Năng hóa học, Hóa học Nhóm, Halogenohydrocarbon và Alcohol

Một bình phản ứng có thể nóng lên trong khi các chất tham gia phản ứng mất năng lượng. Một dung dịch trong suốt có thể tạo thành kết tủa trắng mà không có sự thay đổi về số oxi hóa. Đơn vị này liên kết các quan sát với các mô hình: truyền năng lượng, lực hút, chuyển electron, va chạm và đường đi phản ứng. Hãy bắt đầu bằng cách xác định mô hình nào giải thích được bằng chứng.

Kiến thức nền tảng: Đơn vị 1 tỷ lệ mol, cấu hình electron, độ phân cực liên kết, công thức cấu trúc và mũi tên cặp electron. Phạm vi bao gồm các chủ đề Pearson 6–10. Thực hành cốt lõi 2–8 được giảng dạy nơi chúng hỗ trợ các chủ đề này; tài liệu tham khảo không thể thay thế kinh nghiệm thực hành có giám sát. Tuân theo đánh giá rủi ro của trường học. Các chuẩn bị halogen nguy hiểm, axit đặc và hữu cơ đòi hỏi sự giám sát phòng thí nghiệm được phê duyệt.

Một thay đổi enthalpy, $\Delta H$, là sự thay đổi nhiệt năng ở áp suất không đổi. Điều kiện chuẩn bao gồm áp suất 100 kPa và nhiệt độ được nêu rõ, thường là 298 K. Ký hiệu trạng thái rất quan trọng: tạo ra nước lỏng giải phóng một lượng năng lượng khác với việc tạo ra hơi nước. Phản ứng tỏa nhiệt có $\Delta H<0$; phản ứng thu nhiệt có $\Delta H>0$. Trong sơ đồ mức năng lượng enthalpy, đặt chất tham gia và sản phẩm trên các mức ngang. Mũi tên chạy từ chất tham gia đến sản phẩm; sự thay đổi theo chiều dọc của nó cho $\Delta H$.

Các định nghĩa này quy định các phản ứng khác nhau, mỗi phản ứng diễn ra dưới điều kiện chuẩn với các chất ở trạng thái chuẩn của chúng:

Ví dụ, $\frac12\mathrm{Cl_2(g)\rightarrow Cl(g)}$ là phương trình nguyên tử hóa, trong khi $\mathrm{Cl_2(g)\rightarrow2Cl(g)}$ mô tả lượng gấp đôi. Theo quy ước, enthalpy tạo thành của một phần tử ở trạng thái chuẩn bằng không, không phải vì phần tử đó không có năng lượng.

Một phép tính nhiệt lượng kế hoàn chỉnh

Trộn 50.0 cm³ dung dịch HCl nồng độ 1.00 mol dm⁻³ với 50.0 cm³ dung dịch NaOH nồng độ 1.00 mol dm⁻³. Cả hai bắt đầu ở cùng nhiệt độ; mức tăng đã hiệu chỉnh là 6.8 °C. Giả sử khối lượng riêng 1.00 g cm⁻³, nhiệt dung riêng 4.18 J g⁻¹ °C⁻¹ và bỏ qua nhiệt dung của cốc.

Dung dịch nhận năng lượng, nên phản ứng giải phóng nó. Sử dụng tổng khối lượng được gia nhiệt, nhưng tính theo lượng chất giới hạn. Đối với lượng axit và bazơ không bằng nhau, hãy tính cả hai trước khi tìm lượng nước tạo thành. Trong thí nghiệm đốt cháy, lượng nước bị đun nóng không phải là lượng nhiên liệu: hãy xác định lượng nhiên liệu từ sự giảm khối lượng của bình chứa và khối lượng mol của nhiên liệu.

Sử dụng nắp đậy, vật liệu cách nhiệt và khuấy đều, đồng thời đo nhiệt độ trước và sau khi trộn tại các khoảng thời gian đều đặn. Ngoại suy đường làm mát sau phản ứng về thời điểm trộn khi phương pháp yêu cầu hiệu chỉnh do mất nhiệt. Nhiệt tỏa ra môi trường hoặc hấp thụ bởi cốc làm kết quả exothermic chưa hiệu chỉnh kém âm hơn. Đốt cháy không hoàn toàn và bay hơi nhiên liệu cũng làm kết quả đốt cháy kém âm hơn. Các lần lặp lại giúp giảm biến thiên ngẫu nhiên; chúng không loại bỏ các sai số hệ thống này. Mức tăng nhiệt độ lớn làm giảm sai số phần trăm của nhiệt kế nhưng vẫn phải đảm bảo an toàn.

Chu trình Hess và enthalpy liên kết

Định luật Hess phát biểu rằng sự thay đổi enthalpy phụ thuộc vào trạng thái đầu và cuối, không phụ thuộc vào con đường thực hiện. Đảo ngược phương trình: đảo ngược dấu. Nhân hệ số của phương trình: nhân enthalpy. Cộng các phương trình và triệt tiêu các chất (bao gồm cả trạng thái), sau đó cộng các giá trị enthalpy.

Đối với $\mathrm{C(s)+\frac12O_2(g)\rightarrow CO(g)}$, sử dụng $\mathrm{C+O_2\rightarrow CO_2}$, $\Delta H=-394$ kJ mol⁻¹, và phương trình $\mathrm{CO+\frac12O_2\rightarrow CO_2}$ đảo ngược, trong đó chiều thuận có $\Delta H=-283$ kJ mol⁻¹. Mục tiêu là tổng, nên $\Delta H=-394-(-283)=-111$ kJ mol⁻¹. Một chu trình sử dụng dữ liệu tạo thành cho kết quả $\sum\Delta H_f(\text{products})-\sum\Delta H_f(\text{reactants})$, bao gồm cả hệ số. Một chu trình đốt cháy bằng tổng enthalpy đốt cháy của chất phản ứng trừ đi tổng enthalpy đốt cháy của sản phẩm.

Thực hành cốt lõi 2 so sánh các lộ trình hòa tan/phản ứng dẫn đến cùng một dung dịch cuối. Match lượng chất và trạng thái cuối, xem xét mỗi mức thay đổi nhiệt độ đo được, và kiểm tra xem sai số thực nghiệm có giải thích được sự bất đồng hay không. Một chu trình có nồng độ cuối không match chính xác không phải là cùng một lộ trình nhiệt động lực học.

Enthalpy liên kết trung bình là năng lượng trung bình cần thiết để phá vỡ một mol liên kết cộng hóa trị cụ thể trong phân tử khí. Quá trình phá vỡ liên kết tốn năng lượng; quá trình tạo liên kết giải phóng năng lượng.

Đối với $\mathrm{H_2(g)+Cl_2(g)\rightarrow2HCl(g)}$, đặt H–H = 436, Cl–Cl = 243 và H–Cl = 431 kJ mol⁻¹. Khi đó $\Delta H\approx436+243-2(431)=-183$ kJ mol⁻¹. Ngược lại, nếu $\Delta H=-184$ kJ mol⁻¹, thì $E(\mathrm{H-Cl})=[436+243-(-184)]/2=431.5$ kJ mol⁻¹. Giá trị trung bình là trung bình của các môi trường phân tử khác nhau và giả định liên kết pha khí, nên ước tính có thể khác với enthalpy phản ứng đo được. Liên kết yếu có thể dễ bị phá vỡ hơn, nhưng tốc độ phản ứng cũng phụ thuộc vào toàn bộ đường dẫn năng lượng hoạt hóa; $\Delta H$ đơn lẻ không dự đoán được tốc độ.

Tất cả các nguyên tử và phân tử đều có lực London, gây ra bởi dipole tức thời cảm ứng dipole trong các hạt lân cận. Nhiều electron hơn và đám mây electron phân cực hơn thường làm tăng cường các lực này. Lực hút dipole–dipole vĩnh viễn cũng xảy ra giữa các phân tử phân cực. Liên kết hydro là lực hút giữa H liên kết với N, O hoặc F và cặp electron tự do trên N, O hoặc F của phân tử khác. Liên kết cộng hóa trị O–H bên trong ethanol bản thân nó không phải là liên kết hydro.

Nước, amoniac và hiđro fluorua tạo liên kết hydro. Ethanol cũng có nhóm cho O–H và cặp electron tự do của oxy. Eter có cặp electron tự do của oxy và có thể nhận liên kết hydro từ nước, nhưng không thể tạo liên kết hydro với phân tử ether khác thông qua nhóm cho O–H. Hãy sử dụng cấu trúc thực tế chứ không chỉ tìm thấy oxy trong công thức.

Giải thích điểm sôi dựa trên lực hút giữa các phân tử, không phải do phá vỡ mọi liên kết cộng hóa trị. Chuỗi ankan dài hơn thường có nhiều electron hơn và lực London mạnh hơn, nên nhiệt độ sôi tăng. Đối với ankan đồng phân, nhánh làm cho phân tử gọn gàng hơn và giảm tiếp xúc hiệu quả, nên nhiệt độ sôi thường giảm. Alcohol có nhiệt độ sôi cao hơn ankan có kích thước tương đương vì liên kết hydro bổ sung đòi hỏi nhiều năng lượng hơn để vượt qua. Từ HCl đến HBr đến HI, đám mây electron lớn hơn làm tăng lực London; HF cao bất thường vì có liên kết hydro.

Nước có nhiệt độ nóng chảy và sôi cao bất thường so với kích thước phân tử. Băng chứa cấu trúc liên kết hydro mở. Khi nóng chảy, một phần cấu trúc này sụp đổ, đưa các phân tử lại gần nhau; nước lỏng có mật độ lớn hơn băng gần điểm nóng chảy. Sai lầm khi giải thích băng nổi bằng việc nói rằng các phân tử của nó trở nên lớn hơn.

Độ tan phụ thuộc vào sự cân bằng giữa các lực hút bị phá vỡ và các lực hút được hình thành. Nước hydrat hóa ion: nguyên tử oxy mang điện âm một phần hướng về phía cation, trong khi nguyên tử hydro mang điện dương một phần hướng về phía anion. Các alcohol có kích thước nhỏ hòa tan tốt với nước nhờ liên kết hydro từ nhóm O–H; tuy nhiên, chuỗi carbon không phân cực ngày càng dài sẽ làm giảm lợi thế này. Nhiều halogenoalkane có liên kết C–X phân cực nhưng lại ít tan trong nước vì chúng không thể thay thế hiệu quả mạng lưới liên kết hydro giữa các phân tử nước. Một dung môi không chứa nước có lực tương tác phân tử tương tự có thể phù hợp hơn. Nguyên tắc “chất phân cực tan chất phân cực” là điểm so sánh hữu ích ban đầu, nhưng không phải là quy luật phổ quát.

Số oxi hóa là giá trị kế toán, viết kèm dấu; tổng các số này bằng điện tích của loài. Các nguyên tố có số oxi hóa bằng không. Nhóm 1 thường là +1 và Nhóm 2 là +2. Oxy thường là −2, nhưng là −1 trong peroxit; hydro thường là +1, nhưng là −1 trong hydrua kim loại. Sử dụng quy tắc tổng khi một quy tắc quen thuộc có ngoại lệ. Ví dụ, trong $\mathrm{Cr_2O_7^{2-}}$, $2x+7(-2)=-2$, nên crôm có số oxi hóa là +6. Sắt(III) oxide là $\mathrm{Fe_2O_3}$ vì hai ion +3 và ba ion −2 cộng lại bằng không.

Oxi hóa là sự mất electron và tăng số oxi hóa. Khử là sự nhận electron và giảm số oxi hóa. Chất oxi hóa nhận electron và bị khử; chất khử nhường electron và bị oxi hóa. Để kết hợp phương trình bán phản ứng, nhân chúng sao cho số electron nhường bằng số electron nhận, sau đó triệt tiêu electron. Ví dụ, $\mathrm{Mg\rightarrow Mg^{2+}+2e^-}$ và $\mathrm{Cl_2+2e^-\rightarrow2Cl^-}$ cho $\mathrm{Mg+Cl_2\rightarrow Mg^{2+}+2Cl^-}$. Kiểm tra cả nguyên tử và điện tích.

Dọc theo Nhóm 1 và 2, bán kính tăng và hiệu ứng che chắn làm giảm lực hút lên electron lớp ngoài cùng dù điện tích hạt nhân tăng. Năng lượng ion hóa thứ nhất giảm xuống và phản ứng thông qua việc nhường electron trở nên dễ dàng hơn. Kim loại Nhóm 1 (Li đến K) và kim loại Nhóm 2 (Mg đến Ba) do đó trở nên phản ứng mạnh hơn dọc theo nhóm của chúng.

Tính tan của hydroxide Nhóm 2 tăng dần dọc theo nhóm; tính tan của sunfat giảm. Do đó, BaSO₄ là một kết tủa không tan hữu ích, trong khi Ba(OH)₂ tan tốt hơn Mg(OH)₂. Phân biệt rõ ràng giữa tính tan và độ mạnh: hydroxide Nhóm 2 đã tan giải phóng ion hydroxide, nhưng lượng tan ít sẽ hạn chế nồng độ.

Các cation nhỏ có mật độ điện tích cao làm biến dạng mạnh các anion lớn. Lithium và các cation nhỏ hơn của Nhóm 2 do đó khiến cacbonat và nitrat của chúng kém bền nhiệt hơn. Độ bền tăng dần dọc theo mỗi nhóm khi kích thước cation tăng lên. Hầu hết cacbonat Nhóm 1 chịu được nhiệt độ phòng thí nghiệm thông thường; Li₂CO₃ phân hủy thành Li₂O + CO₂. Cacbonat Nhóm 2 tạo MO + CO₂. Nitrat Nhóm 1 trừ lithium tạo nitrit + oxy, $2\mathrm{MNO_3}\rightarrow2\mathrm{MNO_2}+\mathrm{O_2}$. Nitrat Lithium và Nhóm 2 tạo oxide, khí NO₂ màu nâu và oxy; ví dụ $2\mathrm{Mg(NO_3)_2}\rightarrow2\mathrm{MgO}+4\mathrm{NO_2}+\mathrm{O_2}$. So sánh các lượng mol bằng nhau dưới điều kiện gia nhiệt kiểm soát; đừng nhầm lẫn tốc độ sinh khí nhanh hơn với nhiệt độ phân hủy đo trực tiếp. NO₂ độc hại và có tính axit; hãy sử dụng hệ thống thông gió đạt chuẩn. CO₂ làm nước vôi trong đục ngầu; oxy làm que đốm sáng lại.

Đối với so sánh nhiệt kiểm soát, hãy sử dụng lượng mol đo lường tương đương, kích thước hạt và thiết bị có cùng tốc độ gia nhiệt. Ghi lại nhiệt độ mẫu tại thời điểm bắt đầu hoặc mức độ phân hủy có thể phát hiện được mà tất cả đều đồng thuận. Thời gian sục khí chỉ phụ thuộc vào việc gia nhiệt và thu gom khí, nên không đo trực tiếp độ bền nhiệt. Ghi chú thiết bị và ngưỡng phát hiện; quá trình phân hủy không nhất thiết xảy ra ở một nhiệt độ sắc nét duy nhất trên toàn cầu.

Màu sắc ngọn lửa phát sinh khi electron kích thích rơi xuống các mức năng lượng thấp hơn và phát ra photon có năng lượng đặc trưng. Li màu đỏ thẫm, Na màu vàng, K màu tím nhạt, Ca màu đỏ gạch, Sr màu đỏ thẫm và Ba màu xanh táo; Mg không có màu test ngọn lửa đặc trưng. Làm sạch dây bằng acid hydrochloric và nung nóng cho đến khi không còn màu theo phương pháp được phê duyệt. Sử dụng các mẫu riêng biệt và giữ vùng ngọn lửa và phương pháp nạp mẫu nhất quán; tránh nhiễm natri. Magie cháy trắng không phải là màu ngọn lửa chẩn đoán của ion magie.

Sử dụng các phần mẫu riêng biệt để thuốc thử của thử nghiệm này không làm ô nhiễm thử nghiệm tiếp theo.

AgCl màu trắng và tan trong amoniac loãng. AgBr màu kem, không tan trong amoniac loãng nhưng tan trong amoniac đặc. AgI màu vàng và không tan trong cả hai. Các thử nghiệm này xác định ion halogen đã có sẵn trong dung dịch; một nguyên tử halogen liên kết cộng hóa trị trong halogenoalkane trước tiên cần trải qua phản ứng thủy phân.

Dung dịch chuẩn là dung dịch có nồng độ chính xác được biết. Đối với thực hành cốt lõi 4, cân chính xác một lượng axit rắn thích hợp, hòa tan trong nước khử ion, chuyển định lượng vào bình định mức, rửa dụng cụ/phễu vào bình, thêm dung dịch đến vạch chia ở tầm mắt và trộn đều bằng cách lật ngược nhiều lần. Chọn nồng độ dựa trên khối lượng, khối lượng mol và thể tích bình. Không thêm đến vạch chia trước khi chất rắn đã tan hoàn toàn và đạt nhiệt độ phòng.

Đối với các thực hành cốt lõi 3 và 4, rửa buret bằng dung dịch chuẩn định và pipet bằng dung dịch nó sẽ chuyển; rửa bình tam giác bằng nước khử ion. Tháo phễu đổ, đảm bảo đầu buret đầy dung dịch, đọc mặt cong ở tầm mắt và ghi lại số đọc cuối trừ số đọc ban đầu. Lắc đều và nhỏ từng giọt gần điểm dừng trên nền gạch trắng. Sử dụng thể tích sơ bộ để xác định điểm dừng, sau đó thu được các thể tích chính xác đồng nhất. Không lấy trung bình thể tích sơ bộ với các thể tích chính xác. Methyl orange màu vàng trong môi trường bazơ và màu đỏ trong môi trường axit; phenolphthalein màu hồng trong môi trường bazơ và không màu trong môi trường axit. Chọn chỉ thị có sự thay đổi màu nằm trong vùng điểm dừng sắc nét.

Tỷ lệ lượng chất trước khi tính nồng độ

25.00 cm³ dung dịch 0.0500 mol dm⁻³ Na₂CO₃ cần 24.60 cm³ HCl. Phương trình là $\mathrm{Na_2CO_3+2HCl\rightarrow2NaCl+CO_2+H_2O}$.

Nồng độ khối lượng là $cM$ g dm⁻³. Nếu mỗi số đọc buret có sai số ±0.05 cm³, thì sai số tối đa của một thể tích titration là ±0.10 cm³; ở đây là $100(0.10/24.60)=0.41\%$. Cộng các sai số phần trăm liên quan cho tích/thương như một ước tính tối đa. Thể tích titration phù hợp lớn hơn giúp giảm sai số đọc tương đối. Lặp lại điểm dừng không khắc phục được dung dịch chuẩn bị sai.

Chlorine là khí màu xanh nhạt, bromine là chất lỏng màu nâu đỏ và iodine là chất rắn màu xám đen ở nhiệt độ phòng; hơi iodine có màu tím. Dọc theo Cl₂, Br₂, I₂, đám mây electron lớn hơn làm tăng lực London, nâng cao nhiệt độ nóng chảy và sôi. Điện âm giảm dần do bán kính tăng và hiệu ứng chắn làm yếu đi lực hút đối với cặp electron liên kết chung. Tính oxy hóa cũng giảm: lực hút đối với electron mới đi vào trở nên yếu hơn. Phân biệt định nghĩa cặp liên kết với việc nhận electron trong phản ứng oxi hóa - khử; lập luận về nhận electron cũng khác với việc mất electron của Nhóm 1.

Chlorine đẩy bromide và iodide; bromine đẩy iodide; iodine không đẩy bất kỳ chất nào. Ví dụ, $\mathrm{Cl_2+2Br^-\rightarrow2Cl^-+Br_2}$. Bromide mất electron và là chất khử. Trong nước, chlorine màu xanh nhạt, bromine màu cam/nâu và iodine màu nâu; trong dung môi hữu cơ không phân cực trơ được nêu, chlorine màu vàng xanh nhạt, bromine màu cam và iodine màu tím. Nêu tên dung môi khi sử dụng màu sắc làm bằng chứng. Dự đoán fluorine là chất oxy hóa mạnh hơn và astatine là chất oxy hóa yếu hơn từ xu hướng này; không tự ý tạo ra thử nghiệm an toàn trong phòng thí nghiệm cho cả hai.

Trong phản ứng tự oxi hóa - khử, cùng một nguyên tố trong một loài vừa bị oxi hóa vừa bị khử. Chlorine tác dụng với nước tạo $\mathrm{Cl_2+H_2O\rightleftharpoons HCl+HClO}$: Cl đi từ 0 xuống −1 và lên +1. Nước clo khử trùng vì các chất oxy hóa chứa clo tiêu diệt vi sinh vật. Cân bằng lợi ích với độc tính và sản phẩm phụ gây hại thay vì tuyên bố rằng nó hoàn toàn an toàn.

Bazơ loãng lạnh tạo ra $\mathrm{Cl_2+2OH^-\rightarrow Cl^-+ClO^-+H_2O}$, là cơ sở của thuốc tẩy hypochlorite. Bazơ nóng đặc tạo ra $3\mathrm{Cl_2}+6\mathrm{OH^-}\rightarrow5\mathrm{Cl^-}+\mathrm{ClO_3^-}+3\mathrm{H_2O}$; chlorine trở thành −1 và +5. Phương trình tương tự của bromine và iodine tuân theo cùng nguyên tắc bảo toàn nguyên tử/điện tích dưới các điều kiện đã quy định.

Với H₂SO₄ đặc, muối halogenide rắn trải qua phản ứng acid–base để giải phóng HCl; ion clorua không phải là chất khử đủ mạnh để khử acid trong điều kiện này. Ion bromua trước tiên tạo HBr, có thể khử lưu huỳnh từ +6 xuống +4 trong SO₂ đồng thời tạo Br₂: $2\mathrm{HBr}+\mathrm{H_2SO_4}\rightarrow\mathrm{Br_2}+\mathrm{SO_2}+2\mathrm{H_2O}$. Ion iodua là chất khử mạnh hơn và có thể tạo lưu huỳnh và H₂S cùng với SO₂, đồng thời tạo iodine. Các con đường tạo lưu huỳnh bao gồm $2\mathrm{HI}+\mathrm{H_2SO_4}\rightarrow\mathrm{I_2}+\mathrm{SO_2}+2\mathrm{H_2O}$ và $6\mathrm{HI}+\mathrm{H_2SO_4}\rightarrow3\mathrm{I_2}+\mathrm{S}+4\mathrm{H_2O}$. Đối với H₂S: $8\mathrm{HI}+\mathrm{H_2SO_4}\rightarrow4\mathrm{I_2}+\mathrm{H_2S}+4\mathrm{H_2O}$. Đây là các thí nghiệm hướng dẫn nguy hiểm, không phải chỉ dẫn tự thực hiện sinh khí. Hydrogen halogen tan trong nước tạo acid và phản ứng với amoniac tạo muối amoni halogen: $\mathrm{HX+NH_3\rightarrow NH_4X}$.

Phản ứng cần va chạm có đủ năng lượng để vượt qua năng lượng hoạt hóa và định hướng phù hợp. Nồng độ cao hơn, áp suất khí hoặc diện tích bề mặt chất rắn tiếp xúc lớn hơn làm tăng tần suất va chạm. Nhiệt độ cao hơn làm tăng tần suất va chạm và, quan trọng hơn, tỷ lệ va chạm có năng lượng ít nhất $E_a$.

Trên đồ thị phân phối năng lượng Maxwell–Boltzmann, việc tăng nhiệt độ làm đỉnh thấp hơn và dịch chuyển về phía năng lượng cao hơn; diện tích vẫn giữ nguyên cho cùng số lượng phân tử. Diện tích năng lượng cao beyond $E_a$ tăng lên. Xúc tác cung cấp một con đường khác với năng lượng hoạt hóa thấp hơn. Ở cùng nhiệt độ, nó không làm thay đổi phân phối, nhưng di chuyển ngưỡng năng lượng sang trái để nhiều va chạm hơn có thể phản ứng. Đồ thị phản ứng có xúc tác có thể có hai đỉnh ngăn cách bởi một chất trung gian; mức năng lượng của chất tham gia/sản phẩm hay $\Delta H$ không thay đổi.

Đối với điểm cuối quan sát được cố định, $1/t$ là thước đo tốc độ tương đối tính theo s⁻¹, miễn là mỗi lần thử đạt cùng mức độ phản ứng. Nó không tự động là tốc độ tính theo mol dm⁻³ s⁻¹. Trên đồ thị thể tích khí–thời gian, tốc độ trung bình là $\Delta V/\Delta t$; tốc độ tức thời là hệ số góc tiếp tuyến. Nếu tiếp tuyến đi qua (10 s, 12 cm³) và (50 s, 36 cm³), hệ số góc của nó là $(36-12)/(50-10)=0.60$ cm³ s⁻¹. Sử dụng các điểm trên tiếp tuyến, không phải hai điểm gần nhau trên đường cong. Phản ứng nhanh hơn chưa chắc tạo nhiều sản phẩm cuối cùng hơn nếu lượng chất giới hạn không đổi.

Cân bằng động yêu cầu hệ kín. Phản ứng thuận và nghịch diễn ra với tốc độ bằng nhau; nồng độ giữ nguyên nhưng không nhất thiết bằng nhau. Tăng nồng độ chất tham gia sẽ dịch chuyển cân bằng theo chiều tiêu thụ chất đó. Tăng áp suất ưu tiên phía có ít mol khí hơn; nếu hệ số khí bằng nhau thì không có sự thay đổi thành phần. Tăng nhiệt độ ưu tiên chiều thu nhiệt. Chất xúc tác tăng tốc cả hai chiều và đạt cân bằng sớm hơn.

Đối với $\mathrm{N_2(g)+3H_2(g)\rightleftharpoons2NH_3(g)}$, với phản ứng thuận tỏa nhiệt, áp suất cao và nhiệt độ thấp ưu tiên năng suất amoniac. Nhiệt độ thấp làm chậm phản ứng; áp suất quá cao làm tăng chi phí năng lượng, thiết bị và an toàn. Điều kiện công nghiệp cân bằng giữa tốc độ, năng suất, tách/chuyển lại và chi phí. Chất xúc tác cho phép đạt tốc độ phù hợp ở nhiệt độ thấp hơn; bản thân nó không tăng năng suất cân bằng. Chất xúc tác chọn lọc hơn cũng có thể cải thiện kinh tế nguyên tử bằng cách giảm các con đường không mong muốn, nhưng đây là một tuyên bố khác với việc dịch chuyển cân bằng.

Một tác nhân nucleophile cho một cặp electron để tạo liên kết cộng hóa trị. Liên kết C–X phân cực có carbon mang điện tích dương một phần. Mũi tên cong bắt đầu từ cặp electron tự do hoặc liên kết, không bắt đầu từ điện tích dương. Sự cleavage dị ly cung cấp cả hai electron liên kết cho một nguyên tử, tạo ra ion. Cơ chế thể hiện sự di chuyển của electron, không chỉ phương trình tổng quát.

Phân loại halogenohiđrocacbon dựa trên số nhóm carbon gắn vào carbon mang X: một nhóm chính (primary), hai nhóm thứ cấp (secondary), ba nhóm bậc ba (tertiary). Đây không phải là số vị trí trong tên gọi. 1-bromobutan là chính; 2-bromobutan là thứ cấp; 2-bromo-2-methylpropane là bậc ba.

Đối với bromoethane sơ cấp và OH⁻, vẽ một mũi tên từ cặp electron tự do của oxy đến carbon mang Br và một mũi tên khác từ liên kết C–Br đến Br. Sản phẩm là ethanol và Br⁻. Đối với amoniac, cuộc tấn công cặp electron tương tự tạo CH₃CH₂NH₃⁺ và Br⁻; một phân tử amoniac thứ hai rút H⁺ để tạo CH₃CH₂NH₂ và NH₄⁺. Bao gồm bước chuyển proton này và các điện tích. Động học chi tiết S_N1/S_N2 là nội dung Unit 4.

Vẽ hoàn chỉnh phản ứng thế chính

Ví dụ gốc sau sử dụng bromopropan-1, vì vậy đếm ba carbon throughout. Cơ chế hiđroxide tạo propan-1-ol; con đường amoniac tạo propan-1-amin sau trao đổi proton. Chỉ vẽ các cặp electron tự do cho. Giai đoạn đầu của amoniac tạo nitơ mang điện tích dương với bốn liên kết; giai đoạn thứ hai khôi phục ba liên kết và một cặp electron tự do. Bromide vẫn còn hiện diện trong khi amoniac thứ hai trở thành ion amoni.

Trong thực hành cốt lõi 5, so sánh nồng độ/thể tích bằng nhau của halogenohiđrocacbon với hỗn hợp bạc nitrat/ethanol giống nhau ở nhiệt độ kiểm soát. Đo thời gian tạo kết tủa tương đương. Iodoalkane thủy phân nhanh hơn bromoalkane, mà nhanh hơn chloroalkane, vì C–I yếu hơn C–Br và C–Cl. C–F mạnh nhất và khó bị phá vỡ nhất. Đừng chỉ dùng độ phân cực C–X để dự đoán thứ tự này. Trong so sánh thủy phân aqueous/ethanolic quy định, halogenohiđrocacbon bậc ba thường phản ứng nhanh hơn bậc hai, rồi mới đến bậc chính. Dung môi, nồng độ và điều kiện phát hiện phải được chuẩn hóa; sự xuất hiện kết tủa là thước đo tốc độ gián tiếp.

Thực hành cốt lõi 6 chuyển đổi 2-methylpropan-2-ol thành 2-chloro-2-methylpropane bằng HCl đặc. Giải thích sự thế OH bằng Cl, tách lớp hữu cơ/tinh thể, loại bỏ tạp chất axit, sấy khô và tinh chế. Phễu tách phải được thông hơi như quy định bởi phương pháp được phê duyệt; xác định các lớp dựa trên mật độ/chứng cứ, không phải giả định rằng tất cả các chất lỏng hữu cơ đều nổi lên trên. Không sử dụng ngọn lửa trần gần các hợp chất hữu cơ dễ cháy.

Phân loại alcohol theo carbon gắn OH, không phải đếm tất cả nhóm OH. Propan-1-ol sơ cấp bị oxi hóa bằng kali đichromat(VI) trong dung dịch H₂SO₄ loãng. Chưng cất aldehyde ngay khi tạo thành để hạn chế oxi hóa tiếp: $\mathrm{CH_3CH_2CH_2OH+[O]\rightarrow CH_3CH_2CHO+H_2O}$. Đun回流 với lượng chất oxi hóa dư để tạo acid: $\mathrm{CH_3CH_2CH_2OH+2[O]\rightarrow CH_3CH_2COOH+H_2O}$. Propan-2-ol thứ cấp tạo propanone: $\mathrm{CH_3CH(OH)CH_3+[O]\rightarrow CH_3COCH_3+H_2O}$. Alcohol bậc ba kháng oxi hóa trong điều kiện này vì carbon mang OH không có H. Kali đichromat màu cam chuyển sang màu xanh lá cây khi bị khử.

Aldehyde tạo kết tủa đỏ gạch với dung dịch Fehling hoặc Benedict nóng; ketone thông thường không phản ứng. Axit cacboxylic phản ứng với carbonate/bicarbonat giải phóng CO₂. Những phản ứng này giúp phân biệt sản phẩm của thí nghiệm cốt lõi 7; không dùng riêng màu sắc dichromat để xác định chất chưa biết.

Đốt cháy alcohol tạo ra CO₂ và H₂O khi có đủ oxy. PCl₅ chuyển alcohol thành chloroalkane, sinh ra POCl₃ và khói HCl: $\mathrm{ROH+PCl_5\rightarrow RCl+POCl_3+HCl}$. Khói HCl hỗ trợ thử nghiệm nhóm OH nhưng không phải là bằng chứng duy nhất của alcohol. KBr với 50% axit sulfuric đặc cung cấp HBr để chuyển sang bromoalkane; photpho đỏ và iot cung cấp thuốc thử cho iodoalkane. Đun nóng với axit phosphoric đặc để loại nước tạo thành anken. Phân biệt phản ứng mất nước với oxy hóa và thế; ghi rõ điều kiện trên mũi tên.

Đun回流 làm nóng hỗn hợp trong khi máy ngưng tụ hoàn trả hơi; chưng cất thu gom hơi sau khi ngưng tụ và tách chúng theo độ bay hơi. Nước đi vào máy ngưng tụ từ dưới và thoát ra từ trên. Chiết tách dung môi phân chia sản phẩm giữa hai lớp không hòa tan. Sử dụng tác nhân hút ẩm thích hợp để loại bỏ nước còn sót lại, sau đó lọc/trích ly trước khi chưng cất cuối cùng. Dải sôi hẹp gần giá trị tham chiếu hỗ trợ tính tinh khiết nhưng không phải là bằng chứng xác định duy nhất; áp suất và vị trí nhiệt kế ảnh hưởng đến phép đo.

Peak ion phân tử trong phổ khối cho thấy khối lượng phân tử đối với ion mang một điện tích. Nó không nhất thiết là peak cao nhất. Các ion mảnh giúp gợi ý cấu trúc: mất CH₃ tương ứng với 15 đơn vị khối lượng, nhưng một fragment đơn lẻ hiếm khi chứng minh chính xác một đồng phân. Phân biệt peak đồng vị với fragment. Trong phổ IR, so sánh vị trí hấp thụ với dữ liệu được cung cấp: C=O, O–H, N–H, C=C, C–H và C–X có thể xác định các nhóm chức khả dĩ. O–H của alcohol rộng; O–H của axit rất rộng và xuất hiện cùng C=O. Cả aldehyde và ketone đều có C=O, nên cần kết hợp IR với công thức, phổ khối và thử nghiệm hóa học. Sự vắng mặt của vùng hấp thụ mạnh dự kiến có thể bác bỏ giả thuyết, tùy thuộc vào chất lượng phổ. Thí nghiệm cốt lõi 8 kết hợp các thử nghiệm ion và thử nghiệm hữu cơ sử dụng các phần mẫu riêng biệt sạch sẽ và chuỗi bằng chứng được ghi chép.

Try trước khi đọc phần hướng dẫn. Các bài kiểm tra gốc này không phải là đề thi chính thức.

1. Dung dịch nóng lên nhưng một học sinh báo cáo enthalpy mol dương. Giải thích lỗi dấu và hai đại lượng khác nhau cần thiết ngoài sự thay đổi nhiệt độ.
2. Hai ankan đồng phân có cùng số electron. Giải thích tại sao nhiệt độ sôi của chúng có thể khác nhau mà không cần nhắc đến liên kết hydro.
3. Một muối chưa biết tạo kết tủa trắng với BaCl₂ sau khi acid hóa và tạo khí làm giấy quỳ tím hóa xanh với NaOH nóng. Xác định cả hai ion và viết hai phương trình ion rút gọn.
4. Tăng nhiệt độ làm tăng tốc độ nhưng giảm năng suất cân bằng của sản phẩm. Điều này ngụ ý gì về enthalpy thuận, và tại sao xúc tác không trực tiếp giải quyết vấn đề thay đổi năng suất?
5. Một bromide nguyên cấp tạo ra nitrile ba carbon. Xác định bromide, thuốc thử/điều kiện, và sản phẩm của phản ứng thế tiếp theo sử dụng KOH aqueous trên bromide ban đầu.
6. Một hợp chất chưa biết C₃H₆O có vùng hấp thụ C=O và khử dung dịch Fehling. Hãy đưa ra cấu trúc của nó và giải thích một đồng phân đã bị bác bỏ.

Hướng dẫn: (1) Năng lượng thu được bởi dung dịch là năng lượng thất thoát bởi phản ứng; cần khối lượng/dung tích đã gia nhiệt, nhiệt dung riêng và lượng chất phản ứng giới hạn. (2) Nhánh nhánh thay đổi diện tích tiếp xúc và lực London. (3) Sulfate và amoni; Ba²⁺ + SO₄²⁻ → BaSO₄, NH₄⁺ + OH⁻ → NH₃ + H₂O. (4) Phản ứng thuận tỏa nhiệt; xúc tác chỉ thay đổi tốc độ, không thay đổi thành phần cân bằng ở nhiệt độ cố định. (5) Bromoethane; KCN alcoholic với nhiệt độ tạo CH₃CH₂CN; KOH aqueous tạo ethanol. (6) Propanal, CH₃CH₂CHO; propanone có cùng công thức và nhóm carbonyl nhưng không khử dung dịch Fehling theo điều kiện thử nghiệm nêu trên.