CHƯƠNG 6. HỢP CHẤT CARBONYL (ALDEHYDE - KETONE) - CARBOXYLIC ACID

BÀI 19: CARBOXYLIC ACID

KHỞI ĐỘNG

Một số loại acid hữu cơ được dùng trong, thực phẩm như acetic acid, lactic acid. Thường gặp nhất là carboxylic acid, có nhiều trong tự nhiên như trong thành phần của các loại trái cây, chúng gây ra vị chua và một số mùi quen thuộc. Carboxylic acid là gi? Những tính chất nào đặc trưng cho carboxylic acid? 

Đáp án:

- là những hợp chất hữu cơ mà có nhóm carboxyl - COOH liên kết trực tiếp với nguyên tử carbon hoặc nguyên tử hydro.

- Đặc trưng: tính acid, phản ứng ester hoá

1. KHÁI NIỆM - CẤU TRÚC - DANH PHÁP

Bài 1: Quan sát hình 19.1, hãy nêu đặc điểm chung về cấu tạo của carboxylic acid, nêu đặc điểm khác về cấu tạo của carboxylic acid so với cấu tạo của aldehyde và ketone.

Đáp án:

Đặc điểm chung:  đều chứa nhóm chức carboxyl (- COOH) gồm  hydroxy (-OH) liên kết  carbonyl (C=O)

-Đặc điểm khác: có nhóm hydroxy (-OH) liên kết với nhóm carbonyl (C=O)

Bài 2: Hãy viết công thức cấu tạo của các carboxylic acid đơn chức có công thức phân tử C4H8O2 

Đáp án:

Bài 3: Hãy viết công thức cấu tạo của các carboxylic acid đơn chức có công thức phân tử C4H8O2 

Đáp án:

Bài 4: Hãy chỉ ra hợp chất carboxylic acid trong số các chất sau đây:

CH3CHO (1), C6H5OH (2), CH2 = CH - COOH (3), HOOC - COOH (4).

Đáp án:

 (3), (4).

Bài 5: Dựa vào bảng 19.1, rút ra cách gọi tên carboxylic acid theo danh pháp thay thế.

Đáp án:

Cách gọi tên carboxylic acid theo danh pháp thay thế:

Số chỉ vị trí mạch nhánh - Tên nhánh + Tên hydrocarbon ứng với mạch chính (bỏ kí tự e ở cuối) + oic + acid

2. TÍNH CHẤT VẬT LÍ

Bài 1: So sánh nhiệt độ sôi của butanoic acid với nhiệt độ sôi của các chất trong bảng sau. Giải thích.

Đáp án:

Nhiệt độ sôi của butanoic acid lớn hơn nhiệt độ sôi của các chất trong bảng

Do butanoic acid có liên kết hydrogen bền vững hơn

Bài 2: Vì sao acetic acid tan vô hạn trong nước?

Đáp án:

Vì 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.

Bài 3: Hãy sắp xếp theo chiều tăng dần nhiệt độ sôi của các chất sau, giải thích.

(1) C3H8, (2) C2H5COOH, (3) C2H5CHO, (4) C3H7OH

Đáp án:

Nhiệt độ sôi (1) < (3) < (4) < (2)

3. TÍNH CHẤT HOÁ HỌC

Bài 1: Từ đặc điểm cấu tạo nhóm carboxyl, dự đoán tính chất hóa học đặc trưng của hợp chất carboxylic acid

Đáp án:

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.

Bài 2:  Biết Ka (hằng số phân li) acid của R - COOH được tính theo biểu thức sau

Dựa vào Bảng 19.3 nhận xét về tính acid của carboxylic acid. Nêu tính chất hóa học đặc trưng của chúng.

Đáp án:

 HCOOH có tính acid mạnh nhất.

Tính acid giảm dần theo độ tăng chiều dài mạch C

Bài 3: Tiến hành thí nghiệm 1 theo hướng dẫn. Nêu hiện tượng xảy ra. Giải thích và viết phương trình hóa học của phản ứng 

Đáp án:

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

Khi cho mẩu magnesium vào ống nghiệm (1) kim loại magnesium tan dần tạo thành dung dịch màu không màu và có khí không màu thoát ra.

2CH3COOH + Mg → (CH3COO)2Mg + H2↑

Khi cho Na2CO3 vào ống nghiệm 2 tạo dung dịch không màu và có khí thoát ra.

2CH3COOH + Na2CO3 → 2CH3COONa + CO2↑ + H2O 

Bài 4: Hãy lựa chọn hóa chất hợp lí để làm sạch lớp cặn trong các dụng cụ đun và chứa nước nóng. Giải thích.

Đáp án:

Sử dụng giấm ăn để loại bỏ lớp cặn vì trong giấm ăn có acetic acid (CH3COOH)  có khả năng tác dụng với lớp cặn màu trắng.

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

2CH3COOH + MgCO3 → (CH3COO)2Mg+ CO2 + H2O

Bài 5: Hoàn thành các phương trình hóa học của các phản ứng sau 

1. a) (CH3)2CHCOOH + Ca →
2. b) HOOC - COOH + NaOH →
3. c) HCOOH + Na2CO3→
4. d) C2H5COOH + CuO →

 Đáp án:

1. a) 2(CH3)2CHCOOH + Ca → ((CH3)2CHCOO)2Ca + H2
2. b) HOOC - COOH + 2NaOH → NaOOC - COONa + 2H2O
3. c) 2HCOOH + Na2CO3→ 2HCOONa + CO2+ H2O
4. d) 2C2H5COOH + CuO → (C2H5COO)2Cu + H2O

Bài 6: Trình bày cách phân biệt các dung dịch sau bằng phương pháp hóa học: ethanol, acetaldehyde, acetic acid và acrylic acid

Đáp án:

Lấy lần lượt  mỗi chất một ít ra các ống nghiệm có đánh số thứ tự :

- Nhỏ lần lượt các chất ra quỳ tím, nếu  

+ Quỳ tím chuyển đó là acetic acid và acrylic acid (nhóm 1)

+Qùy tím không đổi màu là ethanol, acetaldehyde. (nhóm 2)

- Nhỏ vài giọt dung dịch bromine vào từng ống nghiệm ở nhóm 1, nếu :

+ Bromie bị mất màu là: acrylic acid .

+ Không có hiện tượng gì xảy ra là  acetic acid.

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

- Cho Cu(OH)2/NaOH tác dụng với các chất ở nhóm 2 nếu :

+Xuất hiện kết tủa màu đỏ gạch là acetaldehyde.

+ không có hiện tượng gì là  ethanol.

PTHH:

2Cu(OH)2 + CH3CHO + NaOH→ CH3COONa + Cu2O↓ + 3H2O

Bài 7: Tiến hành thí nghiệm 2 theo các bước. Quan sát, nêu hiện tượng. Dấu hiệu nào giúp nhận biết có sản phẩm mới được tạo thành? Giải thích

Đáp án:

Hiện tượng: dung dịch phân thành hai lớp và dung dịch có mùi thơm là CH3COOC2H5.

Dấu hiệu giúp nhận biết có sản phẩm mới : Sau phản ứng xuất hiện chất lỏng không màu, mùi thơm, không tan trong nước, nổi trên mặt nước.

PTHH: 

CH3COOH + C2H5OH  H2SO4 đặc, t→  CH3COOC2H5 + H2O

Bài 8: Nêu vai trò của dung dịch H2SO4 đặc, đá bột, dung dịch NaCl bão hòa.

Đáp án:

• H₂SO₄ đặc vừa có vai trò xúc tác vừa là chất hút nước => tăng hiệu suất phản ứng điều chế ester (theo nguyên lý chuyển dịch cân bằng).
• NaCl bão hoà  để tách lớp dung dịch (hay là để ester tách ra). 
• Đá bột là để dung dịch sôi đều, tránh sôi một cách cục bộ.

Bài 9: Nêu một số biện pháp để nâng cao hiệu suất của phản ứng

Đáp án:

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

Phản ứng cần đun nóng: đảm bảo nhiệt độ trong khoảng 65 - 70 độ C

Bài 10: Viết phản ứng tạo thành ester có công thức CH3COOCH3 từ acid và alcohol tương ứng. Tìm hiểu ứng dụng của ester trong thực tiễn.

Đáp án:

CH3COOH + CH3OH ⇌ H2O + CH3COOCH3

Methyl acetate được ứng dụng nhiều trong các ngành sản xuất như:

• Trong sản xuất sơn, keo dán, chất tẩy sơn móng tay
• Tham gia tổng hợp các hóa chất:  sản xuất acetic anhydride, làm chất trung gian hóa học để tổng hợp chlorophacinone, diphacinone, fenfluramine, o-methoxyphenylacetone, và trong sản xuất chất kết dính cellulose và nước hoa,...
• Trong y dược:  dung môi ly trích cho các chất kháng sinh nặng, các loại dược phẩm thô, nguyên liệu để sản xuất và điều chế dược phẩm.
• Chất phụ gia tạo mùi hương.
• Trong rất nhiều ngành nghề khác trong công nghiệp:
• Làm dung môi trung gian để sản xuất, thuốc trừ sâu,thuốc diệt nấm
• Pha chế mực in tổng hợp và các loại thuốc nhuộm.
• Thành phần nguyên liệu của xi măng và keo dán.

4. ỨNG DỤNG CỦA MỘT SỐ CARBOXYLIC ACID THÔNG DỤNG

Bài 1: Quan sát hình 19.5, nêu một số ứng dụng của carboxylic acid

Đáp án:

Một số ứng dụng của carboxylic acid

• Tổng hợp hữu cơ, polymer
• Sản xuất xà phòng
• Sản xuất mĩ phẩm, dược phẩm, phẩm nhuộm,
• Bảo quản thực phẩm
• Công nghệ dệt,...

5. ĐIỀU CHẾ

Bài 1: Phương pháp điều chế acetic acid bằng cách lên men giấm cần thực hiện trong những điều kiện nào? Giải thích. Nêu ứng dụng trong thực tiễn của phương pháp trên.

Đáp án:

Phương pháp điều chế acetic acid bằng cách lên men giấm cần thực hiện trong những điều kiện nào

• Vật dụng đựng giấm phải được tiệt trùng trước: Vì giấm có tính acid nên rất dễ trở thành dung môi hòa tan các chất độc hại trong vật liệu đựng. 
• Trước khi đậy nắp hũ để ủ giấm, sử dụng một tấm vải mỏng phủ lên miệng hũ, bít một tấm vải lên như vậy vừa đảm bảo tránh được côn trùng và bụi bẩn, vừa có thể để không khí lọt vào hũ.
• Nhiệt độ duy trì là 20oC - 30oC

Ứng dụng: có thể sử dụng làm thực phẩm và còn được sử dụng nhiều trong làm đẹp, đời sống va y tế như: khắc phục bong gân, máu bầm; Kiểm soát lượng đường trong máu; Hỗ trợ hấp thu các chất dinh dưỡng khác; giúp ngủ ngon; chống lão hóa da; giảm nám bằng giấm.

Bài 2: Tìm hiểu phương pháp lên men giấm và thực hành làm giấm ăn từ các nguyên liệu có sẵn để sử dụng trong gia đình.

Đáp án:

Cách làm giấm táo

Nguyên liệu

• Táo thường: 3 kg
• Giấm gạo: 1 lít (hoặc giấm nuôi)
• Đường phèn: 1 bát
• Hũ thủy tinh đựng giấm

Nên chọn mua táo trái giòn, ngọt và nhiều nước. Chọn những quả táo còn tươi, cầm nặng tay. Ngoài ra, giấm gạo là lựa chọn nguyên liệu tốt nhất để giúp món giấm táo giữ được hương vị đặc trưng và an toàn cho sức khỏe.

Sơ chế

• Bước 1 : Rửa sạch táo. B.
• Bước 2 : Cắt táo thành từng miếng nhỏ hoặc thái mỏng, bỏ hạt.
• Bước 3 : Hũ thủy tinh rửa sạch, để khô.

Cách làm

• Bước 1 : Xếp một lớp táo xuống dưới đáy hũ, sau đó đổ một lớp đường lên lớp táo. Rồi lại tiếp tục xếp một lớp táo đến một lớp đường như vậy cho đến hết. Kết thúc bằng một lớp đường trên cùng.
• Bước 2 : Đổ 1 lít giấm gạo vào hũ táo. Bạn chỉ cần đổ giấm gạo cho ngập táo là được.
• Bước 3 : Đậy kín nắp hũ sau đó đặt ở nơi thoáng mát và ít ánh sáng trong khoảng 2 tháng.
• Bước 4 : Thỉnh thoảng bạn nên mở nắp hũ để giấm bay bớt mùi men sau đó đậy lại.
• Bước 5 : Sau 2 tháng, để ý thấy miếng táo nổi lên, ngả màu, quắt lại thì bạn lọc bỏ phần bã táo và lấy phần nước giấm cho vào một hũ thủy tinh khác. Tiếp tục để hũ thủy tinh vào một góc thoáng mát trong nhà trong khoảng 6 tuần tiếp theo, sau đó bạn có thể lấy ra và lược lấy phần giấm để dùng.

BÀI TẬP

Bài 1: Viết phương trình hóa học các phản ứng xảy ra theo sơ đồ sau, ghi rõ điều kiện phản ứng (nếu có) 

CH2 = CH2 → CH3CH2OH →  CH3COOC2H5

Đáp án:

CH2 = CH2  + H2O → CH3CH2OH

CH3CH2OH + CH3COOH ⇌ CH3COOC2H5 + H2O

Bài 2:  Xác định các chất X, Y, Z và hoàn thành các phản ứng sau

1. a) sodium hydroxide + X → sodium methanoate + nước
2. b) 3-methylbutanoic acid + Mg → Y + Z

Đáp án:

1. a) NaOH + HCOOH → HCOONa + H2O

                      (X)

b)2(CH3)2CHCH2COOH + Mg →  ((CH3)2CHCH2COO)Mg  + H2 

                                                                        (Y)                           (Z)

Bài 3: Bằng kiến thức hoá học, em hãy giải thích các cách làm sau đây:

1. a) Khi đồ dùng có đốm gỉ, sử dụng giấm để lau chùi, vết gỉ sẽ hết.
2. b) Khi thực hiện lên men rượu cần ủ kín, còn khi lên men giấm cần để thoáng.

Đáp án:

1. - Giấm ăn là dung dịch acetic acid loãng khoảng 2 - 5%.

- Giấm ăn có tính acid, có khả năng hòa tan oxide được các oxide này nên sẽ giúp loại bỏ vết gỉ sét.

1. b) - Vì men rượu hoạt động không cần oxygen không khí, nó chuyển hoá đường thành rượu và khí carbonic.

 C2H5OH + O2  → CH3COOH + H2O

- Còn khi lên men giấm thì cần oxygen để oxi hoá rượu thành giấm.

Bài 4: Điều chế ethyl acetate bằng cách cho 6 gam acetic acid tác dụng với 5,2 gam ethanol cứ xúc tác là dung dịch sulfuric acid đặc và đun nóng, thu được 5,28 gam ester. Tính hiệu suất của phản ứng. 

Đáp án:

Ta có: nCH3COOH = 6/60 = 0,10mol

nC2H5OH = 5,2/46 ≈ 0,113mol

nCH3COOC2H5 = 5,28/88=0,06mol

PTHH: CH3COOH + C2H5OH ⇌ CH3COOC2H5 + H2O

0,1 mol CH3COOH < 0,113 mol C2H5OH

=> Hiệu suất phản ứng tính theo CH3COOH

Theo PTHH: nCH3COOC2H5,LT = nCH3COOH = 0,10mol

H = (nCH3COOC2H5,TT.100) / (nCH3COOC2H5,LT) = (0,06.100) / 0,1 = 60%

Vậy hiệu suất phản ứng ester hóa là 60%.