$A$. LÝ THUYẾT
- Ankan là hidrocacbon no có công thức tổng quát là $C_nH_{2n+2}$ ( $n$ $\geq$ $1$ , $n$ thuộc $N$)
$I$. Tính chất hóa học
$1$. Phản ứng thế halogen
- Thường gặp thế Clo hoặc Brom
- Dưới tác dụng của ánh sáng , ankan tham gia pư thế, các $H$ sẽ lần lượt bị thay thế dần bởi các halogen
$C_2H_6 + Cl_2$ $\overset{t, a/s}{\rightarrow}$ $C_2H_5Cl$ + $HCl$
- Quy tắc thế : Khi tham gia các pư thế , nguyên tử halogen sẽ ưu tiên thế vào Cacbon có bậc cao hơn ( chứa ít $H$ )
Ví dụ : $CH_3-CH_2-CH_3 + Br_2$ $\overset{t , a/s}{\rightarrow}$ $CH_3-CH_Br-CH_3 + HBr$
$2$. Phản ứng tách $H_2$
- Dưới tác dụng của nhiệt và chất xúc tác thích hợp các ankan sẽ bị đề hidro
$C_nH_{2n+2}$ $\overset{t}{\rightarrow}$ $C_nH_{2n} + H_2$
- Quy tắc tách :
+ Hai nguyên tử $C$ cạnh nhau tách $H$ , mỗi nguyên tử $C$ sẽ mất đi $1$ $H$ và nối đơn sẽ trở thành nối đôi
+ $H$ ở Cacbon bậc cao hơn bị ưu tiên tách để tạo sản phẩm chính
$CH_3-CH(CH_3)-CH_2-CH_3$ $\overset{t, xt}{\rightarrow}$ $CH_3-C(CH_3)=CH-CH_3$ + $H_2$
$3$. Phản ứng Cracking
- Khi có xúc tác thích hợp dưới tác dụng của nhiệt độ, các ankan bị bẻ gãy mạch $C$ tạo ra các phân tử nhỏ hơn
$C_nH_{2n+2}$ $\overset{cracking}{\rightarrow}$ $C_aH_{2a+2} + C_bH_{2b}$ ( $a$ $\geq$ $1, b$ $\geq$ $2$ và $a + b = n$)
$C_4H_{10}$ $\overset{cracking}{\rightarrow}$ $CH_4 + C_3H_6$
$C_4H_{10}$ $\overset{cracking}{\rightarrow}$ $C_2H_4 + C_2H_6$
$4$. Phản ứng cháy
$C_nH_{2n+2} + (3n+1/2)O_2$ $\overset{t}{\rightarrow}$ $nCO_2 + (n +1)H_2O$
- Khi đốt cháy ankan $n_{H_2O} > n_{CO_2}$ và $n_{Ankan} = n_{H_2O} - n_{CO_2}$
$5$. Oxi hóa không hoàn toàn
$CH_4 + O_2$ $\overset{600 - 800^o , NO }{\rightarrow}$ $HCHO + H_2O$
$RCH_2-CH_2R' + 5/2O_2$ $\overset{t , Mn^2+}{\rightarrow}$ $RCOOH + R'COOH + H_2O$
$II$. Điều chế
$1$. Phương pháp chung
- Cộng Hidro : $C_nH_{2n} + H_2$ $\overset{t}{\rightarrow}$ $C_nH_{2n+2}$
hoặc $C_nH_{2n-2} + 2H_2$ $\overset{t}{\rightarrow}$ $C_nH_{2n+2}$
- Cracking : $C_nH_{2n+2}$ $\overset{cracking}{\rightarrow}$ $C_aH_{2a+2} + C_bH_{2b}$
- Phản ứng vôi tôi xút
$C_nH_{2n+1}COONa + NaOH$ $\overset{t , CaO}{\rightarrow}$ $C_nH_{2n+2} + Na_2CO_3$
$2$. Phương pháp điều chế Metan
$C + 2H_2$ $\leftrightharpoons $ $CH_4$
$Al_4C_3$ + $H_2O$ $\rightarrow $ $Al(OH)_3 + CH_4$
$CH_2(COONa)_2 + 2NaOH$ $\rightarrow $ $CH_4 + Na_2CO_3$
$B$. PHƯƠNG PHÁP GIẢI CÁC BÀI TẬP VỀ ANKAN
$I$. Phản ứng thế Clo, Brom
$C_nH_{2n+2} + xBr_2$ $\overset{t , a/s}{\rightarrow}$ $C_nH_{2n+2-x}Br_x + xHBr$
$C_nH_{2n+2} + xCl_2$ $\overset{t , a/s}{\rightarrow}$ $C_nH_{2n+2-x}Cl_x + xHCl$
* CÁC VÍ DỤ MINH HỌA
Ví dụ $1$ : Ankan $Y$ phản ứng với clo tạo ra $2$ dẫn xuất monoclo có tỉ khối so với hidro là $39,25$ . Tên của $Y$ là
A. Butan B. Propan C. Iso-butan D. $2$-metylbutan
Giải :
Đặt CTT của $Y$ là $C_nH_{2n+2}$
$C_nH_{2n+2} + Cl_2$ $\overset{t , a/s}{\rightarrow}$ $C_nH_{2n+1}Cl + HCl$
Theo đề $C_nH_{2n+1}Cl$ gồm $2$ đồng phân và Khối lượng mol của $C_nH_{2n+1}Cl = 39,25.2 = 78,5$ gam/mol
ta có $14n + 36,5 = 78,5$ => $n = 3$ => CTPT của $Y$ là $C_3H_8$
$Y$ là propan , $2$ sản phẩm tạo thành là $CH_3CH_2CH_2Cl$ và $CH_3CHClCH_3$
=> Đáp án $B$
Ví dụ $2$ : Khi cho ankan $X$ ( trong phân tử có % khối lượng của Cacbon là $83,72$%) tác dụng với Clo theo tỉ lệ mol $1:1$ chỉ thu được $2$ dẫn xuất monoclo là đồng phân của nhau. Tên của $X$ là
A. $3$-metyl pentan B. $2,3$ đimetyl butan C. $2$-metyl propan D. butan
Giải :
Đăt CTPT của $X$ là $C_nH_{2n+2}$ Theo đề ta có
$\frac{12n}{2n + 2}$ = $\frac{83,72}{16,28}$ => $n = 6$ => CTPT của $X$ là $C_6H_{14}$
Do $X$ tác dụng với Clo cho $2$ sản phẩm monoclo duy nhất nên $X$ là $2,3$-đimetyl butan
=> Đáp án $B$
$CH_3-CH(CH_3)-CH(CH_3)-CH_3 + Cl_2$ $\overset{t , a/s}{\rightarrow}$ $CH_3-CH(CH_3)-CH(CH_3)-CH_2Cl$ và $CH_3-CH(CH_3)-CCl(CH_3)-CH_3$
$II$. Phản ứng tách
+ Trong pư khối lượng được bảo toàn
+ Khi cracking ankan $C_3H_8 ,C_4H_{10}$ có thể kèm quá trình đề hidro hóa nên số mol hỗn hợp phản ứng gấp đôi số mol ankan pư
+ Đối với các ankan có $5C$ trở lên do các ankan tạo ra có thể cracking tiếp nên số mol hỗn hợp sản phẩm sau pư luôn $\geq$ $2$ lần số mol ankan phản ứng
+ Đối với pư tách $H_2$ : $n_{H_2} = n_{khí sau pư} - n_{khí ban đầu}$
* CÁC VÍ DỤ MINH HỌA
Ví dụ $1$ : Khi cracking hoàn toàn $1$ thể tích ankan $X$ thu được $3$ thể tích hỗn hợp $Y$ ( các khi đo cùng điều kiện) , tỉ khối của $Y$ so với $H_2$ là $12$. Công thức của $X$ là
A. $C_6H_{14}$ B. $C_3H_8$ C. $C_4H_{10}$ D. $C_5H_{12}$
Giải :
Áp dụng ĐLBTKL
$m_X = m_Y$ => $n_X.M_X = n_Y.M_Y$ => $M_X$ = $\frac{n_Y.M_Y}{n_X}$ = $\frac{3n_X.M_Y}{n_X}$ = $3M_Y = 3.2.12 = 72$
=> $X$ là $C_5H_{12}$
=> Đáp án $D$
Ví dụ $2$ : Cracking $8,8$ gam propan thu được hỗn hợp khí $A$ gồm $H_2,CH_4,C_2H_2,C_3H_6$ và một phần propan chưa bị cracking. Biết $H$% = $90$% . Khối lượng phân tử TB của $A$ là
A. $39,6$ B. $23,16$ C. $2,135$ D. $3,96$
Giải :
Theo ĐBTKL : $m_A = m_{Propan} = 8,8$ gam
$n_{C_3H_4}$ ban đầu = $8,8/44 = 0,2$ mol => $n_{C_3H_4}$ pư = $0,2.90$% = $0,18$ mol
$n_{C_3H_4}$ dư = $0,02$ mol
Vậy sau pư số mol khí tạo thành = $0,18.2 + 0,02 = 0,38$ mol
=> $M_A$ = $\frac{8,8}{0,38}$ = $23,16$
=> Đáp án $B$
$III$. Phản ứng oxi hóa ankan
- Dạng này thường sử dụng phương pháp trung bình
Ví dụ $1$ : Đốt cháy hoàn toàn $1$ thể tích khí thiên nhiên gồm metan , etan, propan bằng oxi không khí ( trong không khí có chứa $20$% $O_2$) , thu được $7,84$ lít $CO_2$ (đktc) và $9,9$ gam $H_2O$. Thể tích không khí (đktc) nhỏ nhất cần dùng để đốt chất khí thiên nhiên trên là
A. $70$ lít B. $78,4$ lít C. $84$ lít D. $56$ lít
Giải :
Đăt công thức chung của $3$ khí thiên nhiên là $C_mH_{2m+2}$
$n_{CO_2} = 7,84/22,4 = 0,35$ mol ; $n_{H_2O} = 9,9/18 = 0,55$ mol
$C_mH_{2m+2} + O_2$ $\overset{t}{\rightarrow}$ $CO_2 + H_2O$
$x 0,35 0,55$
Áp dụng định luật bảo toàn nguyên tố ta có
$2x = 0,35.2 + 0,55$ => $x = 0,625$ mol
=> $V_{CO_2} = 0,625.22,4 = 14$ lít => $V_{kk} = 5.14 = 70$ lít
=> Đáp án $A$
Ví dụ $2$ : Hỗn hợp khí $X$ gồm $2$ hidrocacbon no , mạch hở $A,B$ và là $2$ đồng đẳng kế tiếp. Đốt cháy $X$ với $64$ gam $O_2$ (dư) rồi dẫn sản phẩm qua bình đựng $Ca(OH)_2$ dư thu được $100$ gam kết tủa . Khí ra khỏi bình có thể tích $11,2$ lít ở $0^o$C và $0,4$ atm. CTPT của $A,B$ là
A. $CH_4$ và $C_2H_6$ B. $C_2H_6$ và $C_3H_8$ C. $C_3H_8$ và $C_4H_{10}$ D. $C_4H_{10}$ và $C_5H_{12}$
Giải :
$n_{CO_2} = n_{CaCO_3} = 100/100 = 1$ mol ; $n_{O_2}$ pư = $n_{O_2}$ bd - $n_{O_2}$ dư = $\frac{64}{32}$ - $\frac{11,2.0,4}{0,082.273}$ = $1,8$ mol
Đặt công thức phân tử của $A,B$ là $C_nH_{2n+2}$
$C_nH_{2n+2} + (3n+1/2)O_2$ $\rightarrow $ $nCO_2 + (n+1)H_2O$
$x$ $\frac{(3n+1).x}{2}$ $n.x$
Theo giả thiết $\left\{ \begin{array}{l} n.x = 1\\ (3n+1/2).x = 1,8 \end{array} \right.$ => $\left\{ \begin{array}{l} n = 1,667\\ x = 0,6 \end{array} \right.$
Vì $2$ ankan là đồng đẳng kế tiếp nên hai ankan là $CH_4$ và $C_2H_6$
=> Đáp án $A$
Ví dụ $3$ : Nung $m$ gam hỗn hợp gồm $3$ muối natri của $3$ axit hữu cơ no , đơn chức với $NaOH$ dư , thu được chất rắn $D$ và hỗn hợp $Y$ gồm $3$ ankan. Tỉ khối của $Y$ so với $H_2$ là $11,5$. Cho $D$ tác dụng với $H_2SO_4$ dư thu được $17,92$ lít $CO_2$ (đktc). Tên của $1$ trong $3$ ankan và giá trị của $m$ là
A. metan và $71,2$ B. etan và $84,4$ C. propan và $42,4$ D. butan và $42$
Giải :
Đặt công thức TB của $3$ muối natri của $3$ axit hữu cơ no , đơn chức là $C_nH_{2n+1}COONa$
$C_nH_{2n+1}COONa + NaOH$ $\overset{t , CaO}{\rightarrow}$ $C_nH_{2n+2} + Na_2CO_3$ ($1$)
$Na_2CO_3 + H_2SO_4$ $\rightarrow $ $Na_2SO_4 + H_2O + CO_2$ ($2$)
Theo pt ($1$) và ($2$) ta có
$n_{Na_2CO_3} = nC_nH_{2n+2} = n_{NaOH} = n_{CO_2}$ = $\frac{17,92}{22,4}$ = $0,8$ mol
Áp dụng ĐLBTKL
$m_X + m_{NaOH} = mC_nH_{2n+2} + m_{Na_2CO_3}$ => $m_X = 0,8.106 + 11,5.2.0,8 - 0,8.40 = 71,2$ gam
$M_Y = 14n + 2 = 23$ => $n = 1,5$ => Chắc chắn trong $3$ ankan có $1$ ankan là $CH_4$
=> Đáp án $A$
$B$. BÀI TẬP TỰ LUYỆN
Câu $1$ : Khi đốt cháy hoàn toàn $V$ lít hỗn hợp khí $CH_4,C_2H_6,C_3H_8$ thu được $44$ gam $CO_2$ và $28,8$ gam $H_2O$ . Giá trị của $V$ là
A. $8,96$ B. $11,2$ C. $13,44$ D. $15,68$
Câu $2$ : Cho butan qua xúc tác ( nhiệt độ cao) thu được hỗn hợp $X$ gồm $C_4H_{10},C_4H_8,C_4H_6,H_2$ . Tỉ khối của $X$ so với butan là $0,4$ . Nếu cho $0,6$ mol $X$ tác dụng với dung dịch Brom dư thì số mol Brom tối đa phản ứng là :
A. $0,48$ B. $0,36$ C. $0,6$ D. $0,24$
Câu $3$ : Đốt cháy hoàn toàn $6,72$ lít hỗn hợp $A$ gồm $CH_4,C_2H_6,C_3H_8,C_2H_4$ và $C_3H_6$ thu được $11,2$ lít khí $CO_2$ và $12,6$ gam $H_2O$ . Tổng thể tích của $C_2H_4$ và $C_3H_6$ trong hỗn hợp $A$ là
A. $5,6$ B. $3,36$ C. $4,48$ D. $2,24$
Câu $4$ : Đốt cháy hoàn toàn $m$ gam hỗn hợp $X$ gồm $2$ hidrocacbon thuộc cùng dãy đồng đẳng cần dùng $6,16$ lít $O_2$ và thu được $3,36$ lít $CO_2$ . Giá trị của $m$ là
A. $2,3$ gam B. $23$ gam C. $3,2$ gam D. $32$ gam
Câu $5$ : Cracking $40$ lít n-Butan thu được $56$ lít hỗn hợp $A$ gồm $H_2,CH_4,C_2H_4,C_2H_6,C_3H_6,C_4H_8$ và một phần $C_4H_{10}$ chưa bị cracking ( các khí đo ở cùng điều kiện ). Giả sử chỉ có các pư tạo ra các sản phẩm trên . Hiệu suất phản ứng tạo hỗn hợp là
A. $40$% B. $20$% C. $80$% D. $60$%
Câu $6$ : Đốt cháy hoàn toàn $m$ gam hợp chất hữu cơ $A$. Sản phẩm thu được hấp thụ vào nước vôi trong dư thu được $4$ gam kết tủa. Lọc kết tủa cân lại bình thấy khối lượng bình nước vôi trong giảm $1,376$ gam. $A$ có CTPT là
A. $CH_4$ B. $C_5H_{12}$ C. $C_3H_8$ D. $C_4H_{10}$
Câu $7$ : Trộn $2$ thể tích bằng nhau của $C_3H_8$ và $O_2$ rồi bật tia lửa điện đốt cháy hỗn hợp . Sau phản ứng làm lạnh hỗn hợp ( để hơi nước ngưng tụ) rồi đưa về điều kiện ban đầu. Thể tích hỗn hợp sản phẩm khi ấy ($V_2$) so với thể tích hỗn hợp khí ban đầu ( $V_1$) là
A. $V_2 = V_1$ B. $V_2 > V_1$ C. $V_2 = 0,5V_1$ D. $V_2/V_1 = 7/10$
Câu $8$ : Đốt cháy hỗn hợp $X$ gồm $2$ hidrocacbon là đồng đẳng kế tiếp , sau phản ứng thu được $V_{CO_2} : V_{H_2O} = 1 : 1,6$ ( đo cùng đk) . $X$ gồm
A. $CH_4$ và $C_2H_6$ B. $C_2H_4$ và $C_3H_6$ C. $C_2H_2$ và $C_3H_6$ D. $C_3H_8$ và $C_4H_{10}$
Câu $9$ : Đốt cháy hoàn toàn hỗn hợp $X$ gồm $2$ hidrocacbon thuộc cùng dãy đồng đẳng rồi hấp thụ hết sản phẩm cháy vào bình đựng nước vôi trong dư thu được $25$ gam kết tủa và khối lượng nước vôi trong giảm $7,7$ gam . CTPT của $2$ hidrocacbon trong $X$ là
A. $CH_4$ và $C_2H_6$ B. $C_2H_6$ và $C_3H_8$ C. $C_3H_8$ và $C_4H_{10}$ D. $C_4H_{10}$ và $C_5H_{12}$
Câu $10$ : Khi cracking hoàn toàn $1$ ankan $X$ thu được hỗn hợp $Y$ ( các khí đo cùng điều kiện ), tỉ khối của $Y$ so với $H_2$ bằng $14,5$ .Công thức của $X$ là
A. $C_6H_{14}$ B. $C_3H_8$ C. $C_4H_{10}$ D. $C_5H_{12}$
Đáp án : $1C 2B 3D 4A 5A 6B 7C 8A 9B 10B$