Lipid là những hợp chất hữu cơ có trong tế bào sống, không tan trong nước nhưng tan được trong các dung môi hữu cơ không phân cực như xăng, ether, chloroform. Lipid gồm nhiều nhóm khác nhau: chất béo, sáp, steroid, phospholipid. Ở chương trình phổ thông ta chỉ xét kỹ nhóm quan trọng nhất là chất béo.
Chất béo là trieste của glycerol với các acid béo, còn gọi là triglyceride. Công thức chung là (RCOO)3C3H5, trong đó R là gốc hydrocarbon của acid béo; ba gốc R có thể giống nhau hoặc khác nhau. Tiền tố "tri" chính là chìa khoá của mọi bài toán trong bài này: một phân tử chất béo mang ba nhóm chức ester, nên nó phản ứng với NaOH theo tỉ lệ 1 : 3 chứ không phải 1 : 1 như ester đơn chức.
Chất béo sinh ra khi một phân tử glycerol C3H5(OH)3 (phân tử khối 92) ester hoá với ba phân tử acid béo RCOOH và tách ra ba phân tử nước. Vì thế phân tử khối chất béo tính nhanh bằng: 92 cộng tổng phân tử khối của ba acid béo, rồi trừ đi 54.
Acid béo là carboxylic acid đơn chức, mạch carbon dài, không phân nhánh, số nguyên tử carbon chẵn (thường từ 12 đến 24). Cần thuộc bảng sau, vì hầu hết đề thi chỉ xoay quanh năm acid này.
| Acid béo | Công thức | Phân tử khối | No hay không no | Chất béo tương ứng |
|---|---|---|---|---|
| palmitic acid | C15H31COOH | 256 | No | tripalmitin, M = 806 |
| stearic acid | C17H35COOH | 284 | No | tristearin, M = 890 |
| oleic acid | C17H33COOH | 282 | Không no, 1 liên kết C=C | triolein, M = 884 |
| linoleic acid | C17H31COOH | 280 | Không no, 2 liên kết C=C | trilinolein, M = 878 |
| linolenic acid | C17H29COOH | 278 | Không no, 3 liên kết C=C | trilinolenin, M = 872 |
Mẹo nhớ: bốn acid có 18 nguyên tử carbon (stearic, oleic, linoleic, linolenic) có phân tử khối lần lượt là 284, 282, 280, 278 — cứ thêm một liên kết đôi thì phân tử khối giảm 2 vì mất đi hai nguyên tử hydrogen.
Chất béo nhẹ hơn nước, không tan trong nước, tan nhiều trong benzene, hexane, chloroform. Trạng thái phụ thuộc gốc acid béo chiếm ưu thế trong phân tử:
— Chất béo chứa chủ yếu gốc acid béo no (mỡ động vật như mỡ bò, mỡ lợn) ở thể rắn tại nhiệt độ thường. Mạch carbon no duỗi thẳng nên các phân tử xếp khít nhau, lực hút giữa các phân tử mạnh.
— Chất béo chứa chủ yếu gốc acid béo không no (dầu thực vật như dầu lạc, dầu olive) ở thể lỏng. Liên kết đôi dạng cis làm mạch carbon bị gấp khúc, các phân tử không xếp khít được nên lực hút yếu hơn, nhiệt độ nóng chảy thấp hơn.
| Phản ứng | Phương trình dạng chung | Điều kiện | Đặc điểm cần nhớ |
|---|---|---|---|
| Thuỷ phân trong môi trường acid | (RCOO)3C3H5 + 3H2O ⇌ C3H5(OH)3 + 3RCOOH | H2SO4 loãng, đun nóng | Thuận nghịch, không hoàn toàn |
| Xà phòng hoá | (RCOO)3C3H5 + 3NaOH → C3H5(OH)3 + 3RCOONa | Dung dịch NaOH, đun nóng | Một chiều, hoàn toàn; tỉ lệ 1 : 3 |
| Hydrogen hoá (cộng H2) | (C17H33COO)3C3H5 + 3H2 → (C17H35COO)3C3H5 | Xúc tác Ni, đun nóng, áp suất | Dầu lỏng chuyển thành mỡ rắn |
Ba con số phải khắc vào đầu khi làm bài tính: một mol chất béo cần 3 mol NaOH (hoặc KOH), sinh ra 3 mol muối và 1 mol glycerol. Vì vậy số mol glycerol luôn bằng số mol chất béo và bằng một phần ba số mol kiềm đã phản ứng.
Muối của acid béo cần nhớ phân tử khối: C15H31COONa bằng 278, C17H35COONa bằng 306, C17H33COONa bằng 304. Nếu dùng KOH thì thay Na bằng K, tức mỗi muối nặng thêm 16 đơn vị.
Chỉ số iodine của một chất béo là số gam iodine cộng được tối đa vào 100 gam chất béo đó. Chỉ số này càng lớn thì chất béo càng chứa nhiều liên kết đôi C=C, tức càng không no và càng dễ ở thể lỏng. Chất béo no như tristearin có chỉ số iodine bằng 0. Cách tính: lấy 100 chia cho phân tử khối chất béo để ra số mol, nhân với số liên kết đôi trong một phân tử, rồi nhân với 254 là phân tử khối của I2.
Chất béo là nguồn cung cấp năng lượng đậm đặc nhất cho cơ thể và là dung môi hoà tan các vitamin A, D, E, K. Trong công nghiệp, chất béo là nguyên liệu sản xuất xà phòng và glycerol (dùng cho mĩ phẩm và thuốc nổ nitroglycerin). Phản ứng hydrogen hoá dầu thực vật cho bơ nhân tạo và shortening. Phản ứng của chất béo với methanol cho biodiesel, một loại nhiên liệu tái tạo đang được dùng thay một phần dầu diesel.
Vì sao ba nhóm ester quyết định toàn bộ phép tính? Một mol chất béo mang ba nhóm –COO–, mỗi nhóm ăn một mol NaOH và nhả một mol muối, còn khung glycerol thì chỉ có một. Đó là lí do số mol muối luôn gấp ba số mol glycerol; nhớ hình vẽ thì không bao giờ lẫn hai con số này.
Vì sao gốc no cho chất rắn, gốc không no cho chất lỏng? Gốc no C17H35– chỉ có liên kết đơn, mạch quay tự do và nằm duỗi thẳng, các phân tử áp sát nhau nên lực khuếch tán London cộng dồn trên toàn chiều dài mạch, nhiệt độ nóng chảy vượt nhiệt độ phòng. Liên kết đôi C=C dạng cis thì cứng, không quay được, nó bẻ mạch gãy một góc chừng 30°; các phân tử không áp sát nhau được nữa nên lực hút giảm, nhiệt độ nóng chảy tụt xuống dưới nhiệt độ phòng. Phân tử khối gần như không liên quan: tristearin 890 rắn, triolein 884 lỏng.
Thiếu điều kiện thì hỏng ở đâu? Hydrogen hoá mà không có xúc tác Ni thì H2 không bị hoạt hoá, phản ứng cộng vào C=C hầu như không xảy ra dù đun nóng. Xà phòng hoá mà dùng nước thay dung dịch NaOH thì phản ứng thành thuỷ phân thuận nghịch, không bao giờ hết chất béo, và sản phẩm là acid béo chứ không phải xà phòng.
Tiếp đầu ngữ "tri-" cho biết cả ba gốc acid trong phân tử đều giống nhau, và "stearin" là gốc của stearic acid C17H35COOH. Chất béo là trieste của glycerol nên:
$$(\text{C}_{17}\text{H}_{35}\text{COO})_3\text{C}_3\text{H}_5$$Cách nhanh: lấy 92 (glycerol) cộng ba lần phân tử khối acid rồi trừ 54 (ba phân tử nước tách ra, 3 × 18).
$$M = 92 + 3 \times 284 - 54 = 890$$Cách đếm nguyên tử: C = 3 × 18 + 3 = 57; H = 3 × 35 + 5 = 110; O = 6, tức C57H110O6.
$$M = 57 \times 12 + 110 \times 1 + 6 \times 16 = 684 + 110 + 96 = 890$$Hai cách cho cùng một số nên phân tử khối 890 chắc chắn đúng.
Nhìn hình trên: bên trái các mạch thẳng nằm sát nhau, bên phải mạch bị bẻ gãy nên các phân tử phải nằm cách xa.
Lực khuếch tán London tăng theo diện tích tiếp xúc giữa các phân tử. Mạch duỗi thẳng áp sát nhau trên toàn chiều dài nên lực hút cộng dồn rất lớn, muốn nóng chảy phải cấp nhiều nhiệt. Liên kết đôi cis cứng, không quay được, bẻ mạch một góc chừng 30° làm các phân tử không áp sát nhau được, lực hút giảm hẳn nên nhiệt độ nóng chảy tụt xuống dưới nhiệt độ phòng.
Tristearin là (C17H35COO)3C3H5, M = 890. Nó rắn còn triolein lỏng vì gốc acid của nó no và duỗi thẳng nên các phân tử xếp khít, lực hút giữa phân tử lớn hơn hẳn.
Đừng giải thích bằng phân tử khối: 890 so với 884 chênh nhau chưa tới 1%, nếu phân tử khối quyết định thì hai chất phải cùng trạng thái. Cũng đừng quên trừ 54 khi tính M: bỏ quên thì ra 92 + 852 = 944 thay vì 890, kéo theo số mol của một bài 44,5 gam thành 0,047 mol thay vì 0,05 mol và mọi đáp số sau đó đều lẻ.
Tripalmitin là (C15H31COO)3C3H5, palmitic acid có M = 256.
$$M = 92 + 3 \times 256 - 54 = 806 \qquad n = \frac{40{,}30}{806} = 0{,}05\ \text{mol}$$Ba nhóm –COO– trong một phân tử nên tỉ lệ là 1 : 3 : 3 : 1. Cột glycerol chỉ có 0,05 — bằng số mol chất béo, không bằng số mol NaOH.
M của C15H31COONa = 15·12 + 31 + 12 + 2·16 + 23 = 278; M của glycerol = 92.
$$m_{\text{muối}} = 0{,}15 \times 278 = 41{,}70\ \text{gam}$$$$m_{\text{glycerol}} = 0{,}05 \times 92 = 4{,}60\ \text{gam}$$Hai vế bằng nhau nên cả hai đáp số đều đáng tin. Nếu lỡ lấy số mol glycerol là 0,15 thì vế phải thành 41,70 + 13,80 = 55,50 gam, lệch hẳn 9,2 gam so với vế trái — phép thử này bắt lỗi ngay lập tức.
Thu được 41,70 gam muối khan (sodium palmitate) và 4,60 gam glycerol.
Lấy số mol glycerol bằng số mol NaOH là lỗi phổ biến nhất của dạng này: ra 13,80 gam thay vì 4,60 gam, gấp đúng ba lần. Bẫy thứ hai là dùng nhầm muối stearate (M = 306) cho bài palmitate (M = 278): 0,15 mol khi đó ra 45,90 gam thay vì 41,70 gam.
Triolein là (C17H33COO)3C3H5. So gốc no C17H35– với gốc C17H33– thấy hụt 2 nguyên tử H, tức mỗi gốc có đúng một liên kết đôi C=C. Ba gốc nên mỗi phân tử cộng được tối đa 3 phân tử H2.
$$M = 92 + 3 \times 282 - 54 = 884$$Đề nói H2 dư và phản ứng hoàn toàn nên cả 3 liên kết đôi đều bị no hoá; nếu đề cho H2 thiếu thì phải tính theo H2.
Một phân tử triolein cho đúng một phân tử tristearin, nên số mol chất béo không đổi, vẫn là 0,1 mol; chỉ phân tử khối tăng từ 884 lên 890.
$$m_{\text{tristearin}} = 0{,}1 \times 890 = 89{,}0\ \text{gam}$$Khối lượng chất rắn đúng bằng khối lượng chất béo ban đầu cộng khối lượng hydrogen đã cộng vào. Bảo toàn nguyên tố cũng khớp: hydrogen tăng 3 × 2 = 6 nguyên tử mỗi phân tử, đúng bằng chênh lệch 890 − 884 = 6.
Đã phản ứng 0,6 gam H2 (0,3 mol) và thu được 89,0 gam tristearin rắn.
Trả lời khối lượng sản phẩm vẫn là 88,4 gam vì "chỉ cộng thêm khí" — sai 0,6 gam. Bẫy nặng hơn là quên nhân 3: lấy 0,1 mol H2 thì ra 0,2 gam thay vì 0,6 gam, và khối lượng sản phẩm ra 88,6 gam. Nhớ: một gốc oleate một liên kết đôi, ba gốc là ba liên kết đôi.