Vì sao phản ứng đặc trưng của ankan là phản ứng thế

Chi tiết Chuyên mục: Chuyên đề 12. Hidrocacbon Được viết ngày Thứ sáu, 26 Tháng 12 2014 15:58 Viết bởi Nguyễn Văn Đàm

     Phản ứng thế là phản ứng đặc trưng của ankan vì phân tử ankan chỉ chứa liên kết đơn.

1. Phản ứng thế [Cl2/as hoặc Br2/t0]

CnH2n+2 + xX2 → CnH2n+2-xXx + xHX

- Về nguyên tắc các nguyên tử H trong phân tử ankan có thể bị thay thế lần lượt từ 1 đến hết.

- Khả năng phản ứng giảm theo thứ tự F2 > Cl2 > Br2 > I2.

- Thường thì ta không gặp phản ứng của flo vì nó phản ứng quá mạnh và thường gây phản ứng hủy:

CnH2n+2 + [n+1]F2 → nC + [2n+2] HF

còn iot lại phản ứng quá yếu nên hầu như cũng không gặp. Với clo phản ứng cần điều kiện ánh sáng còn brom thì cần phải đun nóng.

- Với các nguyên tử H liên kết với các nguyên tử C khác nhau thì khả năng tham gia phản ứng khác nhau: H liên kết với Cbậc 3> Cbậc 2 > Cbậc 1 và sản phẩm chính là sản phẩm ưu tiên thế X vào H của C bậc cao [C có ít H hơn]. Lượng sản phẩm sinh ra tỷ lệ với tích số nguyên tử H tương đương và khả năng phản ứng tương đối của C các bậc.

- Phản ứng thế xảy ra theo cơ chế gốc tự do - dây chuyền gồm 3 giai đoạn:

+ Khơi mào phản ứng:                                  

X2 → 2X.

+ Phát triển mạch:                             

X. + CnH2n+2 → CnH2n+1. + HX

CnH2n+1. + X2 → CnH2n+1X + X.

+ Tắt mạch:                                        

2X. → X2

X.  + CnH2n+1. → CnH2n+1X

CnH2n+1.  + CnH2n+1. → C2nH4n+2

     Chính vì cơ chế phản ứng như thế nên khi cho metan tác dụng với clo ánh sáng thường sinh ra sản phẩm có cả etan.

     Trong các bài thi chúng ta thường gặp câu hỏi về số sản phẩm thế 1 lần, số gốc ankyl mà các đồng phân tạo ra đây chính là số loại H tương đương của mỗi ankan.

2. Phản ứng nitro hóa và sunfoclo hóa

R-H + HNO3 → R-NO2 + H2O

R-H + SO2 + Cl2 → R-SO2Cl + HCl

     Hochoaonline.net có một số ví dụ sau để các bạn tham khảo:

Dung dịch NaOH có nồng độ bao nhiêu % [Hóa học - Lớp 8]

1 trả lời

Xác định kim loại nói trên [Hóa học - Lớp 8]

1 trả lời

Vẽ sơ đồ nguyên tử khi biết [Hóa học - Lớp 8]

1 trả lời

Nhóm hợp chất hóa học ankan là gì? Những phản ứng đặc trưng của ankan là gì? Những kiến thức này sẽ được thuvienhoidap.net giải thích chi tiết trong bài viết thuộc chủ đề hóa học hữu cơ này.

Khái niệm ankan là gì?

a – Khái niệm

Ankan là tên gọi khác là hiđrocacbon no. Điều này có nghĩa là chúng chỉ có các nguyên tử cacbon và hydro trong công thức hóa học của chúng. Và các nguyên tử này chỉ được liên kết bằng các liên kết đơn.

Điều đó có nghĩa là tất cả các nguyên tử chỉ chia sẻ một cặp electron hóa trị với nhau. Anken được chia nhỏ thành ba nhóm gồm nhóm ankan mạch hở, cycloalkanes và ankan phân nhánh.

Công thức chung của ankan là:  CnH2n + 2 với n ≥ 1

b – Dãy đồng đẳng của ankan

Metan[CH4] và các chất tiếp theo có công thức phân tử lần lượt là C2H6, C3H8, C4H10, C5H12…lập thành một dãy đồng đẳng ankan hay còn gọi là parafin có công thức chung là CnH2n + 2.

Trong phân tử ankan chỉ có các liên kết đơn C – C, C – H. Mỗi nguyên tử cacbon tạo được 4 liên kết đơn hướng từ nguyên tử C [ nằm ở tâm của hình tứ diện] về 4 đỉnh của một tứ diện với góc liên kết là góc CCC, HCH, CCH khoảng 109,5°.

Do đó, các phân tử cacbon trong phân tử ankan trừ C2H6 không cùng nằm trên một đường thẳng.

c – Đồng phân của ankan

Từ ankan C4H10 trở đi ứng với mỗi công thức phân tử có các công thức cấu tạo mạch cacbon không phân nhánh và mạch cacbon phân nhánh của các đồng phân mạch cacbon.

Ví dụ: ứng với công thức phân tử C5H12 có các chất đồng phân cấu tạo sau:

d – Danh pháp của ankan

Các ankan có mạch nhánh được gọi tên theo danh pháp thay thế theo các bước như sau:

1. Chọn mạch cacbon dài nhất và có nhiều nhánh nhất làm mạch chính 
2. Đánh số thứ tự các nguyên tử cacbon mạch chính từ phía gần nhánh hơn.
3. Gọi tên mạch nhánh theo thứ tự vần chữ cái cùng với số chỉ vị trí của nó, tiếp theo là tên ankan tương ứng với mạch chính.
4. Bậc của nguyên tử C trong phân tử hiđrocacbon no được tính bằng số liên kết của nó với các nguyên tử cacbon khác. 

e – Danh sách một số ankan phổ biến

Thường thì trong các bài tập hóa học liên quan đến ankan chúng ta chỉ gặp một vài công thức phổ biến là:

• Metan: CH4 
• Ethan: C2H6 
• Propan: C3H8 
• Butan C4H10 
• Pentan: C5H12
• Hexan: C6H14
• Heptan : C7H16
• Octan : C8H18

Tính chất vật lý của ankan

• Ở điều kiện bình thường, 4 ankan đầu tiên trong dãy đồng đẳng ankan từ CH4 đến C4H10 là chất khí.
• Các ankan tiếp theo là chất lỏng
• Từ khoảng ankan C18H38 trở đi là các chất rắn.
• Nhiệt độ nóng chảy, nhiệt độ sôi và khối lượng riêng của các ankan tăng theo chiều tăng của phân tử khối.
• Tất cả các ankan đều có khối lượng nhẹ hơn nước và hầu như không tan trong nước nhưng tan mạnh trong các dung môi hữu cơ. 

a – Tính tan của ankan

• Do sự khác biệt rất nhỏ về độ âm điện giữa cacbon và hydro và bản chất cộng hóa trị của liên kết CC hoặc liên kết CH, ankan là các phân tử không phân cực.
• Ankan có bản chất là kỵ nước, tức là ankan không tan trong nước.

b – Điểm sôi của ankan

• Nhiệt độ sôi của ankan tăng khi khối lượng phân tử tăng.
• Các ankan mạch thẳng được quan sát là có nhiệt độ sôi cao hơn so với các đồng phân cấu tạo của chúng.

c – Điểm nóng chảy của ankan

• Nhiệt độ nóng chảy của ankan có cùng xu hướng với nhiệt độ sôi của chúng, tức là nó tăng khi khối lượng phân tử tăng lên.
• Nhìn chung, các ankan số chẵn có xu hướng nhiệt độ nóng chảy cao hơn so với các ankan số lẻ vì các ankan số chẵn tạo thành một cấu trúc có tổ chức tốt và khó bị phá vỡ.

Những phản ứng đặc trưng của ankan

Ankan có các phản ứng đặc trưng là phản ứng thế bởi nhóm halogen, phản ứng tách hiđro và phản ứng cháy, cụ thể là:

a – Phản ứng thế bởi nhóm halogen của ankan

Phản ứng trong đó các nguyên tử hydro trong ankan được thay thế bằng các nguyên tử halogen được gọi là phản ứng halogen hóa, các sản phẩm thế được gọi là dẫn xuất halogen của hiđrocacbon.

Nguyên tử hidro liên kết với nguyên tử cacbon bậc cao hơn dễ bị thay thế hơn nguyên tử hidro liên kết với nguyên tử cacbon bậc thấp hơn

Hai phản ứng halogen hóa quan trọng nhất là l clo hóa và brom hóa.

Ví dụ phản ứng thế của CH4 với khí clo

1. CH4 + Cl2 → CH3Cl + HCl
2. CH3Cl + Cl2 → CH2Cl2 + HCl
3. CH2Cl2 + Cl2 → CHCl3 + HCl
4. CHCl3 + Cl2 →  CCl4 + HCl

Ví dụ phản ứng thế của C3H8 với khí Clo

1. CH3CH2CH3 + Cl2 →  CH3CH2CH2Cl + HCl
2. CH3CH2CH3 + Cl2 → CH3CHCl2CH3 + HCl

Tương tự, các ankan khác cũng thực hiện phản ứng thế với Br2, Flo có thể thực hiện phản ứng tạo flo của ankan dưới sự pha loãng của khí trơ, nhưng iot thì không thể thực hiện phản ứng thế với ankan.

Ví dụ C2H6 phản ứng thế với Br2

• C2H6 + 2Br → C2H5Br + HBr

b – Phản ứng tách ankan 

Dưới tác dụng của nhiệt và chất xúc tác thích hợp, các ankan có phân tử khối nhỏ bị tách hydro thành hiđrocacbon không no tương ứng [ tách ankan thành anken] 

Ví dụ phản ứng tách ankan C2H6 [Etan] thành C2H4 [ etylen ]

• CH3 – CH3  → CH2=CH2 + H2
• C3H8 → C3H6 + H2

Nếu ở nhiệt độ cao và có mặt chất xúc tác phù hợp, ngoài việc bị tách hiđro, các ankan còn có thể bị phân cắt mạch cacbon tạo thành các phân tử nhỏ hơn.

Ví dụ phản ứng tách ankan C4H10 thành ankan và ankin

• CH3-CH2-CH2-CH3  → CH4 + C3H6
• CH3-CH2-CH2-CH3  → C2H4 + C2H6
• CH3-CH2-CH2-CH3  → C4H8 + H2

c – Phản ứng oxi hóa của ankan

Tất cả các ankan đều có thể đốt cháy, khi đốt cháy hoàn toàn các chất phản ứng đều bị phá hủy, sinh ra khí cacbonic và nước, đồng thời tỏa nhiều nhiệt.

Hiện tượng xảy ra: Khi đốt, ngọn lửa có màu xanh nhạt và không sáng

Phương trình tổng quát phản ứng đốt cháy của ankan

• CnH2n+2 + [3n+1]/2 O2  → nCO2 + [n + 1]H2O

Nếu thiếu oxi, phản ứng đốt cháy của ankan xảy ra không hoàn toàn và sản phẩm ngoài CO2, H2O còn có các chất khác như C, CO…

Ví dụ phản ứng đốt cháy của CH4, C2H6, C3H8, C4H10

• CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O
• 2C2H6 + 7O2 → 4CO2 + 6H2O
• C3H8 + 5O2 → 3CO2 + 4H2O
• 2C4H10 + 13O2 → 8CO2 + 10H2O

d – Các phản ứng khác của ankan

Nếu ở điều kiện nhiệt độ cao và chất xúc tác phù hợp các ankan có thể tác dụng với dung dịch axit, dung dịch kiềm hay các chất oxi hóa như KMnO4, cụ thể là

Ví dụ khí CH4 tác dụng với axit H2SO4, HNO3 

• CH4 + H2SO4 → 2H2O + CO2 + H2S
• CH4 + HNO3 → CH3NO2 + H2O

Ví dụ CH4 tác dụng với thuốc tím

• 6CH4 + 4KMnO4 + 2H2O → 3C2H6[OH]2 + 4MnO2 + 4KOH

Ví dụ CH4 tác dụng với bazơ NaOH

Ví dụ C2H6 [ etan] tác dụng với axit HNO3, H2SO4

• CH3CH3 + HNO3 → CH3CH2NO2 + H2O
• CH3CH3 + H2SO4 → CH3CH2SO3H + H2O

Cách điều chế ankan

Cách điều chế ankan trong công nghiệp 

• Các ankan là thành phần chính của dầu mỏ, khí thiên nhiên và khí mỏ dầu.
• Từ dầu mỏ, bằng phương pháp chưng cất phân đoạn, ta thu được ankan ở các phân đoạn khác nhau.
• Hoặc từ khí thiên nhiên và khí mỏ dầu cũng thu được các ankan như CH4, C2H6, C3H8, C4H10…

Cách điều chế ankan trong phòng thí nghiệm 

Tùy từng loại ankan mà có nhiều phương pháp điều chế khác nhau, cụ thể như

Để điều chế khí metan trong phòng thí nghiệm ta đun nóng natri axetat khan với hỗn hợp vôi tôi xút sẽ thu được CH4.

• CH3COONa + NaOH → CH4 + Na2CO3

Hoặc có thể điều chế khí metan từ cacbon dioxit và hidro dưới tác dụng của chất xúc tác.

Ứng dụng của ankan

• Các ankan là nguyên liệu quan trọng của ngành công nghiệp hóa chất và là thành phần chính của xăng và dầu bôi trơn. 
• Khí tự nhiên chủ yếu chứa metan và etan và được sử dụng cho các mục đích sưởi ấm và nấu ăn và cho các tiện ích điện [tuabin khí].
• Propan và butan có thể được hóa lỏng ở áp suất khá thấp và được sử dụng với nhiều mục đích khác nhau. Butan được sử dụng trong bật lửa thuốc lá.
• Các ankan từ pentan đến octan là chất lỏng dễ bay hơi và là dung môi tốt cho các chất không phân cực. Chúng được sử dụng làm nhiên liệu trong động cơ đốt trong.
• Các ankan từ nonane đến hexadecane là chất lỏng có độ nhớt cao hơn, được sử dụng trong động cơ diesel và nhiên liệu hàng không [dầu hỏa].
• Các ankan có từ 17 đến 35 nguyên tử cacbon tạo thành các thành phần chính của dầu bôi trơn. Chúng cũng hoạt động như chất chống ăn mòn, vì bản chất kỵ nước của chúng bảo vệ bề mặt kim loại khỏi tiếp xúc với nước.