Giải SGK Hóa học 11 (Cánh diều) Bài 18: Hợp chất carbonyl

Giải Hóa học 11 Bài 18: Hợp chất carbonyl

Mở đầu trang 122 Hóa học 11: Cinnamaldehyde là hợp chất carbonyl có trong tinh dầu quế, được sử dụng làm hương liệu, dược liệu, … Vậy hợp chất carbonyl là gì?

Lời giải:

Hợp chất carbonyl là các hợp chất hữu cơ trong phân tử có nhóm chức carbonyl (). Nhóm chức carbonyl có trong aldehyde, ketone …

I. Khái niệm và danh pháp

Luyện tập 1 trang 123 Hóa học 11: Cho các hợp chất có công thức sau:

Trong các hợp chất trên, hợp chất nào là hợp chất carbonyl, hợp chất nào thuộc loại aldehyde, ketone?

Lời giải:

- Hợp chất carbonyl: (B), (D).

- Hợp chất thuộc loại aldehyde: (B).

- Hợp chất thuộc loại ketone: (D).

Câu hỏi 1 trang 123 Hóa học 11: Hãy mô tả hình dạng phân tử methanal và ethanal.

Lời giải:

Nguyên tử C mang liên kết đôi ở trạng thái lai hoá sp².

Liên kết đôi C = O gồm một liên kết σ bền và một liên kết π kém bền. Liên kết đôi C = O và hai liên kết đơn nằm trong cùng một mặt phẳng, góc giữa các liên kết ở nhóm  xấp xỉ 120^o.

II. Tính chất vật lí

Câu hỏi 2 trang 126 Hóa học 11: Dựa vào đặc điểm cấu tạo của hợp chất carbonyl, giải thích vì sao các aldehyde đơn giản như formic aldehyde và acetic aldehyde lại là các chất khí ở nhiệt độ thường.

Lời giải:

Các aldehyde đơn giản như formic aldehyde và acetic aldehyde có phân tử khối nhỏ, kích thước phân tử nhỏ, không tạo được liên kết hydrogen giữa các phân tử với nhau nên ở điều kiện thường chúng là các chất khí.

Luyện tập 3 trang 126 Hóa học 11: Cho các chất có công thức sau: C₂H₆, C₂H₅OH, HCH = O, CH₃CH = O, CH₃CH₂CH=O và các dữ liệu nhiệt độ sôi là 78,3 ^oC, -89 ^oC, 21 ^oC, -21 ^oC, 49 ^oC (không theo thứ tự). Hãy dự đoán nhiệt độ sôi tương ứng với mỗi mẫu chất trên. Giải thích.

Lời giải:

Dự đoán nhiệt độ sôi các chất:

Giải thích:

- So với các alcohol có cùng số nguyên tử carbon trong phân tử, các hợp chất carbonyl có nhiệt độ sôi thấp hơn nhiều.

- Các hợp chất carbonyl có nhiệt độ sôi cao hơn nhiều so với các hydrocarbon có phân tử khối tương đương.

- Các hợp chất carbonyl (HCH = O, CH₃CH = O, CH₃CH₂CH=O ) có nhiệt độ sôi tăng dần theo chiều tăng của phân tử khối.

Câu hỏi 3 trang 126 Hóa học 11: Vì sao các hợp chất carbonyl mạch ngắn như formaldehyde, acetaldehyde, acetone lại tan tốt trong nước?

Lời giải:

Các hợp chất carbonyl mạch ngắn như formaldehyde, acetaldehyde, acetone tan tốt trong nước nhờ tạo liên kết hydrogen với nước.

Ví dụ liên kết hydrogen giữa các phân tử acetaldehyde và acetone với nước như sau:

Câu hỏi 4 trang 126 Hóa học 11: Dựa vào giá trị độ âm điện của carbon và oxygen, nhận xét về sự phân cực của liên kết C = O trong các hợp chất carbonyl.

Lời giải:

Độ âm điện của carbon là: 2,55; độ âm điện của oxygen là: 3,44.

Nhận xét: Liên kết đôi C = O phân cực về phía nguyên tử oxygen.

Câu hỏi 5 trang 126 Hóa học 11: Viết sơ đồ phản ứng của các hợp chất carbonyl có công thức phân tử là C₄H₈O với LiAlH₄.

Lời giải:

Ta có các sơ đồ:

CH₃ – CH₂ – CH₂ – CHO $\stackrel{LiAl{H}_4}{\to }$ CH₃ – CH₂ – CH₂ – CH₂ – OH.

III. Tính chất hoá học

Câu hỏi 4 trang 126 Hóa học 11: Dựa vào giá trị độ âm điện của carbon và oxygen, nhận xét về sự phân cực của liên kết C = O trong các hợp chất carbonyl.

Lời giải:

Độ âm điện của carbon là: 2,55; độ âm điện của oxygen là: 3,44.

Nhận xét: Liên kết đôi C = O phân cực về phía nguyên tử oxygen.

Câu hỏi 5 trang 126 Hóa học 11: Viết sơ đồ phản ứng của các hợp chất carbonyl có công thức phân tử là C₄H₈O với LiAlH₄.

Lời giải:

Ta có các sơ đồ:

CH₃ – CH₂ – CH₂ – CHO $\stackrel{LiAl{H}_4}{\to }$ CH₃ – CH₂ – CH₂ – CH₂ – OH.

Luyện tập 4 trang 127 Hóa học 11: Viết phương trình hoá học (nếu có) của phản ứng giữa propanal và propanone với:

a) Thuốc thử Tollens.

b) Cu(OH)₂/OH^-.

Lời giải:

a) Propanal có phản ứng với thuốc thử Tollens còn propanone không có phản ứng này.

Phương trình hoá học:

CH₃CH₂CHO + 2[Ag(NH₃)₂OH] $\stackrel{t^o}{\to }$ CH₃CH₂COONH₄ + 2Ag + 3NH₃ + H₂O.

b) Propanal có phản ứng với Cu(OH)₂/OH^- còn propanone không có phản ứng này.

CH₃CH₂CHO + 2Cu(OH)₂ + NaOH $\stackrel{t^o}{\to }$ CH₃CH₂COONa + Cu₂O + 3H₂O.

Luyện tập 5 trang 128 Hóa học 11: Hãy trình bày cách phân biệt acetaldehyde và acetone.

Lời giải:

Acetone không có phản ứng với thuốc thử Tollens hoặc với Cu(OH)₂ (trong môi trường kiềm) nên có thể dùng thuốc thử Tollens hoặc Cu(OH)₂ để phân biệt acetaldehyde và acetone.

Cách 1: Phân biệt acetaldehyde và acetone bằng thuốc thử Tollens:

- Trích mẫu thử.

- Chuẩn bị hai ống nghiệm. Cho vào mỗi ống nghiệm khoảng 1 mL dung dịch AgNO₃ 1% và nhỏ từ từ từng giọt dung dịch NH₃ 5% và lắc nhẹ cho đến khi vừa hoà tan hết kết tủa silver oxide, thu được thuốc thử Tollens (thuốc thử Tollens sẽ kém nhạy nếu dư dung dịch NH₃).

- Cho lần lượt từng mẫu thử vào từng ống nghiệm chứa thuốc thử Tollens, lắc đều các ống nghiệm. Đun nóng nhẹ hỗn hợp trong các ống nghiệm trên ngọn lửa đèn cồn.

+ Nếu có lớp bạc trắng sáng bám thành ống nghiệm mẫu thử là acetaldehyde.

+ Không có hiện tượng mẫu thử là acetone.

Cách 2: Phân biệt acetaldehyde và acetone bằng thuốc thử Cu(OH)₂/OH^-.

- Trích mẫu thử.

- Chuẩn bị hai ống nghiệm. Cho vào mỗi ống nghiệm khoảng 1 mL dung dịch CuSO₄ 2%, rồi cho tiếp khoảng 1 mL dung dịch NaOH 10%, lắc ống nghiệm.

- Nhỏ từ từ từng mẫu thử vào từng ống nghiệm rồi đun nóng nhẹ hỗn hợp trong các ống nghiệm trên ngọn lửa đèn cồn.

+ Nếu có kết tủa đỏ gạch → mẫu thử là acetaldehyde.

+ Không có hiện tượng → mẫu thử là acetone.

Thí nghiệm 1 trang 128 Hóa học 11: Phản ứng oxi hoá aldehyde bằng thuốc thử Tollens

Chuẩn bị: Dung dịch AgNO₃ 1%, dung dịch NH₃ 5%, dung dịch CH₃CHO 5%; ống nghiệm.

Tiến hành: Cho vào ống nghiệm khoảng 1 mL dung dịch AgNO₃ 1% và nhỏ từ từ từng giọt dung dịch NH₃ 5% và lắc nhẹ cho đến khi vừa hoà tan hết kết tủa silver oxide, thu được thuốc thử Tollens (thuốc thử Tollens sẽ kém nhạy nếu dư dung dịch NH₃).

Nhỏ vài giọt dung dịch acetaldehyde 5% vào dung dịch thuốc thử Tollens, lắc đều ống nghiệm. Đun nóng nhẹ hỗn hợp trong ống nghiệm trên ngọn lửa đèn cồn.

Yêu cầu: Quan sát, mô tả hiện tượng xảy ra và giải thích.

Lời giải:

Hiện tượng: Có lớp bạc trắng sáng bám thành ống nghiệm.

Giải thích bằng phương trình hoá học:

AgNO₃ + 3NH₃ + H₂O → [Ag(NH₃)₂]OH _{(thuốc thử Tollens)} + NH₄NO₃

CH₃CHO + 2[Ag(NH₃)₂]OH $\stackrel{t^o}{\to }$ CH₃COONH₄ + 2Ag + 3NH₃ + H₂O.

Thí nghiệm 2 trang 128 Hóa học 11: Phản ứng oxi hoá aldehyde bằng Cu(OH)₂

Chuẩn bị: Dung dịch CuSO₄ 2%, dung dịch NaOH 10%, dung dịch CH₃CHO 5%; ống nghiệm.

Tiến hành: Cho khoảng 1 mL dung dịch CuSO₄ 2% vào ống nghiệm, rồi cho tiếp khoảng 1 mL dung dịch NaOH 10%. Lắc ống nghiệm, nhỏ từ từ khoảng 1 mL dung dịch CH₃CHO vào ống nghiệm. Đun nóng nhẹ hỗn hợp trong ống nghiệm trên ngọn lửa đèn cồn.

Yêu cầu: Quan sát, mô tả hiện tượng xảy ra và giải thích.

Lời giải:

Hiện tượng:

- Cho khoảng 1 mL dung dịch CuSO₄ 2% vào ống nghiệm, rồi cho tiếp khoảng 1 mL dung dịch NaOH 10% thấy xuất hiện kết tủa xanh.

- Thêm tiếp CH₃CHO vào ống nghiệm, đun nóng nhẹ thấy xuất hiện kết tủa đỏ gạch.

Giải thích bằng phương trình hoá học:

CuSO₄ + 2NaOH → Cu(OH)₂ + Na₂SO₄

CH₃CHO + 2Cu(OH)₂ + NaOH $\stackrel{t^o}{\to }$ CH₃COONa + Cu₂O _{(đỏ gạch)} + 3H₂O.

Câu hỏi 6 trang 128 Hóa học 11: Vì sao trong phản ứng tráng bạc, người ta không đun sôi hỗn hợp chất phản ứng?

Lời giải:

Trong phản ứng tráng bạc, người ta không đun sôi hỗn hợp phản ứng để cho bạc bám đều lên thành ống nghiệm (hoặc vật cần tráng bạc).

Thí nghiệm 3 trang 129 Hóa học 11: Phản ứng tạo iodoform

Chuẩn bị: Dung dịch I₂ trong KI, dung dịch NaOH 10%, acetaldehyde; ống nghiệm.

Tiến hành: Cho vào ống nghiệm khoảng 1 mL dung dịch I₂ trong KI và khoảng 1 mL dung dịch NaOH 10%. Nhỏ từ từ 5 – 7 giọt acetaldehyde vào ống nghiệm. Lắc đều.

Yêu cầu: Quan sát hiện tượng xảy ra trong ống nghiệm và giải thích.

Lời giải:

Hiện tượng: Sau phản ứng xuất hiện kết tủa màu vàng.

Giải thích: Acetaldehyde là hợp chất có chứa nhóm methyl ketone phản ứng với iodine trong môi trường kiềm tạo ra kết tủa iodoform (triiodomethane) màu vàng.

Phương trình hoá học:

CH₃CHO + 3I₂ + 4NaOH → CHI_{3 (kết tủa vàng)} + HCOONa + 3NaI + 3H₂O.

Câu hỏi 7 trang 129 Hóa học 11: Tìm hiểu và trình bày các ứng dụng của formaldehyde, acetaldehyde và acetone.

Lời giải:

+ Formaldehyde được dùng chủ yếu để sản xuất nhựa như poly(phenol – formaldehyde) và urea formaldehyde. Formaldehyde cũng được sử dụng để sản xuất phẩm nhuộm, chất nổ và dược phẩm. Dung dịch 37% - 40% formaldehyde trong nước, được gọi là formalin, được dùng để ngâm xác động thực vật, tẩy uế, tiệt trùng.

+ Acetaldehyde (ethanal) được dùng nhiều trong tổng hợp hữu cơ để điều chế nhiều dược phẩm hoặc các chất có ứng dụng trong thực tiễn. Ví dụ từ acetaldehyde, người ta điều chế được ethylidene diacetate dùng để sản xuất poly(vinyl acetate).

+ Acetone có thể hoà tan tốt nhiều chất hữu cơ khác nhau (kể cả các polymer như cellulose trinitrate). Vì vậy một lượng lớn acetone được dùng làm dung môi trong sản xuất tơ nhân tạo, thuốc súng không khói … Ngoài ra, acetone còn được dùng nhiều trong tổng hợp hữu cơ như để tổng hợp bisphenol – A, chloroform, thuốc an thần solfonal, …

IV: Ứng dụng và điều chế

Câu hỏi 7 trang 129 Hóa học 11: Tìm hiểu và trình bày các ứng dụng của formaldehyde, acetaldehyde và acetone.

Lời giải:

+ Formaldehyde được dùng chủ yếu để sản xuất nhựa như poly(phenol – formaldehyde) và urea formaldehyde. Formaldehyde cũng được sử dụng để sản xuất phẩm nhuộm, chất nổ và dược phẩm. Dung dịch 37% - 40% formaldehyde trong nước, được gọi là formalin, được dùng để ngâm xác động thực vật, tẩy uế, tiệt trùng.

+ Acetaldehyde (ethanal) được dùng nhiều trong tổng hợp hữu cơ để điều chế nhiều dược phẩm hoặc các chất có ứng dụng trong thực tiễn. Ví dụ từ acetaldehyde, người ta điều chế được ethylidene diacetate dùng để sản xuất poly(vinyl acetate).

+ Acetone có thể hoà tan tốt nhiều chất hữu cơ khác nhau (kể cả các polymer như cellulose trinitrate). Vì vậy một lượng lớn acetone được dùng làm dung môi trong sản xuất tơ nhân tạo, thuốc súng không khói … Ngoài ra, acetone còn được dùng nhiều trong tổng hợp hữu cơ như để tổng hợp bisphenol – A, chloroform, thuốc an thần solfonal, …

Bài tập (trang 131)

Bài 1 trang 131 Hóa học 11: Công thức cấu tạo của acetone là

A. CH₃COCH₂CH₃.

B. CH₃CH₂COCH₂CH₃.

C. CH₃COCH₃.

D. CH₃CHO.

Lời giải:

Đáp án đúng là: C

Acetone: CH₃COCH₃.

Bài 2 trang 131 Hóa học 11: Khử CH₃COCH₃ bằng LiAlH₄ thu được sản phẩm là

A. ethanal.

B. acetone.

C. propan – 1 – ol.

D. propan – 2 – ol.

Lời giải:

Đáp án đúng là: D

CH₃COCH₃ $\stackrel{LiAl{H}_4}{\to }$ CH₃CH(OH)CH₃.

Bài 3 trang 131 Hóa học 11: Viết công thức cấu tạo và gọi tên thay thế các aldehyde có cùng công thức C₅H₁₀O.

Lời giải:

Các aldehyde có cùng công thức C₅H₁₀O:

CH₃CH₂CH₂CH₂CHO: pentanal.

: 3 – methylbutanal

: 2 – methylbutanal

: 2,2 – dimethylpropanal.

Bài 4 trang 131 Hóa học 11: Viết công thức cấu tạo của các chất carbonyl có công thức phân tử là C₃H₆O. Trình bày tối thiểu hai phương pháp hoá học để phân biệt các chất đó. Lập sơ đồ (hoặc bảng), ghi rõ hiện tượng và viết các phương trình hoá học để giải thích.

Lời giải:

Công thức cấu tạo của các chất carbonyl có công thức phân tử C₃H₆O là:

CH₃CH₂CHO: propanal.

CH₃COCH₃: propanone.

Cách 1: Phân biệt propanal và propanone bằng thuốc thử Tollens:

Phương trình hoá học:

CH₃CH₂CHO + 2[Ag(NH₃)₂OH] $\stackrel{t^o}{\to }$ CH₃CH₂COONH₄ + 2Ag + 3NH₃ + H₂O.

Cách 2: Phân biệt propanal và propanone bằng thuốc thử Cu(OH)₂/OH^-.

Phương trình hoá học:

CH₃CH₂CHO + 2Cu(OH)₂ + NaOH $\stackrel{t^o}{\to }$ CH₃CH₂COONa + Cu₂O + 3H₂O.

Bài 5 trang 131 Hóa học 11: Hợp chất hữu cơ X được dùng nhiều trong tổng hợp hữu cơ. Bằng phương pháp phân tích nguyên tố, người ta xác định được X chứa 62,07%C; 10,34%H; còn lại là O. Trên phổ MS của X, người ta thấy có peak ion phân tử [M⁺] có giá trị m/z bằng 58. Trên phổ IR của X có một peak trong vùng 1 670 – 1740 cm^-1. Chất X không có phản ứng với Cu(OH)₂ trong môi trường kiềm để tạo ra kết tủa màu đỏ gạch. Xác định công thức cấu tạo của X.

Lời giải:

%O = 100% - 62,07% - 10,34% = 27,59%.

Đặt công thức chung của X là: C_xH_yO_z, ta có:

x : y : z = $\frac{\%C}{12}:\frac{\%H}{1}:\frac{\%O}{16}=\frac{\mathrm{62,07}}{12}:\frac{\mathrm{10,34}}{1}:\frac{\mathrm{27,59}}{16}$

= 5,1725 : 10,34 : 1,724 = 3 : 6 : 1.

Công thức đơn giản nhất của X là C₃H₆O và công thức phân tử của X có dạng: (C₃H₆O)_n.

Peak ion phân tử [M⁺] có giá trị m/z bằng 58 cho thấy X có phân tử khối bằng 58.

⇒ 58n = 1 ⇒ n = 1.

Vậy công thức phân tử của X là: C₃H₆O.

Trên phổ IR của X có một peak trong vùng 1 670 – 1740 cm^-1 nên X là hợp chất carbonyl.

Chất X không có phản ứng với Cu(OH)₂ trong môi trường kiềm để tạo ra kết tủa màu đỏ gạch nên X là ketone.

Công thức cấu tạo của X là: CH₃COCH₃.

Bài 6 trang 131 Hóa học 11: Cho ba chất hữu cơ A, B, C có cùng công thức phân tử là C₃H₆O. Chất A có mạch carbon và có phản ứng tráng bạc; chất B không có phản ứng tráng bạc nhưng có phản ứng iodoform; chất C làm mất màu nước bromine. Khi hydrogen hoá C rồi oxi hoá sản phẩm thì được A. Xác định công thức cấu tạo và gọi tên A, B, C theo danh pháp thay thế.

Lời giải:

Công thức cấu tạo của:

(A): CH₃CH₂CHO: propanal.

(B): CH₃COCH₃: propanone.

(C): CH₂ = CH – CH₂ – OH: prop – 2 – ene – 1 – ol.