TÍNH CHẤT HÓA HỌC, ĐIỀU CHẾ VÀ ỨNG DỤNG CỦA ANKAN

Cấu tạo của phân tử metan

* Nhận xét:

 - Cấu tạo của ankan chỉ có liên kết ${\displaystyle \sigma }$${\displaystyle }$${\displaystyle }$${\displaystyle }$ bền vững → Ankan tương đối trơ về mặt hóa học: Ở nhiệt độ thường chúng không phản ứng với axit, bazơ và chất oxi hóa mạnh (như ${\displaystyle K}$${\displaystyle }$${\displaystyle }$${\displaystyle \mathrm{<span\; style="font-family:times\; new\; roman,times,serif;">M</span>}}$${\displaystyle }$${\displaystyle \mathrm{<span\; style="font-size:22px;"><span\; style="font-family:times\; new\; roman,times,serif;">n</span></span>}}$${\displaystyle {\mathrm{<span\; style="color:\#000000;"><span\; style="font-size:22px;"><span\; style="font-family:times\; new\; roman,times,serif;">O₄</span></span></span>}}_{}}$). Vì thế ankan còn có tên là parafin, nghĩa là ít ái lực hóa học.

III. TÍNH CHẤT HOÁ 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

a. Metan tác dụng với clo/ánh sáng

* Nhận xét:

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

b. Đồng đẳng của metan 

- Propan tác dụng với clo (as, tỉ lệ 1:1) 

CH₃-CH₂-CH₃ + Cl₂ → CH₃-CH₂-CH₂Cl + HCl

                                                 43%

                                    → CH₃-CHCl-CH₃  + HCl

                                                  57%

- Propan tác dụng với brom (t⁰, tỉ lệ 1:1) 

CH₃-CH₂-CH₃ + Br₂ → CH₃-CH₂-CH₂Br + HBr

                                                 3%

                                    → CH₃-CHBr-CH₃  + HBr

                                                  97%

* Nhận xét:

 - Khả năng phản ứng: Cl₂ > Br₂ > I₂ và C_{bậc 3}> C_{bậc 2} > C_{bậc 1}. Sản phẩm chính là sản phẩm ưu tiên thế X vào H của C bậc cao (C có ít H hơn). C bậc a là C liên kết với a nguyên tử C khác.

 - 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^. + C_nH_2n+2 → C_nH_2n+1^. + HX

C_nH_2n+1^. + X₂ → C_nH_2n+1X + X^.

+ Tắt mạch:                                       

2X^. → X₂

X^. + C_nH_2n+1^. → C_nH_2n+1X

C_nH_2n+1^. + C_nH_2n+1^. → C_2nH_4n+2

2. Phản ứng xảy ra do tác dụng của nhiệt

a. Phản ứng tách H₂ (phản ứng đề hiđro hóa)

   CH₃-CH₂-CH₃ → CH₂=CH-CH₃ + H₂

Tổng quát 

      C_nH_2n+2 → C_nH_2n + H₂ (Fe, t⁰)

                                         Anken

* Lưu ý:

 - Chỉ những ankan trong phân tử có từ 2 nguyên tử C trở lên mới có khả năng tham gia phản ứng tách H₂.

 - Trong phản ứng tách H₂, 2 nguyên tử H gắn với 2 nguyên tử C nằm cạnh nhau tách ra cùng nhau và ưu tiên tách H ở C bậc cao. 

CH₃-CH(CH₃)-CH₂-CH₃ → CH₂=C(CH₃)-CH₂-CH₃  + H₂

                                              sản phẩm phụ                              

                                       →  CH3-C(CH₃)=CH-CH₃  + H₂

                                                sản phẩm chính

 - Một số trường hợp riêng khác:

CH₃-CH₂-CH₂-CH₃ → 2H₂ + CH₂=CH-CH=CH_2­

CH₃-CH(CH₃)-CH₂-CH₃ → CH₂=C(CH₃)-CH=CH₂ + 2H₂

n-C₆H₁₄ → 4H₂ + C₆H₆ (benzen)

n-C₇H₁₆ → 4H₂ + C₆H₅CH₃ (toluen)

b. Phản ứng phân hủy

- Phản ứng phân hủy bởi nhiệt:                           

CH4 → C + 2H₂ (t⁰)

c. Phản ứng crăcking (n≥ 3)

C₄H₁₀ → CH4  + C₃H₆ 

          → C₂H₄ + C₂H₆

Tổng quát

C_nH_2n+2 → C_xH_2x+2 + C_yH_2y (t⁰, p, xt)

* Lưu ý:

     + Ankan thẳng C_nH_2n+2 khi crăcking có thể xảy ra theo (n - 2) hướng khác nhau tạo ra 2(n-2) sản phẩm.

     + Nếu hiệu suất phản ứng crăcking là 100% và không có quá trình cracking thứ cấp thì tổng số mol sản phẩm tăng gấp đôi so với các chất tham gia nên KLPTTB giảm đi một nửa.

     + Số mol ankan sau phản ứng luôn bằng số mol ankan ban đầu dù quá trình cracking có nhiều giai đoạn.

3. Phản ứng cháy

  C_nH_2n+2 + (3n + 1)/2O₂ → nCO₂ + (n + 1)H₂O

- Đối với phản ứng cháy của ankan cần lưu ý 2 đặc điểm:

     + n_CO2 < n_H2O.

     + n_H2O - n_CO2 = n_{ankan bị đốt cháy}.

- Nếu đốt cháy 1 hiđrocacbon mà thu được n_CO2 < n_H2O thì  hiđrocacbon đem đốt cháy thuộc loại ankan.

- Nếu đốt cháy hỗn hợp hiđrocacbon cho n_CO2 < n_H2O thì trong hỗn hợp đốt cháy có chứa ít nhất 1 ankan.

* Lưu ý: Nếu ankan oxi hóa không hoàn toàn và có xúc tác thích hợp sẽ tạo ra sản phẩm hữu cơ như andehit, axit cacboxylic...

 Ví dụ: CH₄   +  O₂ →   HCHO + H₂O

IV. ĐIỀU CHẾ

 - Nhiệt phân muối Natri của axit cacboxylic (phản ứng vôi tôi xút): 

   CH₃COONa + NaOH → CH₄ + Na₂CO₃

 Tổng quát:

C_nH_2n+2-x(COONa)_x + xNaOH → C_nH_2n+2 + xNa₂CO₃ (CaO, t⁰)

 - Cộng hiđro vào hiđrocacbon không no hoặc vòng không bền:

C_nH_2n+2-2k + kH₂ → C­_nH_2n+2 (Ni, t⁰)

 - Riêng với CH₄ có thể dùng phản ứng:

Al₄C₃ + 12H₂O → 4Al(OH)₃ + 3CH₄

Al₄C₃ + 12HCl → 4AlCl₃ + 3CH₄

C + 2H₂ → CH₄ (xúc tác, t⁰)

 - Tách từ nguồn khí thiên nhiên.

V. ỨNG DỤNG

 - Dùng làm nhiên liệu (CH₄ dùng trong đèn xì để hàn, cắt kim loại).

 - Dùng làm dầu bôi trơn.

 - Dùng làm dung môi.

 - Để tổng hợp nhiều chất hữu cơ khác: CH₃Cl, CH₂Cl₂, CCl₄, CF₂Cl₂,…

 - Đặc biệt từ CH₄ điều chế được nhiều chất khác nhau: hỗn hợp CO + H₂, amoniac, CH ≡ CH, rượu metylic, anđehit fomic

Trung tâm luyện thi, gia sư - dạy kèm tại nhà NTIC Đà Nẵng