Chào các em học sinh thân mến, hôm nay chúng ta sẽ cùng nhau tìm hiểu và giải quyết một bài tập về cấu tạo phân tử trong Hóa học lớp 10. Cô giáo sẽ hướng dẫn các em từng bước một, bám sát theo Sách giáo khoa nhé.

Bài tập của chúng ta ngày hôm nay liên quan đến việc xác định công thức cấu tạo của một chất hữu cơ.

Chất mà chúng ta cần tìm công thức cấu tạo có công thức phân tử là C₂H₆O₂.
Đầu tiên, chúng ta cần phân tích công thức phân tử này để hình dung về số lượng nguyên tử của từng nguyên tố có trong phân tử.
Ta thấy có 2 nguyên tử Cacbon (C), 6 nguyên tử Hiđro (H), và 2 nguyên tử Oxi (O).

Trong chương trình Hóa học lớp 10, chúng ta đã học về hóa trị của các nguyên tố.
Cacbon thường có hóa trị IV.
Hiđro thường có hóa trị I.
Oxi thường có hóa trị II.

Bây giờ, chúng ta sẽ bắt đầu xây dựng công thức cấu tạo.
Nguyên tử Cacbon có xu hướng liên kết với nhau tạo thành mạch Cacbon. Với 2 nguyên tử Cacbon, chúng sẽ liên kết với nhau theo một mạch thẳng đơn giản nhất.

Bước 1: Liên kết hai nguyên tử Cacbon với nhau.
C – C

Bước 2: Phân bố các nguyên tử Hiđro và Oxi vào mạch Cacbon sao cho các nguyên tử đều đạt hóa trị theo quy định.
Chúng ta có tổng cộng 6 nguyên tử Hiđro và 2 nguyên tử Oxi.

Hãy thử tưởng tượng các nguyên tử này sẽ gắn vào mạch C-C như thế nào.
Mỗi nguyên tử Cacbon trong mạch C-C ban đầu đang có hóa trị là 2 (vì mỗi C đã liên kết với 1 C khác).
Do đó, mỗi nguyên tử Cacbon còn thiếu 2 liên kết nữa để đạt hóa trị IV.

Chúng ta có 2 nguyên tử Oxi. Oxi thường có hóa trị II.
Chúng ta có 6 nguyên tử Hiđro, mỗi nguyên tử Hiđro có hóa trị I.

Hãy xem xét khả năng các nhóm -OH (nhóm ancol) xuất hiện, vì chúng ta có nguyên tử Oxi và Hiđro. Nhóm -OH có công thức H-O-, trong đó O có hóa trị II và H có hóa trị I.

Khả năng 1: Cả hai nguyên tử Oxi đều gắn vào một nguyên tử Cacbon.
Nếu vậy, ví dụ nguyên tử C thứ nhất có 2 nhóm -OH gắn vào, thì C đó sẽ có:
1 liên kết với C bên cạnh.
2 liên kết với 2 nguyên tử Oxi.
Như vậy, nguyên tử C này đã có 1 + 2 = 3 liên kết. Nó còn thiếu 1 liên kết nữa.
Số nguyên tử Hiđro còn lại là 6 – (2 nguyên tử H trong 2 nhóm -OH) = 4 nguyên tử H.
Nguyên tử C thứ hai còn thiếu 2 liên kết.
Nếu gắn 4 nguyên tử H vào nguyên tử C thứ hai, thì nguyên tử C thứ hai sẽ có 1 liên kết với C bên cạnh và 4 liên kết với 4 nguyên tử H. Tổng cộng 1 + 4 = 5 liên kết. Điều này không đúng vì Cacbon có hóa trị IV.
Do đó, khả năng này không hợp lý.

Khả năng 2: Mỗi nguyên tử Oxi gắn vào một nguyên tử Cacbon.
C – C
Giả sử một nhóm -OH gắn vào C thứ nhất và một nhóm -OH gắn vào C thứ hai.
C – C
| |
OH OH

Bây giờ, chúng ta đếm số liên kết đã có và số nguyên tử còn lại.
Nguyên tử C thứ nhất đã có 1 liên kết với C bên cạnh và 1 liên kết với nguyên tử Oxi trong nhóm -OH. Vậy nó còn thiếu 4 – 2 = 2 liên kết nữa.
Nguyên tử C thứ hai cũng tương tự, còn thiếu 2 liên kết nữa.
Chúng ta còn lại 6 – 2 = 4 nguyên tử Hiđro.

Chúng ta sẽ gắn các nguyên tử Hiđro còn lại vào các nguyên tử Cacbon để chúng đạt hóa trị IV.
Nguyên tử C thứ nhất cần 2 liên kết, ta gắn 2 nguyên tử Hiđro vào đó.
Nguyên tử C thứ hai cần 2 liên kết, ta gắn 2 nguyên tử Hiđro vào đó.

Như vậy, công thức cấu tạo sẽ là:
H H
| |
H – C – C – H
| |
O O
| |
H H

Hãy kiểm tra lại hóa trị của từng nguyên tử trong công thức này:
Nguyên tử C thứ nhất: liên kết với 1 C, 1 O, và 2 H. Tổng cộng 1 + 1 + 2 = 4 liên kết. Hóa trị IV. Đúng.
Nguyên tử C thứ hai: liên kết với 1 C, 1 O, và 2 H. Tổng cộng 1 + 1 + 2 = 4 liên kết. Hóa trị IV. Đúng.
Nguyên tử O thứ nhất (trong nhóm -OH đầu tiên): liên kết với 1 C và 1 H. Tổng cộng 1 + 1 = 2 liên kết. Hóa trị II. Đúng.
Nguyên tử O thứ hai (trong nhóm -OH thứ hai): liên kết với 1 C và 1 H. Tổng cộng 1 + 1 = 2 liên kết. Hóa trị II. Đúng.
Các nguyên tử H: mỗi nguyên tử H liên kết với 1 nguyên tử C hoặc 1 nguyên tử O. Hóa trị I. Đúng.

Tổng số nguyên tử trong công thức cấu tạo này là: 2 C, 2 O, và 2*2 + 2*1 = 4 + 2 = 6 H.
Đây chính là công thức phân tử C₂H₆O₂ mà chúng ta đã phân tích ban đầu.

Công thức này còn có thể viết gọn lại như sau, biểu diễn các nhóm chức rõ ràng hơn:
CH₂OH-CH₂OH

Đây là công thức cấu tạo của Etan-1,2-điol, thường được gọi là Etilen glicol.

Vậy, công thức cấu tạo của CH₂(CH₂OH)₂ là CH₂OH-CH₂OH.

Các em thấy không, việc xây dựng công thức cấu tạo đòi hỏi chúng ta phải hiểu rõ hóa trị của các nguyên tố và áp dụng một cách logic. Chúng ta luôn bắt đầu từ công thức phân tử, xác định hóa trị của các nguyên tố, sau đó xây dựng mạch Cacbon và phân bố các nguyên tử còn lại sao cho chúng tuân thủ quy tắc hóa trị.

Trong trường hợp này, hai nhóm -OH gắn vào hai nguyên tử Cacbon khác nhau trong mạch là cách duy nhất để đảm bảo tất cả các nguyên tử đều đạt hóa trị đúng.

Các em có câu hỏi nào không? Nếu không, chúng ta sẽ chuyển sang bài tập tiếp theo.