HÓA HỌC 11 · DẪN XUẤT — Bản đồ chuyển hóa nhóm chức: số oxi hóa của carbon, alcohol, phenol, aldehyde, ketone, carboxylic acid và ester
Bài khái niệm Hóa học 11 về bản đồ chuyển hóa nhóm chức qua ẩn dụ chiếc thang số oxi hóa của carbon chức: đếm số oxi hóa từng carbon (liên kết tới O, halogen…
HÓA HỌC 11 · DẪN XUẤT · LUKATO AI · BÀI KHÁI NIỆM
Chiếc thang số oxi hóa: một bản đồ cho mọi nhóm chức
Số oxi hóa của carbon, alcohol, phenol, aldehyde, ketone, carboxylic acid và ester
Alcohol thành aldehyde, aldehyde thành acid, acid với alcohol thành ester, ester trở lại acid và alcohol. Học riêng từng phản ứng thì rất dễ rối. Bài này đặt tất cả lên MỘT chiếc thang: số oxi hóa của carbon mang nhóm chức. Carbon leo lên khi một liên kết C–H được thay bằng liên kết C–O, leo xuống khi ngược lại, và đi ngang khi chỉ đổi "bạn" cùng bậc. Nhìn công thức, em sẽ đoán được phản ứng nào xảy ra, vì sao dừng ở đâu, và thuốc thử nào cho tín hiệu gì. Có 12 sơ đồ, câu "em thử xem" và ba phòng thí nghiệm. Mọi tình huống và khối lượng đều là hư cấu.
12 SƠ ĐỒ TỰ DỰNG 3 PHÒNG THÍ NGHIỆM THUẦN KHÁI NIỆM 8 CÂU TRẮC NGHIỆM TỰ SOẠN
BẢN ĐỒ BÀI
Từ "nhớ từng phản ứng" sang "đọc vị trí trên thang"
Hãy tưởng tượng carbon mang nhóm chức đứng trên một chiếc thang có chín bậc, từ −4 đến +4. Mỗi liên kết C–H kéo nó xuống một bậc, mỗi liên kết tới oxygen (hay halogen) đẩy nó lên một bậc. Oxi hóa là leo lên, khử là leo xuống, còn thế, este hóa, thủy phân là bước ngang trên cùng một bậc. Ai còn liên kết C–H thì còn leo được; ai hết C–H thì đã chạm trần.
Vuốt ngang để xem hết sơ đồ
Hình 1. Chiếc thang số oxi hóa của carbon chức. Mỗi cột là carbon có cùng số liên kết C–C; trần của cột bằng 4 − n C . Mũi tên đỏ: oxi hóa (nhường 2 e); mũi tên xanh lục: khử; hai nhóm trong cùng một ô chuyển cho nhau mà không đổi bậc.
Bài Ester & Lipid, Carbohydrate và Bản đồ phản ứng hydrocarbon đã có trong thư viện; bài này chỉ nhắc chúng khi cần nối mạch, và dùng phần hydrocarbon như bậc thấp nhất của thang.
· Cách học "từng phản ứng" · Cách học "chiếc thang"
Đơn vị ghi nhớ · Hàng chục phương trình riêng lẻ · Một quy tắc đếm và ba kiểu bước: lên, xuống, ngang
Câu hỏi "chất này có bị oxi hóa không?" · Tra xem đã học phản ứng ấy chưa · Đếm H trên carbon chức: còn H thì còn leo được
Câu hỏi "dừng ở đâu?" · Nhớ: bậc II ra ketone, bậc III không phản ứng · Trần = 4 − số liên kết C–C, nên tự suy ra
Nhận biết chất · Thuộc bảng thuốc thử · Mỗi chất có một "dãy tín hiệu"; hai chất phân biệt được khi dãy khác nhau
Vuốt ngang để xem hết bảng
Công cụ A · Đếm bậc
Số oxi hóa của một carbon = (số liên kết tới O, N, halogen) − (số liên kết C–H). Liên kết C–C không tính.
Công cụ B · Đếm H trên carbon chức
Mỗi C–H còn lại là một bước có thể leo; mỗi bước nâng carbon lên 2 bậc và lấy đi 2 e. Không còn C–H thì không bị oxi hóa nếu không bẻ mạch.
Công cụ C · Dãy tín hiệu
Ghi "có/không" của một chất với từng thuốc thử thành một dãy. Hai chất có dãy khác nhau thì phân biệt được.
Câu hỏi · Dùng công cụ nào? · Ở mục
Carbon này có số oxi hóa bao nhiêu? Phản ứng này là oxi hóa, khử hay đi ngang? · A · 1
Alcohol này oxi hóa ra gì, cần bao nhiêu chất oxi hóa? · A, B và bảo toàn electron · 1, 2
Vì sao phenol tan trong NaOH mà alcohol thì không? · Độ bền của anion, thang pKa · 3
Vì sao aldehyde cho gương bạc còn ketone thì không? · B: H trên C=O · 4
Vì sao este hóa không bao giờ đạt 100 %? · Đi ngang thuận nghịch, cân bằng · 5
Phân biệt một nhóm chất bằng ít thuốc thử nhất? · C: dãy tín hiệu · 6
Vuốt ngang để xem hết bảng
Giả định của bài (dùng suốt bài). (a) Nguyên tử khối: H 1; C 12; O 16; Na 23; K 39; Cr 52; Mn 55; Cu 63,5 (đề thi thường làm tròn Cu = 64); Br 80; Ag 108. (b) Số oxi hóa của carbon được đếm theo quy tắc liên kết ở mục 1 (H luôn +1, O luôn −2 trong các chất của bài). (c) Phản ứng oxi hóa – khử được coi là xảy ra hoàn toàn theo đúng điều kiện ghi kèm, trừ các phản ứng thuận nghịch được nói rõ. (d) Nhiệt độ sôi, pKa và hằng số cân bằng este hóa là số thật được làm tròn, ghi "khoảng", chỉ dùng để so sánh và sắp thứ tự.
Về chữ "hư cấu". Các khối lượng, lượng chất, mẫu thử và tình huống trong ví dụ, phòng thí nghiệm và trắc nghiệm đều do bài tự đặt, được kiểm bằng máy tính, và mang nhãn hư cấu . Chỉ nguyên tử khối và các số thật làm tròn ở mục (d) là dữ kiện thật. Phần sâu hơn mức tối thiểu mang nhãn MỞ RỘNG : tùy chương trình và bộ sách giáo khoa, nội dung này có thể xuất hiện hoặc không.
MỤC 1 · CHIẾC THANG SỐ OXI HÓA
Đếm liên kết, đọc ra bậc của carbon
Với chất vô cơ, em quen tính số oxi hóa bằng cách cộng cho cả phân tử bằng 0. Với chất hữu cơ, cách ấy chỉ cho số oxi hóa trung bình của carbon, mà phản ứng thường chỉ chạm vào MỘT carbon. Mục này dạy cách đếm số oxi hóa của từng carbon, rồi dùng nó làm chiếc thang cho cả bài.
1.1 Quy tắc đếm: mỗi liên kết là một "lá phiếu"
Khi tính số oxi hóa, ta giả định cặp electron của mỗi liên kết thuộc hẳn về nguyên tử có độ âm điện lớn hơn. Theo thang Pauling, O (3,44), N (3,04) và halogen như Cl (3,16) đều hút electron mạnh hơn C (2,55), còn H (2,20) hút yếu hơn C. Vì vậy, xét một nguyên tử carbon:
- mỗi liên kết C–O, C–N, C–X góp +1 (carbon "mất" electron của liên kết ấy); liên kết đôi C=O góp +2;
- mỗi liên kết C–H góp −1 (carbon "giữ" electron);
- liên kết C–C góp 0 , vì hai nguyên tử như nhau chia đều.
Số oxi hóa của một carbon = n O − n H n O : số liên kết tới O, N, halogen (tính theo bậc liên kết) · n H : số liên kết C–H · liên kết C–C không tính
Vuốt ngang để xem hết sơ đồ
Hình 2. Quy tắc đếm cho bảy chất một carbon, từ CH 4 (−4) đến CO 2 (+4); với phân tử hai carbon, mỗi carbon được đếm riêng. Tổng hai số bằng hai lần số oxi hóa trung bình tính từ công thức phân tử.
Kiểm lại bằng cách quen thuộc: trong CH 3 OH, H là +1 (4 nguyên tử), O là −2, nên carbon là −2; quy tắc liên kết cũng cho 1 − 3 = −2. Hai cách luôn khớp với phân tử một carbon. Với phân tử nhiều carbon, cách "cộng bằng 0" chỉ cho trung bình: trong CH 3 CH 2 OH, trung bình là −2, nhưng thật ra carbon mang OH là −1 còn carbon CH 3 là −3. Phản ứng oxi hóa ethanol chỉ chạm vào carbon −1.
Carbon được xét · n H (C–H) · n O (C–O, C–X) · Số oxi hóa
C mang OH trong CH 3 CH 2 OH · 2 · 1 · −1
C=O trong CH 3 CHO · 1 · 2 · +1
C của nhóm COOH trong CH 3 COOH · 0 · 3 · +3
C mang OH trong CH 3 CH(OH)CH 3 · 1 · 1 · 0
C=O trong CH 3 COCH 3 · 0 · 2 · +2
C mang OH trong (CH 3 ) 3 COH · 0 · 1 · +1 (không còn C–H)
C của mọi nhóm CH 3 nối với một carbon khác · 3 · 0 · −3
Vuốt ngang để xem hết bảng
1.2 Trần và sàn: số liên kết C–C quyết định carbon leo được tới đâu
Carbon có đúng 4 liên kết: n H + n O + n C = 4, với n C là số liên kết C–C. Trong một phản ứng không bẻ mạch carbon, n C giữ nguyên, nên carbon chỉ có thể đổi C–H thành C–O hoặc ngược lại. Mỗi lần đổi như vậy, n O − n H thay đổi đúng 2. Hệ quả:
- Trần (hết C–H, n H = 0): số oxi hóa = 4 − n C .
- Sàn (hết liên kết với O, n O = 0): số oxi hóa = −(4 − n C ).
- Giữa trần và sàn, các bậc cách nhau đúng 2.
Cột (n C ) · Các bậc từ sàn lên trần · Trần
n C = 0 (một carbon) · CH 4 (−4) → CH 3 OH (−2) → HCHO (0) → HCOOH (+2) → CO 2 (+4) · +4
n C = 1 (C đầu mạch) · R–CH 3 (−3) → R–CH 2 OH (−1) → R–CHO (+1) → R–COOH (+3) · +3
n C = 2 (C giữa mạch) · R–CH 2 –R' (−2) → R–CH(OH)–R' (0) → R–CO–R' (+2) · +2
n C = 3 (C nhánh) · R 3 CH (−1) → R 3 C–OH (+1) · +1
Vuốt ngang để xem hết bảng
Bảng này chính là lí do của ba quy tắc mà sách thường bắt nhớ. Alcohol bậc I (n C = 1) còn hai bước phía trên: lên aldehyde rồi lên carboxylic acid. Alcohol bậc II (n C = 2) chỉ còn một bước: lên ketone rồi chạm trần. Alcohol bậc III (n C = 3) đã ở trần +1: nó không bị oxi hóa trong điều kiện thường, vì muốn leo tiếp phải bẻ liên kết C–C (ngoài chương trình).
1.3 Mỗi bước leo là 2 electron
Mỗi bước leo (thay một C–H bằng C–O) nâng carbon lên 2 bậc: số oxi hóa tăng 2, tức carbon nhường 2 e. Viết dưới dạng nửa phương trình trong môi trường acid, cả hai bước oxi hóa của ethanol đều nhường đúng 2 e:
CH 3 CH 2 OH → CH 3 CHO + 2H + + 2e
CH 3 CHO + H 2 O → CH 3 COOH + 2H + + 2e Bước 1 lấy đi hai H (một của OH, một của carbon); bước 2 thêm một O. Cả hai đều làm carbon chức lên 2 bậc.
Chuyển hóa · Số oxi hóa của C chức · Số electron mỗi phân tử nhường
Alcohol bậc I → aldehyde · −1 → +1 · 2
Aldehyde → carboxylic acid · +1 → +3 · 2
Alcohol bậc I → carboxylic acid · −1 → +3 · 4
Alcohol bậc II → ketone · 0 → +2 · 2
Methanol → HCHO → HCOOH → CO 2 · −2 → 0 → +2 → +4 · 2 + 2 + 2 = 6
Alcohol bậc III · +1 (trần) · 0
Vuốt ngang để xem hết bảng
Số electron này là chìa khóa để tính lượng chất oxi hóa: mol electron alcohol nhường bằng mol electron chất oxi hóa nhận (mục 2 và Phòng B).
1.4 Ba kiểu bước: lên, xuống, ngang
Lên thang = oxi hóa
C–H được thay bằng C–O (hoặc C–X). Ví dụ: alcohol → aldehyde → acid. Cả phản ứng thế halogen của alkane cũng là bước lên: CH 4 + Cl 2 → CH 3 Cl + HCl (ánh sáng) đưa carbon từ −4 lên −2, còn Cl từ 0 xuống −1. Đó là phản ứng thế, đồng thời là phản ứng oxi hóa – khử.
Xuống thang = khử
C–O được thay bằng C–H. Ví dụ: aldehyde + H 2 (Ni, t°) → alcohol bậc I (+1 → −1); ketone + H 2 → alcohol bậc II (+2 → 0).
Đi ngang = không đổi bậc
Carbon chỉ đổi "bạn" cùng loại: C–Br thành C–OH (thủy phân dẫn xuất halogen), C–OH thành C–Br, acid thành ester, ester thành acid hay muối. Số oxi hóa của carbon chức giữ nguyên.
Trường hợp đặc biệt: tách và cộng nước
Tách nước ethanol thành ethylene: carbon mang OH đi từ −1 xuống −2, carbon bên cạnh từ −3 lên −2. Tổng hai carbon vẫn là −4. Đây là một "trao đổi nội bộ", không cần chất oxi hóa hay chất khử bên ngoài.
Một hệ quả đẹp. Lên men glucose thành ethanol (C 6 H 12 O 6 → 2C 2 H 5 OH + 2CO 2 , enzyme) cũng là trao đổi nội bộ: số oxi hóa trung bình của carbon trong glucose là 0; hai phân tử ethanol (bốn carbon, trung bình −2) đi xuống, hai phân tử CO 2 (+4) lên đến đỉnh thang. Tổng vẫn bằng 0.
PHÒNG A Thang số oxi hóa của carbon chức hư cấu
Dựng một carbon bằng cách chọn số liên kết C–H (n H ), số liên kết tới O hoặc halogen tính theo bậc (n O ) và dạng nhóm. Phòng thí nghiệm suy ra số liên kết C–C còn lại (n C = 4 − n H − n O ), số oxi hóa, tên lớp chất, vẽ vị trí trên thang cùng trần và sàn của cột ấy, và nói carbon có thể đi lên, xuống hay ngang bằng phản ứng nào. Các mẫu có sẵn là carbon chức của sáu chất quen thuộc. Tổ hợp vượt quá 4 liên kết sẽ bị cảnh báo.
Mẫu có sẵn
Số liên kết C–H (n H )
Số liên kết tới O hoặc halogen (n O )
Dạng nhóm
Vuốt ngang để xem hết sơ đồ
Số liên kết C–C
Số oxi hóa
Lớp chất
Trần, sàn, số bước còn leo
Đi lên (oxi hóa)
Đi xuống (khử)
Đi ngang (cùng bậc)
Chốt ý mục 1: số oxi hóa của một carbon = n O − n H ; trần = 4 − n C ; mỗi bước leo = 2 e Đếm riêng từng carbon. Còn C–H thì còn leo được; mỗi bước leo (lên 2 bậc) là 2 e nhường. Thế, este hóa, thủy phân là đi ngang; thế halogen của alkane là bước lên.
trong CH 3 CH 2 Cl, carbon mang Cl có số oxi hóa bao nhiêu? Thủy phân chất này bằng NaOH thành ethanol thì số ấy có đổi không?
Đếm liên kết của carbon mang Cl: bao nhiêu C–H, bao nhiêu C–Cl?
Giải thích. Carbon ấy có 2 liên kết C–H và 1 liên kết C–Cl, nên số oxi hóa là 1 − 2 = −1. Trong ethanol, carbon mang OH có 2 C–H và 1 C–O, cũng là −1. Thủy phân chỉ đổi C–Cl thành C–O: một bước ngang, không phải oxi hóa – khử đối với carbon.
MỤC 2 · ALCOHOL
Bậc, liên kết hydrogen và bốn "cửa" phản ứng
Alcohol là chất có nhóm OH gắn vào carbon no (carbon chỉ có liên kết đơn). Phân tử ethanol có bốn chỗ có thể "mở cửa" cho phản ứng: liên kết O–H, liên kết C–O, cặp liên kết dùng khi tách nước, và liên kết C–H trên carbon mang OH. Mỗi cửa cho một loại sản phẩm, và chỉ cửa cuối cùng làm carbon leo thang.
2.1 Bậc alcohol = số carbon nối với carbon mang OH
Bậc của alcohol là bậc của carbon mang OH, tức số nguyên tử carbon liên kết trực tiếp với nó. Vì carbon có 4 liên kết, một liên kết đã dành cho OH, nên số H trên carbon mang OH bằng 3 − bậc (trừ methanol: 3 H). Methanol CH 3 OH được xếp vào alcohol bậc I như một trường hợp đặc biệt: carbon mang OH không nối carbon nào và còn 3 H. Đây là con số quyết định alcohol leo được mấy bậc.
Alcohol · Công thức · Bậc · H trên C mang OH · Số oxi hóa của C ấy
methanol · CH 3 OH · I (trường hợp đặc biệt: C không nối carbon nào, còn 3 H) · 3 · −2
ethanol · CH 3 CH 2 OH · I · 2 · −1
propan-1-ol · CH 3 CH 2 CH 2 OH · I · 2 · −1
propan-2-ol · CH 3 CH(OH)CH 3 · II · 1 · 0
butan-2-ol · CH 3 CH(OH)CH 2 CH 3 · II · 1 · 0
2-methylpropan-2-ol · (CH 3 ) 3 COH · III · 0 · +1
Vuốt ngang để xem hết bảng
Vuốt ngang để xem hết sơ đồ
Hình 3. Ba bậc alcohol. Carbon mang OH được tô cam; số H trên nó (2, 1, 0) quyết định alcohol oxi hóa được đến đâu.