Chào các em học sinh thân mến! Hôm nay, cô trò mình sẽ cùng nhau đi giải một bài tập rất thú vị về cách viết công thức cấu tạo và công thức thu gọn của một hợp chất hữu cơ. Các em hãy mở Sách giáo khoa Hóa học lớp 9 trang 112 ra nhé.

Bài tập của chúng ta là viết công thức cấu tạo và thu gọn của C2H7N, biết N có hóa trị 3.

Đầu tiên, chúng ta cần phân tích công thức phân tử C2H7N.
Công thức phân tử cho biết trong một phân tử hợp chất này có 2 nguyên tử Cacbon (C), 7 nguyên tử Hiđro (H) và 1 nguyên tử Nitơ (N).

Tiếp theo, chúng ta cần xác định hóa trị của các nguyên tử trong phân tử.
Theo đề bài, nguyên tử Nitơ (N) có hóa trị 3.
Trong các hợp chất hữu cơ, nguyên tử Cacbon (C) thường có hóa trị 4, và nguyên tử Hiđro (H) có hóa trị 1.

Bây giờ, chúng ta sẽ tiến hành xây dựng công thức cấu tạo. Công thức cấu tạo cho chúng ta biết sự sắp xếp của các nguyên tử trong phân tử và các liên kết hóa học giữa chúng.

Bước 1: Xếp các nguyên tử Cacbon lại với nhau.
Vì có 2 nguyên tử Cacbon, chúng ta có thể xếp chúng nối liền nhau tạo thành một mạch cacbon.
C – C

Bước 2: Điền các nguyên tử Hiđro và Nitơ vào mạch cacbon sao cho hóa trị của các nguyên tử được thỏa mãn.
Chúng ta có tổng cộng 7 nguyên tử Hiđro và 1 nguyên tử Nitơ cần gắn vào.
Nguyên tử Nitơ có hóa trị 3. Nguyên tử Cacbon có hóa trị 4.

Hãy thử suy nghĩ xem chúng ta có thể sắp xếp chúng như thế nào.
Chúng ta có thể xem xét việc gắn nguyên tử Nitơ vào một trong hai nguyên tử Cacbon.

Giả sử chúng ta gắn nguyên tử Nitơ vào một nguyên tử Cacbon.
C – C – N
Bây giờ, chúng ta cần điền các nguyên tử Hiđro.
Nguyên tử Cacbon đầu tiên có 1 liên kết với nguyên tử Cacbon thứ hai. Để đạt hóa trị 4, nó cần thêm 3 liên kết nữa. Chúng ta sẽ điền 3 nguyên tử Hiđro vào đây.
H
|
H – C – C – N
|
H

Nguyên tử Cacbon thứ hai có 1 liên kết với nguyên tử Cacbon đầu tiên và 1 liên kết với nguyên tử Nitơ. Để đạt hóa trị 4, nó cần thêm 2 liên kết nữa. Chúng ta sẽ điền 2 nguyên tử Hiđro vào đây.
H
|
H – C – C – N – H
| |
H H

Cuối cùng, nguyên tử Nitơ có 1 liên kết với nguyên tử Cacbon thứ hai. Để đạt hóa trị 3, nó cần thêm 2 liên kết nữa. Chúng ta sẽ điền 2 nguyên tử Hiđro vào đây.
H
|
H – C – C – N – H
| | |
H H H

Tuy nhiên, cách sắp xếp này còn một nguyên tử Hiđro chưa được điền vào. Chúng ta có tổng cộng 3+2+2 = 7 nguyên tử Hiđro. Vậy công thức này đúng về số lượng nguyên tử.

Chúng ta kiểm tra lại hóa trị:
Cacbon đầu tiên: 3 liên kết với H và 1 liên kết với C -> hóa trị 4 (Đúng)
Cacbon thứ hai: 2 liên kết với H, 1 liên kết với C, 1 liên kết với N -> hóa trị 4 (Đúng)
Nitơ: 1 liên kết với C và 2 liên kết với H -> hóa trị 3 (Đúng)
Hiđro: Mỗi H có 1 liên kết -> hóa trị 1 (Đúng)

Vậy, một công thức cấu tạo có thể là:
H H
| |
H – C – C – N – H
| | |
H H H

Đây là cách sắp xếp mà nguyên tử Nitơ nối với một nguyên tử Cacbon, và nguyên tử Cacbon đó lại nối với nguyên tử Cacbon kia.

Ngoài ra, chúng ta còn có thể xem xét trường hợp nguyên tử Nitơ không trực tiếp nối với cả hai nguyên tử Cacbon.

Hãy suy nghĩ đến trường hợp nguyên tử Nitơ được gắn vào một nguyên tử Cacbon, và nguyên tử Cacbon còn lại cũng được gắn vào nguyên tử Cacbon đó.

C – C – N
Chúng ta có thể gắn 3 nguyên tử H vào một C, 2 nguyên tử H vào C còn lại, và 2 nguyên tử H vào N.

H
|
H – C – N – H
| |
H H
|
C
|
H
|
H

Cách sắp xếp này có vẻ phức tạp hơn và có thể không đúng với hóa trị.

Quay lại với cấu trúc mạch cacbon C-C.
Chúng ta có thể gắn nguyên tử Nitơ vào một trong hai nguyên tử Cacbon.
C1 – C2
Nếu gắn N vào C1: N – C1 – C2
Nếu gắn N vào C2: C1 – C2 – N

Xét trường hợp C1 – C2 – N.
C1 cần 3 H.
C2 cần 1 H.
N cần 2 H.
Tổng H = 3 + 1 + 2 = 6 H. Thiếu 1 H.

Vậy, nguyên tử Nitơ có thể nằm giữa hai nguyên tử Cacbon hoặc một nguyên tử Cacbon khác nối với nguyên tử Nitơ.

Chúng ta có thể xem xét nhóm -NH2, -NH-, -N=.
Vì N có hóa trị 3, nó có thể tạo 3 liên kết.

Consider the structure CH3-CH2-NH2.
Cacbon thứ nhất (trên CH3) có 3 liên kết với H và 1 liên kết với C. Hóa trị 4.
Cacbon thứ hai (trên CH2) có 2 liên kết với H và 1 liên kết với C, 1 liên kết với N. Hóa trị 4.
Nitơ có 1 liên kết với C và 2 liên kết với H. Hóa trị 3.
Tổng số nguyên tử: C: 2, H: 3+2+2 = 7, N: 1. Công thức C2H7N.
Cấu trúc này thỏa mãn tất cả các điều kiện.

Vậy công thức cấu tạo thứ nhất là:
H H
| |
H – C – C – N – H
| | |
H H H

Bây giờ, chúng ta xem xét một khả năng khác. Có thể có một nhánh.
Trong trường hợp này, với 2 nguyên tử Cacbon, mạch thẳng là khả năng chính.

Tuy nhiên, cần xem xét vị trí của nguyên tử Nitơ.
Chúng ta đã xét trường hợp nguyên tử Nitơ ở cuối mạch (như trong CH3-CH2-NH2).
Còn trường hợp nào khác không?
Nguyên tử Nitơ có thể nối với cả hai nguyên tử Cacbon tạo thành một vòng? Không thể với số lượng nguyên tử này.

Vậy, chúng ta cần xem xét vị trí của nguyên tử Nitơ gắn vào mạch cacbon.
Mạch cacbon: C-C
Nguyên tử Nitơ có thể nối với C thứ nhất hoặc C thứ hai.

TH1: Nitơ nối với C thứ nhất.
N – C – C
Để N có hóa trị 3, nó cần 2 H: N(H)2 – C – C
C đầu tiên có 1 liên kết với N. Để hóa trị 4, nó cần 3 liên kết nữa. Có thể là 3 H.
H
|
N – C – C
| |
H H

C thứ hai có 1 liên kết với C thứ nhất. Để hóa trị 4, nó cần 3 liên kết nữa. Có thể là 3 H.
H
|
N – C – C – H
| | |
H H H

Kiểm tra lại số lượng nguyên tử: C: 2, H: 2+1+3 = 6. Thiếu 1 H.
Vậy, C đầu tiên không thể có 3 H.
Phải có sự phân bổ lại.

Hãy quay lại với cấu trúc CH3-CH2-NH2.
Đây là một amin bậc 1.

Cấu trúc thứ hai có thể là khi nguyên tử Nitơ không ở vị trí cuối mạch.
C – N – C
Để N có hóa trị 3, nó cần 1 H: C – N(H) – C
Nguyên tử Cacbon bên trái có 1 liên kết với N. Để hóa trị 4, cần 3 H.
H
|
H – C – N(H) – C
| |
H H

Nguyên tử Cacbon bên phải có 1 liên kết với N. Để hóa trị 4, cần 3 H.
H
|
H – C – N(H) – C – H
| | |
H H H

Kiểm tra lại số lượng nguyên tử: C: 2, H: 3+1+3 = 7, N: 1. Công thức C2H7N.
Kiểm tra hóa trị:
C bên trái: 3 H + 1 N = 4 (Đúng)
N: 1 C + 1 H + 1 C = 3 (Đúng)
C bên phải: 3 H + 1 N = 4 (Đúng)
H: 1 (Đúng)

Vậy, chúng ta có một công thức cấu tạo thứ hai:
H
|
H – C – N – C – H
| | |
H H H

Đây là cấu trúc của metylamin (CH3-NH-CH3), nhưng công thức phân tử là C2H7N.
Cấu trúc này là CH3-NH-CH3. Số C là 2, số H là 3+1+3 = 7, số N là 1.
Cái này là C2H7N.

Tuy nhiên, ở trên cô viết sai C-N-C.
Nó phải là:
H H
| |
H – C – N – C – H
| |
H H

Cấu trúc này là CH3-NH-CH3. Số C là 2, số H là 3+1+3 = 7, số N là 1.

Cấu trúc này là CH3-NH-CH3.
Tuy nhiên, đề bài cho C2H7N.
Chúng ta đang xem xét hai trường hợp chính:
Trường hợp 1: Amin bậc 1 (nhóm -NH2)
CH3-CH2-NH2 (Etylamin)
Công thức cấu tạo:
H H
| |
H – C – C – N – H
| | |
H H H

Trường hợp 2: Amin bậc 2 (nhóm -NH-)
CH3-NH-CH3 (Dimetylamin)
Công thức cấu tạo:
H H
| |
H – C – N – C – H
| | |
H H H

Ơ, cô nhầm một chút.
Trong trường hợp 2: CH3-NH-CH3
C bên trái nối với 3 H và 1 N.
N nối với 1 C, 1 H và 1 C.
C bên phải nối với 3 H và 1 N.

Công thức cấu tạo của CH3-NH-CH3:
H H
| |
H – C – N – C – H
| | |
H H H

Cấu trúc này đúng với hóa trị và số nguyên tử.
C: 2
H: 3 + 1 + 3 = 7
N: 1

Vậy, có 2 công thức cấu tạo có thể có cho C2H7N:
1. CH3-CH2-NH2 (Etylamin)
H H
| |
H-C-C-N-H
| | |
H H H

2. CH3-NH-CH3 (Dimetylamin)
H H
| |
H-C-N-C-H
| | |
H H H

Bây giờ, chúng ta sẽ viết công thức thu gọn.
Công thức thu gọn giúp biểu diễn cấu trúc một cách ngắn gọn hơn, thường bỏ bớt các liên kết C-H đơn lẻ nhưng vẫn giữ lại liên kết giữa các nguyên tử phi kim.

Đối với công thức cấu tạo CH3-CH2-NH2:
Chúng ta nhóm các nguyên tử H gắn vào từng C lại.
CH3 – CH2 – NH2

Đối với công thức cấu tạo CH3-NH-CH3:
Chúng ta nhóm các nguyên tử H gắn vào từng C lại và nhóm H gắn vào N.
CH3 – NH – CH3

Vậy, chúng ta có hai công thức cấu tạo và hai công thức thu gọn cho C2H7N.

Tóm lại:
Hợp chất có công thức phân tử C2H7N với N hóa trị 3 có hai đồng phân cấu tạo.

Đồng phân 1: Etylamin
Công thức cấu tạo:
H H
| |
H – C – C – N – H
| | |
H H H

Công thức thu gọn: CH3-CH2-NH2

Đồng phân 2: Dimetylamin
Công thức cấu tạo:
H H
| |
H – C – N – C – H
| | |
H H H

Công thức thu gọn: CH3-NH-CH3

Các em thấy không, chỉ với một công thức phân tử nhưng chúng ta có thể có nhiều cách sắp xếp các nguyên tử khác nhau, tạo ra các chất có tính chất khác nhau. Đây chính là hiện tượng đồng phân mà chúng ta sẽ tìm hiểu sâu hơn trong các bài học tới.

Nếu có bất kỳ câu hỏi nào, đừng ngần ngại hỏi cô nhé!