Lý thuyết Ankan cơ bản đến nâng cao

Ankan là hợp chất hữu cơ gồm những chất quen thuộc như metan, etan, propan, butan… Nó liên quan đến các công thức và đồng phân của chúng, tính chất vật lý của chúng và giới thiệu về khả năng phản ứng hóa học của chúng.

Nội dung bài viết

Công thức hóa học ankan

Các ankan là họ hydrocacbon đơn giản nhất, các hợp chất chỉ chứa carbon và hidro. Chúng chỉ chứa các liên kết carbon-hydro và các liên kết đơn carbon-carbon.

6 hợp chất trong nhóm ankan đầu tiên gồm:

Metan CH₄
Etan C2H₆
Propan C₃H₈
Butan C₄H₁₀
Pentan C₅H₁₂
Hexan C₆H₁₄

Công thức tổng quát: C_nH_{2n + 2}(n ≥1)

Khái niệm đồng phân Ankan

Tất cả các ankan có từ 4 nguyên tử cacbon trở lên đều thể hiện tính đồng phân cấu trúc. Điều này có nghĩa là có hai hoặc nhiều công thức cấu trúc khác nhau mà bạn có thể vẽ cho mỗi công thức phân tử.

Ví dụ, C₄H₁₀ có thể là một trong hai phân tử khác nhau:

CH₃ –CH₂ – CH₂ –CH₃
CH₃ – CH –CH₃ –CH₃

Tên gọi tương ứng của 2 đồng phân trên là butan và 2-methylpropane.

Cycloankan (ankan vòng)

Xycloalkan chỉ chứa liên kết carbon-hydro và liên kết đơn carbon-carbon, nhưng lần này các nguyên tử carbon được nối lại thành một vòng. Xycloalkane nhỏ nhất là cyclopropane.

Nếu bạn đếm lượng cacbon và hidro, bạn sẽ thấy rằng chúng không còn phù hợp với công thức chung C_nH_{2n + 2}. Khi nối các nguyên tử carbon trong một vòng, bạn đã phải mất hai nguyên tử hydro.

Công thức tổng quát Cycloankan: C_nH_2n

Tính chất vật lý của Ankan

Điểm sôi và điểm nóng chảy

Khó xác định điểm nóng chảy và điểm sôi của chúng vì mỗi đồng phân có điểm nóng chảy và sôi khác nhau.

Trường hợp bạn có các đồng phân, chuỗi càng phân nhánh, điểm sôi càng thấp. Lực phân tán Van der Waals nhỏ hơn đối với các phân tử ngắn hơn và chỉ hoạt động trong khoảng cách rất ngắn giữa một phân tử và các lân cận. Khó khăn hơn cho các phân tử chất béo ngắn (có nhiều nhánh) nằm gần nhau như những phân tử dài.

Ví dụ: điểm sôi của ba đồng phân của C₅H₁₂ là:

Pentan 309.2 K
2-metylbutane 301.0 K
2, 2-dimethylpropane 282,6 K

Hòa tan trong nước

Các ankan hầu như không hòa tan trong nước, nhưng hòa tan trong dung môi hữu cơ. Các ankan lỏng là dung môi tốt cho nhiều liên kết cộng hóa trị khác.

Khi một chất phân tử hòa tan trong nước thì:

Phải phá vỡ các lực liên phân tử trong chất. Trong trường hợp của các ankan, đây là các lực phân tán Van der Waals.
Phá vỡ các lực liên phân tử trong nước để chất có thể vừa với các phân tử nước. Trong nước, các điểm hấp dẫn liên phân tử chính là liên kết hidro.

Tính chất hóa học của Ankan và Cycloankan

Các ankan chứa các liên kết đơn carbon-carbon mạnh và các liên kết carbon-hidro mạnh. Vì vậy chúng có thể thực hiện các loại phản ứng sau:

Phản ứng đốt cháy

Trong loại phản ứng này được chia thành 2 trường hợp là phản ứng đốt cháy hoàn toàn và không hoàn toàn.

Đốt cháy hoàn toàn

Đốt cháy hoàn toàn (được cung cấp đủ oxy) của bất kỳ hydrocarbon nào tạo ra carbon dioxide và nước.

Ví dụ phản ứng đốt cháy với propan (C₃H₈)

C₃H₈ + O2 → 3CO₂ + 4H₂O
Phản ứng vẫn tiếp tục: C₃H₈ + 5O2 → 3CO₂ + 4H₂O

Với butan (C₄H₁₀)

C₄H₁₀ + O2 → 4CO₂ + 5H₂O
2C₄H₁₀ + 13O2 → 8CO₂ + 10H₂O

Nếu quá trình đốt cháy hoàn tất, ankan sẽ cháy với ngọn lửa màu xanh. Tuy nhiên, quá trình đốt cháy có xu hướng ít hoàn thiện hơn khi số lượng nguyên tử carbon trong các phân tử tăng lên. Điều đó có nghĩa là hydrocarbon càng lớn, bạn càng có nhiều khả năng có được ngọn lửa màu vàng.

Đốt cháy không hoàn toàn

Quá trình đốt cháy không hoàn toàn (khi không có đủ oxy) có thể dẫn đến sự hình thành carbon hoặc carbon monoxide. Như một cách nghĩ đơn giản về nó, hidro trong hydrocarbon sẽ phản ứng đầu tiên với oxy.

Ví dụ: phản ứng đốt cháy không hoàn toàn khí meetan có các phương trình sau:

CH₄ + O₂ → CH₂O + H₂O (điều kiện nhiệt độ 300 độ C)
CH₄ + O → CO + H₂ ( điều kiện nhiệt độ 500 độ C và chất xúc tác niken)
CH₄ + O → C + H₂ ( điều kiện thiếu oxi)

Phản ứng với nhóm Halogen

Phản ứng giữa ankan và flo

Phản ứng này bùng nổ ngay cả khi trời lạnh và tối và sản phẩm là carbon và hidro florua.

Phương trình phản ứng: CH₄ + 2F₂ → C + 4HF

Phản ứng giữa ankan và iốt

Iốt không phản ứng với các ankan ở bất kỳ mức nhiệt độ hay có thêm chất xúc tác nào.

Các phản ứng giữa ankan và clo hoặc brom

Các phản ứng xảy ra với sự xuất hiện của ánh sáng cực tím. Đây là những phản ứng quang hóa, và xảy ra ở nhiệt độ phòng. Chúng ta sẽ xem xét các phản ứng với clo. Các phản ứng với brom tương tự, nhưng khá chậm.

Metan và clo

Phản ứng thay thế xảy ra trong đó các nguyên tử hidro trong metan được thay thế cùng một lúc bởi các nguyên tử clo. Bạn kết thúc với một hỗn hợp của chloromethane, dichloromethane, trichloromethane và tetrachloromethane.

CH₄ + Cl₂→ CH₃Cl + HCl
CH₃Cl + Cl₂ → CH₂Cl₂ + HCl
CH₂Cl₂ + Cl₂ → CHCl₃ + HCl
CHCl₃ + Cl₂ → CCl₄ + HCl

Ví dụ phản ứng với Brom

C₃H₆ + Br₂ → Br – CH₂ – CH₂ –CH₂ – Br

Phản ứng Cracking

Cracking là tên được đặt để phá vỡ các phân tử hydrocarbon lớn thành các phân tử nhỏ hơn và hữu ích hơn. Điều này đạt được bằng cách sử dụng áp suất và nhiệt độ cao mà không có chất xúc tác, hoặc nhiệt độ thấp hơn và áp suất khi có chất xúc tác.

Nguồn gốc của các phân tử hydrocarbon lớn thường là phần naphta hoặc sản phẩm dầu mỏ từ quá trình chưng cất phân đoạn của dầu thô. Các phân số này thu được từ quá trình chưng cất dưới dạng chất lỏng, nhưng được hóa hơi lại trước khi nứt.

Không có bất kỳ phản ứng duy nhất nào xảy ra trong cracker. Các phân tử hydrocarbon bị phá vỡ theo cách khá ngẫu nhiên để tạo ra hỗn hợp các hydrocacbon nhỏ hơn, một số trong đó có liên kết đôi carbon-carbon.

Một phản ứng có thể xảy ra liên quan đến hydrocarbon C₁₅H₃₂ có thể là:

C₁₅H₃₂→ C₂H₄ + C₃H₆ + C₈H₁₀

Cách điều chế ankan

1. Điều chế anken từ các Hydrocacbon không no

Các ankan có thể được điều chế bằng phản ứng hydro hóa các anken không no với sự có mặt của xúc tác là niken hoặc ở nhiệt độ 200oC đến 300oC.

Công thức tổng quát: R-CH-CH2 + H2 → R-CH2-CH3

Phương trình phản ứng: C₂H₄ + H₂ → C₂H₆

2. Điều chế ankan từ ankyl halogenua

Có thể điều chế ankan từ ankyl halogenua thông qua quá trình khử bằng kẽm và axit clohiđric loãng.

PT minh họa: C₂H₆Br₂ + 2Na → C₂H₆ + 2NaBr

3. Điều chế ankan từ axit cacboxylic

Các ankan có thể được điều chế từ axit cacboxylic thông qua việc loại bỏ khí cacbonic. Quá trình này được gọi là quá trình khử cacbon. Nó tạo ra ankan có nguyên tử cacbon nhỏ hơn nguyên tử cacbon có trong axit cacboxylic.

CH₃COONa + NaOH → CH₄ + Na₂CO₃

4. Từ cacbua kim loại

cacbua kim loại như cacbua nhôm (Al4C3 ) và cacbit beri (Be2C) phản ứng với nước tinh khiết tạo ra metan.

Al₄Cl3 + 12H₂O → 3CH₄ + 4Al(OH)₃

Trên đây là toàn bộ kiến thức cơ bản về ankan và Cycloankan.