Giải chi tiết Hóa học 11 Cánh diều mới bài 19: Carboxylic acid

MỞ ĐẦU

Hãy viết công thức cấu tạo của acetic acid. Cho biết một số tính chất hoá học và ứng dụng của acetic acid mà em biết.

Hướng dẫn trả lời:

Acetic acid có công thức cấu tạo là CH₃COOH. 

Acetic acid có tính chất hóa học:

• Tính acid yếu: làm quỳ tím chuyển thành màu đỏ, phản ứng được với kim loại, base, oxide base và muối.
• Phản ứng ester hóa.

Ứng dụng: dùng làm giấm, dùng trong công nghiệp dệt, dược phẩm, sản xuất nước hoa, ...

I. KHÁI NIỆM VÀ DANH PHÁP

1. Khái niệm 

Luyện tập 1: Hãy chỉ ra hợp chất carboxylic acid trong số các chất dưới đây.

CH₃–COOH         (A)

CH₃–CHO            (B)

HOOC–COOH     (C)

CH₃–CO–CH₃      (D)

CH₂=CH–COOH  (E)

Hướng dẫn trả lời:

Hợp chất carboxylic acid là: (A), (C), (E).

Carboxylic acid là những hợp chất hữu cơ mà trong phân tử chứa nhóm carboxyl (-COOH) liên kết trực tiếp với nguyên tử carbon hoặc nguyên tử hydrogen.

2. Danh pháp

Luyên tập 2: Viết công thức cấu tạo, gọi tên thay thế của các carboxylic acid có cùng công thức phân tử là C₅H₁₀O₂.

Hướng dẫn trả lời:

Carboxylic acid C5H10O2

STT	Đồng phân	Tên gọi
1	CH3 - CH2 - CH2 - CH2 - COOH	Pentanoic acid
2		3 – methylbutanoic acid
3		2 – methylbutanoic acid
4		2,2 – dimethylpropanoic acid

II. TÍNH CHẤT VẬT LÍ

Câu hỏi 1: Căn cứ các dữ liệu về nhiệt độ sôi và nhiệt độ nóng chảy, hãy chỉ ra các carboxylic acid ở thể lỏng và ở thể rắn ở điều kiện thường.

Hướng dẫn trả lời:

Ở nhiệt độ thường, carboxylic acid mạch ngắn (chứa không quá 4 nguyên tử carbon trong phân tử) là chất lỏng, carboxylic acid mạch dài là chất rắn dạng sáp.

Luyện tập 3: Cho các chất có công thức cấu tạo sau: HCOOH (A), C₂H₆ (B), CH₃CH=O (C), C₂H₅OH (D), CH₃COOH (E).

Hãy sắp xếp các chất trên theo chiều tăng dần về nhiệt độ sôi của chúng và giải thích.

Hướng dẫn trả lời:

Nhiệt độ sôi: (B) < (C) < (D) < (A) < (E).

Nhiệt độ sôi của hydrocarbon < carbonyl < alcohol < carboxylic acid.

Khối lượng phân tử càng lớn thì nhiệt độ sôi càng cao => Nhiệt độ sôi HCOOH < CH₃COOH.

Câu hỏi 2: Vì sao acetic acid có thể tan vô hạn trong nước?

Hướng dẫn trả lời:

Acetic acid (CH3COOH) là carboxylic acid mạch ngắn, có phân tử khối nhỏ và có khả năng tạo liên kết hydrogen với nước nên tan vô hạn trong nước.

III. TÍNH CHẤT HÓA HỌC

Câu hỏi 3: Từ đặc điểm cấu tạo của nhóm carboxyl, hãy dự đoán tính chất đặc trưng của các hợp chất carboxylic acid.

Hướng dẫn trả lời:

Trong nhóm carboxyl, mật độ electron tại nhóm OH chuyển dịch về phía nhóm C=O nên nguyên tử hydrogen trong nhóm OH trở nên linh động hơn và mang một phần điện tích dương (δ+). Tương tự như aldehyde và ketone, liên kết C=O trong phân tử carboxylic acid cũng là liên kết phân cực, do đó nguyên tử carbon mang một phần điện tích dương (δ+).

=> Carboxylic acid thể hiện tính acid và tham gia phản ứng ester hoá.

1. Tính acid

Câu hỏi 4: Từ các giá trị Ka cho trong Bảng 19.2, hãy cho biết carboxylic acid no, đơn chức, mạch hở nào có tính acid mạnh nhất.

Hướng dẫn trả lời:

Dễ thấy HCOOH có giá trị K_a lớn nhất nên HCOOH có tính acid mạnh nhất.

Thí nghiệm 1: Khả năng đổi màu quỳ tím của acetic acid

Chuẩn bị: Dung dịch acetic acid 5%, giấy quỳ tím, đũa thuỷ tinh.

Tiến hành: Nhúng đầu đũa thủy tinh vào dung dịch acetic acid 5%, sau đó chấm vào giấy quỳ tím.

Yêu cầu: Quan sát và nhận xét sự thay đổi màu của giấy quỳ tím.

Hướng dẫn trả lời:

Hiện tượng: Quỳ tím chuyển sang màu đỏ vì acetic acid có tính acid yếu.

Luyện tập 4: Viết phương trình hoá học của các phản ứng xảy ra giữa propionic acid với:

a) Zn.

b) CuO.

c) Cu(OH)₂.

d) CaCO₃.

Hướng dẫn trả lời:

a) 2CH₃CH₂COOH + Zn → (CH₃CH₂COO)₂Zn + H₂

b) 2CH₃CH₂COOH + CuO → (CH₃CH₂COO)₂Cu + H₂O

c) 2CH₃CH₂COOH + Cu(OH)₂ → (CH₃CH₂COO)₂Cu + 2H₂O

d) 15CH₃CH₂COOH + 14CaCO₃ → 14CH₃CH₂COOCa + 10H₂O + 17CO₂

Thí nghiệm 2: Phản ứng của acetic acid với magnesium

Chuẩn bị: Dung dịch CH3COOH 1 M, phoi bào magnesium, ống nghiệm.

Tiến hành: Cho 1 – 2 mL dung dịch acetic acid 1 M vào ống nghiệm, sau đó cho thêm vào vài mẩu magnesium.

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

Hướng dẫn trả lời:

Kim loại magnesium tan dần tạo thành dung dịch màu không màu và có khí không màu thoát ra.

2CH₃COOH + Mg → (CH₃COO)₂Mg + H₂

Luyện tập 5: Trình bày cách phân biệt các dung dịch sau: acetic acid, acrylic acid, acetaldehyde.

Hướng dẫn trả lời:

Lấy mỗi chất một ít ra các ống nghiệm tương ứng có đánh số từ 1 đến 3:

- Cho quỳ tím vào 3 lọ mẫu thử đã đánh số => Lọ chứa acetic acid và acrylic acid sẽ đổi màu quỳ tím thành đỏ còn lọ chứa acetaldehyde không đổi màu.

=> Nhận biết acetaldehyde.

- Tiếp tục cho 2 lọ còn lại phản ứng hóa học với dung dịch bromine => Lọ chứa acrylic acid sẽ làm mất màu nước bromine.

PTHH: CH₂=CH-COOH + Br₂ → CH2Br-CHBr-COOH

Vận dụng: Ấm (siêu) đun nước lâu ngày thường có một lớp cặn bám dưới đáy. Hãy đề xuất một phương pháp đơn giản để loại lớp cặn đó.

Hướng dẫn trả lời:

Sử dụng giấm ăn để loại bỏ lớp cặn ở dưới đáy ấm nước.

Trong giấm ăn có acetic acid (CH₃COOH) là acid yếu có khả năng tác dụng với lớp cặn màu trắng (CaCO₃) dưới đáy ấm nước.

2CH₃COOH + CaCO₃ → (CH₃COO)₂Ca + CO₂ + H₂O

Thí nghiệm 3: Phản ứng của acetic acid với sodium carbonate

Chuẩn bị: Dung dịch CH₃COOH 1 M, dung dịch Na₂CO₃ 1 M; ống nghiệm, diêm.

Tiến hành: Cho 1 – 2 mL dung dịch sodium carbonate 1 M vào ống nghiệm. Nhỏ tiếp vào ống nghiệm 1 – 2 mL dung dịch acetic acid 1 M. Đưa que diêm đang cháy vào miệng ống nghiệm.

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

Hướng dẫn trả lời:

Hiện tượng: phản ứng tạo dung dịch không màu và có khí thoát ra.

2CH₃COOH + Na₂CO₃ → 2CH₃COONa + CO₂ + H₂O 

2. Phản ứng ester hóa

Luyện tập 6: Do phản ứng ester hoá là phản ứng thuận nghịch nên hiệu suất của phản ứng thường không cao. Đề xuất các biện pháp để nâng cao hiệu suất của phản ứng ester hoá.

Hướng dẫn trả lời:

Phản ứng este hóa là thuận nghịch, muốn tăng hiệu suất phản ứng thuận, ta tăng nống độ các chất tham gia phản ứng hoặc giảm nồng độ các chất sản phẩm, đồng thời dùng xúc tác H2SO4 đặc. 

Luyện tập 7: Trong thí nghiệm điều chế ethyl acetate, vì sao không đun sôi hỗn hợp phản ứng? Vai trò của dung dịch sodium chloride bão hòa là gì?

Hướng dẫn trả lời:

Không đun sôi hỗn hợp phản ứng vì nhiệt độ quá cao sẽ làm các nguyên liệu bay hơi đồng thời thúc đẩy tạo sản phẩm phụ.

Dung dịch NaCl bão hòa có tỉ khối lớn, giúp ester tách ra và nổi lên dễ dàng hơn.

Thí nghiệm 4: Phản ứng điều chế ethyl acetate

Chuẩn bị: Cồn 96°, acetic acid nguyên chất, dung dịch H₂SO₄ đặc, dung dịch NaCl bão hoà, ống nghiệm.

Tiến hành: Cho 1 mL cồn 96° vào trong ống nghiệm. Cho tiếp vào trong ống nghiệm 1 mL acetic acid nguyên chất. Thêm vào ống nghiệm 1 – 2 giọt dung dịch sulfuric acid đậm đặc và lắc đều, dùng bông sạch nút miệng ống nghiệm. Sau đó, đun cách thủy trong cốc thủy tinh ở nhiệt độ 65 – 70 °C trong khoảng thời gian 5 – 7 phút. Làm lạnh ống nghiệm rồi cho thêm vào 2 mL dung dịch sodium chloride bão hoà. Để yên ống nghiệm.

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

Chú ý an toàn: Cẩn thận khi làm việc với dung dịch H₂SO₄ đặc.

Hướng dẫn trả lời:

Hiện tượng: khi cho vào ống nghiệm dung dịch NaCl bão hòa, thấy dung dịch phân thành hai lớp và dung dịch có mùi thơm là CH3COOC2H5.

PTHH: 

IV. ỨNG DỤNG VÀ ĐIỀU CHẾ

BÀI TẬP

Bài 1: Hợp chất X có công thức cấu tạo: (CH₃)₂CHCH₂COOH. Tên của X là

A. 2-methylpropanoic acid.

B. 2-methylbutanoic acid.

C. 3-methylbutanoic acid.

D. 3-methylbutan-1-oic acid.

Hướng dẫn trả lời:

Đáp án C. 

Bài 2: Trong các chất sau, chất nào có nhiệt độ sôi cao nhất?

A. Propan-1-ol.

B. Acetaldehyde.

C. Formic acid.

D. Acetic acid.

Hướng dẫn trả lời:

Nhiệt độ sôi: carboxylic acid > alcohol > carbonyl.

Acetic acid (CH₃CHOOH) có phân tử khối lớn hơn formic acid (HCOOH) => Nhiệt độ sôi acetic acid > formic acid.

Bài 3: Trình bày phương pháp hoá học để phân biệt các dung dịch sau: ethanol, glycerol, acetaldehyde và acetic acid.

Hướng dẫn trả lời:

Lấy mỗi chất một ít ra các ống nghiệm tương ứng có đánh số từ 1 đến 4:

1 - Cho quỳ tím vào 4 lọ mẫu thử đã đánh số => Lọ chứa acetic acid sẽ đổi màu quỳ tím thành đỏ 

2 - Tiếp tục cho 3 lọ còn lại phản ứng hóa học với dung dịch AgNO3/NH3, có xúc tác t0 => Lọ chứa acetaldehyde sẽ có kết tủa màu trắng bạc

CH3CHO + 2AgNO3 + 3NH3 + H2O → CH3COONH4 + 2Ag↓ + 2NH4NO3

3 - Nhỏ dung dịch trong hai ống nghiệm còn lại vào ống nghiệm chứa Cu(OH)₂ => Lọ có glycerol sẽ xuất hiện phức màu xanh lam.

2C₃H₅(OH)₃ + Cu(OH)₂ → [C₃H₅(OH)₂O]₂Cu + 2H₂O

4 - Lọ còn lại là Ethanol 

Bài 4: Đun nóng 12 gam acetic acid với 13,8 gam ethanol (có dung dịch H2SO4 đặc làm xúc tác) thu được 11 gam ester. Tính hiệu suất của phản ứng ester hóa.

Hướng dẫn trả lời:

Ta có: n_CH3COOH=12/60 = 0,20 mol

nC2H5OH=13,8/46≈ 0,3 mol

nCH3COOC2H5=11/88≈ 0,125 mol

PTHH: CH3COOH + C2H5OH ⇌ CH3COOC2H5 + H2O

0,2 mol CH3COOH < 0,3 mol C2H5OH

=> Hiệu suất phản ứng tính theo CH3COOH

H = 0,125 : 0,20 = 62,5%.

Vậy hiệu suất phản ứng ester hóa là 62,5%.

Bài 5*: Giấm được sử dụng khá phổ biến để chế biến thức ăn. Bạn Mai muốn xác định nồng độ acetic acid có trong giấm bằng cách sử dụng dung dịch sodium hydroxide 0,1 M để chuẩn độ. Bạn lấy mẫu giấm ăn đó để làm thí nghiệm và kết quả chuẩn độ 3 lần như bảng sau:

Hãy giúp bạn Mai xác định nồng độ mol của acetic acid trong giấm.

Hướng dẫn trả lời:

Trung bình thể tích dung dịch NaOH 0,1 M cần dùng (mL) là:

nNaOH=(25,0+25,1+24,9)/3 = 25,0 mL

Số mol NaOH cần dùng là: 

n_NaOH = 0,1.25.10−3 = 0,0025 mol.

CH₃OOH + NaOH → CH₃COONa + H2O

=> n = n = 0,0025 mol.

Nồng độ mol của acetic acid trong giấm là: 

C_M = n/V=0,0025/5.10⁻³ = 0,5 M.

Bài 6*: Hợp chất X được dùng nhiều để tổng hợp polymer. Kết quả phân tích nguyên tố cho thấy X có %C = 50%, %H = 5,56% (về khối lượng), còn lại là O. Trên phổ đồ MS của X thấy xuất hiện peak của ion phân tử [M+] có giá trị m/z = 72. Trên phổ IR của X thấy xuất hiện một tín hiệu đặc trưng trong vùng 2 500 – 3 200 cm−1, một tín hiệu đặc trưng ở 1 707 cm−1. Lập luận và dự đoán công thức cấu tạo của X.

Hướng dẫn trả lời:

Phần trăm khối lượng O là: 

100% - 50% - 5,56% = 44,44%

Gọi công thức đơn giản nhất của X là C_xH_yO_z.

Ta có: x:y:z = 3:4:2

Công thức đơn giản nhất của X là: C₃H₄O₂

Phân tử khối của X là 72 vì giá trị m/z của peak [M+] bằng 72.

=> (12.3 + 1.4 + 16.2).n = 72.n = 72 => n = 1.

Công thức phân tử của X là: C₃H₄O₂.

Trên phổ IR của X thấy xuất hiện một tín hiệu đặc trưng trong vùng 2 500 – 3 200 cm−1 (OH), một tín hiệu đặc trưng ở 1 707 cm−1 (C=O) => X có liên kết -COOH trong phân tử.

Vậy công thức cấu tạo của X là CH₂=CH-COOH.