Chào các em học sinh thân mến! Hôm nay chúng ta sẽ cùng nhau chinh phục một số bài tập thú vị về công thức phân tử và công thức cấu tạo trong chương trình Hóa học lớp 9 nhé. Cô tin rằng với sự tập trung và phương pháp học đúng đắn, các em sẽ nắm vững kiến thức này.

Chúng ta bắt đầu với bài tập số 1.

1) Viết công thức cấu tạo phân tử C2H6O cho biết :

– Nhìn vào công thức phân tử C2H6O cho ta biết điều gì

– Nhìn vào công thức cấu tạo C2H6O cho ta biết điều gì

Chúng ta sẽ phân tích từng ý một.

Bước 1: Xác định ý nghĩa của công thức phân tử.

Khi nhìn vào một công thức phân tử, ví dụ như C2H6O, chúng ta có thể rút ra những thông tin cơ bản sau:

– Thành phần nguyên tố: Công thức phân tử cho biết trong một phân tử của chất đó có những loại nguyên tố nào cấu tạo nên. Trong trường hợp này, C2H6O cho biết phân tử này được tạo thành từ các nguyên tố Cacbon (C), Hiđro (H) và Oxi (O).

– Số lượng nguyên tử của mỗi nguyên tố: Các chỉ số ở chân mỗi kí hiệu hóa học cho biết số lượng nguyên tử của nguyên tố đó có trong một phân tử. Với C2H6O:
– Chỉ số 2 bên cạnh C cho biết có 2 nguyên tử Cacbon trong một phân tử.
– Chỉ số 6 bên cạnh H cho biết có 6 nguyên tử Hiđro trong một phân tử.
– Chỉ số 1 (thường không viết ra) bên cạnh O cho biết có 1 nguyên tử Oxi trong một phân tử.

Tóm lại, nhìn vào công thức phân tử C2H6O ta biết rằng:

– Chất này được cấu tạo từ ba nguyên tố: Cacbon, Hiđro và Oxi.

– Mỗi phân tử của chất này chứa 2 nguyên tử Cacbon, 6 nguyên tử Hiđro và 1 nguyên tử Oxi.

Bước 2: Viết công thức cấu tạo của C2H6O.

Để viết được công thức cấu tạo, chúng ta cần dựa vào hóa trị của các nguyên tố trong hợp chất hữu cơ. Trong Hóa học lớp 9, chúng ta thường gặp các hóa trị phổ biến sau:

– Cacbon (C) có hóa trị IV.
– Hiđro (H) có hóa trị I.
– Oxi (O) có hóa trị II.

Chúng ta có tổng cộng 2 nguyên tử C, 6 nguyên tử H và 1 nguyên tử O.

Hãy thử sắp xếp các nguyên tử này theo các cách khác nhau sao cho thỏa mãn hóa trị của từng nguyên tố.

Cách 1: Liên kết C-C.

Ta có 2 nguyên tử C. Hãy nối chúng với nhau tạo thành một mạch cacbon: C – C.

Bây giờ, chúng ta cần phân phối 6 nguyên tử H và 1 nguyên tử O vào hai nguyên tử C này sao cho hóa trị của C là IV, H là I và O là II.

Trong phân tử có nguyên tử Oxi, nó có thể nằm giữa hai nguyên tử khác (như C-O-C) hoặc liên kết với một nguyên tử khác (như C-O-H).

* Trường hợp 1: Nguyên tử Oxi nối với một nguyên tử Cacbon, còn nguyên tử Cacbon còn lại nối với nguyên tử Oxi.

Giả sử ta có nhóm -OH (nhóm ancol hoặc phenol).

Ta có thể gắn nhóm -OH vào một trong hai nguyên tử C. Ví dụ, gắn vào nguyên tử C thứ nhất:

C – C – OH

Bây giờ, chúng ta điền Hiđro vào các vị trí còn trống để đủ hóa trị.

Nguyên tử C thứ nhất: Đã liên kết với C thứ hai và O (trong OH). Cần thêm 3 nguyên tử H để đủ hóa trị IV.

CH3 – C – OH

Nguyên tử C thứ hai: Đã liên kết với C thứ nhất. Cần thêm 3 nguyên tử H để đủ hóa trị IV.

CH3 – CH2 – OH

Và nguyên tử Oxi trong nhóm OH đã đủ hóa trị II (liên kết với C và H).

Trong công thức này, ta đã dùng: 2 C, 6 H (3+2+1), 1 O. Hoàn toàn khớp với C2H6O.

Đây là công thức cấu tạo của rượu etylic (etan-1-ol).

Công thức cấu tạo: CH3 – CH2 – OH

* Trường hợp 2: Nguyên tử Oxi nối giữa hai nguyên tử Cacbon (tạo thành nhóm ete).

Ta có mạch C-C. Bây giờ, nguyên tử Oxi sẽ nằm giữa hai nguyên tử C:

C – O – C

Bây giờ, chúng ta điền Hiđro vào các nguyên tử C để đủ hóa trị.

Nguyên tử C thứ nhất: Đã liên kết với O. Cần thêm 3 nguyên tử H.

CH3 – O – C

Nguyên tử C thứ hai: Đã liên kết với O. Cần thêm 3 nguyên tử H.

CH3 – O – CH3

Trong công thức này, ta đã dùng: 2 C, 6 H (3+3), 1 O. Hoàn toàn khớp với C2H6O.

Đây là công thức cấu tạo của đimetyl ete (metoxy metan).

Công thức cấu tạo: CH3 – O – CH3

Bước 3: Nhận xét ý nghĩa của công thức cấu tạo.

Khi nhìn vào công thức cấu tạo, chúng ta biết được:

– Sự sắp xếp của các nguyên tử trong phân tử: Nó cho ta thấy các nguyên tử liên kết với nhau như thế nào.

– Loại liên kết hóa học: Chúng ta có thể thấy các liên kết đơn (ví dụ C-C, C-H, C-O, O-H).

– Cấu trúc không gian của phân tử (ở mức độ đơn giản): Mặc dù công thức cấu tạo trên giấy thường là 2D, nhưng nó ngụ ý về cách các nguyên tử được bố trí trong không gian 3D.

– Tính chất hóa học của chất: Sự sắp xếp của các nguyên tử và sự có mặt của các nhóm chức (như -OH trong rượu etylic hay nhóm ete -O- trong đimetyl ete) quyết định tính chất hóa học của chất đó. Ví dụ, nhóm -OH làm cho rượu etylic có tính chất của ancol (tác dụng với kim loại kiềm, tác dụng với axit axetic, bị oxi hóa…). Còn đimetyl ete có tính chất khác biệt.

Tóm lại, nhìn vào công thức cấu tạo C2H6O (tức là CH3-CH2-OH và CH3-O-CH3) ta biết được:

– Cách các nguyên tử C, H, O liên kết với nhau trong phân tử.

– Phân tử có thể có nhiều cách sắp xếp khác nhau, dẫn đến các chất khác nhau (ví dụ như rượu etylic và đimetyl ete). Đây gọi là hiện tượng đồng phân.

– Vị trí của nhóm chức trong phân tử, từ đó dự đoán được tính chất hóa học của chất.

—

Bây giờ chúng ta sang bài tập số 2.

2) Hãy viết công thức cấu tạo của các công thức phân tử sau: C4H10, C6H14

Chúng ta sẽ lần lượt giải quyết từng công thức.

Phần a) Viết công thức cấu tạo của C4H10

Bước 1: Kiểm tra xem công thức phân tử có thuộc dãy đồng đẳng ankan không.

Công thức tổng quát của ankan là CnH2n+2.

Với C4H10: n=4.

2n+2 = 2(4) + 2 = 8 + 2 = 10.

Vậy, C4H10 có dạng CnH2n+2, nó là một ankan.

Bước 2: Xác định số lượng nguyên tử Cacbon.

Trong C4H10 có 4 nguyên tử Cacbon.

Bước 3: Xây dựng mạch cacbon.

Các ankan có 4 nguyên tử C trở lên có thể có mạch cacbon phân nhánh.

* Mạch cacbon không phân nhánh (mạch thẳng):

Nối 4 nguyên tử C thành một đường thẳng:

C – C – C – C

* Mạch cacbon có phân nhánh:

Chúng ta có thể đặt một nguyên tử C vào vị trí nhánh.

Thử đặt nguyên tử C thứ 4 vào nguyên tử C thứ 2 của mạch 3C:

C

|

C – C – C

Chúng ta không thể đặt nguyên tử C thứ 4 vào nguyên tử C đầu mạch hoặc cuối mạch vì như vậy sẽ tạo thành mạch thẳng lại.

Ta cũng không thể đặt nhánh vào nguyên tử C thứ 3 của mạch 3C vì nó tương đương với trường hợp đặt nhánh vào nguyên tử C thứ 2 (do tính đối xứng).

Vậy, chỉ có 2 dạng mạch cacbon chính cho C4H10.

Bước 4: Điền nguyên tử Hiđro vào các nguyên tử Cacbon để đủ hóa trị IV.

* Với mạch thẳng C-C-C-C:

Nguyên tử C ở hai đầu mạch chỉ liên kết với 1 nguyên tử C, cần thêm 3 H.

CH3 – C – C – CH3

Nguyên tử C ở hai vị trí bên trong mạch liên kết với 2 nguyên tử C, cần thêm 2 H.

CH3 – CH2 – CH2 – CH3

Đây là công thức cấu tạo của butan (hoặc n-butan).

* Với mạch nhánh (mạch chính 3C, có 1 nhánh 1C):

Nguyên tử C ở hai đầu mạch chính (không phải nhánh) liên kết với 1 C trong mạch chính và 1 C trong nhánh, cần thêm 3 H.

CH3

|

CH3 – CH – CH3

Nguyên tử C ở giữa mạch chính liên kết với 3 nguyên tử C khác (2 trong mạch chính, 1 trong nhánh), cần thêm 1 H.

CH3

|

CH3 – CH – CH3

Đây là công thức cấu tạo của isobutan (hoặc 2-metylpropan).

Kết luận cho C4H10: Có 2 công thức cấu tạo là butan và isobutan.

—

Phần b) Viết công thức cấu tạo của C6H14

Bước 1: Kiểm tra xem công thức phân tử có thuộc dãy đồng đẳng ankan không.

Với C6H14: n=6.

2n+2 = 2(6) + 2 = 12 + 2 = 14.

Vậy, C6H14 có dạng CnH2n+2, nó là một ankan.

Bước 2: Xác định số lượng nguyên tử Cacbon.

Trong C6H14 có 6 nguyên tử Cacbon.

Bước 3: Xây dựng các dạng mạch cacbon có thể có.

Đối với ankan có 6 nguyên tử C, việc tìm tất cả các đồng phân cấu tạo có thể hơi phức tạp một chút. Chúng ta sẽ liệt kê các trường hợp từ mạch dài nhất đến mạch có nhiều nhánh nhất.

* Mạch cacbon không phân nhánh (mạch thẳng):

Nối 6 nguyên tử C thành một đường thẳng:

C – C – C – C – C – C

* Mạch có 1 nhánh:

Ta có thể coi mạch chính có 5 nguyên tử C và 1 nhánh 1 nguyên tử C.

C

|

C – C – C – C – C (Nhánh đặt vào C thứ 2 hoặc C thứ 4 của mạch chính 5C)

C

|

C – C – C – C – C (Cái này tương đương với cái trên vì tính đối xứng)

C

|

C – C – C – C – C (Nhánh đặt vào C thứ 3 của mạch chính 5C)

C

|

C – C – C – C – C

Ta có thể xem mạch chính là 5 nguyên tử C. Các vị trí có thể đặt nhánh là C2, C3, C4. Tuy nhiên, do tính đối xứng, đặt nhánh vào C2 hay C4 là như nhau. Vậy ta có 2 trường hợp mạch chính 5C.

* Mạch có 2 nhánh:

Ta có thể coi mạch chính có 4 nguyên tử C và 2 nhánh 1 nguyên tử C.

C C

| |

C – C – C – C

C

|

C – C – C – C

|

C

Hoặc mạch chính có 4 nguyên tử C, 1 nhánh 2 nguyên tử C (nhưng trường hợp này sẽ tạo ra đồng phân khác).

Ta có thể thử các cách khác nhau:

– Mạch chính 4C, 2 nhánh 1C:

– Cả 2 nhánh cùng gắn vào một nguyên tử C:

C

|

C – C – C – C

|

C

– 2 nhánh gắn vào 2 nguyên tử C khác nhau của mạch chính 4C:

C C

| |

C – C – C – C (Nhánh gắn vào C2 và C3 của mạch chính 4C)

– Mạch chính 4C, 1 nhánh 2C:

C – C

|

C – C – C – C

Bước 4: Điền nguyên tử Hiđro vào các nguyên tử Cacbon để đủ hóa trị IV và viết công thức cấu tạo hoàn chỉnh.

Chúng ta sẽ liệt kê các đồng phân cấu tạo cho C6H14:

1. Mạch thẳng:

CH3 – CH2 – CH2 – CH2 – CH2 – CH3

(Đây là hexan hay n-hexan)

2. Mạch chính 5C, 1 nhánh metyl:

CH3

|

CH3 – CH – CH2 – CH2 – CH3

(Đây là 2-metylpentan)

CH3

|

CH3 – CH2 – CH – CH2 – CH3

(Đây là 3-metylpentan)

3. Mạch chính 4C, 2 nhánh metyl:

CH3 CH3

| |

CH3 – CH – CH – CH3

(Đây là 2,3-dimetylbutan)

CH3

|

CH3 – C – CH2 – CH3

|

CH3

(Đây là 2,2-dimetylbutan)

4. Mạch chính 4C, 1 nhánh etyl:

CH2 – CH3

|

CH3 – CH – CH2 – CH3

(Đây là 3-etylbutan)

Lưu ý: Với các ankan có số nguyên tử Cacbon lớn, việc tìm ra hết tất cả các đồng phân đòi hỏi sự cẩn thận và có phương pháp hệ thống để tránh bỏ sót hoặc trùng lặp. Trong chương trình lớp 9, chúng ta thường chỉ gặp các ankan với số nguyên tử C nhỏ hoặc các bài tập yêu cầu viết một vài đồng phân tiêu biểu.

Kết luận cho C6H14: Có 5 công thức cấu tạo (đồng phân).
Đó là: hexan, 2-metylpentan, 3-metylpentan, 2,3-dimetylbutan, 2,2-dimetylbutan. (Lưu ý: 3-etylbutan cũng là một đồng phân của C6H14, nhưng đôi khi các chương trình học tập trung vào các mạch phân nhánh từ việc chia nhỏ các nguyên tử C thành các nhánh metyl). Tuy nhiên, nếu xét đầy đủ các kiểu cấu trúc cacbon thì 3-etylbutan cũng đúng. Chúng ta sẽ chỉ đề cập đến 5 đồng phân phổ biến nhất thường được dạy.

—
Các em về nhà ôn tập lại các khái niệm về công thức phân tử, công thức cấu tạo, hóa trị và quy tắc lập công thức cấu tạo nhé. Nếu có thắc mắc, đừng ngần ngại hỏi cô. Chúc các em học tốt!