Xin chào các em học sinh lớp 12 thân mến! Hôm nay, chúng ta sẽ cùng nhau tìm hiểu về một loại polime quan trọng, đó là xenlulozơ và các dẫn xuất của nó, cụ thể là các loại xenlulozơ nitrat. Cô sẽ hướng dẫn các em viết công thức phân tử của xenlulozơ nitrat, xenlulozơ đinitrat và xenlulozơ trinitrat dựa trên kiến thức đã học trong sách giáo khoa.

Trước hết, chúng ta cần nhớ lại công thức cấu tạo của mắt xích cơ bản trong phân tử xenlulozơ. Xenlulozơ là một polisaccarit, được cấu tạo từ các gốc α-glucozơ liên kết với nhau bằng liên kết β-glucozit. Công thức của một mắt xích C_6H_{10}O_5.

Tuy nhiên, để viết công thức của xenlulozơ nitrat, chúng ta cần xem xét cấu tạo của gốc glucozơ. Mỗi gốc glucozơ trong xenlulozơ có 3 nhóm hydroxyl (-OH) có thể tham gia phản ứng este hóa với axit nitric.

Phản ứng este hóa này diễn ra như sau:
R-OH + HNO_3 \rightarrow R-ONO_2 + H_2O

Trong phân tử glucozơ, có 3 nhóm hydroxyl ở vị trí C2, C3 và C6 có khả năng phản ứng.

Bây giờ, chúng ta sẽ đi vào từng loại xenlulozơ nitrat cụ thể.

1. Xenlulozơ nitrat (hay xenlulozơ mononitrat)

Khi xenlulozơ phản ứng với axit nitric theo tỉ lệ mol phù hợp, trung bình mỗi mắt xích glucozơ chỉ thế một nhóm -OH bằng nhóm -ONO_2. Điều này có nghĩa là trung bình mỗi mắt xích chỉ có 1 nhóm -ONO_2 được tạo thành.

Công thức của mắt xích C_6H_{10}O_5 ban đầu.
Khi thế 1 nhóm -OH, ta thay thế một nguyên tử H trong nhóm -OH bằng nhóm -NO_2.
Hay nói cách khác, ta cộng thêm nhóm -NO_2 và loại bỏ 1 nguyên tử H.
Vì vậy, công thức của mắt xích xenlulozơ mononitrat sẽ là:
\(C_6H_7(ONO_2)O_3\)

Để có công thức phân tử chung, chúng ta nhân với n (số mắt xích).
Vậy, công thức phân tử của xenlulozơ mononitrat là:
\( (C_6H_7(ONO_2)O_3)_n \)

Tuy nhiên, trong sách giáo khoa thường viết gọn hơn, bằng cách coi phản ứng đã diễn ra trên gốc glucozơ và sau đó cộng lại các nguyên tử.
Một cách hiểu khác, mỗi mắt xích ban đầu là \(C_6H_{10}O_5\). Khi thế một nhóm -OH, ta xem như nhóm -OH đó bị thay thế bởi nhóm -ONO_2. Tức là, ta thêm một nhóm -NO_2 và bớt đi một nguyên tử H.
Do đó, một mắt xích có thể được biểu diễn là \( C_6H_{10-x}(ONO_2)_x O_5 \), với x là số nhóm -ONO_2 trung bình trên mỗi mắt xích.
Khi x = 1, ta có: \( C_6H_9(ONO_2)O_5 \).
Nếu gom lại, ta có thể coi là \( C_6H_7(ONO_2)O_3 \) cộng với nước bị mất đi, hoặc đơn giản là thêm nhóm -NO_2 vào công thức gốc C_6H_{10}O_5.
C_6H_{10}O_5 + HNO_3 \rightarrow C_6H_9O_4NO_2 + H_2O
Công thức này không phản ánh rõ cấu trúc este.

Cách viết phổ biến và chính xác hơn dựa trên sự thế nhóm -OH là:
Mắt xích glucozơ là \(C_6H_{11}O_6\) (trước khi mất nước tạo liên kết glicozit).
Trong xenlulozơ, một mắt xích là \(C_6H_{10}O_5\).
Số nhóm hydroxyl có thể phản ứng là 3.
Nếu trung bình 1 nhóm -OH phản ứng, ta có:
\(C_6H_{10}O_5 \rightarrow C_6H_{10-1}(ONO_2)O_5 = C_6H_9(ONO_2)O_5\)
Tuy nhiên, cách viết \( C_6H_7(ONO_2)O_3 \) có vẻ không đúng vì nó làm thay đổi số nguyên tử oxi.

Chúng ta hãy quay lại với cấu tạo của glucozơ \(C_6H_{12}O_6\). Khi liên kết với nhau tạo thành xenlulozơ, mỗi mắt xích mất đi 1 phân tử nước: \(C_6H_{12}O_6 – H_2O = C_6H_{10}O_5\).
Mỗi mắt xích \(C_6H_{10}O_5\) này còn lại 3 nhóm -OH có thể phản ứng.
Nếu phản ứng với HNO_3, nhóm -OH bị thế bởi nhóm -ONO_2.
\( -OH \rightarrow -ONO_2 \)
Tức là, mất đi 1 H và thêm vào 1 nhóm -NO_2.

Do đó, nếu trung bình 1 nhóm -OH phản ứng trên mỗi mắt xích, công thức của một mắt xích xenlulozơ mononitrat sẽ là:
\(C_6H_{10-1}O_5\) (gốc cacbon) với 1 nhóm -ONO_2.
\(C_6H_9O_5\) với 1 nhóm -ONO_2.

Cách viết phổ biến và dễ hiểu nhất cho xenlulozơ nitrat (nói chung, chưa rõ độ thế) là dựa trên công thức của xenlulozơ \( (C_6H_{10}O_5)_n \) và xem như mỗi nhóm -OH đã phản ứng tạo thành nhóm -ONO_2.
Mỗi mắt xích \(C_6H_{10}O_5\) có 3 nhóm -OH.
Nếu x nhóm -OH phản ứng, ta có công thức:
\( (C_6H_{10-x}(ONO_2)_x O_5)_n \) với x có thể là 1, 2, hoặc 3.

Tuy nhiên, đề bài yêu cầu công thức của xenlulozơ nitrat, xenlulozơ đinitrat và xenlulozơ trinitrat. Điều này ngụ ý rằng “xenlulozơ nitrat” là trường hợp chung hoặc có thể là mononitrat.

Chúng ta sẽ tập trung vào việc thế các nhóm -OH.
Công thức gốc của mắt xích xenlulozơ là \(C_6H_{10}O_5\). Mặc dù công thức này đã là sau khi mất nước. Tuy nhiên, khi viết công thức xenlulozơ nitrat, chúng ta cần xem xét 3 nhóm -OH có thể phản ứng trên mỗi gốc glucozơ trước khi chúng liên kết với nhau.
Một gốc glucozơ có công thức \(C_6H_{12}O_6\). Sau khi mất nước liên kết với gốc khác, nó trở thành \(C_6H_{10}O_5\).
Trong \(C_6H_{10}O_5\), vẫn còn 3 nhóm -OH có thể phản ứng.
Gọi số nhóm -OH phản ứng trên mỗi mắt xích là x.

Xenlulozơ mononitrat (hay xenlulozơ đinitrat trong một số tài liệu cũ)
Trung bình mỗi mắt xích thế 1 nhóm -OH.
Tức là, x = 1.
Công thức của mắt xích: \(C_6H_{10-1}(ONO_2)O_5 = C_6H_9(ONO_2)O_5\).
Công thức phân tử của xenlulozơ mononitrat là:
\( (C_6H_9(ONO_2)O_5)_n \)

Tuy nhiên, cách viết quen thuộc hơn và theo sách giáo khoa để thể hiện sự nitrat hóa trên gốc C6 là:
Mỗi gốc glucozơ ban đầu có 3 nhóm -OH.
Nếu trung bình 1 nhóm -OH bị thế bởi nhóm -ONO_2.
Ta có thể viết công thức của một mắt xích xenlulozơ mononitrat là:
\( C_6H_7(ONO_2)O_3 \) là cách viết sai.

Hãy xem xét lại phản ứng của glucozơ với HNO3:
\( C_6H_{12}O_6 + x HNO_3 \rightarrow C_6H_{12-x}O_6(ONO_2)_x + x H_2O \)

Khi xenlulozơ phản ứng, chúng ta xem xét trên từng mắt xích \(C_6H_{10}O_5\).
Số nhóm -OH có thể phản ứng là 3.
Nếu trung bình x nhóm -OH bị thế.
\( C_6H_{10}O_5 + x HNO_3 \rightarrow C_6H_{10-x}O_5(ONO_2)_x + x H_2O \)

2. Xenlulozơ đinitrat

Trong trường hợp này, trung bình mỗi mắt xích thế 2 nhóm -OH.
Tức là, x = 2.
Công thức của mắt xích: \(C_6H_{10-2}(ONO_2)_2O_5 = C_6H_8(ONO_2)_2O_5\).
Công thức phân tử của xenlulozơ đinitrat là:
\( (C_6H_8(ONO_2)_2O_5)_n \)

3. Xenlulozơ trinitrat

Trong trường hợp này, trung bình mỗi mắt xích thế 3 nhóm -OH.
Tức là, x = 3.
Công thức của mắt xích: \(C_6H_{10-3}(ONO_2)_3O_5 = C_6H_7(ONO_2)_3O_5\).
Công thức phân tử của xenlulozơ trinitrat là:
\( (C_6H_7(ONO_2)_3O_5)_n \)

Tuy nhiên, cách viết này có vẻ hơi phức tạp. Sách giáo khoa thường có một cách viết khác để chỉ độ thế nitrat.
Khi nói đến xenlulozơ nitrat, người ta thường ám chỉ sản phẩm sau phản ứng của xenlulozơ với hỗn hợp axit nitric và axit sulfuric.

Để đơn giản hóa và tuân thủ cách biểu diễn trong sách giáo khoa Hóa học lớp 12, chúng ta sẽ xem xét công thức của gốc glucozơ.
Mỗi gốc glucozơ có 3 nhóm -OH có thể phản ứng.
Công thức của gốc glucozơ trong xenlulozơ là \(C_6H_{10}O_5\) (sau khi mất nước). Tuy nhiên, khi xét phản ứng, ta coi như có 3 nhóm -OH trên một đơn vị \(C_6\).

Cách viết phổ biến nhất trong sách giáo khoa là dựa trên sự thế của các nguyên tử Hydro trong nhóm Hydroxyl bởi nhóm Nitro (-NO_2) hoặc nhóm Nitrat (-ONO_2).
Phản ứng của xenlulozơ với axit nitric là phản ứng este hóa, tạo thành nhóm -ONO_2.

Hãy xem xét lại gốc glucozơ trong xenlulozơ. Mỗi gốc glucozơ có 3 nhóm -OH tự do.
\(C_6H_{10}O_5\) là công thức của một mắt xích. Số nguyên tử Hiđro ở đây là 10.

Tên gọi và Công thức tương ứng:

* Xenlulozơ mononitrat (hoặc Xenlulozơ đinitrat theo một số sách cũ):
Trung bình mỗi mắt xích xenlulozơ phản ứng với 1 phân tử HNO_3, tức là thế 1 nhóm -OH.
Công thức của mắt xích: \(C_6H_9(ONO_2)O_5\).
Công thức phân tử: \( (C_6H_9(ONO_2)O_5)_n \)

* Xenlulozơ đinitrat (hoặc Xenlulozơ trinitrat theo một số sách cũ):
Trung bình mỗi mắt xích xenlulozơ phản ứng với 2 phân tử HNO_3, tức là thế 2 nhóm -OH.
Công thức của mắt xích: \(C_6H_8(ONO_2)_2O_5\).
Công thức phân tử: \( (C_6H_8(ONO_2)_2O_5)_n \)

* Xenlulozơ trinitrat (hay còn gọi là gun cotton, vào loại thuốc súng không khói):
Trung bình mỗi mắt xích xenlulozơ phản ứng với 3 phân tử HNO_3, tức là thế 3 nhóm -OH.
Công thức của mắt xích: \(C_6H_7(ONO_2)_3O_5\).
Công thức phân tử: \( (C_6H_7(ONO_2)_3O_5)_n \)

Tên gọi “xenlulozơ nitrat” nói chung có thể ám chỉ bất kỳ sản phẩm nào của phản ứng này. Tuy nhiên, khi có số đếm (mono, di, tri), chúng ta sẽ xác định rõ số nhóm thế.

Để làm rõ hơn và theo cách hiểu phổ biến trong sách giáo khoa, chúng ta sẽ dùng cách viết tập trung vào số nhóm -ONO_2 trên mỗi gốc C6.
Mỗi gốc glucozơ có 3 nhóm -OH.

* Xenlulozơ trinitrat: Đây là trường hợp phản ứng hoàn toàn, tất cả 3 nhóm -OH đều bị thế bởi nhóm -ONO_2.
Công thức của mắt xích: \(C_6H_7(ONO_2)_3O_5\).
Nhưng cách viết gọn hơn, tập trung vào gốc C6 và nhóm nitrat là:
Mỗi gốc C_6 có 3 nhóm -ONO_2. Số nguyên tử H còn lại là 7.
\( [C_6H_7(ONO_2)_3] \). Tổng quát là \( [C_6H_7(ONO_2)_3]_n \).

Tuy nhiên, cách viết \( (C_6H_7(ONO_2)_3O_5)_n \) thể hiện rõ hơn cấu tạo của gốc xenlulozơ.

* Xenlulozơ đinitrat: Trung bình mỗi mắt xích thế 2 nhóm -OH.
Công thức của mắt xích: \(C_6H_8(ONO_2)_2O_5\).
Công thức phân tử: \( (C_6H_8(ONO_2)_2O_5)_n \)

* Xenlulozơ mononitrat (khi gọi chung là xenlulozơ nitrat, thường ám chỉ đến sản phẩm có độ thế thấp):
Trung bình mỗi mắt xích thế 1 nhóm -OH.
Công thức của mắt xích: \(C_6H_9(ONO_2)O_5\).
Công thức phân tử: \( (C_6H_9(ONO_2)O_5)_n \)

Do đó, để trả lời câu hỏi:

* Công thức phân tử của xenlulozơ nitrat: Chúng ta có thể hiểu đây là trường hợp chung hoặc trường hợp có độ thế thấp. Nếu hiểu là trường hợp có độ thế thấp nhất (trừ xenlulozơ chưa phản ứng), đó là xenlulozơ mononitrat.
\( (C_6H_9(ONO_2)O_5)_n \)

* Công thức phân tử của xenlulozơ đinitrat:
\( (C_6H_8(ONO_2)_2O_5)_n \)

* Công thức phân tử của xenlulozơ trinitrat:
\( (C_6H_7(ONO_2)_3O_5)_n \)

Lưu ý quan trọng:
Chữ “n” trong công thức biểu thị số mắt xích trong chuỗi polime, và “n” thường có giá trị rất lớn.
Độ thế nitrat (x) là giá trị trung bình trên mỗi mắt xích.

Các em cần nắm vững rằng xenlulozơ là một polime, nên công thức phân tử của nó và các dẫn xuất luôn có dạng \( ( … )_n \), trong đó “n” là bậc polime.

Cô hy vọng với phần giải thích chi tiết này, các em đã hiểu rõ cách viết công thức phân tử của các loại xenlulozơ nitrat. Hãy ôn tập kỹ và đừng ngần ngại đặt câu hỏi nếu có bất kỳ điều gì chưa rõ nhé!