Giáo án Bài 12. Công thức phân tử hợp chất hữu cơ

Gợi nhớ kiến thức về thành phần phần trăm và công thức của hợp chất hữu cơ; tạo tình huống để HS nhận ra công thức đơn giản nhất chưa đủ để kết luận công thức phân tử, từ đó xác định nhiệm vụ học tập.

GV đưa ra hai công thức $\mathrm{CH_2O}$ và $\mathrm{C_2H_4O_2}$, hỏi HS: “Hai công thức này có điểm chung gì? Khác nhau ở đâu? Nếu chỉ biết tỉ lệ số nguyên tử C : H : O = 1 : 2 : 1 thì có đủ để biết chính xác số nguyên tử trong phân tử không?”. HS suy nghĩ cá nhân trong 1 phút, sau đó chia sẻ với bạn cùng bàn.

HS nêu được: hai công thức có cùng tỉ lệ 1 : 2 : 1 của C, H, O; $\mathrm{C_2H_4O_2}$ có số nguyên tử gấp đôi $\mathrm{CH_2O}$. Kết luận sơ bộ: tỉ lệ 1 : 2 : 1 chưa đủ để biết số nguyên tử thực trong phân tử, cần thêm phân tử khối. Nhiệm vụ của bài: từ %khối lượng và phân tử khối, xác định CTĐGN và CTPT.

Nêu được khái niệm công thức đơn giản nhất; vận dụng được công thức $x:y:z=\dfrac{\%C}{12}:\dfrac{\%H}{1}:\dfrac{\%O}{16}$ để xác định công thức đơn giản nhất; nhận biết khi nào được dùng phép trừ $\%O = 100 - \%C - \%H$.

Nhóm HS (4–6 em) hoàn thành Phiếu học tập số 1 theo kĩ thuật mảnh ghép: mỗi thành viên nhận một mảnh (a, b hoặc c) để nghiên cứu chuyên sâu, sau đó quay về nhóm gốc chia sẻ.
Hoạt động chính: GV nêu ví dụ mẫu chứa $40{,}00\%$ C; $6{,}67\%$ H; $53{,}33\%$ O. HS tính số mol nguyên tử của C, H, O trong 100 g mẫu và rút ra công thức đơn giản nhất. Sau đó HS làm ví dụ bổ sung: mẫu chứa $48{,}65\%$ C; $8{,}11\%$ H; $43{,}24\%$ O.
Câu hỏi định hướng: (1) Vì sao phải chia cho $12$, $1$, $16$? (2) Khi chia cho số nhỏ nhất, nếu một tỉ lệ ra $1{,}5$ thì xử lí thế nào? (3) Nếu mẫu có thêm nguyên tố N thì có được dùng $\%O = 100 - \%C - \%H$ không?

Ví dụ 1: $n_C : n_H : n_O = 3{,}333 : 6{,}67 : 3{,}333 \approx 1 : 2 : 1$, công thức đơn giản nhất là $\mathrm{CH_2O}$.
Ví dụ bổ sung: $4{,}054 : 8{,}11 : 2{,}7025$; chia cho $2{,}7025$ được $1{,}5 : 3 : 1$; nhân tất cả với 2 được $3 : 6 : 2$, công thức đơn giản nhất là $\mathrm{C_3H_6O_2}$.
Kết luận HS rút ra: công thức đơn giản nhất là tỉ lệ số nguyên tử tối giản; không làm tròn sớm tỉ lệ $1{,}5$ thành $2$, phải nhân toàn bộ tỉ lệ. Chỉ dùng $\%O = 100 - \%C - \%H$ khi mẫu chỉ gồm C, H, O; nếu có nguyên tố khác thì không dùng phép trừ này cho oxygen.

Nhận diện được peak ion phân tử $[\mathrm{M}]^{+}$ trên phổ MS; xác định được phân tử khối từ $m/z$ của peak đó; phân biệt được peak ion phân tử với peak nền và mảnh vỡ.

GV hướng dẫn HS sử dụng học liệu số NeoEdu: mô phỏng 3D máy phổ khối lượng. Theo nhóm, HS thao tác: nạp chất X vào buồng ion hoá, quan sát nam châm đưa lần lượt các ion theo $m/z$ tới detector, ghi lại các peak có $m/z$ và cường độ.
Chất X có $40{,}00\%$ C; $6{,}67\%$ H; $53{,}33\%$ O; công thức đơn giản nhất là $\mathrm{CH_2O}$. Phổ ghi nhận peak $m/z = 60$ và peak $m/z = 43$ (cường độ cao nhất).
Câu hỏi định hướng: (1) Peak nào có thể là ion phân tử? Vì sao? (2) Peak cao nhất có phải là ion phân tử không? (3) Nếu biết công thức đơn giản nhất thì có thể kiểm tra phân tử khối từ phổ được không? (4) Giới hạn của mô phỏng là gì?

Peak ion phân tử là $[\mathrm{M}]^{+}$ ở $m/z = 60$, vì đây là peak có $m/z$ lớn nhất và điện tích $z = 1$; do đó $M = 60$.
Peak $m/z = 43$ có cường độ lớn nhất nhưng là mảnh vỡ, không phải ion phân tử; peak cao nhất không tự động là ion phân tử.
Kết luận: chỉ khi đã nhận diện đúng ion phân tử và biết điện tích, mới suy được phân tử khối từ $m/z$. Mô phỏng chỉ là công cụ minh hoạ; cường độ và thời gian trên màn hình không phải số đo thực nghiệm để suy ra số mol hay hiệu suất.

Vận dụng được công thức $M=n\cdot M_{\text{CĐGN}}$ để tính n và lập công thức phân tử; kiểm tra tính nguyên dương của n và sự phù hợp với dữ kiện đề bài.

HS hoàn thành Phiếu học tập số 2 theo nhóm. Bài toán: công thức đơn giản nhất là $\mathrm{CH_2O}$, $M = 60$; tìm n và công thức phân tử. Mở rộng: benzene có công thức đơn giản nhất $\mathrm{CH}$, $[\mathrm{M}]^{+}$ ở $78$; ethanol có công thức đơn giản nhất trùng công thức phân tử $\mathrm{C_2H_6O}$.
Câu hỏi định hướng: (1) Khối lượng mol của công thức đơn giản nhất là bao nhiêu? (2) Vì sao n phải là số nguyên dương? (3) Khi nào công thức phân tử trùng công thức đơn giản nhất?

$M_{\text{CĐGN}} = 30$; $n = 60/30 = 2$; công thức phân tử là $\mathrm{C_2H_4O_2}$.
Benzene: $M_{\text{CĐGN}} = 13$; $n = 78/13 = 6$; công thức phân tử là $\mathrm{C_6H_6}$.
Ethanol: $n = 1$; công thức phân tử trùng công thức đơn giản nhất.
Kết luận: công thức phân tử được lập khi n nguyên dương và phù hợp với dữ kiện; công thức phân tử là bội số nguyên của công thức đơn giản nhất (có thể bằng 1 lần).

Củng cố khái niệm công thức phân tử, công thức đơn giản nhất, peak ion phân tử và phép tính n; phát hiện sai sót thường gặp.

HS làm nhanh các câu sau theo cặp đôi, sau đó đối chiếu:
Câu 1: Công thức đơn giản nhất của $\mathrm{C_2H_4O_2}$ là gì? A. $\mathrm{C_2H_4O_2}$; B. $\mathrm{CHO}$; C. $\mathrm{CH_2O}$; D. $\mathrm{C_2HO}$.
Câu 2: Peak nền trong phổ MS là peak nào? A. Luôn là ion phân tử; B. Có cường độ lớn nhất; C. Có $m/z$ lớn nhất; D. Luôn có $m/z = 1$.
Câu 3: Công thức đơn giản nhất là $\mathrm{CH_2O}$, $M = 180$. Tính n và công thức phân tử.
Câu 4: Đánh dấu Đúng (Đ) hoặc Sai (S): a) Công thức phân tử cho số nguyên tử mỗi nguyên tố; b) Công thức đơn giản nhất luôn bằng công thức phân tử; c) Nếu $[\mathrm{M}]^{+}$ có $z = 1$ và $m/z = 46$ thì $M \approx 46$; d) Tỉ lệ $\mathrm{C : H : O} = 1 : 1{,}5 : 1$ phải nhân tất cả với 2.
Câu 5: Đốt chất hữu cơ thu được $0{,}20$ mol $\mathrm{CO_2}$ và $0{,}30$ mol $\mathrm{H_2O}$. Số mol nguyên tử H trong mẫu là bao nhiêu?
Câu 6: Ghép: (1) Khối lượng $\mathrm{CO_2}$ khi đốt hoàn toàn – (a) Số mol carbon; (2) Số mol $\mathrm{H_2O}$ – (b) Số mol hydrogen; (3) Ion phân tử +1 đã nhận diện – (c) Phân tử khối.

Đáp án: Câu 1: C (chia cho 2 được tỉ lệ 1 : 2 : 1). Câu 2: B (peak nền theo cường độ, không nhất thiết là ion phân tử). Câu 3: n = 180/30 = 6; công thức phân tử $\mathrm{C_6H_{12}O_6}$. Câu 4: a) Đ; b) S; c) Đ; d) Đ (nhân được 2 : 3 : 2, không làm tròn riêng). Câu 5: $n_H = 2 \times 0{,}30 = 0{,}60$ mol. Câu 6: (1)–(a); (2)–(b); (3)–(c).

Vận dụng đồng thời công thức đơn giản nhất, phân tử khối và phần trăm khối lượng để lập công thức phân tử; trình bày lập luận đầy đủ theo thang điểm gợi ý.

Nhóm HS giải ba bài sau trên bảng nhóm:
Bài A: Chất chứa $52{,}17\%$ C; $13{,}04\%$ H, còn lại là O; $M = 46$ ($C = 12$, $H = 1$, $O = 16$). Một phân tử có bao nhiêu nguyên tử C (làm tròn nguyên)? Lập công thức phân tử.
Bài B: Mẫu chỉ gồm C, H, O, chứa $40{,}00\%$ C; $6{,}67\%$ H; $M = 60$. Xác định công thức phân tử.
Bài C (mở rộng): Chất có công thức đơn giản nhất $\mathrm{C_3H_6O_2}$ và $[\mathrm{M}]^{+}$ ở $m/z = 74$. Lập công thức phân tử.
Nhóm trình bày theo ba bước: tính tỉ lệ, lập công thức đơn giản nhất, tính n.

Bài A: $m_C = 46 \times 0{,}5217 \approx 24$ g; số nguyên tử C = $24/12 = 2$; số nguyên tử H = $46 \times 0{,}1304 / 1 \approx 6$; số nguyên tử O = 1; công thức phân tử $\mathrm{C_2H_6O}$.
Bài B: %O = $53{,}33$; $n_C : n_H : n_O = 3{,}333 : 6{,}67 : 3{,}333 \approx 1 : 2 : 1$; công thức đơn giản nhất $\mathrm{CH_2O}$, $M_{\text{CĐGN}} = 30$; $n = 2$; công thức phân tử $\mathrm{C_2H_4O_2}$. Thang điểm gợi ý tối đa 3 điểm: tính tỉ lệ và công thức đơn giản nhất đúng 1 điểm; xác định n = 2 đúng 1 điểm; kết luận công thức phân tử phù hợp $M$ và thành phần 1 điểm. Không yêu cầu thảo luận đồng phân.
Bài C: $M_{\text{CĐGN}} = 74$; $n = 74/74 = 1$; công thức phân tử $\mathrm{C_3H_6O_2}$.

Vận dụng quy trình xác định công thức phân tử vào tình huống thực tế về phân tích mẫu bằng phổ khối lượng; đánh giá giới hạn của dữ liệu và đề xuất cách kiểm tra.

Tình huống: Phòng thí nghiệm pháp y nhận một mẫu chất hữu cơ chỉ gồm C, H, O, có kết quả phân tích $40{,}00\%$ C; $6{,}67\%$ H. Phổ MS ghi nhận peak $m/z = 60$ (cường độ thấp) và peak $m/z = 43$ (cường độ cao nhất). Nhóm thảo luận và trả lời:
(1) Xác định công thức đơn giản nhất và công thức phân tử của mẫu nếu peak $m/z = 60$ là ion phân tử.
(2) Nếu nhóm bỏ qua việc nhận diện ion phân tử và lấy peak cao nhất làm phân tử khối thì kết quả sai như thế nào?
(3) Dữ liệu nào còn thiếu để kết luận chắc chắn cấu tạo? Đề xuất một cách kiểm tra thêm (ví dụ đo phổ khác, đối chiếu mẫu chuẩn) mà không suy số liệu từ màn hình mô phỏng.
Nhóm trình bày kết quả trong 3 phút trên bảng nhóm.

(1) Công thức đơn giản nhất $\mathrm{CH_2O}$; $n = 60/30 = 2$; công thức phân tử $\mathrm{C_2H_4O_2}$.
(2) Nếu lấy $M = 43$ thì $43/30$ không nguyên, kết luận sai và không lập được công thức phân tử phù hợp; dẫn đến nhận dạng sai chất.
(3) Dữ liệu còn thiếu: chỉ có thành phần và phân tử khối, chưa đủ để xác định cấu tạo; cần thêm phổ khác hoặc đối chiếu với mẫu chuẩn. Ghi chú: mô phỏng là công cụ minh hoạ, không thay thế kết quả đo thực tế.