Lắp ghép mô hình rỗng tìm hiểu cấu trúc phân tử hợp chất hữu cơ — Mô phỏng 3D Tương tác (Hóa học THPT)
Câu hỏi trọng tâm: Phân tử vẽ trên giấy là hình phẳng, vậy hình dạng không gian 3 chiều thực sự của chúng như thế nào? Lắp một mô hình rỗng (cầu – thanh) giúp ta nhìn ra điều gì?
Phương trình / Nguyên lý cốt lõi: Carbon hóa trị IV: mỗi nguyên tử carbon tạo 4 liên kết cộng hóa trị
Đối chiếu Chương trình GDPT 2018: Hóa học 11 — SGK GDPT 2018 · Chương 3 & Chương 4 Thực hành lắp ghép mô hình phân tử
Chuỗi bước khám phá và kết luận khoa học (9 bước)
- Bước 1 (Hộp linh kiện): Vì sao quả cầu carbon trong hộp lại có 4 lỗ nối, còn quả cầu hydrogen chỉ có 1 lỗ? — Kết luận: Nguyên tử carbon có 4 electron ở lớp ngoài cùng nên tạo được 4 liên kết cộng hóa trị; hydrogen chỉ tạo được 1 liên kết. Đó chính là «Carbon hóa trị IV» — nhờ vậy công thức chung của alkane mạch hở là CₙH₂ₙ₊₂. |
CₙH₂ₙ₊₂ (alkane mạch hở) - Bước 2 (Methane): Vì sao nói 4 nguyên tử hydrogen trong phân tử methane hoàn toàn tương đương nhau? — Kết luận: Methane có cấu trúc tứ diện đều: nguyên tử C ở tâm, 4 nguyên tử H ở 4 đỉnh, góc liên kết 109°28′ (tức 109.47°), 5 nguyên tử không cùng nằm trên một mặt phẳng. Chính vì 4 đỉnh hoàn toàn tương đương nên 4 nguyên tử H hoàn toàn như nhau. (Giá trị góc liên kết được học chi tiết trong Chuyên đề học tập Hóa học 10 «Cấu trúc chất»; SGK cơ bản yêu cầu nắm được «4 liên kết tạo với nhau các góc bằng nhau».) |
CH₄ · 109°28′ - Bước 3 (Dichloromethane): Thay 2 nguyên tử hydrogen của methane bằng 2 nguyên tử chlorine thì có mấy cách lắp? — Kết luận: Dichloromethane (CH₂Cl₂) chỉ có một cấu trúc duy nhất, không có đồng phân — vì mô hình được lắp theo hình tứ diện đều có 4 đỉnh hoàn toàn tương đương, thay bất kỳ 2 nguyên tử H nào cũng cho cùng một chất. Câu hỏi thảo luận trong bài thực hành SGK chính là dùng mô hình rỗng để kiểm chứng điều này. |
CH₂Cl₂ · Chỉ có 1 cấu trúc - Bước 4 (Liên kết đơn quay được): Xoay nhẹ liên kết C—C của ethane một góc, phân tử có còn là chất cũ không? — Kết luận: Liên kết đơn C—C có thể quay tự do quanh trục liên kết; việc quay này chỉ tạo ra các tư thế không gian (cấu dạng) khác nhau của cùng một phân tử chứ bản thân phân tử không đổi, không phải là đồng phân cấu tạo. Ngược lại, liên kết đôi và liên kết ba không quay được — đó là lý do vì sao ethylene bị giữ phẳng còn acetylene bị giữ thẳng hàng. |
Liên kết σ quay được quanh trục - Bước 5 (Mạch carbon): Các nguyên tử carbon có thể nối tiếp nhau mãi thành chuỗi được không? — Kết luận: Các nguyên tử carbon có thể liên kết trực tiếp với nhau tạo thành mạch carbon; mạch càng dài số nguyên tử càng nhiều; công thức chung của hydrocarbon no mạch hở (alkane) là CₙH₂ₙ₊₂. Dù mạch dài ra nhưng mỗi nguyên tử C vẫn có cấu trúc tứ diện với góc liên kết ~109°28′. |
CₙH₂ₙ₊₂ · Đồng đẳng hơn kém nhau nhóm CH₂ - Bước 6 (Đồng phân): Cùng có 4 nguyên tử carbon và 10 nguyên tử hydrogen, tại sao lại lắp được hai phân tử khác nhau? — Kết luận: Những hợp chất có cùng công thức phân tử nhưng khác nhau về cấu tạo hóa học được gọi là các chất đồng phân của nhau: n-butane có mạch thẳng (không phân nhánh), còn isobutane có mạch phân nhánh. Khung mạch khác nhau dẫn đến tính chất khác nhau — n-butane sôi ở −0.5 ℃, còn isobutane sôi ở −11.6 ℃. |
C₄H₁₀ có 2 đồng phân cấu tạo - Bước 7 (Ethylene & Acetylene): Vì sao 6 nguyên tử của ethylene cùng nằm trên một mặt phẳng, còn 4 nguyên tử của acetylene lại xếp trên một đường thẳng? — Kết luận: Trong phân tử ethylene, giữa hai nguyên tử C là liên kết đôi không quay tự do được, khóa chặt cả 6 nguyên tử trên cùng một mặt phẳng với góc liên kết khoảng 120°; trong phân tử acetylene là liên kết ba càng không thể quay, khóa chặt 4 nguyên tử trên một đường thẳng với góc liên kết 180°. Khi kéo «Góc quay liên kết đơn C—C», chúng đứng yên bất động — chỉ có liên kết đơn như ở ethane mới quay được. |
C₂H₄ phẳng · C₂H₂ thẳng hàng - Bước 8 (Benzene): Vì sao 6 liên kết carbon–carbon trong phân tử benzene lại có độ dài hoàn toàn bằng nhau? — Kết luận: Benzene có cấu trúc vòng 6 cạnh đều và phẳng, cả 12 nguyên tử đồng phẳng, các góc liên kết đều bằng 120°. Cả 6 liên kết C–C hoàn toàn tương đương nhau với độ dài 139 pm, nằm ở khoảng giữa độ dài liên kết đơn (154 pm) và liên kết đôi (133 pm) — do hệ liên kết π liên hợp giải tỏa đều trên toàn vòng. |
C₆H₆ · Lục giác đều phẳng · 120° - Bước 9 (Thực hành đánh giá): Đến lượt bạn: Hãy điều chỉnh để tạo ra đồng phân cấu tạo thứ hai của C₄H₁₀ — Kết luận: Alkane có 4 nguyên tử C tồn tại ở hai dạng cấu tạo: n-butane mạch không phân nhánh và isobutane mạch phân nhánh. Cả hai đều có công thức phân tử C₄H₁₀ nhưng khác khung mạch carbon nên là hai hợp chất khác nhau. |
Hai đồng phân cấu tạo của C₄H₁₀
Xem trang chi tiết bài giảng, hướng dẫn lớp học và câu hỏi ôn tập Lắp ghép mô hình rỗng tìm hiểu cấu trúc phân tử hợp chất hữu cơ · Trang chủ VietLab 3D