Bạn hãy tưởng tượng mình đang nấu xà phòng theo cách truyền thống: cho mỡ động vật vào nồi nước vôi rồi đun lên. Mỡ sẽ bị cắt nhỏ thành glycerol và muối của axit béo — đó là phản ứng xà phòng hóa mà bạn đã học. Thủy phân peptit trong dung dịch kiềm cũng có nét giống như vậy: dung dịch NaOH không chỉ giúp cắt các liên kết peptit mà còn trung hòa ngay các nhóm axit sinh ra, nên lượng kiềm cần dùng nhiều hơn số liên kết bị cắt. Cụ thể là bao nhiêu? Bài này sẽ giúp bạn trả lời chính xác câu hỏi đó, kèm theo 4 ví dụ và 5 bài tập có đáp án chi tiết.
Khi thủy phân hoàn toàn một peptit trong dung dịch kiềm, hai quá trình xảy ra đồng thời. Thứ nhất, nước phá vỡ các liên kết peptit, mỗi liên kết bị cắt tạo ra một nhóm COOH mới và một nhóm NH₂ mới. Thứ hai, dung dịch kiềm trung hòa ngay các nhóm COOH vừa sinh ra, biến chúng thành muối COO⁻. Một peptit có k mắt xích thì có k − 1 liên kết peptit, khi thủy phân sẽ tạo ra k − 1 nhóm COOH mới, cộng với 1 nhóm COOH đã có sẵn ở đầu C của peptit gốc, tổng cộng là k nhóm COOH cần trung hòa. Vì vậy số mol OH⁻ cần dùng bằng k nhân với số mol peptit — nhiều hơn số mol nước cần dùng trong thủy phân bằng nước thường, vốn chỉ bằng k − 1 lần số mol peptit.
Số mol OH⁻ khi thủy phân peptit trong kiềm: vì sao lại là k mà không phải k − 1
Công thức tính số mol OH⁻ cần dùng khi thủy phân hoàn toàn một peptit có k mắt xích trong dung dịch kiềm là: nOH⁻ = k × n(peptit). Công thức này chỉ đúng với peptit tạo thành từ các amino acid trung tính, tức là các amino acid chỉ có một nhóm NH₂ và một nhóm COOH như glycine và alanine. Bạn hãy nhớ công thức này đi kèm với điều kiện đó, vì nếu amino acid thành phần có thêm nhóm COOH như axit glutamic hay thêm nhóm bazơ như lysine thì số mol OH⁻ sẽ khác đi — bạn sẽ gặp lưu ý này trong phần lỗi sai và câu hỏi thường gặp dưới đây.
Bạn hãy hiểu vì sao hệ số lại là k chứ không phải k − 1. Một tripeptit có 3 mắt xích và 2 liên kết peptit. Khi thủy phân, 2 liên kết bị cắt tạo ra 2 nhóm COOH mới. Nhưng bản thân tripeptit gốc đã có sẵn 1 nhóm COOH ở đầu C, nhóm này cũng bị NaOH trung hòa. Tổng cộng có 3 nhóm COOH cần trung hòa, tức là cần 3 mol OH⁻ cho mỗi mol tripeptit. Bạn thấy đấy: số liên kết bị cắt là k − 1, nhưng số nhóm COOH cần trung hòa là k, vì phải cộng thêm nhóm COOH có sẵn ở đầu C của peptit gốc. Đây chính là điểm mấu chốt mà nhiều bạn hay nhầm lẫn nhất trong dạng bài này.
Bạn hãy so sánh với thủy phân peptit bằng nước thường để thấy rõ sự khác biệt. Thủy phân bằng nước: số mol nước cần dùng bằng (k − 1) × n(peptit), vì nước chỉ tham gia phá vỡ các liên kết. Thủy phân trong dung dịch kiềm: số mol OH⁻ cần dùng bằng k × n(peptit), vì kiềm vừa giúp phá vỡ liên kết vừa trung hòa các nhóm COOH sinh ra. Hai công thức chỉ khác nhau một đơn vị ở hệ số — k − 1 so với k — nhưng kết quả tính ra khác nhau hoàn toàn. Trong bài tập, bạn phải đọc kĩ đề: nếu đề nói "thủy phân trong dung dịch NaOH" thì dùng hệ số k, còn nếu đề nói "thủy phân bằng nước" hay chỉ nói "thủy phân hoàn toàn" thì dùng hệ số k − 1 cho nước.
Trong thực tế, phản ứng thủy phân peptit trong dung dịch kiềm còn được gọi là thủy phân trong môi trường kiềm, và nó xảy ra nhanh hơn thủy phân bằng nước thường vì OH⁻ là tác nhân phá vỡ liên kết peptit hiệu quả hơn nước. Sau phản ứng, sản phẩm thu được là hỗn hợp các muối natri của amino acid, chứ không phải các amino acid ở dạng tự do. Nếu muốn thu được amino acid tự do, người ta phải axit hóa dung dịch sau phản ứng để chuyển muối trở lại thành amino acid. Bạn không cần nhớ chi tiết này để làm bài tập, nhưng biết thêm sẽ giúp bạn hiểu vì sao đề bài thường hỏi số mol NaOH phản ứng chứ không hỏi khối lượng amino acid thu được.
Bốn bài toán mẫu tính từng bước
Ví dụ 1 (dùng đúng số liệu mẫu): Thủy phân hoàn toàn 0,1 mol tripeptit trong dung dịch NaOH dư. Tính số mol NaOH đã phản ứng.
Tripeptit có k = 3 mắt xích, nên số mol OH⁻ cần dùng bằng nOH⁻ = 3 × 0,1 = 0,3 mol. Vì NaOH là bazơ một nấc nên số mol NaOH bằng số mol OH⁻, tức là cần 0,3 mol NaOH. Vậy thủy phân hoàn toàn 0,1 mol tripeptit trong dung dịch NaOH dư cần 0,3 mol NaOH. Bạn hãy kiểm tra lại bằng cách đếm nhóm COOH: tripeptit có 2 liên kết bị cắt tạo ra 2 nhóm COOH mới, cộng với 1 nhóm COOH có sẵn ở đầu C, tổng cộng 3 nhóm COOH — đúng bằng 3 mol OH⁻ cho mỗi mol tripeptit.
Ví dụ 2 (tetrapeptit): Thủy phân hoàn toàn 0,05 mol tetrapeptit trong dung dịch NaOH dư. Tính số mol NaOH đã phản ứng.
Tetrapeptit có k = 4 mắt xích, nên số mol OH⁻ cần dùng bằng nOH⁻ = 4 × 0,05 = 0,2 mol. Vậy cần 0,2 mol NaOH. Bạn thấy dù số mol peptit chỉ bằng một nửa ví dụ 1, số mol NaOH cần dùng vẫn khá lớn vì tetrapeptit có tới 4 mắt xích. Khi cần kiểm tra lại phép tính, bạn có thể nhờ máy tính Casio online trên ClassOn hỗ trợ.
Ví dụ 3 (tính khối lượng kiềm): Thủy phân hoàn toàn 0,1 mol pentapeptit trong dung dịch NaOH dư. Tính khối lượng NaOH đã phản ứng.
Pentapeptit có k = 5 mắt xích, nên số mol NaOH cần dùng bằng n = 5 × 0,1 = 0,5 mol. Khối lượng NaOH bằng m = 0,5 × 40 = 20 gam. Vậy cần 20 gam NaOH. Dạng bài hỏi khối lượng kiềm rất hay gặp trong đề thi: bạn tính số mol OH⁻ trước rồi nhân với khối lượng mol của NaOH là 40 gam trên mol. Nếu đề dùng KOH thay cho NaOH thì khối lượng mol là 56 gam trên mol, bạn chỉ cần thay con số 40 bằng 56.
Ví dụ 4 (tìm số mắt xích từ số mol kiềm): Thủy phân hoàn toàn 0,1 mol một peptit trong dung dịch NaOH dư, thấy đã dùng hết 0,4 mol NaOH. Xác định số mắt xích của peptit đó.
Bạn dùng công thức nOH⁻ = k × n(peptit) để suy ra k = nOH⁻ / n(peptit) = 0,4 / 0,1 = 4. Vậy peptit này có 4 mắt xích, tức là một tetrapeptit. Dạng bài tính ngược này rất hay gặp: đề cho số mol kiềm và số mol peptit rồi hỏi peptit có bao nhiêu mắt xích. Bạn chỉ cần chia số mol OH⁻ cho số mol peptit là ra k. Nếu kết quả k không phải số nguyên thì chắc chắn bạn đã tính sai ở đâu đó, vì số mắt xích luôn là số nguyên.
Năm lỗi sai thường gặp — và cách tránh
Lỗi 1: Lấy số mol OH⁻ bằng (k − 1) × n(peptit) thay vì k × n(peptit).
Nhiều bạn nhớ công thức thủy phân bằng nước rồi áp dụng luôn cho thủy phân trong kiềm. Cách tránh: bạn hãy nhớ kiềm phải trung hòa thêm nhóm COOH có sẵn ở đầu C của peptit gốc, nên hệ số là k chứ không phải k − 1. Viết rõ dòng "cộng thêm 1 nhóm COOH ở đầu C" ra giấy nháp sẽ giúp bạn nhớ vì sao phải dùng k.
Lỗi 2: Áp dụng công thức nOH⁻ = k × n(peptit) cho peptit chứa amino acid có thêm nhóm COOH hoặc nhóm bazơ.
Nhiều bạn dùng công thức này cho mọi peptit mà quên điều kiện amino acid trung tính. Cách tránh: bạn hãy nhớ nếu peptit chứa axit glutamic hay axit aspartic (có thêm nhóm COOH) thì số mol OH⁻ sẽ lớn hơn k × n(peptit), còn nếu chứa lysine hay arginine (có thêm nhóm NH₂) thì số mol OH⁻ sẽ nhỏ hơn. Trong chương trình lớp 12, hầu hết bài tập đều dùng peptit tạo từ glycine và alanine nên công thức nOH⁻ = k × n(peptit) áp dụng được.
Lỗi 3: Nhầm lẫn giữa số mol NaOH và số mol nước khi thủy phân.
Nhiều bạn thấy đề nói "thủy phân trong dung dịch NaOH" thì tính số mol nước bằng (k − 1) × n(peptit) rồi trả lời đó là số mol NaOH. Cách tránh: bạn hãy đọc kĩ đề hỏi gì — nếu đề hỏi số mol NaOH thì dùng hệ số k, nếu đề hỏi số mol nước thì dùng hệ số k − 1. Hai con số này khác nhau đúng một đơn vị nhân với số mol peptit, nên nhầm một cái là sai cả bài.
Lỗi 4: Quên khối lượng mol của NaOH là 40.
Nhiều bạn tính đúng số mol NaOH rồi nhân với 23 (khối lượng mol của natri) hoặc 56 (khối lượng mol của KOH) để tính khối lượng. Cách tránh: bạn hãy nhớ M(NaOH) = 23 + 16 + 1 = 40 gam trên mol, còn M(KOH) = 39 + 16 + 1 = 56 gam trên mol. Viết rõ M = 40 ra giấy nháp trước khi tính khối lượng.
Lỗi 5: Cho rằng thủy phân peptit trong kiềm và thủy phân ester trong kiềm giống nhau hoàn toàn.
Nhiều bạn học thuộc phản ứng xà phòng hóa ester rồi áp dụng máy móc cho peptit. Cách tránh: bạn hãy nhớ thủy phân ester trong kiềm cần 1 mol OH⁻ cho mỗi mol ester, còn thủy phân peptit trong kiềm cần k mol OH⁻ cho mỗi mol peptit — vì peptit có k nhóm COOH cần trung hòa sau thủy phân, trong khi ester chỉ có 1 nhóm COO. Nếu muốn ôn lại thủy phân peptit bằng nước, bạn hãy xem bài thủy phân peptit.
Năm bài tập tự luyện
Hãy làm 5 bài tập sau đây rồi đối chiếu với bảng đáp án bên dưới. Nhớ hệ số là k, không phải k − 1, và công thức chỉ đúng với peptit tạo từ amino acid trung tính.
Câu 1: Thủy phân hoàn toàn 0,1 mol tripeptit trong dung dịch NaOH dư cần dùng bao nhiêu mol NaOH?
A. 0,3 mol
B. 0,2 mol
C. 0,4 mol
D. 0,1 mol
Câu 2: Thủy phân hoàn toàn 0,05 mol tetrapeptit trong dung dịch NaOH dư cần dùng bao nhiêu mol NaOH?
A. 0,15 mol
B. 0,2 mol
C. 0,25 mol
D. 0,1 mol
Câu 3: Thủy phân hoàn toàn 0,1 mol pentapeptit trong dung dịch NaOH dư cần dùng bao nhiêu gam NaOH?
A. 12 gam
B. 16 gam
C. 20 gam
D. 24 gam
Câu 4: Thủy phân hoàn toàn 0,1 mol một peptit trong dung dịch NaOH dư, thấy đã dùng hết 0,4 mol NaOH. Peptit đó có bao nhiêu mắt xích?
A. 3
B. 5
C. 6
D. 4
Câu 5: Vì sao số mol OH⁻ cần dùng khi thủy phân peptit trong kiềm lại bằng k × n(peptit) chứ không phải (k − 1) × n(peptit)?
A. Vì kiềm phải trung hòa thêm nhóm COOH có sẵn ở đầu C của peptit gốc
B. Vì kiềm phá vỡ thêm một liên kết peptit nữa
C. Vì kiềm trung hòa nhóm NH₂ ở đầu N của peptit
D. Vì kiềm phản ứng với nước tạo thêm OH⁻
| Câu | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 |
|---|---|---|---|---|---|
| Đáp án | A | B | C | D | A |
Giải thích Câu 1 — Đáp án A (0,3 mol) đúng: Tripeptit có k = 3 mắt xích, số mol NaOH cần dùng bằng 3 × 0,1 = 0,3 mol. Đáp án B (0,2 mol) sai vì đó là số mol nước cần dùng khi thủy phân bằng nước, không phải số mol NaOH. Đáp án C (0,4 mol) sai vì 0,4 = 4 × 0,1 — bạn đã lấy k = 4. Đáp án D (0,1 mol) sai vì bạn lấy số mol NaOH bằng số mol peptit, quên nhân với k.
Giải thích Câu 2 — Đáp án B (0,2 mol) đúng: Tetrapeptit có k = 4 mắt xích, số mol NaOH cần dùng bằng 4 × 0,05 = 0,2 mol. Đáp án A (0,15 mol) sai vì 0,15 = 3 × 0,05 — bạn đã lấy k = 3, tức là số liên kết thay vì số mắt xích. Đáp án C (0,25 mol) sai vì 0,25 = 5 × 0,05 — bạn đã lấy k = 5. Đáp án D (0,1 mol) sai vì 0,1 = 2 × 0,05 — bạn đã lấy số mol nước khi thủy phân bằng nước.
Giải thích Câu 3 — Đáp án C (20 gam) đúng: Pentapeptit có k = 5 mắt xích, số mol NaOH cần dùng bằng 5 × 0,1 = 0,5 mol, khối lượng bằng 0,5 × 40 = 20 gam. Đáp án A (12 gam) sai vì 12 = 0,3 × 40 — bạn đã lấy số mol NaOH là 0,3 như khi thủy phân tripeptit. Đáp án B (16 gam) sai vì 16 = 0,4 × 40 — bạn đã lấy số mol NaOH là 0,4. Đáp án D (24 gam) sai vì 24 = 0,6 × 40 — bạn đã lấy số mol NaOH là 0,6.
Giải thích Câu 4 — Đáp án D (4) đúng: Số mắt xích k = nOH⁻ / n(peptit) = 0,4 / 0,1 = 4, vậy peptit này là tetrapeptit. Đáp án A (3) sai vì tripeptit chỉ cần 0,3 mol NaOH cho 0,1 mol peptit. Đáp án B (5) sai vì pentapeptit cần tới 0,5 mol NaOH. Đáp án C (6) sai vì hexapeptit cần tới 0,6 mol NaOH.
Giải thích Câu 5 — Đáp án A đúng: Ngoài k − 1 nhóm COOH mới sinh ra khi các liên kết peptit bị cắt, kiềm còn phải trung hòa thêm 1 nhóm COOH đã có sẵn ở đầu C của peptit gốc, nên tổng cộng có k nhóm COOH cần trung hòa. Đáp án B sai vì kiềm không phá vỡ thêm liên kết nào ngoài k − 1 liên kết peptit. Đáp án C sai vì nhóm NH₂ ở đầu N không tác dụng với kiềm. Đáp án D sai vì kiềm không phản ứng với nước để tạo thêm OH⁻.
Câu hỏi thường gặp về số mol OH⁻ trong thủy phân peptit
Hỏi: Thủy phân peptit trong dung dịch kiềm và thủy phân bằng nước khác nhau như thế nào?
Đáp: Thủy phân bằng nước cần (k − 1) × n(peptit) mol nước để phá vỡ các liên kết peptit, còn thủy phân trong dung dịch kiềm cần k × n(peptit) mol OH⁻ vì kiềm vừa giúp phá vỡ liên kết vừa trung hòa các nhóm COOH sinh ra. Sản phẩm của thủy phân bằng nước là các amino acid tự do, còn sản phẩm của thủy phân trong kiềm là các muối natri của amino acid.
Hỏi: Peptit chứa axit glutamic thì số mol NaOH cần dùng có thay đổi không?
Đáp: Có, sẽ cần nhiều NaOH hơn. Axit glutamic có thêm một nhóm COOH ở mạch nhánh, nên mỗi mắt xích glutamic đóng góp thêm một nhóm COOH cần trung hòa. Ví dụ một tripeptit chứa một mắt xích glutamic sẽ cần 4 mol NaOH cho mỗi mol peptit thay vì 3 mol. Trong chương trình lớp 12, bài tập thường chỉ dùng peptit tạo từ glycine và alanine nên bạn không cần lo về trường hợp này, nhưng biết thêm sẽ giúp bạn không bị bất ngờ khi gặp bài tập nâng cao.
Hỏi: Peptit chứa lysine thì số mol NaOH cần dùng có thay đổi không?
Đáp: Có, sẽ cần ít NaOH hơn. Lysine có thêm một nhóm NH₂ ở mạch nhánh, nhóm này sẽ nhận proton từ nhóm COOH trong phân tử, làm giảm số nhóm COOH cần trung hòa. Ví dụ một tripeptit chứa một mắt xích lysine sẽ cần ít hơn 3 mol NaOH cho mỗi mol peptit. Đây cũng là trường hợp nâng cao, ít gặp trong đề thi lớp 12.
Hỏi: Có thể dùng KOH thay cho NaOH để thủy phân peptit không?
Đáp: Có, KOH cũng là bazơ mạnh và thủy phân peptit tương tự NaOH, số mol KOH cần dùng cũng bằng k × n(peptit). Điểm khác duy nhất là khối lượng mol: M(KOH) = 56 gam trên mol còn M(NaOH) = 40 gam trên mol, nên khi đề hỏi khối lượng kiềm thì bạn phải nhân với đúng khối lượng mol của loại kiềm đề cho.
Hỏi: Học bài này để làm gì trong các bài sau?
Đáp: Công thức nOH⁻ = k × n(peptit) là một trong những công thức quan trọng nhất của chương amino acid – peptit – protein, xuất hiện rất thường xuyên trong đề thi tốt nghiệp. Nắm chắc nó, bạn sẽ giải được mọi bài toán thủy phân peptit trong kiềm và còn suy ra được số mắt xích của peptit từ số liệu thực nghiệm. Nếu muốn ôn lại cách đốt cháy peptit, bạn hãy xem bài đốt cháy peptit.
Kết luận
Số mol OH⁻ cần dùng khi thủy phân hoàn toàn peptit trong dung dịch kiềm gói gọn trong một công thức: nOH⁻ = k × n(peptit), trong đó k là số mắt xích amino acid trong phân tử peptit. Bạn hãy nhớ ba điều: hệ số là k chứ không phải k − 1 vì kiềm phải trung hòa thêm nhóm COOH có sẵn ở đầu C của peptit gốc, công thức chỉ đúng với peptit tạo từ amino acid trung tính như glycine và alanine, và khối lượng NaOH bằng số mol nhân với 40. Làm xong 5 bài tập ở trên, bạn đã đủ tự tin để tính số mol kiềm, khối lượng kiềm hay số mắt xích của peptit trong bất kì bài toán thủy phân trong kiềm nào — và hiểu thêm vì sao nấu xà phòng và tiêu hóa protein lại có chung một nguyên tắc hóa học.