I- TÍNH CHẤT HÓA HỌCỞ phân tử ankan chỉ có các liên kết $C-C$ và $C-H$. Đó là các liên kết $\sigma$ bền vững, vì thế ankan tương đối trơ về mặt hóa học: Ở nhiệt độ thường chúng không phản ứng với axit, bazơ và chất oxi hóa mạnh (như $KMnO_4$). Vì thế ankan còn có tên là parafin, nghĩa là ít ái lực hóa học.
Dưới tác dụng của ánh sáng, xúc tác và nhiệt, ankan tham gia các phản ứng thế, phản ứng tách và phản ứng oxi hóa.
$1$. Phản ứng thế
Khi chiếu sáng hoặc đốt nóng hỗn hợp metan và clo sẽ xảy ra phản ứng thế lần lượt các nguyên tử hiđro bằng clo:
$CH_4+Cl_2\xrightarrow[{}]{{}} CH_3Cl+HCl$
metyl clorua (clometan)
$CH_3Cl+Cl_2 \xrightarrow[{}]{{}} CH_2Cl_2 +HCl$
metylen clorua (điclometan)
$CH_2Cl_2+Cl_2\xrightarrow[{}]{{}} CHCl_3+HCl$
clorofom (triclometan)
$CHCl_3+Cl_2 \xrightarrow[{}]{{}} CCl_4+HCl$
cacbon tetraclorua(tetraclometan)
Các đồng đẳng của metan cũng tham gia phản ứng thế tương tự metan. Thí dụ:
$CH_3-CH_2-CH_3\xrightarrow[{25^0C}]{{Cl_2,as}} CH_3-CHCl-CH_3+CH_3-CH_2-CH_2-Cl + HCl$
$2 - clopropan, 57\% 1-propan, 43\%$
$CH_3-CH_2-CH_3 \xrightarrow[{Br_2,as}]{{25^0C}} CH_3-CHBr-CH_3+CH_3-CH_2-CH_2-Br+HBr$
$97\% (chính) 3\% (phụ)$
Phản ứng thế $H$ bằng halogen thuộc loại phản ứng halogen hóa, sản phẩm hữu cơ có chứa halogen gọi là dẫn xuất halogen.
Clo thế $H$ ở cacbon bậc khác nhau Brom hầu như chỉ thế $H$ ở cacbon bậc cao. Flo phản ứng mãnh liệt nên phân hủy ankan thành $C$ và $HF$. Iot quá yếu nên không phản ứng với ankan.
Cơ chế phản ứng halogen hóa ankan
Phản ứng clo hóa và brom hóa ankan xảy ra theo cơ chế gốc - dây chuyền.
Bước khơi mào:
Bước phát triển dây chuyền:
.......
$(1)$: Phân tử clo hấp thụ ánh sáng bị phân cắt đồng li thành $2$ nguyên tử clo.
$(2)$: Nguyên tử clo là một gốc tự do hoạt động, nó ngắt lấy nguyên tử $H$ từ $CH_4$ tạo ra $HCl$ và gốc tự do $_{}^{.}\textrm {}$$CH_3$ .
$(3)$: Gốc $_{}^{.}\textrm {}$$CH_3$ không bền, nó tách lấy nguyên tử $Cl$ từ $Cl_2$ để trở thành $CH_3Cl$ bền hơn. Nguyên tử $Cl^.$ mới sinh ra ở phản ứng $(3)$ lại tác dụng với $CH_4$ làm cho phản ứng $(2)$ và $(3)$ lặp đi lặp lại tới hàng chục ngàn lần như một dây chuyền.
$(4)(5)(6)$: Các gốc tự do kết hợp với nhau thành các phân tử bền hơn
$2$. Phản ứng tách (gãy liên kết $C-C$ và $C-H$)
Nhận xét: Dưới tác dụng của nhiệt và xúc tác ($Cr_2O_3, Fe, Pt, ...$) các ankan không những bị tách hiđro tạo thành hiđrocacbon không no mà còn bị gãy các liên kết $C-C$ tạo ra các phân tử nhỏ hơn.
$3$. Phản ứng oxi hóa
* Khi đốt, các ankan bị cháy tạo ra $CO_2, H_2O$ và tỏa nhiều nhiệt:
$$CH_4+2O_2 \xrightarrow[{}]{{}} CO_2 +2H_2O; \Delta H = -890kJ$$
$$C_nH_ {2n+2} + \frac{3n+1}{2}O_2 \xrightarrow[{}]{{}} nCO_2 + (n+1)H_2O $$
Các ankan đầu dãy đồng đẳng rất dễ cháy, tỏa nhiều nhiệt. Khí $CO_2$, hơi nước và nhiệt tạo ra nhanh nên có thể gây nổ.
Nếu không đủ oxi, ankan bị cháy không hoàn toàn, khi đó ngoài $CO_2$ và $H_2O$ còn tạo ra các sản phẩm như $CO$, muội than, không những làm giảm năng suất tỏa nhiệt mà còn gây độc hại cho môi trường.
Khi có xúc tác, nhiệt độ thích hợp, ankan bị oxi hóa không hoàn toàn tạo thành dẫn xuất chứa oxi, thí dụ:
$$CH_4+O_2 \xrightarrow[{}]{{t^0, xt}} HCH=O + H_2O $$
II - ĐIỀU CHẾ VÀ ỨNG DỤNG$1$. Điều chế
a) Trong công nghiệp
Metan và các đồng đẳng được tách từ khí thiên nhiên và dầu mỏ (xem bài Dầu mỏ).
b) Trong phòng thí nghiệm
Khi cần một lượng nhỏ metan, người ta nung natri axetat với vôi tôi xút, hoặc có thể cho nhôm cacbua tác dụng với nước:
$$CH_3COONa (r) + NaOH (r)\xrightarrow[{nung}]{{(CaO)}} CH_4 \uparrow + 4 Al(OH)_3$$
$$Al_4C_3+12H_2O\xrightarrow[{}]{{}} 3CH_4\uparrow +4Al(OH)_3$$
$2$. Ứng dụngLàm nhiên liệu, vật liệu $\leftarrow $ ANKAN $\xrightarrow[{}]{{}} $ Làm nguyên liệu.