Công thức phân tử hợp chất hữu cơ: công thức đơn giản nhất, cách lập công thức và bài tập có đáp án Hóa 11

Công thức phân tử hợp chất hữu cơ cho biết số nguyên tử mỗi nguyên tố trong phân tử. Cách lập công thức đơn giản nhất từ % khối lượng, xác định công thức phân tử nhờ khối lượng mol hoặc phổ khối lượng, bài toán đốt cháy, ví dụ và bài tập có đáp án.

Công thức phân tử hợp chất hữu cơ là gì?

Công thức phân tử hợp chất hữu cơ cho biết thành phần định tính và định lượng của phân tử, tức số nguyên tử của mỗi nguyên tố. Để lập công thức phân tử ta thường tìm công thức đơn giản nhất trước, rồi dựa vào khối lượng mol (xác định từ phổ khối lượng) để suy ra công thức phân tử.

Công thức đơn giản nhất

Công thức đơn giản nhất cho biết tỉ lệ tối giản giữa số nguyên tử các nguyên tố. Với $\text{C}_x\text{H}_y\text{O}_z$ thì $x : y : z = \dfrac{\%C}{12} : \dfrac{\%H}{1} : \dfrac{\%O}{16}$ (rồi chia cho số nhỏ nhất).

Ví dụ 1

Hợp chất X có $40\%$ C, $6{,}67\%$ H, $53{,}33\%$ O, $M = 180$. Tìm công thức phân tử.

$x:y:z = 3{,}33 : 6{,}67 : 3{,}33 = 1:2:1$ nên công thức đơn giản nhất $\ce{CH2O}$ ($M = 30$). $180 : 30 = 6$ nên công thức phân tử $\ce{C6H12O6}$.

Xác định khối lượng mol và bài toán đốt cháy

Khối lượng mol phân tử được xác định bằng phổ khối lượng (MS): peak có giá trị $m/z$ lớn nhất ứng với ion phân tử $[M^+]$ cho biết phân tử khối. Ngoài ra có thể tính từ tỉ khối hơi hoặc từ khối lượng và số mol.

Ví dụ 2

Đốt cháy hoàn toàn $3$ g hợp chất hữu cơ Y (chứa C, H, O) thu $4{,}4$ g $\ce{CO2}$ và $1{,}8$ g $\ce{H2O}$. Biết $M_Y = 60$. Tìm công thức phân tử.

$m_C = 4{,}4 \cdot 12/44 = 1{,}2$ g; $m_H = 1{,}8 \cdot 2/18 = 0{,}2$ g; $m_O = 3 - 1{,}4 = 1{,}6$ g. $n_C : n_H : n_O = 0{,}1 : 0{,}2 : 0{,}1 = 1:2:1$ nên $\ce{CH2O}$; $60 : 30 = 2$ nên công thức phân tử $\ce{C2H4O2}$.

Ví dụ 3

Đốt $0{,}1$ mol hydrocarbon Z thu $0{,}4$ mol $\ce{CO2}$ và $0{,}5$ mol $\ce{H2O}$. Tìm công thức.

Số C $= 0{,}4 : 0{,}1 = 4$; số H $= 2 \cdot 0{,}5 : 0{,}1 = 10$. Công thức $\ce{C4H10}$.

Xem bài: Tách biệt và tinh chế hợp chất hữu cơ

Nhận biết thành phần nguyên tố

C: đốt cháy tạo $\ce{CO2}$ làm đục nước vôi trong.
H: đốt cháy tạo $\ce{H2O}$ làm $\ce{CuSO4}$ khan màu trắng chuyển xanh.
N: chuyển thành $\ce{NH3}$, nhận biết bằng quỳ tím ẩm.

Những lỗi thường gặp

Bài tập thực hành

Hợp chất có $85{,}71\%$ C, $14{,}29\%$ H, $M = 42$. Tìm công thức phân tử.
Hợp chất có $52{,}17\%$ C, $13{,}04\%$ H, còn lại là O, $M = 46$. Tìm công thức phân tử.
Đốt $0{,}1$ mol hydrocarbon thu $0{,}3$ mol $\ce{CO2}$ và $0{,}4$ mol $\ce{H2O}$. Tìm công thức.
Đốt cháy $0{,}9$ g chất X thu $1{,}32$ g $\ce{CO2}$ và $0{,}54$ g $\ce{H2O}$ (X chỉ có C, H, O), $M_X = 90$. Tìm công thức phân tử.
Phổ khối lượng của một chất có peak $[M^+]$ ở $m/z = 58$. Khối lượng mol của chất là bao nhiêu?

Đáp án

$x:y = 7{,}14 : 14{,}29 = 1:2$ nên $\ce{CH2}$ ($14$); $42 : 14 = 3$ nên $\ce{C3H6}$.
$\%O = 34{,}79$; $x:y:z = 4{,}35 : 13{,}04 : 2{,}17 = 2:6:1$ nên $\ce{C2H6O}$ ($46$).
Số C $= 3$, số H $= 8$: $\ce{C3H8}$.
$m_C = 0{,}36$, $m_H = 0{,}06$, $m_O = 0{,}48$ g nên tỉ lệ $0{,}03 : 0{,}06 : 0{,}03 = 1:2:1$, $\ce{CH2O}$; $90 : 30 = 3$ nên $\ce{C3H6O3}$.
$58$ g/mol.