Chào các em, hôm nay chúng ta sẽ cùng nhau giải một bài tập Hóa học khá thú vị về hỗn hợp hai chất hữu cơ có cùng công thức phân tử. Bài toán này đòi hỏi chúng ta phải vận dụng kiến thức về đồng phân, phản ứng của amin và este, đồng thời kết hợp với các công thức tính toán liên quan đến hỗn hợp khí.

Chúng ta bắt đầu nhé!

Bước 1: Phân tích công thức phân tử và xác định các dạng chất hữu cơ có thể có.

Đề bài cho biết hỗn hợp X gồm 2 chất hữu cơ có cùng CTPT C2H7NO2.

Chúng ta hãy cùng phân tích công thức này. Với 2 nguyên tử C, 7 nguyên tử H, 1 nguyên tử N và 2 nguyên tử O, công thức này có thể thuộc các dạng hợp chất sau:

1. Muối amoni của axit cacboxylic: Dạng R-COO-NH3-R’ hoặc R-NH3-COO-R’. Tuy nhiên, với công thức C2H7NO2, ta sẽ có các trường hợp như CH3COONH4 (không có R’ hoặc R’ là H) hoặc HCOONH3CH3.

2. Amino este: Dạng R-NH2-COO-R’ hoặc R-COO-NH2-R’. Với C2H7NO2, ta có các trường hợp như CH3NH2COOCH3 hoặc HCOONH3CH3 (đã xét ở trên).

3. Axit cacboxylic có nhóm amino hoặc este có nhóm amino: Dạng R(NH2)-COOH hoặc R(NH2)-COOR’. Ví dụ: H2N-CH2-COOH (glyxin) có C2H5NO2, nên không phù hợp.

Dựa trên điều kiện đề bài: “tác dụng vừa đủ với dung dịch NaOH và đun nóng, thu được dung dịch Y và 4,48 lít hỗn hợp Z (ở đktc) gồm hai khí (đều làm xanh quỳ ẩm)”.

Điều kiện “hai khí đều làm xanh quỳ ẩm” cho thấy hai khí này phải là các hợp chất có tính bazơ, cụ thể là các amin có mạch cacbon nhỏ.

Chúng ta xem xét lại các dạng hợp chất có thể tạo ra khí làm xanh quỳ ẩm khi tác dụng với NaOH và đun nóng:

– Muối amoni của axit cacboxylic: Khi muối amoni của axit cacboxylic tác dụng với dung dịch bazơ mạnh (NaOH) và đun nóng sẽ sinh ra amin (hoặc amoniac nếu gốc R là H) và muối của axit cacboxylic.

Ví dụ: CH3COONH4 + NaOH –(t°)–> CH3COONa + NH3 + H2O. Khí sinh ra là NH3.

HCOONH3CH3 + NaOH –(t°)–> HCOONa + CH3NH2 + H2O. Khí sinh ra là CH3NH2.

– Amino este: Amino este có nhóm amino tự do sẽ tác dụng với NaOH theo phản ứng trung hòa. Nếu nhóm amino không tự do mà nằm trong cấu trúc phản ứng, nó sẽ không tạo ra khí riêng biệt.

– Các chất khác: Các hợp chất chứa nhóm -NO2, -NO,… khi khử cũng có thể cho sản phẩm khí, nhưng với NaOH và đun nóng thì ít khả năng tạo ra khí có tính bazơ.

Như vậy, hai chất hữu cơ trong hỗn hợp X nhiều khả năng là:

* Một chất là muối amoni của axit cacboxylic.
* Một chất là amino este.

Tuy nhiên, đề bài chỉ nói “2 chất hữu cơ có cùng CTPT C2H7NO2”. Để sinh ra hai khí làm xanh quỳ ẩm, cả hai chất này khi tác dụng với NaOH đun nóng đều phải tạo ra khí có tính bazơ. Điều này dẫn đến suy luận rằng cả hai chất đều có dạng muối amoni của axit cacboxylic hoặc amino este chứa nhóm amin bậc 1.

Với CTPT C2H7NO2, các đồng phân có thể tạo ra khí làm xanh quỳ ẩm là:

1. Muối amoni của axit cacboxylic:

– CH3COONH4: Tác dụng với NaOH đun nóng tạo ra CH3COONa + NH3 + H2O. Khí là NH3.

– HCOONH3CH3: Tác dụng với NaOH đun nóng tạo ra HCOONa + CH3NH2 + H2O. Khí là CH3NH2.

2. Amino este: Dạng R-NH2-COOR’ hoặc R-COONH2-R’.

– HCOO-NH3-CH3 (hay CH3NH3HCOO) -> đây là muối amoni, đã xét.

– CH3NH2COOCH3: Có nhóm amino bậc 1, nhưng đây là este của axit amin. Tác dụng với NaOH tạo ra muối của axit amin và ancol, không tạo khí.

– CO(NH2)-NH-CH3: CTPT C2H7NO2. Tác dụng với NaOH đun nóng sinh ra muối cacbonat, NH3 và CH3NH2. Tuy nhiên, khả năng này ít gặp trong chương trình phổ thông.

– Một dạng amino este khác: Ví dụ: CH3COOCH2NH2. Tác dụng với NaOH tạo ra CH3COONa + H2NCH2OH. H2NCH2OH không phải khí.

Như vậy, để tạo ra 2 khí làm xanh quỳ ẩm, hai chất hữu cơ này phải là các muối amoni của axit cacboxylic.

Chúng ta có các đồng phân có thể có của C2H7NO2 mà khi tác dụng với NaOH đun nóng tạo ra amin (hoặc NH3):

– Muối amoni của axit cacboxylic:

* CH3COONH4 (Tên gọi: Amoni axetat). Phản ứng: CH3COONH4 + NaOH → CH3COONa + NH3↑ + H2O. Khí thu được là NH3.
* HCOONH3CH3 (Tên gọi: Metylamoni fomat). Phản ứng: CH3NH3HCOO + NaOH → HCOONa + CH3NH2↑ + H2O. Khí thu được là CH3NH2.

Do đó, hai chất hữu cơ trong hỗn hợp X là CH3COONH4 và CH3NH3HCOO.

Khi tác dụng với NaOH đun nóng, ta thu được 2 khí.

– Từ CH3COONH4 tạo ra NH3.
– Từ CH3NH3HCOO tạo ra CH3NH2.

Đây là hai khí làm xanh quỳ ẩm.

Bước 2: Tính toán số mol của hỗn hợp khí Z.

Đề bài cho biết thể tích hỗn hợp khí Z là 4,48 lít ở điều kiện tiêu chuẩn (đktc).

Số mol của hỗn hợp khí Z là:

\[ n_Z = \frac{V_Z}{22,4} = \frac{4,48}{22,4} = 0,2 \text{ mol} \]

Bước 3: Xác định tỉ lệ mol của hai khí trong Z dựa vào tỉ khối hơi.

Hỗn hợp Z gồm hai khí là NH3 và CH3NH2.

Tỉ khối hơi của Z đối với H2 bằng 13,75. Điều này có nghĩa là:

\[ M_Z = M_{H_2} \times 13,75 = 2 \times 13,75 = 27,5 \text{ g/mol} \]

Trong đó, \(M_Z\) là khối lượng mol trung bình của hỗn hợp khí Z.

Ta có công thức tính khối lượng mol trung bình của hỗn hợp khí:

\[ M_Z = \frac{m_Z}{n_Z} \]

Gọi số mol của NH3 trong Z là \(n_{NH_3}\) và số mol của CH3NH2 trong Z là \(n_{CH_3NH_2}\).

Ta có: \(n_Z = n_{NH_3} + n_{CH_3NH_2} = 0,2\) mol.

Khối lượng mol của NH3 là \(M_{NH_3} = 14 + 3 \times 1 = 17\) g/mol.

Khối lượng mol của CH3NH2 là \(M_{CH_3NH_2} = 12 + 3 \times 1 + 14 + 2 \times 1 = 31\) g/mol.

Áp dụng công thức khối lượng mol trung bình:

\[ M_Z = \frac{n_{NH_3} \times M_{NH_3} + n_{CH_3NH_2} \times M_{CH_3NH_2}}{n_{NH_3} + n_{CH_3NH_2}} \]

\[ 27,5 = \frac{n_{NH_3} \times 17 + n_{CH_3NH_2} \times 31}{0,2} \]

Ta có hệ phương trình:

1. \(n_{NH_3} + n_{CH_3NH_2} = 0,2\)

2. \(17 \times n_{NH_3} + 31 \times n_{CH_3NH_2} = 27,5 \times 0,2 = 5,5\)

Từ phương trình (1), ta có \(n_{CH_3NH_2} = 0,2 – n_{NH_3}\).

Thay vào phương trình (2):

\[ 17 \times n_{NH_3} + 31 \times (0,2 – n_{NH_3}) = 5,5 \]

\[ 17 \times n_{NH_3} + 6,2 – 31 \times n_{NH_3} = 5,5 \]

\[ (17 – 31) \times n_{NH_3} = 5,5 – 6,2 \]

\[ -14 \times n_{NH_3} = -0,7 \]

\[ n_{NH_3} = \frac{-0,7}{-14} = 0,05 \text{ mol} \]

Suy ra:

\[ n_{CH_3NH_2} = 0,2 – n_{NH_3} = 0,2 – 0,05 = 0,15 \text{ mol} \]

Kiểm tra lại: Tỉ lệ \(n_{NH_3} : n_{CH_3NH_2} = 0,05 : 0,15 = 1 : 3\).

Khối lượng mol trung bình: \(\frac{0,05 \times 17 + 0,15 \times 31}{0,2} = \frac{0,85 + 4,65}{0,2} = \frac{5,5}{0,2} = 27,5\). Đúng.

Bước 4: Viết phản ứng của hỗn hợp X với NaOH và xác định số mol của các chất trong X.

Hỗn hợp X gồm CH3COONH4 và CH3NH3HCOO.

Phản ứng của CH3COONH4 với NaOH:

CH3COONH4 + NaOH → CH3COONa + NH3↑ + H2O

Phản ứng của CH3NH3HCOO với NaOH:

CH3NH3HCOO + NaOH → HCOONa + CH3NH2↑ + H2O

Từ tỉ lệ số mol khí thu được, ta có:

– Số mol NH3 là 0,05 mol. Theo phản ứng, số mol CH3COONH4 là 0,05 mol.
– Số mol CH3NH2 là 0,15 mol. Theo phản ứng, số mol CH3NH3HCOO là 0,15 mol.

Vậy, trong hỗn hợp X có:

\(n_{CH_3COONH_4} = 0,05\) mol

\(n_{CH_3NH_3HCOO} = 0,15\) mol

Bước 5: Tính khối lượng muối khan thu được sau khi cô cạn dung dịch Y.

Dung dịch Y thu được sau phản ứng bao gồm: NaOH dư (nếu có, nhưng đề nói “vừa đủ” nên không có NaOH dư), muối của axit cacboxylic và nước.

Các muối thu được trong dung dịch Y là: CH3COONa và HCOONa.

Từ phản ứng 1: \(n_{CH_3COONa} = n_{CH_3COONH_4} = 0,05\) mol.

Từ phản ứng 2: \(n_{HCOONa} = n_{CH_3NH_3HCOO} = 0,15\) mol.

Khối lượng mol của CH3COONa là \(M_{CH_3COONa} = 12 + 3 \times 1 + 12 + 2 \times 16 + 23 = 82\) g/mol.

Khối lượng mol của HCOONa là \(M_{HCOONa} = 1 + 12 + 2 \times 16 + 23 = 68\) g/mol.

Khối lượng muối khan thu được là tổng khối lượng của CH3COONa và HCOONa:

\[ m_{muối khan} = m_{CH_3COONa} + m_{HCOONa} \]

\[ m_{muối khan} = (n_{CH_3COONa} \times M_{CH_3COONa}) + (n_{HCOONa} \times M_{HCOONa}) \]

\[ m_{muối khan} = (0,05 \times 82) + (0,15 \times 68) \]

\[ m_{muối khan} = 4,1 + 10,2 \]

\[ m_{muối khan} = 14,3 \text{ gam} \]

Kết luận:

Khối lượng muối khan thu được là 14,3 gam.

Đây là một bài tập hay, giúp chúng ta củng cố kiến thức về đồng phân, phản ứng đặc trưng của các hợp chất hữu cơ, và kỹ năng sử dụng các công thức tính toán liên quan đến hỗn hợp. Các em xem lại từng bước, nếu có chỗ nào chưa rõ, hãy hỏi thầy nhé!