà tại đó chất tan có thể hòa tan được. 1.2. Quy luật chi phối nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ sôi - Hợp chất ion thường có nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ sôi cao hơn hợp chất cộng hóa trị. - Trong cùng dãy đồng đẳng hoặc trong một dãy chất mà mức độ phân cực không khác nhau nhiều thì nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ sôi thường tăng theo phân tử khối. 3 - Trong dãy chất đồng phân thì chất nào có chứa nhóm phân cực hơn, tạo được nhiều liên kết hiđro liên phân tử hơn thì thường có nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ sôi cao hơn. Đối với các đồng phân không tạo được liên kết hiđro thì đồng phân nào có cấu tạo gọn gàng hơn (cấu tạo đối xứng hơn) thường có nhiệt độ nóng chảy cao hơn nhưng nhiệt độ sôi thì thường thấp hơn. 1.3. Quy luật chi phối tính tan: “Độ phân cực của các phân tử giống nhau thì chúng hòa tan tốt vào nhau” Khi xét độ tan trong nước của chất hữu cơ cần chú ý tới tương quan về số lượng và lực tương tác của hợp phần ưa nước so với hợp phần kị nước. 1.4. Liên kết yếu - Liên kết yếu là những liên kết trong cấu trúc phân tử dễ bị phá vỡ bởi các tác nhân xung quanh như nhiệt độ, áp suất…. - Liên kết yếu gồm liên kết hiđro và Lực hút Van đe Van a. Liên kết hiđro σ− σ+ - Liên kết hiđro được hình thành giữa Hδ+ của liên kết này ( X ← H ) với một nguyên tử (hay nhóm nguyên tử) ..σ − Y mang cặp electron tự do, nhờ một tương tác tĩnh điện yếu khoảng 10-40 kJ/mol: δ- δ+ δ- X----- -------H…Y Liên kết Liên kết hiđro cộng hóa trị phân cực - Phân loại liên kết hiđro gồm 2 loại liên kết là liên kết hiđro liên phân tử và liên kết hiđro nội phân tử O H----O CH3 CH3 H CH2 H2C O H O Liên phân tử H Nội phân tử - Ảnh hưởng của liên kết hiđro đến tính chất vật lí: Liên kết hiđro liên phân tử làm tăng nhiệt đội sôi và nhiệt độ nóng chảy so với những chất có phân tử khối tương đương mà không có liên kết hiđro hoặc chỉ có liên kết hiđro nội phân tử. - Sự hình thành liên kết hiđro giữa chất tan và dung môi làm tăng độ tan 4 b. Lực hút Van đec Van - Những lực hút yếu giữa các phân tử không phân cực được gọi là lực hút Van đe Van. - Lực hút Van đec Van tăng theo độ lớn phân tử. Ảnh hưởng đến nhiệt độ sôi, nhiệt độ nóng chảy và tính tan của hợp chất hữu cơ. c. Liên kết cộng hóa trị Liên kết cộng hóa trị là liên kết được hình thành giữa các nguyên tử bằng một hay nhiều cặp điện tử (electron) chung. Như sự hình thành phân tử H2, nguyên tử H có cấu hình electron là 1s1. Mỗi nguyên tử H góp chung 1 electron tạo thành 1 cặp electron trong phân tử H2, như vậy, trong phân tử H2, mỗi nguyên tử có hai electron, giống cấu hình bền vững của khí hiếm heli. Liên kết cộng hóa trị được chia làm hai loại: Liên kết hóa trị không phân cực và liên kết hóa trị phân cực. Liên kết hóa trị không phân cực Là liên kết giữa cộng hóa trị giữa nguyên tử của các nguyên tố có độ âm điện bằng nhau. Do đó, các cặp electron chung không bị kéo lệch về bất cứ bên nào - liên kết không phân cực. Liên kết công hóa trị phân cực Là liên kết cộng hóa trị giữa nguyên tử của các nguyên tố có độ âm điện không bằng nhau. Do đó, các cặp electron chung bị hút lệch về nguyên tử có độ âm điện lớn hơn - liên kết bị phân cực. Ví dụ: Liên kết cộng hóa trị giữa H và Cl: Mỗi nguyên tử góp chung 1 electron tạo nên 1 liên kết cộng hóa trị. Độ âm điện của Cl là 3,16; lớn hơn của H là 2,2 nên cặp electron chung bị hút lệch về phía Cl, liên kết bị phân cực: Hδ+- Clδ-. Tính chất vật lí của các chất có liên kết cộng hóa trị Các chất mà phân tử chỉ có liên kết cộng hóa trị có thể là chất rắn như: đường, lưu huỳnh, sắt...; chất lỏng như: nước, rượu..., hoặc chất khí như: cacbonic, clo, hiđro,... Các chất có cực như ancol etylic, đường,... tan nhiều trong dung môi có cực như nước. Phần lớn các chất không cực như iot và các chất hữu cơ không cực tan trong dung môi không cực như benzen, cacbon tetraclorua... 5 Nói chung, các chất chỉ có liên kết cộng hóa trị không cực không dẫn điện ở mọi trạng thái. 1.5. Tổng quan về cấu trúc phân tử các hợp chất hữu cơ [1][2][3] 1.5.1. Những đặc điểm chung của hợp chất hữu cơ - Trong thành phần phân tử hợp chất hữu cơ có thể gặp hầu hết các nguyên tố hóa học có trong bảng tuần hoàn song số lượng các nguyên tố thường xuyên có mặt thì không nhiều và nhất thiết phải có C, thường có H, hay gặp O, N rồi halogen, S, P... và các nguyên tố khác. - Liên kết hóa học chủ yếu trong hợp chất hữu cơ là liên kết cộng hóa trị. Nguyên tử cacbon không những có khả năng liên kết với những nguyên tử của các nguyên tố khác mà còn có thể liên kết giữa chúng với nhau tạo thành những mạch cacbon khác nhau. - Các hợp chất hữu cơ tương đối dễ bay hơi, kém bền đối với nhiệt và dễ cháy. - Phần lớn các hợp chất hữu cơ không tan hoặc rất ít tan trong nước song lại tan trong dung môi hữu cơ. 1.5.2. Cấu tạo phân tử hợp chất hữu cơ - Công thức phân tử cho biết số lượng và thành phần nguyên tử của mỗi nguyên tố trong phân tử còn công thức cấu tạo cho biết thứ tự kết hợp và cách liên kết giữa các nguyên tử đó. - Các hợp chất hữu cơ thường có cấu trúc không gian được biểu diễn bằng các mô hình, để mô tả cấu trúc không gian ta có thể sử dụng các công thức thích hợp. 6 CHƯƠNG 2: ẢNH HƯỞNG CỦA CẤU TRÚC PHÂN TỬ ĐẾN TÍNH CHẤT VẬT LÝ CỦA CÁC HỢP CHẤT HỮU CƠ I. Hiđrocacbon 1. Ankan: EC-C = 348kJ/mol [3][4][5][11][12] Trạng thái: Ở nhiệt độ thường C1-C4: trạng thái khí (trừ neo – pentan ở thể khí ở điều kiện thường) C5-C18: trạng thái lỏng >C18: trạng thái rắn 1.1 Cấu trúc Trong phân tử ankan, chỉ có các liên kết σ không phân cực (hoặc gần như không phân cực) nên toàn bộ phân tử cũng hầu như không phân cực. Giữa các phân tử ankan chỉ có lực tương tác Van đec Van rất yếu. Tất cả các nguyên tử cacbon trong phân tử ankan đều có trạng thái lai hóa sp3 và có gốc hóa trị vào khoảng 109,5o. Mạch cacbon ở dạng zich zắc. Khi có từ 4 nguyên tử cascbon trở lên, mạch cacbon có thể ở dạng ghế hoặc dạng thuyền, tuy nhiên dạng ghế bền hơn. Lực liên kết phân tử gồm 2 loại: lực tác dụng lưỡng cực và lực Van đec Van. Lực tác dụng lưỡng cực được gây ra bởi sự hút nhau của đầu mang điện tích dương của phân tử phân cực này với đầu âm của phân tử kia. (ví dụ như trong phân tử HCl). Lực Van đec Van có hiệu lực trong một khoảng cách ngắn và chỉ giữa các phân tử tiếp xúc với nhau, tức là giữa các bề mặt của các phân tử. Hình 1: Mô hình phân tử propan,butan và isobutan 7 1.2. Nhiệt độ nóng chảy, nhiệt độ sôi a. Quy luật - Nói chung phân tử khối càng lớn thì nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ sôi càng cao. - Nhiệt độ sôi tăng khoảng 20 tới 30 °C khi tăng một nhóm CH2 - Điểm nóng chảy của các ankan chứa lẻ số nguyên tử cacbon tăng nhanh hơn so với điểm nóng chảy của các ankan chứa chẵn số nguyên tử cacbon Hình 2: Sự phụ thuộc nhiệt độ sôi, nhiệt độ nóng chảy và khối lượng riêng vào chiều dài mạch cacbon của ankan - Trường hợp các ankan có phân tử khối bằng nhau, độ phân nhánh càng cao, nhiệt độ sôi càng giảm. Bảng 1: Hằng số vật lí của một số ankan Công thức Tên tnc (oC) ts (oC) CH4 Metan -183 -162 C2H6 Etan -183 -89 C3H8 Propan -188 -42 C4H10 Butan -138 -0,5 Iso-C4H10 isoButan -159 -10 C5H12 Pentan -130 36 Iso- C5H12 Isopentan -161 28 Neo - C5H12 Neopentan -18 10 C6H14 Hexan -95 69 8 C7H16 Heptan -91 98 C8H18 Octan -57 126 C9H20 Nonan -54 151 C10H22 Dekan -30 174 - Phân tử càng đối xứng, nhiệt độ nóng chảy càng cao. b. Giải thích - Trong một phân tử dù phân cực hoặc không, các electron luôn chuyển động quanh hạt nhân nguyên tử, còn hạt nhân thì thường xuyên dao động quanh vị trí cân bằng. Do đó, sự phân bố điện tích dương và âm trong phân tử nhất thời bị lệch đi làm xuất hiện lưỡng cực điện nhất thời và gây nên sự hút hoặc đẩy giữa các phân tử. Tuy nhiên do sự định hướng, tổng hợp lại lực hút lớn hơn lực đẩy làm cho các phân tử tồn tại được bên cạnh nhau. - Điểm nóng chảy của các ankan chứa lẻ số nguyên tử cacbon tăng nhanh hơn so với điểm nóng chảy của các ankan chứa chẵn số nguyên tử cacbon: nguyên nhân của hiện tượng này là do "mật độ bao gói" cao hơn của các ankan chứa chẵn số nguyên tử cacbon. Điểm nóng chảy của các ankan mạch nhánh có thể cao hơn hoặc thấp hơn so với các ankan mạch thẳng tương ứng, phụ thuộc vào hiệu quả của sự bao gói phân tử, nó là đúng phần nào với đối với các isoankan (các đồng phân 2-metyl), thông thường có điểm nóng chảy cao hơn so với các đồng phân mạch thẳng của nó. - Phân tử có tính đối xứng cầu, dẫn tới giảm mức độ tiếp xúc nên giảm lực hút giữa các phân tử. - Nguyên nhân chính ảnh hưởng đến nhiệt độ nóng chảy là mật độ tổ hợp của phân tử trong mạng lưới tinh thể, phân tử càng đối xứng mật độ tổ hợp trong tinh thể càng lớn, do đó nhiệt độ nóng chảy càng cao. - Các phân tử mạch thẳng dễ xếp khít nhau và phát huy lực hút tốt hơn các phân tử mạch nhánh khối cầu. Ví dụ: CH3-CH2-CH2-CH2-CH3 (nhiệt độ sôi 36oC) (CH3)4C (nhiệt độ sôi 3,5oC) 9 1.3. Tính tan: a. Quy luật Các ankan giống nhau về tính tan: - Chúng không tan trong nước (các ankan có khối lượng phân tử nhỏ có thể tan rất ít trong nước) - Chúng tan nhiều trong dung môi hữu cơ (hexan, ete, ...) - Các ankan nhẹ hơn nước, khối lượng riêng tăng theo mạch cacbon. b. Giải thích - Các ankan thuộc loại hợp chất không phân cực, dầu mỡ cũng là những chất không phân cực. Lực tương tác giữa các phân tử ankan và giữa các phân tử dầu mỡ tương tự nhau, đều do liên kết Van đec Van mà chủ yếu là lực tương tác khuếch tán. Vì thế ankan tan được trog dầu mỡ và cũng hòa tan tốt trong dầu mỡ, người ta nói ankan có tính lipophin. - Nước thuộc loại hợp chất phân cực mạnh. Lực giữa các phân tử nước được đảm bảo chủ yếu bởi tương tác lưỡng cực – lưỡng cực và liên kết hiđro liên phân tử. Vì thế các ankan đều không tan trong nước. Khi cho ankan vào nước nó tách thành pha riêng nằm ở trên pha nước (do tỉ khối nhỏ hơn). Vì thế người ta nói ankan không có tính hiđrophin (ưa nước) mà có tính hiđrophobic (kị nước). Mặt khác chúng không tạo ra các liên kết hiđro và vì vậy không hòa tan trong các dung môi phân cực như nước. Do các liên kết hiđro giữa các phân tử nước riêng biệt là tách biệt với các phân tử ankan, sự cùng tồn tại của ankan và nước dẫn tới sự tăng trong trật tự phân tử (giảm entropy). Do không có liên kết đáng kể giữa các phân tử nước và phân tử ankan, định luật hai nhiệt động lực học cho rằng việc giảm entropy này được giảm thiểu bằng cách giảm thiểu sự tiếp xúc giữa ankan và nước: các ankan được coi là không ưa nước và chúng là đẩy nước. 10 1.4. Áp dụng vào giảng dạy trong chương trình hóa học phổ thông Trong quá trình giảng dạy phần tính chất vật lí của ankan, cần chú ý liên hệ những nội dung thực tế như: + Tiềm năng của ankan: các nguồn thương mại quan trọng nhất của ankan rõ ràng là khí thiên nhiên và dầu mỏ, là những hợp chất hữu cơ duy nhất có ở dạng khoáng chất trong tự nhiên. Khí thiên nhiên chủ yếu chứa mêtan và êtan, với một propan và butan. Dầu mỏ là hỗn hợp của các ankan lỏng và các hiđrocacbon khác. + Liên hệ với các nội dung ứng dụng thực tế của ankan: Propan và butan có thể hóa lỏng ở áp suất tương đối thấp nên propan được sử dụng trong các lò nung khí propan còn butan thì trong các bật lửa sử dụng một lần. Cả hai ankan này được sử dụng làm tác nhân đẩy trong các bình xịt. Từ pentan tới octan thì ankan là các chất lỏng dễ bay hơi. Chúng được sử dụng làm nhiên liệu trong các động cơ đốt trong, do chúng dễ hóa hơi khi đi vào trong khoang đốt mà không tạo ra các giọt nhỏ có thể làm hư hại tính đồng nhất của sự cháy. Bên cạnh việc sử dụng như là nguồn nhiên liệu thì các ankan này còn là dung môi tốt cho các chất không phân cực. Các ankan từ nonan là các chất lỏng có độ nhớt cao, ít phù hợp cho mục đích sử dụng như xăng. Ngược lại, chúng tạo ra thành phần chủ yếu của dầu diesel (điezen). Các ankan từ hexadecan trở lên tạo ra thành phần quan trọng nhất của các loại chất đốt trong các lò đốt và dầu bôi trơn. Các ankan với độ dài mạch cacbon khoảng từ 35 trở lên được sử dụng chủ yếu trong nhựa đường để rải đường. 2. Xicloankan[3][4][5][11][12] Trạng thái: Các chất C3H6, C4H8 là những chất khí ở nhiệt độ thường Từ C5H10 thì ở thể lỏng hay rắn, tất cả đều không màu 2.1 Cấu trúc 11 - Xicloankan là hiđrocacbon mạch vòng có công thức phân tử chung là CnH2n (n ≥ 3) - Nếu n=3 thì góc CCC= 60o, vòng kém bền nhất - Nếu n=4 thì góc CCC=90o, vòng kém bền - Nếu n ≥ 5 thì góc CCC= 109,5o, vòng 6 cạnh thường bền nhất. Hình 3. Mô hình phân tử của một số xicloankan 2.2 Nhiệt độ sôi, nhiệt độ nóng chảy a. Quy luật: Nhiệt độ sôi, nhiệt độ nóng chảy và khối lượng riêng tăng theo chiều tăng khối lượng phân tử của các xicloankan. Nhiệt độ nóng chảy, nhiệt độ sôi và khối lượng riêng của xicloankan cao hơn các ankan tương ứng (cùng số nguyên tử Cacbon). b. Giải thích - Vì các xicoankan có cấu tạo mạch vòng có tính đối xứng cao hơn so với ankan nên diện tích tiếp xúc giữa các xicloankan lớn hơn các ankan. Do đó, lực liên kết giữa các phân tử xicloankan lớn hơn nên chúng có nhiệt độ sôi cao hơn. - Các phân tử xicloankan có hình dạng gọn gàng hơn nên mạng tinh thể phân tử của các xicloankan sắp xếp chặt khít hơn so với ankan tương ứng làm cho lực hút Van đec Van giữa các phân tử lớn. - Xicloankan cũng có momen lưỡng cực bằng 0 – đối với các xicloakan không phân nhánh. 2.3. Tính tan a. Quy luật - Các xicloankan có tính tan tương tự các ankan, tất cả đều không màu và không tan trong nước, tan nhiều trong các dung môi hữu cơ như benzen, axeton… 12 b. Giải thích - Phân tử xicloankan nhẹ hơn nước và nặng hơn các ankan có cùng số nguyên tử Cacbon ( điều này giải thích là do khoảng cách trung bình giữa các phân tử xicloankan nhỏ hơn so với ankan) nên tạo một pha riêng trong dung dịch với nước. - Chúng có tính tan tương tự các ankan, tính tan của xicloankan cũng thuộc loại tính lipophin (ưa dầu mỡ) và tính hiđrobophic (kị nước). 2.4. Áp dụng vào giảng dạy trong chương trình hóa học phổ thông Khi giảng dạy bài xicloankan, phần tính chất vật lí cần phải lưu ý cho học sinh: - Các xicloankan có số lượng nguyên tử C từ 3-5 C có nhiệt độ sôi và nhiệt độ nóng chảy tăng dần theo khối lượng phân tử và khối lượng riêng. - Các xicloankan chủ yếu không màu, không tan trong nước nhưng tan trong dung môi hữu cơ. 3. Anken: EC-C = 616kJ/mol[3][4][5][11][12] 3.1.Cấu trúc: - Phân tử anken có liên kết đôi C=C, do 2 nguyên tử cacbon Csp2 tạo nên. - Năng lượng liên kết π bé hơn năng lượng liên kết σ, do vậy liên kết π kém bền và dễ bị bẻ gãy. Hình 4: Cấu trúc phân tử etilen 3.2. Nhiệt độ nóng chảy, nhiệt độ sôi: a. Quy luật: - Nói chung tương tự ankan: Nhiệt độ sôi và nhiệt độ nóng chảy không khác nhiều so với ankan và thường nhỏ hơn so với xicloankan tương ứng. Hợp chất Nhiệt độ nóng chảy (toC) Nhiệt độ sôi(toC) C3H6 -186 -47 13 C3H8 -188 -42 (CH2)3 -127 -33 - Các trans- anken thường có nhiệt độ nóng chảy cao hơn các đồng phân cis – anken tương ứng - Nhiệt độ sôi của đồng phân trans - anken thường thấp hơn các đồng phân cis – anken tương ứng Bảng 2: Hằng số vật lí của một số anken Công thức Tên tnc (oC) ts (oC) C2H4 Eten -169 -105 C3H6 Propen -185 -48 CH3-CH2-CH=CH2 but-1-en -185 -6 CH3-CH=CH-CH3 trans-but-2-en -106 1 CH3-CH=CH-CH3 Cis-but-2-en -139 4 CH2=CH-CH2CH2-CH3 Pent-1-en -165 30 CH3-CH=CH-CH2-CH3 trans-pent-2-en -140 36 CH3-CH=CH-CH2-CH3 cis- pent -2-en -151 37 b. Giải thích - Nhiệt độ nóng chảy được giải thích là đối với đồng phân cis khi quay các nhóm thế (chẳng hạn –CH3), đồng phân trans có tính đối xứng cao hơn đồng phân cis nên dễ sắp xếp chặt khít do đó làm tăng lực hút giữa các phân tử do đó đồng phân trans có nhiệt độ nóng chảy cao hơn đồng phân cis. - Nhiệt độ sôi được giải thích ở hai đồng phân cis và trans của anken do đồng phân cis anken có tính đối xứng cầu thấp hơn đồng phân trans nên nhiệt độ sôi của trans anken thấp hơn đồng phân cis anken. 3.3. Tính tan a. Quy luật - Rất ít tan hoặc không tan trong nước, tan tốt trong các dung môi không hoặc ít phân cực. b. Giải thích - Cấu trúc phân tử anken không có liên kết hiđro với phân tử nước, mặt khác thành phần chủ yếu của anken là nhóm kị nước, dung môi nước là dung môi phân cực nên tan ít, thành phần này tan tốt trong các dung môi không phân cực hoặc ít phân cực. 14 3.4. Áp dụng vào giảng dạy trong chương trình hóa học phổ thông - Anken là những chất không màu, nhẹ hơn nước, từ C2H4 đến C4H8 là chất khí; từ C5H10 trở đi là chất lỏng hoặc chất rắn. - Nhiệt độ sôi, nhiệt độ nóng chảy tăng theo khối lượng phân tử. - Đối với các anken bất đối có đồng phân hình học thì đồng phân trans có nhiệt độ nóng chảy cao hơn đồng phân cis và đồng phân trans có nhiệt độ sôi thấp hơn đồng phân cis. - Các anken tan tốt trong dầu mỡ, hầu như không tan trong nước. 4. Ankin: EC≡≡C = 813kJ/mol[3][4][5][11][12] 4.1. Cấu trúc Trong phân tử có chứa liên kết ba do hai nguyên tử Csp tạo nên, độ dài liên kết ba chỉ bằng 1,2 , liên kết Csp – H phân cực mạnh hơn liên kết Csp2-H; EC≡C = 813kJ/mol nhỏ hơn nhiều so với năng lượng của 3 liên kết đơn (3x348=1044kJ/mol) điều này chứng tỏ liên kết π trong ankin rất linh động, dễ đứt. Hình 5: Cấu trúc phân tử axetilen 4.2. Nhiệt độ nóng chảy, nhiệt độ sôi Bảng 3: Hằng số vật lí của một số ankin Công thức Tên tnc (oC) ts (oC) C2H2 Etin -81 -75 C3H4 Propin -103 -23 CH3-CH2-C≡CH But-1-in -126 8 CH3-C≡C-CH3 But-2-in -32 27 CH3-CH2- CH2-C≡CH Pent-1-in -106 40 CH3-CH2-C≡C-CH3 Pent-2-in -109 56 15 - Nhiệt độ sôi, nhiệt độ nóng chảy biến đổi một cách tuần tự theo sự biến đổi của phân tử khối. - Ankin thường có nhiệt độ sôi, nhiệt độ nóng chảy và tỉ trọng lớn hơn anken tương ứng - Ankin có liên kết trong mạch có nhiệt độ sôi cao hơn, tỉ khối cao hơn so với các ankin đồng phân chứa nối ba đầu mạch. b. Giải thích - Cấu trúc phân tử ankin với vị trí nối ba khác nhau trong mạch C nên nhiệt độ sôi và nhiệt độ nóng chảy khác nhau. Đối với các ank-1-in, có hiđro linh động, liên kết hiđro - Nguyên tử C có liên kết ba lai hóa sp, có độ âm điện lớn hơn Csp2 và Csp3. Mặt khác, năng lượng liên kết ba lớn hơn nên độ dài liên kết ba ngắn hơn các liên kết khác. Do đó, độ phân cực và làm cho lực hút giữa các phân tử ankin lớn hơn các hiđrocacbon khác có mạch tương tự. Vì thế, ankin thường có nhiệt độ sôi, nhiệt độ nóng chảy và tỉ trọng lớn hơn anken, ankan tương ứng. 4.3. Tính tan Các ankin chủ yếu không tan trong nước, tan tốt trong dung môi hữu cơ (ete, benzen). b. Giải thích - Các phân tử ankin không phân cực, nên chúng không có tính hiđrophin (tính háo nước) tức không có ái lực với nước và không tan trong nước. Ngược lại, chúng đều có tính lipophin (tính háo dầu mỡ) tức là có ái lực đối với dầu mỡ và các dung môi hữu cơ nên hòa tan được các chất béo và tan được trong nhiều dung môi hữu cơ. - Thành phần cấu tạo của ankin chủ yếu là nhóm không phân cực không tan trong dung môi nước phân cực nhưng lại tan trong các dung môi không phân cực hoặc ít phân cực như ete, benzen… - Các ankin không tạo liên kết hiđro với phân tử nước. 16 4.4. Áp dụng vào giảng dạy trong chương trình hóa học phổ thông - Các ank-1-in có nhiệt độ sôi và nhiệt độ nóng chảy tăng theo khối lượng phân tử. - Các ank-2-in đối xứng phân tử có nhiệt độ sôi và nhiệt độ nóng chảy cao hơn các ank-1-in tương ứng. - Các ankin tan tốt trong dung môi hữu cơ, không tan trong nước. 5. Aren[3][4][5][11][12] 5.1. Cấu trúc Benzen có cấu trúc vòng sáu cạnh đều Cấu trúc phân tử benzen có ba liên kết đôi và ba liên kết đơn xen kẽ nhau, hay còn gọi là công thức Kekule: Hình 6: Cấu trúc của benzene - 6 nguyên tử Cacbon trong phân tử benzen đều ở trạng thái lai hóa sp2, độ dài liên kết C-H trong phân tử benzen xấp xỉ nhau. 6 nguyên tử Cacbon trong phân tử benzene tạo thành một lục giác đều. Cả 6 nguyên tử C và 6 nguyên tử H cùng nằm trên một mặt phẳng (mặt phẳng phân tử). Các góc liên kết đều bằng 120o. C-C C-H o o 1,4 A 1,09 A Các góc hóa trị CCC = CCH = 1200 5.2. Nhiệt độ nóng chảy, nhiệt độ sôi Độ dài liên kết a. Quy luật - Nhiệt độ sôi của benzen và đồng đẳng tăng khi tăng số lượng Cacbon trong mạch. 17 Bảng 4: Hằng số vật lí của một số hiđrocacbon thơm Hợp chất Công thức tnc, oC ts, oC d 420 Benzen C6H6 5,5 80 0,879 Toluen C6H5CH3 -95 111 0,867 Etylbenzen C6H5CH2CH3 -95 136 0,867 Propylbenzen C6H5CH2CH2CH3 -99 159 0,862 Cumen C6H4CH(CH3)2 -96 152 0,862 o-Xilen 1,2- C6H4(CH3)2 -25 144 0,880 m-Xilen 1,3- C6H4(CH3)2 -48 139 0,864 p-Xilen 1,4- C6H4(CH3)2 13 138 0,861 Ví dụ: Hợp chất Benzen o - xilen m -xilen Nhiệt độ nóng chảy(toC) 5,5 -25 -48 p -xilen 13 b. Giải thích - Do phân tử khối tăng trong các dãy đồng đẳng nhiệt độ sôi của chúng tăng. - Nhiệt độ nóng chảy tăng khi khối lượng phân tử tăng, nhiệt độ nóng chảy lại phụ thuộc nhiều vào tính đối xứng của phân tử. Do phân tử benzen có tính đối xứng cao, mạng tinh thể rất đặc khít nên lực tương tác lớn do đó nhiệt độ nóng chảy cao. Khi có thêm một nhánh (toluen, ...) hoặc hai nhánh phân tử mất tính đối xứng nhưng qua đến đồng phân para - xilen phân tử có tính đối xứng cao thì có nhiệt độ nóng chảy cao. 5.3. Tính tan a. Quy luật Benzen và các đồng đẳng của nó là các chất lỏng, nhẹ hơn nước, không tan trong nước, tan trong một số dung môi hữu cơ b. Giải thích - Các phân tử benzen không phân cực, chúng không có tính hiđrophin (tính háo nước) tức không có ái lực với nước và không tan trong nước. Ngược 18 lại, chúng đều có tính lipophin (tính háo dầu mỡ) tức là có ái lực đối với dầu mỡ và các dung môi hữu cơ nên hòa tan được các chất béo và tan được trong nhiều dung môi hữu cơ. - Phân tử benzen không tạo liên kết hiđro với nước 5.4. Áp dụng vào giảng dạy trong chương trình hóa học phổ thông Trong quá trình giảng dạy giáo viên cần chú ý những điểm sau: - Nhiệt độ sôi và nhiệt độ nóng chảy tăng theo phân tử khối của các hợp chất. - Đối với các hợp chất có đồng phân ở vị trí ortho, para, meta thì nhiệt độ nóng chảy không theo quy luật. Ví dụ: Trong phân tử Xilen nhiệt độ nóng chảy (meta < ortho < para), nhiệt độ sôi chênh lệch không lớn (o-Xilen 144, p-Xilen 138, m-Xilen 139). - Các hợp chất có cùng công thức phân tử như C9H12 tùy theo vị trí phân nhánh mà có nhiệt độ sôi và nhiệt độ nóng chảy khác nhau. - Sử dụng các mô hình động trong các chương trình phần mềm để minh họa giúp học sinh dễ hình dung trong quá trình giáo viên minh họa cấu trúc các chất. - Mở rộng công thức cấu tạo của benzen đã được tìm ra như thế nào: Năm 1865 Kê-ku-lê đề xuất công thức cấu tạo của benzen, so sánh với công thức của Cờ-lau (1867) và La-đen-bua (1869). hay 6. Dẫn xuất halogen của hiđrocacbon[3][6][7][8][11][12] 6.1 Cấu trúc - Khi thay thế một hay nhiều nguyên tử hiđro trong phân tử hiđrocacbon bằng halogen ta được dẫn xuất halogen, kí hiệu chung là R-X (R là gốc hiđrocacbon mạch hở) hoặc Ar-X (Ar là gốc hiđrocacbon thơm). - Tùy theo số lượng nguyên tử halogen trong phân tử, người ta phân biệt: dẫn xuất monohalogen, dẫn xuất đihalogen, polihalogen hay dẫn xuất halogen thơm. 19 - Liên kết C-X phân cực mạnh do độ âm điện của halogen lớn hơn nhiều so với cacbon. 6.2. Nhiệt độ nóng chảy, nhiệt độ sôi: a. Quy luật - Ở điều kiện thường, các dẫn xuất monohalogen có phân tử khối nhỏ như CH3F, CH3Cl, CH3Br là những chất khí. Các dẫn xuất halogen có phân tử khối lớn hơn thường ở thể lỏng, nặng hơn nước (Ví dụ: CH3I, CH2Cl2, CHCl3, CCl4, C2H4Cl2, C6H5Br, ...). Các dẫn xuất polihalogen có phân tử khối lớn hơn nữa ở thể rắn (Ví dụ: CHI3, C6H6Cl6) - So với hiđrocacbon tương ứng có cùng một bộ khung cacbon thì các dẫn xuất halogen đều có phân tử khối lớn hơn, thường phân cực với µ > 0 và vì vậy dẫn xuất halogen có nhiệt độ sôi cao hơn. Pentan (tos = 36oC) Ví dụ: 1-cloropentan (tos = 107oC) - Nếu gốc hiđrocacbon như nhau, nhiệt độ sôi tăng chủ yếu theo nguyên tử khối của halogen. - Nếu halogen như nhau, nhiệt độ sôi sẽ tăng theo độ lớn của mạch hiđrocacbon cùng loại. - Khi chuyển từ dẫn xuất halogen bậc một sang dẫn xuất halogen bậc hai, rồi dẫn xuất halogen bậc ba, nhiệt độ sôi giảm dần chủ yếu do sự giảm lực hút Van đec Van. b. Giải thích - Do phân tử khối của phân tử dẫn xuất halogen, dạng khí chủ yếu là các monohalogen. - So sánh cùng loại halogen, khi bậc cacbon thay đổi thì lực hút Van đec Van trong phân tử giảm nên khả năng liên kết yếu dẫn đến nhiệt độ sôi giảm dần. 6.3. Tính tan a. Quy luật - Nói chung các dẫn xuất halogen của hiđrocacbon không tan hoặc ít tan trong nước. 20