Bạn có biết cơ thể mình được xây dựng từ những viên gạch nhỏ xíu gọi là amino acid không? Có 20 loại amino acid tạo nên mọi protein trong cơ thể, từ cơ bắp, tóc, móng tay cho tới các enzim tiêu hóa thức ăn. Mỗi amino acid đều có chung một "bộ khung" gồm một nhóm amino NH₂ và một nhóm cacboxyl COOH gắn vào cùng một nguyên tử cacbon. Và khi đốt cháy một amino acid, nó cũng tuân theo những quy luật rất rõ ràng: cacbon thành CO₂, hiđro thành H₂O, nitơ thoát ra thành khí N₂. Bài này sẽ giúp bạn nắm chắc cách tính toán cho phản ứng đốt cháy amino acid no, mạch hở, chứa một nhóm NH₂ và một nhóm COOH — dạng bài tập rất quen thuộc trong đề thi Hóa học lớp 12.
Amino acid no, mạch hở, chứa một nhóm amino và một nhóm cacboxyl có công thức tổng quát là CnH₂n₊₁NO₂, trong đó n là số nguyên tử cacbon. Hai amino acid quen thuộc nhất là glycine C₂H₅NO₂ với n = 2, amino acid đơn giản nhất, và alanine C₃H₇NO₂ với n = 3. Bạn hãy để ý công thức tổng quát này rất giống với công thức của amin no đơn chức CnH₂n₊₃N, chỉ khác là amino acid có thêm hai nguyên tử oxi của nhóm COOH và bớt đi hai nguyên tử hiđro. Chính sự giống nhau đó làm cho cách tính toán khi đốt cháy amino acid cũng gần giống với đốt cháy amin, chỉ khác ở hệ số oxi và hiệu số giữa số mol H₂O và CO₂.
Đốt cháy amino acid: phương trình và ba tỉ lệ cần nhớ
Phương trình đốt cháy tổng quát của amino acid no, mạch hở, chứa một nhóm NH₂ và một nhóm COOH viết như sau: CnH₂n₊₁NO₂ + (3n − 1,5)/2 O₂ → nCO₂ + (2n + 1)/2 H₂O + ½N₂. Bạn đừng hoảng sợ trước công thức có phân số này — trong bài tập thực tế, bạn chỉ cần nhớ ba tỉ lệ đơn giản rút ra từ nó. Thứ nhất, số mol CO₂ sinh ra bằng n nhân với số mol amino acid, tức là nCO₂ = n × n(amino acid), trong đó n là số nguyên tử cacbon trong phân tử. Thứ hai, số mol N₂ sinh ra luôn bằng một nửa số mol amino acid, tức là nN₂ = ½ × n(amino acid), bất kể amino acid có bao nhiêu nguyên tử cacbon. Thứ ba, số mol H₂O sinh ra trừ đi số mol CO₂ luôn bằng một nửa số mol amino acid, tức là nH₂O − nCO₂ = 0,5 × n(amino acid).
Bạn hãy kiểm chứng ba tỉ lệ này với glycine C₂H₅NO₂, amino acid đơn giản nhất với n = 2. Phương trình đốt cháy của nó là: C₂H₅NO₂ + 2,25O₂ → 2CO₂ + 2,5H₂O + 0,5N₂. Bạn kiểm tra sự cân bằng: bên trái có 2 cacbon, 5 hiđro, 1 nitơ và 2 + 4,5 = 6,5 oxi; bên phải có 2 phân tử CO₂ chứa 2 cacbon và 4 oxi, 2,5 phân tử H₂O chứa 5 hiđro và 2,5 oxi, cộng với 0,5 phân tử N₂ chứa 1 nitơ — tổng cộng cũng là 2 cacbon, 5 hiđro, 1 nitơ và 6,5 oxi. Phương trình đã cân bằng. Số mol CO₂ bằng 2 lần số mol glycine, số mol N₂ bằng một nửa số mol glycine, và hiệu số nH₂O − nCO₂ = 2,5 − 2 = 0,5, đúng bằng một nửa số mol glycine.
Với alanine C₃H₇NO₂, n = 3, phương trình là: C₃H₇NO₂ + 3,75O₂ → 3CO₂ + 3,5H₂O + 0,5N₂. Bạn kiểm tra: bên trái có 3 cacbon, 7 hiđro, 1 nitơ và 2 + 7,5 = 9,5 oxi; bên phải có 3 phân tử CO₂ chứa 3 cacbon và 6 oxi, 3,5 phân tử H₂O chứa 7 hiđro và 3,5 oxi, cộng với 0,5 phân tử N₂ — tổng cộng 3 cacbon, 7 hiđro, 1 nitơ và 9,5 oxi, cân bằng đúng. Số mol CO₂ bằng 3 lần số mol alanine, số mol N₂ vẫn bằng một nửa số mol alanine, và hiệu số nH₂O − nCO₂ = 3,5 − 3 = 0,5, vẫn đúng bằng một nửa số mol alanine. Bạn thấy tỉ lệ N₂ và hiệu số H₂O − CO₂ không phụ thuộc vào n, còn số mol CO₂ thì phụ thuộc vào n — đó chính là chìa khóa để xác định công thức phân tử của amino acid từ số liệu đốt cháy.
Khi đề bài hỏi thể tích khí, bạn dùng thể tích mol của chất khí ở điều kiện chuẩn: V = n × 24,79 lít. Bạn hãy nhớ chương trình hiện hành dùng điều kiện chuẩn là 25 độ C và áp suất 1 bar, thể tích mol bằng 24,79 lít trên mol, không phải 22,4 lít như điều kiện tiêu chuẩn cũ. Khi đề bài cho khối lượng amino acid, bạn đổi ra số mol bằng cách chia cho khối lượng mol: glycine C₂H₅NO₂ có M = 75, alanine C₃H₇NO₂ có M = 89 gam trên mol. Bạn tính khối lượng mol bằng cách cộng: glycine có 2 cacbon (24), 5 hiđro (5), 1 nitơ (14) và 2 oxi (32), tổng là 75; alanine có 3 cacbon (36), 7 hiđro (7), 1 nitơ (14) và 2 oxi (32), tổng là 89.
Bốn bài toán mẫu tính từng bước
Ví dụ 1 (dùng đúng số liệu mẫu): Đốt cháy hoàn toàn 7,5 gam glycine C₂H₅NO₂. Tính thể tích khí CO₂ thu được ở điều kiện chuẩn.
Trước hết bạn đổi khối lượng glycine ra số mol: n(glycine) = 7,5 / 75 = 0,1 mol. Với glycine, n = 2 nên số mol CO₂ bằng 2 × 0,1 = 0,2 mol. Thể tích CO₂ ở điều kiện chuẩn bằng V = 0,2 × 24,79 = 4,958 lít. Vậy đốt cháy 7,5 gam glycine thu được 4,958 lít khí CO₂ ở điều kiện chuẩn. Bạn hãy kiểm tra thêm: số mol N₂ sinh ra bằng 0,5 × 0,1 = 0,05 mol, số mol H₂O bằng 2,5 × 0,1 = 0,25 mol, và hiệu số nH₂O − nCO₂ = 0,25 − 0,2 = 0,05 mol, đúng bằng một nửa số mol glycine.
Ví dụ 2 (alanine): Đốt cháy hoàn toàn 8,9 gam alanine C₃H₇NO₂. Tính thể tích khí CO₂ thu được ở điều kiện chuẩn và số mol khí N₂ sinh ra.
Bạn đổi 8,9 gam alanine ra số mol: n(alanine) = 8,9 / 89 = 0,1 mol. Với alanine, n = 3 nên số mol CO₂ bằng 3 × 0,1 = 0,3 mol, thể tích bằng V = 0,3 × 24,79 = 7,437 lít. Số mol N₂ sinh ra bằng một nửa số mol alanine: nN₂ = 0,5 × 0,1 = 0,05 mol. Vậy đốt cháy 8,9 gam alanine thu được 7,437 lít khí CO₂ và 0,05 mol khí N₂. Bạn cũng có thể tính số mol oxi cần dùng: hệ số oxi là 3,75 nên nO₂ = 3,75 × 0,1 = 0,375 mol. Khi cần kiểm tra lại phép tính, bạn có thể nhờ máy tính Casio online trên ClassOn hỗ trợ.
Ví dụ 3 (tính ngược từ thể tích CO₂): Đốt cháy hoàn toàn một lượng glycine, thu được 9,916 lít khí CO₂ ở điều kiện chuẩn. Tính khối lượng glycine đã cháy.
Bạn tính số mol CO₂ trước: nCO₂ = 9,916 / 24,79 = 0,4 mol. Vì số mol glycine bằng một nửa số mol CO₂ (do n = 2), nên n(glycine) = 0,4 / 2 = 0,2 mol. Khối lượng glycine bằng m = 0,2 × 75 = 15 gam. Vậy đã đốt cháy 15 gam glycine. Dạng bài tính ngược này rất hay gặp: đề cho thể tích khí rồi hỏi khối lượng chất ban đầu, bạn chỉ cần đi ngược lại ba bước là đổi thể tích ra số mol, chia cho hệ số n rồi nhân với khối lượng mol.
Ví dụ 4 (tính thể tích N₂): Đốt cháy hoàn toàn 0,2 mol alanine C₃H₇NO₂. Tính thể tích khí N₂ thu được ở điều kiện chuẩn.
Số mol N₂ sinh ra bằng một nửa số mol alanine: nN₂ = 0,5 × 0,2 = 0,1 mol. Thể tích N₂ ở điều kiện chuẩn bằng V = 0,1 × 24,79 = 2,479 lít. Vậy đốt cháy 0,2 mol alanine thu được 2,479 lít khí N₂. Bạn hãy để ý: thể tích N₂ chỉ phụ thuộc vào số mol amino acid chứ không phụ thuộc vào số nguyên tử cacbon, nên dù đốt glycine hay alanine với cùng số mol thì thể tích N₂ thu được vẫn như nhau. Đây là điểm khác biệt quan trọng so với CO₂, mà thể tích phụ thuộc trực tiếp vào n.
Năm lỗi sai thường gặp — và cách tránh
Lỗi 1: Cho rằng nitơ trong amino acid biến thành NO₂ khi đốt cháy.
Nhiều bạn nghĩ đốt cháy hợp chất chứa nitơ thì nitơ sẽ tạo thành oxit nitơ. Cách tránh: bạn hãy nhớ trong bài toán đốt cháy hoàn toàn amino acid ở chương trình lớp 12, nitơ luôn thoát ra dưới dạng khí N₂. Sản phẩm cháy của amino acid là CO₂, H₂O và N₂ — chỉ có ba chất này, không có NO₂ hay NO.
Lỗi 2: Tính số mol N₂ bằng số mol amino acid thay vì một nửa.
Nhiều bạn thấy mỗi phân tử amino acid có một nguyên tử nitơ thì cho rằng số mol N₂ bằng số mol amino acid. Cách tránh: bạn hãy nhớ phân tử N₂ chứa hai nguyên tử nitơ, nên hai phân tử amino acid mới tạo ra một phân tử N₂. Viết rõ dòng nN₂ = ½ × n(amino acid) ra giấy nháp trước khi thay số sẽ giúp bạn không quên chia đôi.
Lỗi 3: Dùng hiệu số nH₂O − nCO₂ = 1,5 × n như khi đốt amin.
Nhiều bạn học thuộc công thức hiệu số của amin rồi áp dụng luôn cho amino acid. Cách tránh: bạn hãy nhớ amino acid có thêm hai nguyên tử oxi của nhóm COOH nên hiệu số nhỏ hơn: nH₂O − nCO₂ = 0,5 × n(amino acid), chứ không phải 1,5 lần như amin. Kiểm tra với glycine: H₂O 2,5 trừ CO₂ 2 bằng 0,5, đúng bằng một nửa số mol glycine. Nếu muốn ôn lại đốt cháy amin, bạn hãy xem bài đốt cháy amin.
Lỗi 4: Tính sai khối lượng mol của glycine hoặc alanine.
Nhiều bạn tính M của glycine thành 73 hoặc 77 vì cộng nhẩm sai. Cách tránh: bạn tính từng phần rồi cộng lại — glycine: 2 cacbon là 24, 5 hiđro là 5, 1 nitơ là 14, 2 oxi là 32, tổng là 75; alanine: 3 cacbon là 36, 7 hiđro là 7, 1 nitơ là 14, 2 oxi là 32, tổng là 89. Viết bốn phép tính nhỏ này ra nháp chỉ tốn vài giây nhưng cứu được cả bài.
Lỗi 5: Dùng thể tích mol 22,4 lít thay vì 24,79 lít.
Nhiều bạn vẫn dùng con số 22,4 lít từ cấp hai cho mọi bài tập. Cách tránh: bạn hãy nhớ chương trình hiện hành dùng điều kiện chuẩn là 25 độ C, 1 bar, thể tích mol bằng 24,79 lít. Mỗi lần đọc đề, bạn gạch chân cụm "điều kiện chuẩn" và viết ngay 24,79 ra giấy nháp trước khi tính.
Năm bài tập tự luyện
Hãy làm 5 bài tập sau đây rồi đối chiếu với bảng đáp án bên dưới. Nhớ ba tỉ lệ: nCO₂ = n × n(amino acid), nN₂ = ½ × n(amino acid), nH₂O − nCO₂ = 0,5 × n(amino acid).
Câu 1: Đốt cháy hoàn toàn 7,5 gam glycine C₂H₅NO₂, thể tích khí CO₂ thu được ở điều kiện chuẩn bằng bao nhiêu?
A. 4,958 lít
B. 2,479 lít
C. 9,916 lít
D. 7,437 lít
Câu 2: Đốt cháy hoàn toàn 8,9 gam alanine C₃H₇NO₂, thể tích khí CO₂ thu được ở điều kiện chuẩn bằng bao nhiêu?
A. 4,958 lít
B. 7,437 lít
C. 9,916 lít
D. 2,479 lít
Câu 3: Đốt cháy hoàn toàn 0,1 mol glycine C₂H₅NO₂ cần dùng bao nhiêu mol khí oxi?
A. 0,45 mol
B. 2,25 mol
C. 0,225 mol
D. 0,375 mol
Câu 4: Đốt cháy hoàn toàn 0,2 mol alanine C₃H₇NO₂, hiệu số giữa số mol H₂O và số mol CO₂ sinh ra bằng bao nhiêu?
A. 0,3 mol
B. 0,2 mol
C. 0,05 mol
D. 0,1 mol
Câu 5: Đốt cháy hoàn toàn 15 gam glycine C₂H₅NO₂, thể tích khí N₂ thu được ở điều kiện chuẩn bằng bao nhiêu?
A. 2,479 lít
B. 4,958 lít
C. 1,2395 lít
D. 9,916 lít
| Câu | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 |
|---|---|---|---|---|---|
| Đáp án | A | B | C | D | A |
Giải thích Câu 1 — Đáp án A (4,958 lít) đúng: Số mol glycine bằng 7,5 / 75 = 0,1 mol, số mol CO₂ bằng 2 × 0,1 = 0,2 mol, thể tích bằng 0,2 × 24,79 = 4,958 lít. Đáp án B (2,479 lít) sai vì đó là thể tích của 0,1 mol CO₂ — bạn đã lấy số mol CO₂ bằng số mol glycine, quên nhân với 2. Đáp án C (9,916 lít) sai vì đó là thể tích của 0,4 mol CO₂ — bạn đã nhân đôi số mol. Đáp án D (7,437 lít) sai vì đó là thể tích CO₂ khi đốt 0,1 mol alanine, không phải glycine.
Giải thích Câu 2 — Đáp án B (7,437 lít) đúng: Số mol alanine bằng 8,9 / 89 = 0,1 mol, số mol CO₂ bằng 3 × 0,1 = 0,3 mol, thể tích bằng 0,3 × 24,79 = 7,437 lít. Đáp án A (4,958 lít) sai vì đó là thể tích CO₂ khi đốt 0,1 mol glycine — bạn đã dùng n = 2 thay vì n = 3. Đáp án C (9,916 lít) sai vì đó là thể tích của 0,4 mol CO₂. Đáp án D (2,479 lít) sai vì đó là thể tích của 0,1 mol khí — bạn quên nhân với 3.
Giải thích Câu 3 — Đáp án C (0,225 mol) đúng: Hệ số oxi trong phương trình đốt cháy glycine là 2,25 nên số mol oxi cần dùng bằng 2,25 × 0,1 = 0,225 mol. Đáp án A (0,45 mol) sai vì 0,45 = 4,5 × 0,1 — bạn đã lấy hệ số oxi là 4,5, tức là chưa chia đôi. Đáp án B (2,25 mol) sai vì đó là hệ số oxi, bạn quên nhân với số mol glycine là 0,1. Đáp án D (0,375 mol) sai vì 0,375 là số mol oxi khi đốt 0,1 mol alanine, không phải glycine.
Giải thích Câu 4 — Đáp án D (0,1 mol) đúng: Hiệu số nH₂O − nCO₂ = 0,5 × n(alanine) = 0,5 × 0,2 = 0,1 mol. Bạn cũng có thể tính trực tiếp: nH₂O = 3,5 × 0,2 = 0,7 mol, nCO₂ = 3 × 0,2 = 0,6 mol, hiệu số bằng 0,7 − 0,6 = 0,1 mol. Đáp án A (0,3 mol) sai vì 0,3 = 1,5 × 0,2 — bạn đã dùng công thức hiệu số của amin. Đáp án B (0,2 mol) sai vì đó là số mol alanine. Đáp án C (0,05 mol) sai vì đó là hiệu số khi đốt 0,1 mol alanine, bằng một nửa lượng đề cho.
Giải thích Câu 5 — Đáp án A (2,479 lít) đúng: Số mol glycine bằng 15 / 75 = 0,2 mol, số mol N₂ bằng một nửa số mol glycine: nN₂ = 0,5 × 0,2 = 0,1 mol, thể tích bằng 0,1 × 24,79 = 2,479 lít. Đáp án B (4,958 lít) sai vì đó là thể tích của 0,2 mol N₂ — bạn đã lấy số mol N₂ bằng số mol glycine, quên chia đôi. Đáp án C (1,2395 lít) sai vì đó là thể tích của 0,05 mol khí — bạn đã chia đôi hai lần. Đáp án D (9,916 lít) sai vì đó là thể tích CO₂ khi đốt 0,2 mol glycine, không phải N₂.
Câu hỏi thường gặp về đốt cháy amino acid
Hỏi: Vì sao amino acid vừa có tính axit vừa có tính bazơ?
Đáp: Vì trong phân tử amino acid có cả nhóm cacboxyl COOH có tính axit và nhóm amino NH₂ có tính bazơ. Nhờ có cả hai nhóm này mà amino acid có tính lưỡng tính: tác dụng được với cả axit và bazơ. Trong dung dịch, amino acid thường tồn tại ở dạng ion lưỡng cực, trong đó nhóm COOH đã nhường proton cho nhóm NH₂ để tạo thành COO⁻ và NH₃⁺.
Hỏi: Đốt cháy amino acid khác đốt cháy amin ở điểm nào?
Đáp: Điểm khác lớn nhất là hiệu số nH₂O − nCO₂: với amin no đơn chức là 1,5 × n(amin), còn với amino acid no là 0,5 × n(amino acid). Nguyên nhân là amino acid có thêm hai nguyên tử oxi của nhóm COOH nên cần ít oxi ngoài hơn và sinh ra ít nước hơn so với amin có cùng số cacbon. Hai tỉ lệ còn lại — nCO₂ = n × n(chất) và nN₂ = ½ × n(chất) — thì giống nhau ở cả hai họ chất.
Hỏi: Có thể xác định công thức phân tử của amino acid từ số liệu đốt cháy không?
Đáp: Có, và đó là dạng bài tập rất hay gặp. Bạn đốt cháy một lượng amino acid chưa biết công thức, đo thể tích CO₂ và N₂ thu được. Từ số mol N₂ bạn tìm được số mol amino acid, từ số mol CO₂ bạn tìm được số nguyên tử cacbon n = nCO₂ / n(amino acid). Ví dụ đốt 0,1 mol amino acid thu được 0,2 mol CO₂ thì n = 2, amino acid đó là glycine C₂H₅NO₂.
Hỏi: Amino acid có cháy được trong cơ thể không?
Đáp: Trong cơ thể, amino acid không bị "đốt cháy" trực tiếp như glucose mà được chuyển hóa qua nhiều bước: nhóm amino bị tách ra thành ure rồi thải qua nước tiểu, còn phần cacbon còn lại được chuyển thành glucose hoặc chất béo rồi mới bị oxi hóa để lấy năng lượng. Vì vậy cơ thể không thu được toàn bộ năng lượng từ việc đốt cháy amino acid như trong phòng thí nghiệm, và amino acid chủ yếu được dùng để xây dựng protein chứ không phải làm nhiên liệu.
Hỏi: Học bài này để làm gì trong các bài sau?
Đáp: Cách làm bài toán đốt cháy amino acid là bước đệm để học bài toán đốt cháy peptit, vì peptit được tạo thành từ các amino acid nối với nhau. Khi đốt cháy peptit, bạn cũng đếm tổng số nguyên tử cacbon và nitơ trong phân tử peptit rồi áp dụng đúng hai tỉ lệ nCO₂ = (tổng số C) × n(peptit) và nN₂ = (số N)/2 × n(peptit). Nếu muốn đi tiếp, bạn hãy xem bài đốt cháy peptit.
Kết luận
Đốt cháy amino acid no, mạch hở, chứa một nhóm NH₂ và một nhóm COOH gói gọn trong ba tỉ lệ: nCO₂ = n × n(amino acid), nN₂ = ½ × n(amino acid) và nH₂O − nCO₂ = 0,5 × n(amino acid). Bạn hãy nhớ ba điều: nitơ trong amino acid thoát ra dưới dạng khí N₂, số mol N₂ luôn bằng một nửa số mol amino acid, và hiệu số H₂O trừ CO₂ của amino acid chỉ bằng một nửa số mol chất — nhỏ hơn nhiều so với amin. Làm xong 5 bài tập ở trên, bạn đã đủ tự tin để tính thể tích CO₂, N₂, lượng oxi cần dùng hay xác định công thức phân tử của amino acid trong bất kì bài toán đốt cháy nào — và hiểu thêm vì sao những viên gạch amino acid lại vừa xây nên cơ thể bạn, vừa có thể trở thành nhiên liệu khi cần.