Công thức phân tử hợp chất hữu cơ

I. Công thức phân tử

1. Khái niệm

Công thức phân tử cho biết thành phần nguyên tố và số lượng nguyên tử của mỗi nguyên tố trong phân tử.

Ví dụ: 

C₄H₁₀, C₃H₈ đều là chất khí hóa lỏng được nén trong bình gas, được gia đình sử dụng đun nấu.

2. Cách biểu diễn công thức phân tử hợp chất hữu cơ

2.1. Công thức tổng quát

Công thức tổng quát cho biết các nguyên tố có trong phân tử hợp chất hữu cơ.

Ví dụ:

C_xH_yO_z (x, y, z là các số nguyên dương) cho biết phân tử chất hữu cơ đã cho chứa ba nguyên tố C, H và O.

2.2. Công thức đơn giản nhất

Công thức đơn giản nhất cho biết tỉ lệ số nguyên tử của các nguyên tố có trong phân tử hợp chất hữu cơ (tỉ lệ các số nguyên tối giản).

Ví dụ: Hợp chất có công thức phân tử là C₂H₄O₂ thì có công thức đơn giản nhất là CH₂O.

II. Lập công thức phân tử hợp chất hữu cơ

1. Xác định phân tử khối bằng phương pháp phổ khối lượng

Phương pháp phổ khối lượng được sử dụng để xác định khối lượng phân tử các hợp chất hữu cơ.

Trong máy khối phổ, chất nghiên cứu bị bắn phá bởi một dòng electron tạo ra các mảnh ion.

Ví dụ:

Mảnh ion [M⁺] được gọi là mảnh ion phân tử. Giá trị m/z của mỗi mảnh ion và hàm lượng tương đối của chúng được thể hiện trên phổ khối lượng.

Đối với các hợp chất đơn giản, thường mảnh có giá trị m/z lớn nhất ứng với mảnh ion phân tử [M⁺] và giá trị này bằng giá trị phân tử khối của chất nghiên cứu.

Ví dụ: Phổ khối lượng của ethanol có peak (pic) ion phân tử [C₂H₆O⁺] có giá trị m/z = 46, đúng bằng phân tử khối của chất.

Phổ khối lượng của ethanol (C₂H₆O)

2. Lập công thức phân tử hợp chất hữu cơ

Một hợp chất hữu cơ có công thức phân tử là C_xH_yO_z.

Thiết lập công thức đơn giản nhất bằng cách lập tỉ lệ x : y : z ở dạng số nguyên tối giản p : q : r.

Phân tích định lượng, ta được tỉ lệ phần trăm khối lượng các nguyên tố trong phân tử.

Từ đó thiết lập được công thức đơn giản nhất: C_pH_qO_r.

Mối quan hệ giữa công thức phân tử và công thức đơn giản nhất:

C_xH_yO_z = (C_pH_qO_r)_n

Trong đó: p, q, r là các số nguyên tối giản; x, y, z, n là các số nguyên dương.

Khi biết phân tử khối, xác định được giá trị n, từ đó suy ra công thức phân tử.

Ví dụ: Phần trăm khối lượng các nguyên tố trong camphor lần lượt là 78,94% carbon, 10,53% hydrogen và 10,53% oxygen. Từ phổ khối lượng của camphor xác định được giá trị m/z của peak [M⁺] bằng 152.

Hướng dẫn:

Đặt công thức phân tử của camphor có dạng: C_xH_yO_z.

Lập công thức đơn giản nhất của camphor:

Vậy công thức đơn giản nhất của camphor là: C₁₀H₁₆O.

Từ phổ khối lượng xác định được phân tử khối của camphor là: 152.

Mối quan hệ giữa công thức phân tử và công thức đơn giản nhất như sau:

C_xH_yO_z = (C₁₀H₁₆O)_n

⇒ (12.10 + 16.1 + 16).n = 152 ⇒ n = 1.

Vậy công thức phân tử của camphor là: C₁₀H₁₆O.