Em cầm trên tay một lọ dung dịch không nhãn, chỉ biết trong đó có một hợp chất hữu cơ chứa carbon, hydrogen và oxygen. Người ta phân tích và cho em ba con số: 40% carbon, 6,67% hydrogen, 53,33% oxygen, cùng với khối lượng mol là 60 g/mol. Chỉ với bốn con số đó, em có thể gọi tên chính xác chất trong lọ là axit axetic, C₂H₄O₂, thành phần chính của giấm ăn. Nghe có vẻ như phép thuật, nhưng thực ra đó chỉ là một quy trình tính toán có ba bước, và bài viết này sẽ dạy em quy trình đó thật chậm rãi.
Việc lập công thức phân tử từ phần trăm khối lượng là một trong những dạng bài quan trọng nhất của Hóa học 11, vì nó xuất hiện trong hầu hết các đề kiểm tra và đề thi. Cách làm gồm ba bước: từ phần trăm khối lượng tính ra tỉ lệ số mol các nguyên tố, rút gọn tỉ lệ đó về các số nguyên tối giản để được công thức đơn giản nhất, rồi nhân công thức đơn giản nhất với một số nguyên n tìm được từ khối lượng mol để ra công thức phân tử. Bài viết này sẽ đi qua bốn ví dụ tính từng bước, năm lỗi sai thường gặp, năm câu trắc nghiệm có giải thích cặn kẽ và phần giải đáp thắc mắc, để khi gặp bất kì bộ số liệu nào em cũng biết phải bắt đầu từ đâu.
Công thức lập công thức phân tử: ba bước không thể bỏ qua
Bước đầu tiên là tìm tỉ lệ số mol các nguyên tố. Em hãy tưởng tượng mình có đúng 100 gam hợp chất, khi đó khối lượng của mỗi nguyên tố tính bằng gam đúng bằng phần trăm khối lượng của nó. Ví dụ hợp chất có 40% C thì trong 100 gam có 40 gam C, có 6,67% H thì có 6,67 gam H, có 53,33% O thì có 53,33 gam O. Đổi các khối lượng này ra số mol bằng cách chia cho khối lượng mol nguyên tử: n(C) = 40 ÷ 12 = 3,33 mol, n(H) = 6,67 ÷ 1 = 6,67 mol, n(O) = 53,33 ÷ 16 = 3,33 mol. Tỉ lệ số mol C : H : O chính là tỉ lệ số nguyên tử trong phân tử, vì mỗi mol nguyên tử chứa cùng một số hạt. Công thức tổng quát của bước này là x : y : z : t = %C ÷ 12 : %H ÷ 1 : %O ÷ 16 : %N ÷ 14, trong đó x, y, z, t là số nguyên tử C, H, O, N trong công thức đơn giản nhất.
Bước thứ hai là rút gọn tỉ lệ về các số nguyên tối giản để được công thức đơn giản nhất, gọi tắt là CTĐGN. Với tỉ lệ 3,33 : 6,67 : 3,33, em chia cả ba số cho số nhỏ nhất là 3,33 thì được 1 : 2 : 1. Vậy CTĐGN là CH₂O. Em cần nhớ rằng CTĐGN chỉ cho biết tỉ lệ tối giản giữa các nguyên tử, chưa cho biết phân tử thật sự có bao nhiêu nguyên tử mỗi loại. Cùng một CTĐGN CH₂O có thể là formaldehyde CH₂O, axit axetic C₂H₄O₂, axit lactic C₃H₆O₃ hay glucose C₆H₁₂O₆. Muốn biết chính xác là chất nào, em phải làm thêm bước thứ ba.
Bước thứ ba là tìm hệ số n từ khối lượng mol. Công thức phân tử có dạng CTPT = (CTĐGN)ₙ, với n = M ÷ M(CTĐGN). Ở ví dụ này, M(CTĐGN) = M(CH₂O) = 12 + 2 × 1 + 16 = 30 g/mol, khối lượng mol của hợp chất là M = 60 g/mol, vậy n = 60 ÷ 30 = 2, và CTPT là (CH₂O)₂ = C₂H₄O₂. Ba bước này là khung xương của mọi bài lập công thức phân tử, dù đề cho đủ phần trăm của mọi nguyên tố hay chỉ cho một phần, dù hợp chất chỉ có C và H hay có thêm O và N. Nếu đề không cho phần trăm của oxygen thì em tính %O = 100% − %C − %H − %N, vì tổng phần trăm khối lượng của mọi nguyên tố luôn bằng 100%. Chi tiết về CTĐGN em có thể đọc thêm ở bài cách lập công thức đơn giản nhất của hợp chất hữu cơ, còn nếu em muốn kiểm tra nhanh các phép chia trong bài thì máy tính Casio online sẽ giúp em bấm lại từng bước trong vài giây.
Ví dụ 1: Hợp chất có %C = 40%, %H = 6,67%, %O = 53,33%, M = 60 g/mol
Đây là ví dụ gốc của bài, em hãy làm theo đúng ba bước vừa học. Bước 1: Tính tỉ lệ số mol. Lấy 100 gam hợp chất làm mẫu: m(C) = 40 gam, m(H) = 6,67 gam, m(O) = 53,33 gam. Đổi ra số mol: n(C) = 40 ÷ 12 = 3,33 mol, n(H) = 6,67 ÷ 1 = 6,67 mol, n(O) = 53,33 ÷ 16 = 3,33 mol. Tỉ lệ mol C : H : O = 3,33 : 6,67 : 3,33.
Bước 2: Rút gọn tỉ lệ. Chia cả ba số cho 3,33 là số nhỏ nhất: 3,33 ÷ 3,33 = 1, 6,67 ÷ 3,33 = 2, 3,33 ÷ 3,33 = 1. Tỉ lệ tối giản là 1 : 2 : 1, vậy CTĐGN là CH₂O. Bước 3: Tìm n. M(CH₂O) = 12 + 2 + 16 = 30 g/mol. Đề cho M = 60 g/mol, vậy n = 60 ÷ 30 = 2. CTPT là (CH₂O)₂ = C₂H₄O₂. Đáp số: công thức phân tử của hợp chất là C₂H₄O₂.
Em có thể kiểm tra ngược lại: trong C₂H₄O₂, %C = 24 ÷ 60 × 100% = 40%, %H = 4 ÷ 60 × 100% = 6,67%, %O = 32 ÷ 60 × 100% = 53,33%, khớp hoàn toàn với đề bài. Thói quen kiểm tra ngược này rất đáng giữ, vì nó giúp em phát hiện ngay nếu mình tính nhầm ở bước nào. Chất C₂H₄O₂ chính là axit axetic, thành phần tạo vị chua của giấm ăn, một chất rất quen thuộc trong đời sống.
Ví dụ 2: Hợp chất có %C = 52,17%, %H = 13,04%, %O = 34,79%, M = 46 g/mol
Ví dụ này cho bộ số liệu khác hẳn, để em thấy quy trình ba bước áp dụng được cho mọi hợp chất. Bước 1: Tính tỉ lệ số mol trong 100 gam hợp chất: n(C) = 52,17 ÷ 12 = 4,35 mol, n(H) = 13,04 ÷ 1 = 13,04 mol, n(O) = 34,79 ÷ 16 = 2,17 mol. Tỉ lệ C : H : O = 4,35 : 13,04 : 2,17.
Bước 2: Chia cả ba số cho số nhỏ nhất là 2,17: 4,35 ÷ 2,17 = 2, 13,04 ÷ 2,17 = 6, 2,17 ÷ 2,17 = 1. Tỉ lệ tối giản là 2 : 6 : 1, vậy CTĐGN là C₂H₆O. Bước 3: M(C₂H₆O) = 2 × 12 + 6 × 1 + 16 = 46 g/mol. Đề cho M = 46 g/mol, vậy n = 46 ÷ 46 = 1, CTPT trùng với CTĐGN, là C₂H₆O. Đáp số: công thức phân tử là C₂H₆O, chất này có thể là ethanol, thành phần chính của rượu, hoặc dimethyl ether, tùy thuộc vào cách các nguyên tử liên kết với nhau.
Ví dụ này cho thấy một trường hợp đặc biệt: n = 1, tức là CTPT bằng luôn CTĐGN. Khi đó em không được nhân thêm gì nữa, và cũng đừng nghi ngờ rằng mình tính sai, vì n = 1 là hoàn toàn bình thường. Kiểm tra ngược: %C = 24 ÷ 46 × 100% = 52,17%, %H = 6 ÷ 46 × 100% = 13,04%, %O = 16 ÷ 46 × 100% = 34,79%, khớp hoàn toàn.
Ví dụ 3: Hợp chất chỉ chứa C và H, %C = 85,7%, %H = 14,3%, M = 28 g/mol
Ví dụ này là hydrocarbon, chỉ có hai nguyên tố C và H, quy trình vẫn y hệt như cũ. Bước 1: n(C) = 85,7 ÷ 12 = 7,14 mol, n(H) = 14,3 ÷ 1 = 14,3 mol. Tỉ lệ C : H = 7,14 : 14,3.
Bước 2: Chia cả hai số cho 7,14: 7,14 ÷ 7,14 = 1, 14,3 ÷ 7,14 = 2. Tỉ lệ tối giản là 1 : 2, CTĐGN là CH₂. Bước 3: M(CH₂) = 12 + 2 = 14 g/mol, n = 28 ÷ 14 = 2, vậy CTPT là (CH₂)₂ = C₂H₄. Đáp số: công thức phân tử là C₂H₄, đó là ethylene, chất khí dùng để kích thích trái cây chín và là nguyên liệu sản xuất nhựa polyethylene.
Em để ý rằng ở ví dụ này, tỉ lệ 7,14 : 14,3 không phải là các số đẹp, nhưng sau khi chia cho số nhỏ nhất thì vẫn ra tỉ lệ nguyên 1 : 2 rất gọn. Trong các bài tập thật, số liệu phần trăm thường được làm tròn nên tỉ lệ sau khi chia có thể ra 1,99 hay 2,01 thay vì đúng 2, em cứ làm tròn về số nguyên gần nhất. Nếu tỉ lệ ra số thập phân như 1,5 thì em nhân cả tỉ lệ với 2 để được số nguyên, ví dụ 1,5 : 1 thì nhân 2 thành 3 : 2.
Ví dụ 4: Hợp chất có %C = 92,3%, %H = 7,7%, M = 78 g/mol
Ví dụ cuối cùng cho một hydrocarbon thơm nổi tiếng. Bước 1: n(C) = 92,3 ÷ 12 = 7,69 mol, n(H) = 7,7 ÷ 1 = 7,7 mol. Tỉ lệ C : H = 7,69 : 7,7, gần như bằng nhau.
Bước 2: Chia cả hai số cho 7,69: 7,69 ÷ 7,69 = 1, 7,7 ÷ 7,69 = 1. Tỉ lệ tối giản là 1 : 1, CTĐGN là CH. Bước 3: M(CH) = 12 + 1 = 13 g/mol, n = 78 ÷ 13 = 6, vậy CTPT là (CH)₆ = C₆H₆. Đáp số: công thức phân tử là C₆H₆, đó là benzene, hydrocarbon thơm đơn giản nhất và là nguyên liệu quan trọng của công nghiệp hóa chất.
Ví dụ này nhắc em một điều: CTĐGN CH trông rất lạ vì chỉ có một nguyên tử C và một nguyên tử H, nhưng đó vẫn là một CTĐGN hợp lệ, vì nhiệm vụ của nó chỉ là ghi lại tỉ lệ tối giản. Phân tử thật C₆H₆ có vòng benzene với sáu nguyên tử carbon, tỉ lệ C : H vẫn là 1 : 1. Nếu em chỉ dừng ở CTĐGN mà quên nhân với n = 6 thì sẽ trả lời sai hoàn toàn, dù các bước trước đều đúng.
5 lỗi sai thường gặp khi lập công thức phân tử
Lỗi 1: Quên chia phần trăm khối lượng cho khối lượng mol nguyên tử mà lấy luôn phần trăm làm tỉ lệ. Ví dụ thấy %C = 40, %H = 6,67 thì viết tỉ lệ 40 : 6,67 rồi rút gọn thành 6 : 1, hoàn toàn sai. Cách tránh: luôn nhớ tỉ lệ cần tìm là tỉ lệ số mol, nên phải chia % cho 12, 1, 16, 14 trước khi rút gọn.
Lỗi 2: Quên tính phần trăm của oxygen khi đề không cho. Nhiều đề chỉ cho %C và %H, em phải tự tính %O = 100% − %C − %H rồi mới làm tiếp. Cách tránh: kiểm tra tổng phần trăm đã cho có bằng 100% chưa, nếu chưa thì phần còn thiếu chính là nguyên tố chưa được cho.
Lỗi 3: Rút gọn tỉ lệ chưa về số nguyên tối giản. Ví dụ tỉ lệ 2 : 4 : 2 mà em giữ nguyên để viết CTĐGN là C₂H₄O₂ thì sai, vì phải chia tiếp cho 2 để được 1 : 2 : 1, tức là CH₂O. Cách tránh: sau khi chia cho số nhỏ nhất, kiểm tra xem các số còn ước chung nào lớn hơn 1 không, nếu còn thì chia tiếp.
Lỗi 4: Tính đúng CTĐGN nhưng quên nhân với n để ra CTPT. Đây là lỗi phổ biến nhất, vì nhiều em tưởng CTĐGN chính là đáp án. Cách tránh: luôn viết thêm bước tính n = M ÷ M(CTĐGN) và nhân CTĐGN với n, kể cả khi n = 1.
Lỗi 5: Tính sai khối lượng mol của CTĐGN. Ví dụ M(CH₂O) tính nhầm thành 32 thay vì 30 thì n = 60 ÷ 32 không ra số nguyên, rồi em lúng túng không biết làm sao. Cách tránh: cộng cẩn thận từng nguyên tử, C là 12, H là 1, O là 16, N là 14, và kiểm tra xem n có ra số nguyên đẹp không, nếu không thì quay lại kiểm tra các bước trước.
Bài tập tự luyện: 5 câu trắc nghiệm lập công thức phân tử
Câu 1: Hợp chất có %C = 40%, %H = 6,67%, %O = 53,33%, M = 180 g/mol. Công thức phân tử của hợp chất là gì?
A. C₂H₄O₂
B. CH₂O
C. C₆H₁₂O₆
D. C₃H₆O₃
Câu 2: Hợp chất chỉ chứa C và H, có %C = 85,7%, %H = 14,3%, M = 42 g/mol. Công thức phân tử của hợp chất là gì?
A. CH₂
B. C₂H₄
C. C₃H₆
D. C₄H₈
Câu 3: Một hợp chất có công thức đơn giản nhất là CH₂O và khối lượng mol M = 90 g/mol. Công thức phân tử của hợp chất là gì?
A. CH₂O
B. C₂H₄O₂
C. C₃H₆O₃
D. C₆H₁₂O₆
Câu 4: Hợp chất có %C = 54,54%, %H = 9,09%, %O = 36,36%, M = 88 g/mol. Công thức phân tử của hợp chất là gì?
A. C₂H₄O
B. C₄H₈O₂
C. C₃H₆O₂
D. C₄H₈O
Câu 5: Phát biểu nào sau đây là SAI khi lập công thức phân tử?
A. Hệ số n được tính bằng M chia cho M của công thức đơn giản nhất
B. Công thức phân tử là bội nguyên của công thức đơn giản nhất
C. Chỉ cần biết phần trăm khối lượng các nguyên tố là đủ để xác định công thức phân tử
D. Phần trăm oxygen có thể tính bằng 100% trừ đi phần trăm các nguyên tố còn lại
| Câu | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 |
|---|---|---|---|---|---|
| Đáp án | C | C | C | B | C |
Câu 1 — Đáp án C. Tỉ lệ mol C : H : O = 40 ÷ 12 : 6,67 ÷ 1 : 53,33 ÷ 16 = 3,33 : 6,67 : 3,33 = 1 : 2 : 1, CTĐGN là CH₂O có M = 30, n = 180 ÷ 30 = 6, vậy CTPT là C₆H₁₂O₆, chính là glucose. Đáp án A sai vì C₂H₄O₂ ứng với n = 2, tức là M = 60 chứ không phải 180. Đáp án B sai vì CH₂O là CTĐGN, chưa nhân với n. Đáp án D sai vì C₃H₆O₃ ứng với n = 3, tức là M = 90.
Câu 2 — Đáp án C. Tỉ lệ mol C : H = 85,7 ÷ 12 : 14,3 ÷ 1 = 7,14 : 14,3 = 1 : 2, CTĐGN là CH₂ có M = 14, n = 42 ÷ 14 = 3, vậy CTPT là C₃H₆. Đáp án A sai vì CH₂ chỉ là CTĐGN. Đáp án B sai vì C₂H₄ ứng với n = 2, tức là M = 28. Đáp án D sai vì C₄H₈ ứng với n = 4, tức là M = 56.
Câu 3 — Đáp án C. M(CH₂O) = 30 g/mol, n = 90 ÷ 30 = 3, vậy CTPT là (CH₂O)₃ = C₃H₆O₃. Đáp án A sai vì đó là CTĐGN, chưa nhân với n. Đáp án B sai vì C₂H₄O₂ ứng với n = 2, tức là M = 60. Đáp án D sai vì C₆H₁₂O₆ ứng với n = 6, tức là M = 180.
Câu 4 — Đáp án B. Tỉ lệ mol C : H : O = 54,54 ÷ 12 : 9,09 ÷ 1 : 36,36 ÷ 16 = 4,545 : 9,09 : 2,2725 = 2 : 4 : 1, CTĐGN là C₂H₄O có M = 44, n = 88 ÷ 44 = 2, vậy CTPT là C₄H₈O₂. Đáp án A sai vì C₂H₄O là CTĐGN, chưa nhân với n. Đáp án C sai vì C₃H₆O₂ có M = 74, không khớp với M = 88. Đáp án D sai vì C₄H₈O có M = 72, không khớp với M = 88 và tỉ lệ O cũng không đúng.
Câu 5 — Đáp án C. Chỉ biết phần trăm khối lượng thì mới tìm được CTĐGN, muốn biết CTPT phải có thêm khối lượng mol M để tính hệ số n, vì nhiều chất khác nhau có thể cùng một CTĐGN. Đáp án A đúng vì n = M ÷ M(CTĐGN). Đáp án B đúng vì CTPT luôn là bội nguyên của CTĐGN. Đáp án D đúng vì tổng phần trăm khối lượng của mọi nguyên tố bằng 100%.
Câu hỏi thường gặp về lập công thức phân tử
Câu hỏi 1: Vì sao phải lấy 100 gam hợp chất làm mẫu khi tính? Vì phần trăm khối lượng cho biết cứ 100 gam hợp chất thì có bao nhiêu gam mỗi nguyên tố, nên lấy mẫu 100 gam giúp em đổi phần trăm thành khối lượng ngay mà không cần thêm phép tính nào.
Câu hỏi 2: Tỉ lệ mol sau khi chia ra số lẻ như 1,99 thì xử lí thế nào? Em làm tròn về số nguyên gần nhất, vì số liệu phần trăm trong đề thường đã được làm tròn nên tỉ lệ có sai số nhỏ là bình thường. Nếu tỉ lệ ra 1,5 thì nhân cả tỉ lệ với 2, nếu ra 1,33 thì nhân với 3 để được số nguyên.
Câu hỏi 3: Đề không cho khối lượng mol M thì có lập được công thức phân tử không? Không, khi đó em chỉ lập được công thức đơn giản nhất. Muốn có công thức phân tử thì đề phải cho thêm M, hoặc cho dữ kiện khác để suy ra M, ví dụ như tỉ khối hơi so với hydrogen hay thể tích khí ở điều kiện chuẩn.
Câu hỏi 4: Công thức phân tử có cho biết cấu tạo của chất không? Không, công thức phân tử chỉ cho biết mỗi phân tử có bao nhiêu nguyên tử mỗi loại, còn các nguyên tử liên kết với nhau như thế nào thì phải xem công thức cấu tạo. Ví dụ C₂H₆O có thể là ethanol hoặc dimethyl ether, hai chất có tính chất rất khác nhau.
Câu hỏi 5: Có hợp chất nào mà công thức phân tử trùng với công thức đơn giản nhất không? Có rất nhiều, đó là các chất có n = 1, ví dụ ethanol C₂H₆O trong ví dụ 2 của bài này, hay methane CH₄ với tỉ lệ C : H = 1 : 4 đã là tối giản.
Kết luận
Lập công thức phân tử chỉ có ba bước: chia phần trăm khối lượng cho khối lượng mol nguyên tử để được tỉ lệ mol, rút gọn tỉ lệ về số nguyên tối giản để được công thức đơn giản nhất, rồi nhân công thức đơn giản nhất với n = M ÷ M(CTĐGN) để ra công thức phân tử. Bốn ví dụ trong bài đã đi qua đủ các trường hợp: hợp chất có ba nguyên tố với n = 2, hợp chất có n = 1, hydrocarbon chỉ có C và H, và hydrocarbon thơm với CTĐGN chỉ có hai nguyên tử. Nếu em làm đúng cả năm câu trắc nghiệm thì dạng bài này đã nằm trong tay em. Ở bài tiếp theo về công thức đơn giản nhất của hợp chất hữu cơ, em sẽ đào sâu hơn vào bước thứ hai, tìm hiểu vì sao chỉ biết công thức đơn giản nhất thì vẫn chưa đủ để gọi tên một chất, và vì sao glucose với axit axetic lại có thể chia sẻ cùng một tỉ lệ tối giản.