Giáo án Bài 11. Phương pháp tách biệt và tinh chế hợp chất hữu cơ

HS nhận ra nhu cầu tách và tinh chế chất trong thực tế, từ đó xác định vấn đề cần giải quyết của bài: lựa chọn phương pháp tách phù hợp dựa trên tính chất vật lí.

GV chiếu ba tình huống: (1) muốn lấy tinh dầu sả từ lá sả; (2) muốn thu đường tinh khiết từ nước mía; (3) muốn tách dầu ăn ra khỏi nước đã lẫn trong một cốc. HS trả lời nhanh các câu hỏi: Tính chất vật lí nào của chất có thể khai thác để tách? Có cần phản ứng hoá học không? Vì sao?

Vấn đề bài học được nêu rõ: “Dựa vào tính chất vật lí nào để chọn phương pháp tách và tinh chế hợp chất hữu cơ?” HS dự đoán sơ bộ: tinh dầu sả và dầu ăn có thể tách bằng cách dựa vào nhiệt độ sôi hoặc tính không trộn lẫn; đường có thể tinh chế bằng cách dựa vào độ tan thay đổi theo nhiệt độ. Đây là các tách vật lí, không tạo chất mới.

HS nêu được nguyên tắc, cách tiến hành chưng cất; giải thích được vì sao hơi giàu cấu tử dễ bay hơi; giải thích được vì sao một lần chưng cất đơn ethanol – nước không cho ethanol nguyên chất.

HS quan sát mô phỏng chưng cất NeoEdu: bình cầu chứa 200 mL hỗn hợp ethanol – nước 40 %, bếp đun, nhiệt kế đặt bầu ngang nhánh dẫn hơi, ống sinh hàn (nước lạnh vào ở đầu thấp, ra ở đầu cao). Nhiệm vụ trong Phiếu học tập số 1, phần A: (1) Nhiệt độ nhiệt kế thay đổi thế nào khi hỗn hợp bắt đầu sôi? (2) Vì sao hơi thu được giàu ethanol hơn? (3) Vì sao dịch cất không phải ethanol nguyên chất? (4) Vì sao không được dùng lửa trần khi chưng cất ethanol?

Kiến thức HS rút ra: Chưng cất tách các chất lỏng dựa vào sự khác nhau về nhiệt độ sôi; hơi đầu quá trình giàu cấu tử dễ bay hơi (ethanol) được ngưng tụ thành dịch cất. Theo mô phỏng: hỗn hợp 40 % sôi khoảng 84 °C, nằm giữa nhiệt độ sôi của ethanol và nước; hơi giàu ethanol khoảng 77 % ngưng tụ và nhỏ giọt xuống bình hứng. Khi ethanol vơi dần, nhiệt độ hơi tăng dần về 100 °C và dịch cất loãng dần; vì vậy một lần chưng cất đơn không cho ethanol nguyên chất. Ethanol dễ cháy nên cần gia nhiệt điện và hệ thống không bịt kín, không dùng lửa trần.

HS nêu được nguyên tắc và cách tiến hành chiết; giải thích được vì sao phải dựa vào khối lượng riêng thực tế khi tách lớp; phân biệt được chiết với lọc.

HS quan sát mô phỏng hoặc video chiết dầu ăn khỏi nước bằng phễu chiết. Phiếu học tập số 1, phần B: (1) Hỗn hợp dầu – nước để yên tạo mấy lớp và lớp nào ở trên? (2) Vì sao có thể thu lớp nước trước rồi giữ lớp dầu? (3) Vì sao không thể nói sản phẩm là dầu tinh khiết hoàn toàn? (4) Chiết khác lọc ở điểm nào?

Kiến thức HS rút ra: Chiết tách chất dựa vào độ tan khác nhau (phân bố khác nhau) trong hai dung môi không trộn lẫn. Với dầu ăn nhẹ hơn nước: hỗn hợp để yên tạo lớp dầu trên và lớp nước dưới; mở khóa phễu chiết để thu lớp nước ở dưới trước, giữ lớp dầu riêng. Tách dựa vào tính không trộn lẫn và khối lượng riêng, không phải phản ứng hoá học. Sản phẩm có thể còn nước nhũ hoá hoặc tạp tan, nên không tuyên bố tinh khiết hoàn toàn và không ăn uống. Chiết là tách hai pha chất lỏng, còn lọc là tách chất rắn khỏi chất lỏng bằng vật liệu xốp.

HS trình bày được các bước kết tinh; sắp xếp đúng quy trình; giải thích được vai trò của lọc nóng, làm nguội chậm và rửa bằng dung môi lạnh; tính được khối lượng tinh thể lí thuyết và hiệu suất theo đúng mẫu số.

GV dùng dữ liệu giả định: chất X tan 60 g/100 g nước ở 80 °C và 20 g/100 g nước ở 20 °C. Hoà tan 50 g X trong 100 g nước nóng, làm nguội, bỏ qua bay hơi. Phiếu học tập số 2, phần A: (1) Tính khối lượng tinh thể lí thuyết thu được. (2) Nếu thu thực tế 27 g, hiệu suất so với lượng kết tinh lí thuyết là bao nhiêu? So với 50 g ban đầu là bao nhiêu? (3) Sắp xếp các bước kết tinh từ mẫu rắn có tạp không tan (phiếu có sẵn thẻ bước xáo trộn). (4) Vì sao phải lọc nóng trước khi làm nguội?

Kiến thức HS rút ra: Kết tinh tách chất rắn dựa vào độ tan thay đổi theo nhiệt độ. Quy trình đúng: hoà tan mẫu bằng lượng dung môi nóng thích hợp → lọc nóng bỏ tạp không tan → làm nguội dung dịch (nên chậm) → lọc lấy tinh thể → rửa bằng ít dung môi lạnh và làm khô. Tính toán: ở 20 °C còn hoà tan 20 g X, nên tinh thể lí thuyết = 50 − 20 = 30 g. Hiệu suất so với lượng kết tinh lí thuyết: $H = \dfrac{27}{30}\times 100\% = 90\%$. Hiệu suất so với 50 g ban đầu: $\dfrac{27}{50}\times 100\% = 54\%$; phải nêu rõ mẫu số. Lọc nóng tránh loại nhầm tinh thể cùng tạp khi dung dịch đã nguội; một phần chất luôn còn trong dung dịch mẹ.

HS nêu được khái niệm và nguyên tắc sắc kí cột; giải thích được vì sao chất giữ mạnh hơn ra cột muộn hơn; nhận ra không thể chỉ dựa vào màu sắc hay phân tử khối để dự đoán thứ tự ra cột.

GV dùng sơ đồ cột sắc kí minh hoạ gồm pha tĩnh (chất hấp phụ đặt trong cột) và pha động (dung môi chảy qua cột). Phiếu học tập số 2, phần B: (1) Pha tĩnh và pha động có vai trò gì? (2) Hai chất có tương tác khác nhau với pha tĩnh, chất nào ra cột muộn hơn? (3) Vì sao không nên đoán thứ tự ra cột chỉ dựa vào màu hay phân tử khối? (4) Chất không màu có tách được bằng sắc kí cột không?

Kiến thức HS rút ra: Sắc kí cột tách các chất nhờ khả năng hấp phụ khác nhau trên pha tĩnh khi pha động chảy qua. Chất giữ mạnh hơn với pha tĩnh thường ra cột muộn hơn trong cùng điều kiện. Không chỉ dựa vào màu hay phân tử khối để kết luận. Chất không màu vẫn tách được nếu có cách theo dõi thích hợp.

HS vận dụng kiến thức để chọn đúng phương pháp tách, đánh giá các phát biểu về phương pháp tách và tính toán hiệu suất kết tinh.

HS làm bài tập 1, 2, 3, 4 và 7 của phần bài tập (có đáp án). GV dùng bảng tương tác NeoEdu nếu có để HS tự chấm.

Đề và đáp án: (1) Tách hai chất lỏng có độ bay hơi khác nhau, bền nhiệt: A. Chưng cất; B. Chỉ lọc giấy; C. Nam châm; D. Nghiền nhỏ → Đáp án A (chưng cất tạo hơi rồi ngưng tụ để làm giàu cấu tử dễ bay hơi). (2) Điều kiện cần khi dùng phễu chiết: A. Hai dung môi trộn hoàn toàn; B. Hai dung môi không trộn lẫn; C. Hai dung môi cùng khối lượng riêng; D. Chất tan phải cháy → Đáp án B. (3) X tan 60 g/100 g nước ở 80 °C, 20 g/100 g nước ở 20 °C; làm nguội dung dịch có 50 g X/100 g nước → khối lượng tinh thể lí thuyết = 30 g. (4) a) Lớp trên trong phễu chiết luôn là chất cần lấy → S; b) Kết tinh có thể làm mất một phần chất trong dung dịch mẹ → Đ; c) Chưng cất đơn luôn cho chất tinh khiết tuyệt đối → S; d) Pha tĩnh giữ chất mạnh hơn thường làm chất ra muộn → Đ. (7) Kết tinh dự tính 30 g, thu thực tế 27 g → $H = \dfrac{27}{30}\times 100\% = 90\%$.

HS khái quát được mối liên hệ giữa mục đích tách và phương pháp; sắp xếp đúng quy trình kết tinh; xử lí tình huống chọn phương pháp tách.

HS làm bài tập 5, 6 và 8 của phần bài tập. Bài 5: ghép mục đích với phương pháp. Bài 6: sắp xếp quy trình kết tinh từ mẫu rắn có tạp không tan. Bài 8: mô tả sản phẩm của bước tách lớp dầu ăn – nước và một giới hạn (làm theo nhóm 4 HS, trình bày trên giấy A0).

Đáp án: (5) Tách cặn không tan khỏi dung dịch nóng – Lọc nóng; Thu tinh thể khi giảm nhiệt độ – Kết tinh; Phân tách theo tương tác pha tĩnh/động – Sắc kí cột. Mỗi phương pháp khai thác một tính chất vật lí khác nhau. (6) Hoà tan mẫu bằng lượng dung môi nóng thích hợp → Lọc nóng bỏ tạp không tan → Làm nguội dung dịch → Lọc lấy tinh thể → Rửa bằng ít dung môi lạnh và làm khô. (8) Gợi ý đáp án: Để phân lớp, thu lớp nước ở dưới trước, giữ lớp dầu ở trên riêng (1 ý đúng thứ tự hai lớp); đây là tách dựa vào tính không trộn lẫn và khối lượng riêng, không phải phản ứng hoá học (1 ý tính chất cơ sở); dầu có thể còn chứa nước nhũ hoá hoặc tạp tan nên không thể tuyên bố tinh khiết hoàn toàn, sản phẩm không ăn uống (1 ý giới hạn).

HS vận dụng kiến thức đã học để chọn phương pháp, lập báo cáo tách chất theo mẫu và nêu rõ giả thiết, giới hạn, an toàn.

Tình huống: Một cơ sở muốn thu tinh dầu sả từ lá sả, muốn tinh chế đường từ nước mía, và muốn kiểm nghiệm một mẫu thực phẩm có chứa hợp chất hữu cơ. Mỗi nhóm chọn một tình huống và lập báo cáo ngắn theo mẫu: mục tiêu; phương pháp chọn và lí do dựa trên tính chất vật lí; điều kiện (dung môi, nhiệt độ, lượng); dự kiến sản phẩm; giới hạn và biện pháp an toàn; cách kiểm tra độ tinh khiết. Nếu không đủ dữ kiện, phải nêu thiếu giả thiết, không tự coi phản ứng hoàn toàn.

Báo cáo nhóm gồm các mục: (1) Mục tiêu tách; (2) Phương pháp: chưng cất với tinh dầu sả vì khác biệt nhiệt độ sôi và chất bền nhiệt (nếu đủ dữ kiện); kết tinh với đường vì độ tan giảm khi nguội; sắc kí cột khi cần phân tách các cấu tử có tương tác khác nhau; (3) Điều kiện dự kiến và nêu rõ giả thiết; (4) Sản phẩm dự kiến, không khẳng định tinh khiết tuyệt đối chỉ từ màu trắng; (5) An toàn: chưng cất dung môi dễ cháy chỉ do GV thực hiện, không dùng lửa trần, không uống sản phẩm, chiết xả áp hướng khỏi người; (6) Cách kiểm tra: nhiệt độ nóng chảy hoặc phép phân tích khác khi có điều kiện.