Toán đốt cháy Hidrocacbon
– Công thức tổng quát của một hiđrocabon (HC): CxHy (x, y nguyên dương) hoặc
CnH2n + 2 -2k với k là số liên kết π và vòng trong hiđrocabon.
– Công thức tính số π + v: π + v =
– Phương trình đốt cháy:
– Dựa vào số mol CO2 và H2O sau phản ứng ta có thể xác định được loại hợp chất.
– Các định luật bảo toàn thường sử dụng:
+ Bảo toàn khối lượng:
+ Bảo toàn nguyên tố:
– Đối với các bài toán đốt cháy hỗn hợp 2 hiđrocabon thì:
Lưu ý: Khi số C trung bình là số nguyên (bằng trung bình cộng của 2 số nguyên tử C) thì số mol 2 chất bằng nhau.
– Bài toán sử dụng hỗn hợp sản phẩm để tiếp tục cho tham gia phản ứng:
+ Dẫn sản phẩm cháy qua bình (1) đựng P2O5, H2SO4 đặc, CaO, muối khan,…. rồi dẫn qua bình 2 đựng dung dịch bazơ như NaOH, Ca(OH)2,…
mbình 1 tăng = mH2O (hấp thụ nước)
mbình 2 tăng = mCO2 (hấp thụ CO2).
+ Dẫn toàn bộ sản phẩm cháy đi qua bình đựng dung dịch bazơ như NaOH, Ca(OH)2,…
mbình tăng = mCO2 + mH20 (hấp thụ cả CO2 và nước).
+ Khối lượng dung dịch tăng: m dd tăng = mCO2 + mH20 – m kết tủa .
+ Khối lượng dung dịch giảm: m dd giảm = m kết tủa – (mCO2 + mH20 ).
+ Lọc bỏ kết tủa, đung nóng dung dịch lại thu được kết tủa nữa:
PT:
Tính số đồng phân Hidrocacbon
Đồng phân ankan
– CTTQ: CnH2n+2 (n ≥ 1)
– Ankan chỉ có đồng phân mạch cacbon và từ C4 trở đi mới có đồng phân.
– Công thức tính nhanh:
Đồng phân anken
– CTTQ: CnH2n (n ≥ 2).
– Anken có đồng phân mạch C, đồng phân vị trí nối đôi và đồng phân hình học.
– Mẹo tính nhanh đồng phân anken:
Xét 2C mang nối đôi, mỗi C sẽ liên kết với 2 nhóm thế (giống hoặc khác nhau).
Ví dụ với C4H8: Trừ đi 2C mang nối đôi sẽ còn 2C và H nhóm thế.
Nếu đề bài yêu cầu tính đồng phân cấu tạo sẽ là: 1+1+1=3 đồng phân. Nếu yêu cầu tính đồng phân (bao gồm đồng phân hình học) sẽ là 1+1+2=4 đồng phân.
Đồng phân ankin
– CTTQ: CnH2n-2 (n ≥ 2).
– Ankin có đồng phân mạch C, đồng phân vị trí nối ba và không có đồng phân hình học.
– Mẹo tính nhanh đồng phân ankin:
Xét 2C mang nối ba, mỗi C sẽ liên kết với 1 nhóm thế (giống hoặc khác nhau).
Ví dụ với C4H6: Trừ đi 2C mang nối ba sẽ còn 2C và H là nhóm thế.
Ta có 2 đồng phân ankin.
Đồng phân benzen
– CTTQ: CnH2n-6 (n ≥ 6).
Công thức tính số đồng phân:
Đồng phân ancol
– CTTQ của ancol no, đơn chức, mạch hở: CnH2n+1OH hay CnH2n+2O (n ≥ 1).
– Ancol có đồng phân mạch C và đồng phân vị trí nhóm OH.
– Công thức tính số đồng phân:
Đồng phân ete:
– CTTQ của ete no, đơn chức, mạch hở: CnH2n+2O (n ≥ 2).
– Công thức tính số đồng phân: (2<n<5)
Đồng phân phenol:
– CTTQ: CnH2n-6O (n ≥ 6)
– Công thức tính nhanh:
Đồng phân anđehit
– CTTQ của anđehit no, đơn chức, mạch hở: CnH2nO (n ≥ 1). Trong phân tử chứa một nối đôi ở nhóm chức CHO.
– Công thức tính nhanh:
Đồng phân xeton
– CTTQ của xeton no, đơn chức, mạch hở: CnH2nO (n ≥ 3). Trong phân tử chứ một nối đôi ở nhóm chức CO.
– Công thức tính số đồng phân:
Đồng phân axit
– CTTQ của axit no, đơn chức, mạch hở: CnH2nO2 (n ≥ 1). Trong phân tử chứa một nối đôi ở nhóm chức COOH.
– Công thức tính số đồng phân:
Phản ứng thế Halogen
– Đây là phản ứng đặc trưng của ankan.
1. Dẫn xuất monohalogen:
– Ankan + Halogen tỉ lệ 1 : 1 thu được dẫn xuất monohalogen.
– Yêu cầu của đề: xác định công thức ankan
Kết hợp với dữ kiện đề cho, tìm n.
– Sau khi xác định được CTPT, dựa vào số lượng sản phẩm thế để tìm CTCT của ankan. Khi phản ứng với halogen cho sản phẩm duy nhất, ankan sẽ là ankan đối xứng.
Dẫn xuất đi, tri…halogen:
– Ankan + Halogen tỉ lệ 1 : 2, 1 : 3, …
– Yêu cầu của đề: xác định công thức của dẫn xuất halogen.
– Dữ kiện: đề bài sẽ cho %C, %H, hay %Halogen và CTPT của ankan.
– PT:
Xác định x.
Phản ứng cracking
– Phương trình:
– Từ ankan đầu, sau phản ứng có thể thu nhiều chất sản phẩm.
– Khối lượng hỗn hợp trước và sau phản ứng không đổi:
– Bảo toàn nguyên tố C và H: Khi đề bài cho đốt cháy hỗn hợp sau phản ứng ta qui về đốt cháy hỗn hợp trước phản ứng (một chất sẽ đơn giản hơn nhiều chất).
(Các công thức liên quan đến số mol ta có thể thay thế bằng thể tích).
Các công thức hoá học lớp 11: Phản ứng cộng
– Phản ứng cộng phá vỡ liên kết π. Liên kết π là liên kết kết kém bền, nên chúng dễ bị đứt ra để tạo thành liên kết các nguyên tử khác.
1. Cộng H2:
– Chất xúc tác như: Ni, Pt, Pd, ở nhiệt độ thích hợp.
– Sơ đồ:
Với k là số liên kết π trong phân tử, 1π sẽ cộng với 1H2.
– Tùy vào hiệu suất và tỉ lệ của phản ứng mà hỗn hợp Y có thể còn hiđrocacbon không no dư hoặc hiđro dư hoặc cả hai còn dư.
– Trong phản ứng cộng H2, số mol khí sau phản ứng luôn giảm (nY < nX) và
– Hỗn hợp X và Y chỉ thay đổi về chất nhưng vẫn bảo toàn H và C, nên thay vì đốt cháy Y ta có thể đốt cháy X. Sử dụng định luật bảo toàn nguyên tố như bài toán đốt cháy.
b) Xét hiđrocacbon X là anken:
– Sơ đồ:
2. Cộng brom:
– Phương trình:
Bài tập về phản ứng của ankin có liên kết ba đầu mạch với dung dịch AgNO3/NH3
– Phản ứng xảy ra chỉ với ankin có nối ba đầu mạch (ank – 1 – in).
– PTTQ:
Đại cương hoá hữu cơ
Đặc điểm, phân loại:
– Định nghĩa: Hợp chất hữu cơ là hợp chất của cacbon trừ các hợp chất đơn giản như CO, CO2, các muối cacbonat, các hợp chất xianua.
– Đặc điểm:
+ Phải có cacbon, thường có hiđro, hay gặp oxi và nitơ, sau đó đến các halogen, lưu huỳnh, photpho…
+ Liên kết hoá học chủ yếu: cộng hoá trị.
+ Dễ bay hơi, kém bền nhiệt, dễ cháy hơn các hợp chất vô cơ.
+ Các phản ứng thường diễn ra chậm và không hoàn toàn, không theo một hướng nhất định.
+ Số lượng các hợp chất hữu cơ khoảng 10 triệu chất, so với các chất vô cơ chỉ có khoảng 100.000 chất.
– Phân loại:
+ Hiđrocacbon: hiđrocacbon no (chỉ có liên kết đơn)
hiđrocacbon không no (có cả liên kết đơn và các liên kết đôi, ba)
hiđrocacbon thơm (trong phân tử có vòng benzen).
+ Dẫn xuất hiđrocacbon: ancol, phenol, ete
dẫn xuất halogen
anđehit – xeton
axit, este,…
– Thành phần nguyên tố và công thức phân tử:
+ Công thức tổng quát (CTTQ): cho biết thành phần định tính các nguyên tố.
Ví dụ: CxHyOz cho biết chất hữu cơ đó cho chứa ba nguyên tố C, H và O.
+ Công thức đơn giản nhất (CTĐGN): cho biết tỷ lệ về số lượng các nguyên tử trong phân tử.
Ví dụ: CH2O nghĩa là trong phân tử, tỉ lệ C : H : O = 1: 2 :1.
+ Công thức phân tử (CTPT): cho biết số lượng nguyên tử của mỗi nguyên tố trong phân tử.
Ví dụ: Với CTĐGN là CH2O thì CTPT là (CH2O)n khi n = 2 ta có C2H4O2.
Để xác định được công thức phân tử cần biết thành phần các nguyên tố và khối lượng mol phân tử của nó.
– Phân tích định tính và định lượng các nguyên tố:
– Xác định khối lượng mol phân tử:
+ Dựa vào tỉ khối so với không khí hoặc so với H2:
MA = 29.dA/KK hoặc MA = 2.dA/H2
+ Các chất khó, hoặc không bay hơi: xác định bằng phương pháp nghiệm lạnh hay nghiệm sôi.
Cấu tạo phân tử hợp chất hữu cơ
– Công thức cấu tạo:
– Thuyết cấu tạo hoá học:
+ Trong phân tử chất hữu cơ, các nguyên tử liên kết với nhau theo đúng hoá trị và theo một thứ tự nhất định. Thứ tự liên kết đó được gọi là cấu tạo hoá học.
Sự thay đổi thứ tự tự liên kết đó sẽ tạo ra chất mới.
+ Trong phân tử chất hữu cơ, cacbon có hoá trị 4. Những nguyên tử cacbon kết hợp với các nguyên tử của các nguyên tố và kết hợp trực tiếp với nhau tạo thành những mạch cacbon khác nhau (mạch thẳng, nhánh hoặc vòng).
+ Tính chất của các chất phụ thuộc vào thành phần phân tử (bản chất và số lượng các nguyên tử) và cấu tạo hoá học (thứ tự liên kết của các nguyên tử).
Đồng đẳng và đồng phân
– Đồng đẳng: các chất có tính chất hoá học tương tự nhau nhưng hơn kém nhau một hoặc nhiều nhóm -CH2.
Ví dụ: metan CH4, etan C2H6, propan C3H8 là các chất đồng đẳng của nhau.
– Đồng phân: các chất có cùng công thức phân tử nhưng khác về cấu tạo hoá học.
Ví dụ: Cùng công thức là C2H6O, có 2 công thức cấu tạo là:
CH3 – CH2 – OH (ancol etylic) và CH3 – O – CH3 (đimetyl ete).
Liên kết hoá học trong hợp chất hữu cơ
– Các chất hữu cơ có thể có các liên kết đơn, liên kết đôi hay liên kết ba.
– Liên kết hiđro là loại liên kết yếu, tạo nên giữa nguyên tử hiđro linh động và nguyên tử có độ âm điện cao. Loại liên kết này ảnh hưởng lớn đến độ tan trong nước, đến nhiệt độ sôi, nhiệt độ nóng chảy của nhiều chất.
Phản ứng hoá hữu cơ
Tổng hợp lý thuyết hoá hữu cơ: Hiđrocacbon
Hiđrocacbon là những hợp chất hữu cơ gồm hai nguyên tố là cacbon và hiđro.
1. Ankan:
– Dãy đồng đẳng ankan (parafin): Công thức tổng quát: CnH2n + 2 ( n ≥ 1).
Ví dụ: CH4, C2H6, C3H8, ….
– Đồng phân: chỉ có đồng phân mạch C (mạch thẳng, mạch nhánh).
Cách viết đồng phân:
+ Viết mạch C thẳng. Ta được 1 đồng phân mạch thẳng.
+ Giảm 1 C làm nhánh, xét tính đối xứng để gắn C vào nhánh. Khi số C làm nhánh bằng số C mạch chính thì dừng.
+ Điền H để có đồng phân hoàn chỉnh.
– Công thức tính nhanh: 3 < n < 7
– Gọi tên:
+ Chọn mạch chính: là mạch dài nhất, nhiều nhánh nhất.
+ Đánh số: từ phía C gần nhánh nhất.
+ Tên: Số chỉ vị trí nhánh – Tên nhánh + Tên mạch chính + an.
– Tính chất vật lí:
+ Nhẹ hơn nước, hầu như không tan trong nước, tan nhiều trong dung môi hữu cơ.
+ C1 → C4 là khí, các ankan tiếp theo là lỏng, C18 trở đi là rắn.
– Đặc điểm: Chỉ gồm các liên kết đơn.
– Tính chất hoá học:
+ Phản ứng đặc trưng của ankan là phản ứng thế.
Nguyên tử C trong ankan bị thay thế bởi nguyên tố halogen khi chiếu sáng hoặc đun nóng và ưu tiên thế vào H ở C bậc cao.
+ Phản ứng tách: Dưới nhiệt độ và xúc tác thích hợp, ankan có phân tử khối nhỏ bị tách thành các anken tương ứng.
+ Phản ứng đốt cháy:
+ Trong công nghiệp: chưng cất phân đoạn dầu mỏ, ta thu được ankan.
– Ứng dụng:
Anken
– Dãy đồng đẳng anken (olefin): Công thức tổng quát CnH2n ( n ≥ 2).
– Đồng phân: Anken có đồng phân cấu tạo (mạch C và vị trí nối đôi) và đồng phân hình học.
+ Đồng phân cấu tạo:
Cách viết đồng phân: Viết mạch C thẳng. Xét tính đối xứng để đặt liên kết đôi. Ta được các đồng phân mạch thẳng.
Giảm 1 C làm nhánh, xét tính đối xứng để gắn C nhánh và nối đôi, kiểm tra hoá trị C. Khi số C làm nhánh bằng số C mạch chính thì dừng.
Điền H để có đồng phân hoàn chỉnh.
Khi 2 nhóm thế của nguyên tử C mang nối đôi khác nhau thì sẽ xuất hiện đồng phân hình học. Nếu các nhóm thế ( -CH3, -C2H5, -Cl,…) có phân tử khối lớn hơn nằm về cùng một phía với nối đôi sẽ là dạng cis, khác phía là dạng trans.
– Danh pháp:
+ Chọn mạch chính: là mạch dài nhất, chứa nối đôi, nhiều nhánh nhất.
+ Đánh số: từ phía gần nối đôi nhất.
+ Tên: Số chỉ vị trí nhánh – Tên nhánh + Tên mạch chính – số chỉ vị trí nối đôi – en.
– Đặc điểm cấu tạo: Phân tử có một liên kết đôi, trong đó có một liên kết π và một liên kết σ.
– Tính chất vật lí:
+ Nhẹ hơn nước, không tan trong nước.
+ C2 → C4 là khí, C5 trở đi là lỏng hoặc rắn.
+ Khi M tăng, nhiệt độ nóng chảy, nhiệt độ sôi và khối lượng riêng tăng dần.
– Tính chất hoá học của anken:
+ Phản ứng đặc là phản ứng cộng (vì có liên kết π kém bền, dễ bị phá huỷ):
Anken cộng H2 sinh ra ankan tương ứng; cộng với halogen hay hợp chất halogen sinh ra dẫn xuất halogen; cộng với nước sinh ra ancol tương ứng.
Quy tắc Macconhicop: Khi cộng hợp chất không đối xứng HX (HCl, HBr, H2O), H ưu tiên gắn vào C bậc thấp, còn X ưu tiên gắn vào C bậc cao.
+ Phản ứng trùng hợp:
– Ứng dụng:
Ankađien
– Ankađien là hiddrocacbon mạch hở, trong phân tử có 2 nối đôi.
– Công thức tổng quát: CnH2n – 2 (n ≥ 3)
– Phân loại: Ankađien có 2 nối đôi liên tiếp nhau, ankađien có 2 nối đôi cách một nối đơn (ankađien liên hợp, ứng dụng nhiều nhất), ankađien có 2 nối đôi cách nhau nhiều nối đôi….
– Tính chất hoá học: Ankađien có tính chất hoá học tương tự anken.
Ankin
Ankin là những hiđrocacbon mạch hở, trong phân tử chứa một nối ba.
– Công thức tổng quát: CnH2n – 2 , ( n ≥ 2).
– Đồng phân: Ankin có đồng phân mạch C và đồng phân vị trí nối ba, không có đồng phân hình học.
Cách viết đồng phân:
+ Viết mạch C thẳng. Xét tính đối xứng của mạch C để đặt liên kết ba. Ta được đồng phân mạch thẳng.
+ Giảm 1 C làm nhánh, xét tính đối xứng để gắn C nhánh và nối ba, kiểm tra hoá trị C. Khi số C làm nhánh bằng số C mạch chính thì dừng.
+ Điền H để có đồng phân hoàn chỉnh.
– Danh pháp:
Gọi tên:
+ Chọn mạch chính: là mạch dài nhất, chứa nối ba, nhiều nhánh nhất.
+ Đánh số: từ phía gần nối ba nhất.
+ Tên: Số chỉ vị trí nhánh – Tên nhánh + Tên mạch chính – số chỉ vị trí nối ba – in.
– Tên thông thường:
– Ứng dụng:
Dãy đồng đẳng benzen
Đồng đẳng benzen là những hiđrocacbon thơm, trong phân tử chứa một vòng benzen.
– CTTQ: CnH2n-6 (n ≥ 6).
– Viết đồng phân: Đồng đẳng benzen có đồng phân về vị trí nhóm ankyl trên vòng và cấu tạo mạch C của nhánh.
+ Vòng benzen là mạch chính.
+ 6 vị trí C trên vòng chính là 6 vị trí để gắn nhánh.
+ Nếu số C của nhánh từ 3 trở lên sẽ có đồng phân cấu tạo mạch C của nhánh.
– Tên gọi: Tên nhóm ankyl + benzen.
+ Đánh số sao cho chỉ số nhánh nhỏ nhất.
+ Nếu 2 nhóm thế ở vị trí 1,2 với nhau, ta gọi là ortho- (o-).
+ Nếu 2 nhóm thế ở vị trí 1,3 với nhau, ta gọi là meta- (m-).
+ Nếu 2 nhóm thế ở vị trí 1,4 với nhau, ta gọi là para- (p-).
– Đặc điểm cấu tạo: Vòng benzen rất bền vững vì có 3 liên kết đơn xen kẽ 3 liên kết đôi.
– Tính chất hoá học:
Bài tập về Ankan
Bài 1 trang 115 SGK Hóa 11: Thế nào là hidrocacbon no, ankan, xicloankan?
* Lời giải bài 1 trang 115 SGK Hóa 11:
– Hiđrocacbon no là hiđrocacbon mà trong phân tử chỉ có liên kết đơn. hiđrocacbon no được chia thành hai loại:
+ Ankan (hay parafin) là những hiđrocacbon no không có mạch vòng.
+ Xicloankan là những hiđrocacbon no có mạch vòng.
– Hiđrocacbon no là nguồn nhiên liệu chính và là nguồn nguyên liệu quan trọng ngành công nhiệp hóa học.
Bài 2 trang 115 SGK Hóa 11: Viết công thức phân tử của các hidrocacbon tương ứng với các gốc ankyl sau: -CH3 ; -C3H7; -C6H13
* Lời giải bài 2 trang 115 SGK Hóa 11:
– Gốc Ankan và công thức phân tử hidrocacbon tương ướng:
Bài 3 trang 115 SGK Hóa 11: Viết các phương trình hóa học của các phản ứng sau:
a) Propan tác dụng với clo (theo tỉ lệ 1:1) khi chiếu sáng.
b) Tách một phân tử hidro từ phân tử propan.
c) Đốt cháy hexan.
* Lời giải bài 3 trang 115 SGK Hóa 11:
a)
b)
c)
Bài 4 trang 116 SGK Hóa 11: Các hidrocacbon no được dùng làm nhiên liệu do nguyên nhân nào sau đây?
A. Hiđrocacbon no có phản ứng thế .
B. Hiđrocacbon no có nhiều trong tự nhiên.
C. Hiđrocacbon no là chất nhẹ hơn nước.
D. Hiđrocacbon no cháy tỏa nhiều nhiệt và có nhiều trong tự nhiên
* Lời giải bài 4 trang 116 SGK Hóa 11:
– Đáp án: D. Hiđrocacbon no cháy tỏa nhiều nhiệt và có nhiều trong tự nhiên
Bài 5 trang 116 SGK Hóa 11: Hãy giải thích:
a) Tại sao không được để các bình chứa xăng, dầu (gồm các ankan) gần lửa, trong khi đó người ta có thể nấu chảy nhựa đường để làm giao thông.
b) Không dùng nước để dập các đám cháy xăng, dầu mà phải dùng cát hoặc bình chứa khí cacbonic.
* Lời giải Bài 5 trang 116 SGK Hóa 11:
a) Không được để các bình chứa xăng, dầu (gồm các ankan) gần lửu là vì: xăng dầu gồm các ankan mạch ngắn, dễ bay hơi, nên dễ bắt lửa. Nhưng người ta có thể nấu chảy nhựa đường( trong thành phần cùng có các ankan) để làm đường giao thông vì nhựa đường gồm các ankan có mạch cacbon rất lớn, khó bay hơi và kém bắt lửa.
b) Không dùng nước để dập các đám cháy xăng, dầu mà phải dùng cát hoặc các bình chứa khí cacbonic là vi: xăng, dầu nhẹ hơn nước; khi dùng nước thì xăng, dầu sẽ nổi lên trên mặt nước, làm cho đám cháy cháy to hơn. Còn khi sử dụng cát hoặc bình chứa khí cacbonic thì sẽ ngăn cản xăng, dầu tiếp xúc với oxi không khí là cho đám cháy bị dập tắt.
Bài 6 trang 116 SGK Hóa 11: Công thức cấu tạo ứng với tên gọi nào sau đây?
A. Neopentan
B. 2-metylpentan
C. Isobutan
D. 1,1-đimetylbutan
* Lời giải bài 6 trang 116 SGK Hóa 11:
– Đáp án: B. 2-metylpentan
Bài 7 trang 116 SGK Hóa 11: Khi đốt cháy hoàn toàn 3,6g ankan X thu được 5,6 lít khí CO2(đktc). Công thức phân tử của X là:
A. C3H8 ; B. C5H10
C. C5H12 ; D. C4H10
* Lời giải bài 7 trang 116 SGK Hóa 11:
– Gọi công thức phân tử của ankan cần tìm là CnH2n+2
– Theo bài ra, ta có: ;
Theo PTPƯ thì: đốt cháy 1 mol CnH2n+2 thu được n mol CO2
Theo bài ra thì: đốt cháy 0,05 mol CnH2n+2 thu được 0,25 mol CO2 nên:
⇒ Vậy đáp án đúng là: C. C5H12
BÀI TẬP VẬN DỤNG
Bài 1.
Viết công thức cấu tạo của các hợp chất sau:
a. C2H6
b. C3H8
c. C4H10
d. C5H12
e. C6H14
Bài 2. Chọn đáp án đúng:
Số công thức cấu tạo của C4H10 là:
A. 1
B. 2
C. 3
D. 4
Bài 3. Số công thức cấu tạo của C5H12 là:
A. 2
B. 3
C. 4
D. 5
ĐÁP SỐ
Bài 1.
a. 1
b. 1
c. 2
d. 3
e. 5
Bài 2.
Đáp án B
Bài 3.
Đáp án B
Ankan
Ankan (tiếng Anh: alkane /ˈæl.keɪn/) trong hóa hữu cơ là hydrocacbon no không tạo mạch vòng. Điều đó có nghĩa là chúng là các hydrocarbon không tạo mạch vòng, trong đó mỗi phân tử chứa số nguyên tử hiđrô cực đại và không chứa các liên kết đôi.
Ankan còn được biết đến như là parafin, hoặc nói một cách tổng thể là dãy parafin; tuy nhiên các thuật ngữ này chỉ được sử dụng để chỉ tới các ankan mà các nguyên tử cacbon của nó tạo thành mạch đơn không phân nhánh; trong trường hợp đó, các ankan mạch nhánh được gọi là isoparafin.
Công thức tổng quát của ankan là CnH2n+2 (với n là số nguyên dương); do đó ankan đơn giản nhất là mêtan, CH4. Tiếp theo là êtan, C2H6; dãy này có thể kéo dài vô tận. Mỗi một nguyên tử cacbon trong ankan có cặp lai quỹ đạo sp3.
Đồng phân
Các nguyên tử cacbon trong các ankan (có chứa hơn 3 nguyên tử cacbon) có thể sắp xếp theo nhiều cách khác nhau, tạo ra các đồng phân khác nhau. Ankan “thông thường” có cấu trúc thẳng, không phân nhánh. Số lượng các đồng phân tăng nhanh theo số lượng nguyên tử cacbon; đối với các ankan có từ 1 đến 12 nguyên tử cacbon thì số các đồng phân lần lượt là 1, 1, 1, 2, 3, 5, 9, 18, 35, 75, 159, 355.
Danh pháp khoa học
Trong tiếng Việt, tên gọi của các ankan kết thúc bằng -an.
Các ankan với mạch cacbon không phân nhánh
Mười phân tử đầu tiên của dãy (theo số lượng nguyên tử cacbon) được đặt tên như sau:
metan, CH4etan, C2H6propan, C3H8butan, C4H10pentan, C5H12hexan, C6H14heptan, C7H16octan, C8H18nonan, C9H20đecan, C10H22
Một ankan mạch thẳngWikimedia Commons có thêm hình ảnh và phương tiện truyền tải về Ankan mạch thẳng.Các ankan chứa 5 hoặc nhiều hơn nguyên tử cacbon được đặt tên bằng cách bổ sung thêm hậu tố -an vào quy ước chính xác của IUPAC để đọc các số. Do đó, pentan, C5H12; hexan, C6H14; heptan, C7H16; octan, C8H18; etc. Để có danh sách hoàn chỉnh hơn, xem Danh sách các ankan.
Các ankan mạch không phân nhánh đôi khi được bổ sung thêm tiền tố n- (ám chỉ thông thường) để phân biệt chúng với các ankan mạch nhánh có cùng số nguyên tử cacbon. Mặc dù nó không phải là cần thiết một cách tuyệt đối, nhưng việc sử dụng nó vẫn là phổ biến trong các trường hợp mà ở đó có sự khác biệt quan trọng về thuộc tính giữa ankan mạch không phân nhánh và các đồng phân mạch nhánh: ví dụ n-hexan là một chất độc đối với hệ thần kinh trong khi các đồng phân mạch nhánh của nó thì lại không phải.
Các ankan mạch nhánh
Các ankan mạch nhánh được đặt tên như sau:
Xác định mạch các nguyên tử cacbon dài nhất.Đánh số các nguyên tử cacbon trong mạch này, bắt đầu từ 1 tại đầu gần nhánh hơn và tiếp tục đếm cho đến khi gặp nguyên tử cacbon cuối cùng của mạch đó ở đầu kia.Kiểm tra các nhóm đính vào mạch theo trật tự và tạo ra tên gọi cho chúng.Tạo ra tên bằng cách nhìn vào các nhóm đính vào khác nhau, và viết tên của chúng cho từng nhóm, theo trật tự sau:Số hay các số của nguyên tử cacbon, hay các nguyên tử, mà ở đó nó đính vào.Các tiền tố di-, tri-, tetra- v.v nếu nhóm đính vào 2, 3, 4 v.v vị trí trong mạch, hoặc không có gì nếu nó được đính vào chỉ một chỗ duy nhất.Tên của nhóm đính vào.Việc tạo ra tên gọi được kết thúc khi đã viết xong tên gọi của mạch cacbon dài nhất.Để thực hiện thuật toán này, người ta cần phải biết các nhóm thay thế được gọi như thế nào. Điều này được thực hiện bằng cùng một cách, ngoại trừ là thay vì sử dụng mạch cacbon dài nhất thì người ta sử dụng mạch dài nhất bắt đầu từ điểm đính vào; ngoài ra, việc đánh số được thực hiện sao cho nguyên tử cacbon tiếp theo điểm đính vào có giá trị số bằng 1.
Ví dụ, hợp chất (CH3)3-CH là ankan chứa 4 nguyên tử cacbon duy nhất có thể có tính chất khác với butan CH3-CH2-CH2-CH3. Tên gọi hình thức của nó là 2-metylpropan.
Tuy nhiên, pentan có hai đồng phân mạch nhánh ngoài dạng mạch thẳng thông thường là: (CH3)4-C hay 2,2-đimetylpropan và (CH3)2-CH-CH2-CH3 hay 2-metylbutan.
Tên gọi thông thường
Các tên gọi ngoài hệ thống vẫn được duy trì trong hệ thống của IUPAC:
isobutan cho 2-metylpropanisopentan cho 2-metylbutanneopentan cho 2,2-đimetylpropanTên gọi isooctan được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp hóa dầu để chỉ 2,2,4-trimetylpentan.
Sự phổ biến
Ankan có cả trên Trái Đất và trong hệ Mặt Trời, tuy nhiên chỉ có một tỷ lệ không lớn và chủ yếu chỉ ở dạng “có dấu vết”. Các hydrocacbon nhẹ, đặc biệt là metan và etan là một phần quan trọng của các thiên thể khác: ví dụ, chúng được tìm thấy trong đuôi của sao chổi Hyakutake và trong một số thiên thạch chẳng hạn như các loại chondrit cacbon. Chúng cũng tạo thành một phần quan trọng của bầu khí quyển của các hành tinh khí ngoài xa của hệ Mặt Trời như Mộc Tinh, Thổ Tinh, Thiên Vương Tinh và Hải Vương Tinh. Trên Titan, vệ tinh của Thổ Tinh, người ta tin rằng đã từng có một đại dương lớn chứa các ankan mạch dài, các biển nhỏ chứa etan lỏng được cho là vẫn còn tồn tại.
Dấu vết của metan (khoảng 0,0001% hay 1 ppm) có trong bầu khí quyển Trái Đất, được sản xuất chủ yếu bởi các dạng khuẩn cổ. Hàm lượng trong nước biển là không đáng kể do độ hòa tan thấp trong nước: tuy nhiên, ở áp suất cao và nhiệt độ thấp, mêtan có thể cùng kết tinh với nước để tạo ra metan hydrat rắn. Mặc dù chúng không thể được khai thác trong phạm vi thương mại vào thời điểm hiện tại nhưng giá trị về năng lượng của các mỏ metan hydrat đã biết vượt xa tổng giá trị năng lượng của tất cả các mỏ khí thiên nhiên và dầu mỏ—metan thu được từ metan hydrat vì thế được coi là ứng cử viên cho nguồn nhiên liệu trong tương lai.
Khai thác ankan ở OntarioNgày nay, các nguồn thương mại quan trọng nhất của ankan rõ ràng là khí thiên nhiên và dầu mỏ, là những hợp chất hữu cơ duy nhất có ở dạng khoáng chất trong tự nhiên. Khí thiên nhiên chủ yếu chứa metan và etan, với một chút propan và butan. Dầu mỏ là hỗn hợp của các ankan lỏng và các hydrocacbon khác. Cả hai đều được hình thành khi các động vật biển chết được che phủ bằng trầm tích để loại bỏ sự có mặt của ôxy và được chuyển hóa sau nhiều triệu năm ở nhiệt độ và áp suất cao thành các chất tự nhiên tương ứng. Ví dụ dưới đây miêu tả một phản ứng hình thành ra khí thiên nhiên:
C6H12O6 → 3CH4 + 3CO2Chúng tự tập hợp lại trong các loại đá xốp, được che phủ bởi các lớp không thấm nước phía trên. Ngược lại với metan là hợp chất được tạo ra với khối lượng lớn, các ankan mạch dài hơn ít được tạo ra để có một khối lượng đáng kể trong tự nhiên. Các mỏ dầu hiện nay sẽ không được tái tạo một khi chúng bị cạn kiệt.
Các ankan rắn thu được như là cặn còn lại sau khi cho dầu mỏ bay hơi, được biết đến như là hắc ín. Một trong các mỏ tự nhiên lớn nhất của ankan rắn là trong hồ chứa bitum gọi là La Brea trên đảo Trinidad vùng Caribe.
Làm tinh khiết và sử dụng
Các ankan là nguyên liệu thô quan trọng cho công nghiệp hóa dầu và là nguồn nhiên liệu quan trọng nhất của kinh tế thế giới.
Các nguyên liệu ban đầu cho gia công chế biến là khí thiên nhiên và dầu thô. Dầu thô được tách ra tại các nhà máy lọc dầu bằng cách chưng cất phân đoạn và sau đó được chế biến thành các sản phẩm khác nhau, ví dụ xăng. Sự “phân đoạn” khác nhau của dầu thô có các điểm sôi khác nhau và có thể cô lập và tách bóc rất dễ dàng: với các phân đoạn khác nhau thì các chất có điểm sôi gần nhau sẽ bay hơi cùng với nhau.
Sử dụng chủ yếu của một ankan nào đó có thể xác định hoàn toàn phù hợp với số nguyên tử cacbon trong nó, mặc dù sự phân chia ranh giới dưới đây là đã lý tưởng hóa và chưa thực sự hoàn hảo. Bốn ankan đầu tiên được sử dụng chủ yếu để cung cấp nhiệt cho các mục đích sưởi ấm và nấu ăn, và trong một số quốc gia còn để chạy máy phát điện. Metan và etan là các thành phần chủ yếu của khí thiên nhiên; chúng thông thường được lưu trữ như là khí nén. Tuy nhiên, rất dễ dàng chuyển chúng sang dạng lỏng: điều này đòi hỏi đồng thời việc nén và làm lạnh khí.
Propan và butan có thể hóa lỏng ở áp suất tương đối thấp, và chúng được biết dưới tên gọi khí hóa lỏng (viết tắt trong tiếng Anh là LPG). Ví dụ, propan được sử dụng trong các lò nung khí propan còn butan thì trong các bật lửa sử dụng một lần (ở đây áp suất chỉ khoảng 2 barơ). Cả hai ankan này được sử dụng làm tác nhân đẩy trong các bình xịt.
Từ pentan tới octan thì ankan là các chất lỏng dễ bay hơi. Chúng được sử dụng làm nhiên liệu trong các động cơ đốt trong, do chúng dễ hóa hơi khi đi vào trong khoang đốt mà không tạo ra các giọt nhỏ có thể làm hư hại tính đồng nhất của sự cháy. Các ankan mạch nhánh được ưa chuộng hơn, do chúng có sự bắt cháy muộn hơn so với các ankan mạch thẳng tương ứng (sự bắt cháy sớm là nguyên nhân sinh ra các tiếng nổ lọc xọc trong động cơ và dễ làm hư hại động cơ). Xu hướng bắt cháy sớm được đo bằng chỉ số octan của nhiên liệu, trong đó 2,2,4-trimetylpentan (isooctan) có giá trị quy định ngẫu hứng là 100 còn heptan có giá trị bằng 0. Bên cạnh việc sử dụng như là nguồn nhiên liệu thì các ankan này còn là dung môi tốt cho các chất không phân cực.
Các ankan từ nonan tới ví dụ là hexadecan (ankan với mạch chứa 16 nguyên tử cacbon) là các chất lỏng có độ nhớt cao, ít phù hợp cho mục đích sử dụng như là xăng. Ngược lại, chúng tạo ra thành phần chủ yếu của dầu diesel (điêzen) và nhiên liệu hàng không. Các nhiên liệu điêzen được đánh giá theo chỉ số cetan (cetan là tên gọi cũ của hexađecan). Tuy nhiên, điểm nóng chảy cao của các ankan này có thể sinh ra các vấn đề ở nhiệt độ thấp và tại các vùng gần cực Trái Đất, khi đó nhiên liệu trở nên đặc quánh hơn và sự truyền dẫn của chúng không được đảm bảo chuẩn xác.
Các ankan từ hexađecan trở lên tạo ra thành phần quan trọng nhất của các loại chất đốt trong các lò đốt và dầu bôi trơn. Ở chức năng sau thì chúng làm việc như là các chất chống gỉ do bản chất không ưa nước của chúng làm cho nước không thể tiếp xúc với bề mặt kim loại. Nhiều ankan rắn được sử dụng như là sáp parafin, ví dụ trong các loại nến. Không nên nhầm lẫn sáp parafin với sáp thực sự (ví dụ sáp ong) chủ yếu là hỗn hợp của các este.
Các ankan với độ dài mạch cacbon khoảng từ 35 trở lên được tìm thấy trong bitum, được sử dụng chủ yếu trong nhựa đường để rải đường. Tuy nhiên, các ankan có mạch cacbon lớn có ít giá trị thương mại và thông thường hay được tách ra thành các ankan mạch ngắn hơn thông qua phương pháp cracking.
Điều chế
Ý nghĩa: Ngoài việc tổng hợp được các ankan cần cho Công nghiệp hay phòng thí nghiệm (Lab) thì việc tổng hợp này còn có một ý nghĩa khác đó là cho thấy cách chuyển hoá các bộ phận của phân tử (nhóm chức) thành các nhóm hidrocacbon no.
Phương pháp thứ nhấtKhử R-X (X là các Halogen) trực tiếp:R-X +2H -> R-H + H-XTác nhân khử co thể là Zn/HCl – Mg.Hg/HCl – H2/Pd, Pt, Ni.. – LiAlH4, NaBH4..- Na/EtOH…Lưu ý một tí: Một trong những tác nhân khử mạnh nữa là HI thường dùng để khử dẫn xuất Iot theo phản ứng sau: R-I + H-I -> R-H + I2 (Phản ứng xảy ra trong bình kín, nhiệt độ)
Phương pháp thứ haiThủy phân hợp chất cơ kim (Thường là cơ Magie- Hợp chất Grignard)R-X + Mg/ete khan —> R-MgX + H2O —> R-H + Mg(OH)XPhương pháp thứ baHidro hoá các hợp chất hidrocacbon không noPhương pháp thứ tưHợp hai gốc hidrocacbon lại bằng cách tạo liên kết C-C (Có nhiều pp nhưng chủ yếu nhất vẫn là Wurtz và Corey – House)
- Tổng hợp Wurtz (Vuyec-1854):R-X + 2Na + R-X -> R-R + 2NaXMột vài lưu ý về phản ứng:• Phản ứng này đạt hiệu suất cao nhất khi 2 gốc hiđrocacbon đem ghép là 2 gốc giống nhau.• Khi 2 gốc hiđrocacbon đem ghép là 2 gốc khác nhau, phản ứng cho hỗn hợp sản phẩm R-R, R-R’, R’-R’.• Phản ứng xảy ra trong dung môi là ether khan.
- Tổng hợp Corey- House: Sơ đồ phản ứng tạm biểu diễn như sau:R-X + 2Li —> RLi + LiX2RLi + CuX —> R2CuLi + LiX (R2CuLi: Liti điAnkyl Cuprat)R2CuLi + R’X —> R-R’ + R-Cu + LiXLưu ý: Phản ứng chỉ xảy ra khi R’ là dẫn xuất Halogen bậc 1 hay bậc 2. Phản ứng đạt hiệu suất cao nhất khi mà R và R’ đều là dẫn xuất Hal bậc 1.
Cấu trúc phân tử
Cấu trúc phân tử của các ankan trực tiếp ảnh hưởng tới các thuộc tính hóa-lý của chúng. Nó thu được từ cấu hình điện tử của cacbon, do nó có bốn điện tử hóa trị. Nguyên tử cacbon trong các ankan luôn luôn cặp lai sp3, có nghĩa là các điện tử hóa trị có thể được coi là nằm trong 4 quỹ đạo (orbital) tương đương thu được từ tổ hợp của một quỹ đạo 2s và ba quỹ đạo 2p. Các quỹ đạo này, có các mức năng lượng đồng nhất, được sắp xếp trong không gian trong dạng của một hình tứ diện, các góc giữa chúng bằng 109,47°.
Độ dài và góc liên kết
Phân tử ankan chỉ có liên kết đơn C-H và C-C. Liên kết đầu là kết quả của phần chồng lên của quỹ đạo sp3 của cacbon với quỹ đạo 1s của hiđro; liên kết sau là do phần chồng lên của hai quỹ đạo sp3 trên các nguyên tử cacbon khác nhau. Giá trị của các độ dài liên kết là 1,09×10−10 m đối với liên kết C-H và 1,54×10−10 m đối với liên kết C-C.
Sự phân bổ không gian của các liên kết là tương tự như của bốn quỹ đạo sp3—chúng phân bổ theo dạng tứ diện, với góc giữa chúng là 109,47°. Công thức cấu tạo trong đó thể hiện các liên kết như là vuông góc với nhau là phổ biến và hữu ích, nhưng không phù hợp với thực tế.
Cấu hình
Công thức cấu tạo và các góc liên kết không đủ để miêu tả đầy đủ dạng hình học của phân tử. Còn phải lưu ý tới độ tự do cho mỗi liên kết C-C: góc xoắn giữa các nguyên tử hoặc các nhóm liên kết tới các nguyên tử tại mỗi đầu của liên kết. Sự phân bổ không gian được miêu tả bởi các góc xoắn của phân tử được gọi là cấu hình của nó.
Etan (hay còn gọi là Êtan)
Etan là trường hợp đơn giản nhất để nghiên cứu cấu hình của ankan, do nó chỉ có một liên kết C-C. Nếu nhìn thẳng vào trục của liên kết C-C khi đó có cái gọi là ánh xạ Newman: vòng tròn đại diện cho hai nguyên tử cacbon, một nguyên tử nằm sau nguyên tử kia, và các liên kết tới hiđro được đại diện bởi các đường thẳng. Các nguyên tử hiđro trên các liên kết tới nguyên tử cacbon trước hay sau đều có góc giữa chúng là 120°, tạo ra do phép chiếu của hình tứ diện lên một mặt phẳng. Tuy nhiên góc xoắn giữa nguyên tử hiđro nhất định gắn với nguyên tử cacbon trước và nguyên tử hiđro nhất định gắn với nguyên tử cacbon sau có thể dao động tự do trong khoảng 0° và 360°. Đây là hệ quả của sự tự quay tự do xung quanh liên kết đơn C-C. Mặc dù có sự tự do biểu kiến này nhưng chỉ có hai cấu hình giới hạn là quan trọng:
Trong cấu hình che lấp, tương ứng với góc xoắn 0°, 120° hay 240°, các nguyên tử hiđro gắn với nguyên tử cacbon trước là nằm ngay phía trước và thẳng hàng trong phép ánh xạ đối với các nguyên tử hiđrô gắn với nguyên tử cacbon sau.Trong cấu hình so le, tương ứng với các góc xoắn 60°, 180° hay 300°, các nguyên tử hiđrô gắn với nguyên tử cacbon trước trong phép ánh xạ là nằm chính xác ở giữa các nguyên tử hiđro gắn với nguyên tử cacbon sau.Hai cấu hình này, còn được gọi là các rotomer là khác nhau về năng lượng: cấu hình so le thấp năng lượng hơn là 12,6 kJ/mol (ổn định hơn) so với cầu hình che khuất. Sự giải thích cho sự khác biệt về năng lượng này là chủ đề gây tranh cãi, với hai thuyết chủ đạo chính là:
Trong cấu hình che khuất thì lực đẩy tĩnh điện giữa các điện tử trong các liên kết C-H là cực đại.Trong cấu hình so le thì sự siêu kết hợp (một dạng của phi cục bộ hóa) của các điện tử hóa trị là cực đại.Hai giải thích này không phải là mâu thuẫn hay loại trừ lẫn nhau; giả thuyết sau được coi là quan trọng hơn đối với etan.
Sự khác biệt về năng lượng giữa hai cấu hình, được biết đến như là năng lượng xoắn, là nhỏ so với nhiệt năng của phân tử etan ở nhiệt độ bao quanh nó. Ở đây có sự tự quay liên tục xung quanh liên kết C-C, mặc dù với các “khoảng dừng” ngắn ở mỗi cấu hình so le. Thời gian cần thiết đối với phân tử etan để chuyển từ một cấu hình so le sang cấu hình so le kế tiếp, tương đương với sự tự quay của một nhóm CH3 một góc 120° tương đối với các nhóm khác, là khoảng 10−11 giây.
Các ankan cao hơn
Các tình huống tương ứng với hai liên kết C-C trong propan về mặt định tính là tương tự như của etan. Tuy nhiên, nó là phức tạp hơn nhiều đối với butan và các ankan mạch dài hơn.
Nếu người ta lấy liên kết C-C trung tâm của butan như là trục tham chiếu chính, mỗi một nguyên tử cacbon trong số hai nguyên tử trung tâm được kiên kết với hai nguyên tử hiđro và một nhóm metyl. Bốn cấu hình khác nhau có thể phân biệt và xác định theo góc xoắn giữa hai nhóm metyl và giống như trong trường hợp của etan, mỗi cấu hình này đều có mức năng lượng đặc trưng của nó.
Cấu hình che khuất hoàn toàn hay cùng chiều có góc xoắn bằng 0°. Nó là cấu hình có mức năng lượng cao nhất.Cấu hình nghiêng có góc xoắn 60° (hay 300°). Nó là cực tiểu về năng lượng cục bộ.Cấu hình che khuất một phần có góc xoắn 120° (hay 240°). Nó là cực đại về năng lượng cục bộ.Cấu hình ngược chiều có góc xoắn 180°. Hai nhóm metyl là xa nhau nhất ở mức có thể và cấu hình này có mức năng lượng thấp nhất.Chênh lệch về năng lượng giữa hai cấu hình “che khuất hoàn toàn” và “ngược chiều” là khoảng 19 kJ/mol, và vì thế vẫn là tương đối nhỏ ở nhiệt độ bao quanh nó.
Trường hợp của các ankan mạch dài hơn là tương tự: cấu hình ngược chiều luôn luôn là cấu hình ưa thích nhất xung quanh mỗi liên kết C-C. Vì lý do này, các ankan thường được biểu diễn dưới dạng phân bổ chữ chi (zigzag) trong các giản đồ hay các mô hình. Cấu trúc thực sự luôn khác biệt một chút so với các dạng lý tưởng hóa này, do khác biệt về năng lượng giữa các cấu hình là nhỏ so với nhiệt năng của phân tử: các phân tử ankan không có dạng cấu trúc cố định giống như những gì mà các mô hình đề ra.
Các cấu hình của các phân tử chất hữu cơ dựa trên các tính chất này của ankan và được xem xét trong các bài liên quan.
Thuộc tính
Vật lý
Cấu trúc phân tử, cụ thể là diện tích bề mặt của phân tử, xác định điểm sôi của ankan: diện tích bề mặt càng nhỏ thì
điểm sôi càng thấp, do các lực van der Waals giữa các phân tử là yếu hơn. Việc giảm diện tích bề mặt có thể thu được nhờ tạo nhánh hay là cấu trúc vòng. Điều này có nghĩa là trong thực tế các ankan có số nguyên tử cacbon nhiều hơn thông thường sẽ có điểm sôi cao hơn so với các ankan có số nguyên tử cacbon nhỏ hơn, và các ankan mạch nhánh và cycloankan có điểm sôi thấp hơn so với các dạng mạch thẳng của chúng. Ở điều kiện tiêu chuẩn, từ CH4 tới C4H10 thì các ankan có dạng khí; từ C5H12 tới C17H36 chúng là lỏng; và từ C18H38 thì chúng là rắn. Điểm sôi tăng khoảng 20 tới 30 °C cho một nhóm CH2.
Các điểm nóng chảy của các ankan cũng tăng theo chiều tăng của số nguyên tử cacbon (ngoại lệ duy nhất là propan). Tuy nhiên, điểm nóng chảy tăng chậm hơn nhiều so với sự tăng của điểm sôi, cụ thể là đối với các ankan lớn. Ngoài ra, điểm nóng chảy của các ankan chứa lẻ số nguyên tử cacbon tăng nhanh hơn so với điểm nóng chảy của các ankan chứa chẵn số nguyên tử cacbon (xem hình): nguyên nhân của hiện tượng này là do “mật độ bao gói” cao hơn của các ankan chứa chẵn số nguyên tử cacbon. Điểm nóng chảy của các ankan mạch nhánh có thể cao hơn hoặc thấp hơn so với các ankan mạch thẳng tương ứng, phụ thuộc vào hiệu quả của sự bao gói phân tử: nó là đúng phần nào với đối với các isoankan (các đồng phân 2-metyl), thông thường có điểm nóng chảy cao hơn so với các đồng phân mạch thẳng của nó.
Các ankan không có tính dẫn điện và về cơ bản chúng cũng không bị phân cực bởi điện trường. Vì lý do này chúng không tạo ra các liên kết hiđro và vì vậy không hòa tan trong các dung môi phân cực như nước. Do các liên kết hiđro giữa các phân tử nước riêng biệt là tách biệt với các phân tử ankan, sự cùng tồn tại của ankan và nước dẫn tới sự tăng trong trật tự phân tử (giảm entropy). Do không có liên kết đáng kể giữa các phân tử nước và phân tử ankan, định luật hai nhiệt động lực học cho rằng việc giảm entropy này được giảm thiểu bằng cách giảm thiểu sự tiếp xúc giữa ankan và nước: các ankan được coi là không ưa nước và chúng là đẩy nước.
Độ hòa tan của chúng trong các dung môi không phân cực là tương đối tốt, một thuộc tính gọi là ưa mỡ. Các ankan khác nhau là có thể trộn lẫn nhau với tỷ lệ bất kỳ.
Tỷ trọng của các ankan thông thường tăng theo chiều tăng của số nguyên tử cacbon, nhưng vẫn thấp hơn tỷ trọng của nước. Vì thế, các ankan tạo thành lớp trên trong hỗn hợp ankan-nước.
Hóa học
Các ankan nói chung thể hiện tính hoạt động hóa học tương đối yếu, do các liên kết C-H và C-C của chúng là tương đối ổn định và không dễ phá vỡ. Không giống như các hợp chất hữu cơ khác, chúng không có các nhóm chức.
Chúng phản ứng rất kém với các chất có tính điện ly hay phân cực. Các giá trị pKa của tất cả các ankan là trên 60, vì thế trên thực tế chúng là trơ với các axít hay bazơ. Tính trơ này là nguồn gốc của thuật ngữ parafin (tiếng Latinh para + affinis, với nghĩa là “thiếu ái lực”). Trong dầu thô các phân tử ankan giữ các thuộc tính hóa học không thay đổi trong hàng triệu năm.
Tuy nhiên các phản ứng ôxi hóa-khử của các ankan, cụ thể là với ôxy và các halogen, là có thể do các nguyên tử cacbon là ở trong các điều kiện khử mạnh; trong trường hợp của mêtan, trạng thái ôxi hóa thấp nhất đối với cacbon (−4) đã đạt tới. Phản ứng với ôxy dẫn tới sự cháy; với các halogen là các phản ứng thế.
Các gốc tự do và các phân tử với các điện tử không bắt cặp đóng vai trò quan trọng trong phần lớn các phản ứng của ankan, chẳng hạn như trong cracking và sửa đổi mà ở đó các ankan mạch dài bị chia cắt thành các ankan và anken mạch ngắn hay các ankan mạch thẳng bị chuyển thành các đồng phân mạch nhánh.
Trong các ankan mạch nhánh lớn thì các góc liên kết có thể khác đáng kể so với giá trị tối ưu (109,5°) để đảm bảo cho các nhóm khác có đủ không gian cần thiết. Điều này sinh ra sự căng trong phân tử, được biết đến như là sự cản trở không gian, và nó có thể tắng độ hoạt động hóa học đáng kể.
Quang phổ
Gần như mọi hợp chất hữu cơ đều chứa các liên kết C-C và C-H, và vì thế chúng thể hiện một số dặc trưng của ankan trong quang phổ của chúng. Các ankan đáng chú ý là do không có các nhóm khác và vì vậy chúng thiếu vắng các đặc trưng quang phổ khác.
Phổ hồng ngoại
Kiểu kéo căng C-H tạo ra sự hấp thụ mạnh ở khoảng 2850 và 2960 cm−1, trong khi kiểu kéo căng C-C hấp thụ trong khoảng giữa 800 và 1300 cm−1. Kiểu liên kết C-H phụ thuộc vào bản chất của nhóm: các nhóm metyl xuất hiện ở dải 1450 cm−1 và 1375 cm−1, trong khi các nhóm metylen xuất hiện ở dải 1465 cm−1 và 1450 cm−1. Các mạch cacbon với nhiều hơn 4 nguyên tử cacbon xuất hiện vạch hấp thụ yếu ở khoảng 725 cm−1.
Phổ NMR
Sự cộng hưởng proton của các ankan thông thường tìm thấy ở δH = 0-1. Sự cộng hưởng cacbon-13 phụ thuộc vào số nguyên tử hiđro đính vào cacbon: δC = 8-30 (metyl), 15-55 (metylen), 20-60 (metyn). Sự cộng hưởng cacbon-13 của nguyên tử cacbon trong nhóm bốn là rất yếu, do thiếu hiệu ứng tăng Overhauser hạt nhân và thời gian dãn dài: nó có thể bỏ qua trong quang phổ thông thường.
Phản ứng
Với ôxyTất cả các ankan phản ứng với ôxy trong phản ứng cháy, mặc dù chúng trở nên khó bắt lửa hơn khi số lượng nguyên tử cacbon tăng lên. Phương trình tổng quát của phản ứng cháy hoàn toàn là:
2CnH2n+2 + (3n+1)O2 → 2(n+1)H2O + 2nCO2Khi không có đủ lượng ôxy cần thiết thì cacbon mônôxít hay thậm chí là muội than có thể tạo ra, như được chỉ ra dưới đây cho mêtan:
2CH4 + 3O2 → 2CO + 4H2OCH4 + O2 → C + 2H2OCác ankan thông thường cháy với ngọn lửa không sáng và rất ít muội than được tạo ra.
Sự thay đổi enthalpy của sự cháy, ΔcHo, đối với các ankan tăng khoảng 650 kJ/mol cho một nhóm CH2. Các ankan mạch nhánh có giá trị ΔcHo thấp hơn so với các ankan mạch thẳng khi cùng một số nguyên tử cacbon, vì thế có thể coi là ổn định hơn về một số khía cạnh nào đó.
Với các halogen
Các ankan phản ứng với các halogen trong phản ứng gọi là phản ứng halogen hóa. Các nguyên tử hiđrô trong ankan bị thay thế dần dần, hay bị thay thế bằng các nguyên tử halogen. Các gốc tự do là các dạng chất tham gia vào trong phản ứng, thông thường hay tạo ra hỗn hợp các sản phẩm. Các phản ứng này là phản ứng tỏa nhiệt cao và có thể dẫn tới nổ.
Chuỗi cơ chế phản ứng như sau, với clo hóa mêtan là ví dụ điển hình:
- Khởi đầu: Chia cắt phân tử clo để tạo ra hai nguyên tử clo, được kích thích bằng bức xạ cực tím. Nguyên tử clo có điện tử không bắt cặp và phản ứng như là một gốc tự do.Cl2 → 2Cl·
- Lan truyền (2 bước): Nguyên tử hiđro bị lôi ra khỏi metan sau đó gốc metyl kéo Cl· từ Cl2.CH4 + Cl· → CH3· + HClCH3· + Cl2 → CH3Cl + Cl·Điều này tạo ra sản phẩm mong muốn và gốc clo tự do khác. Gốc tự do này sau đó sẽ tham gia vào trong phản ứng lan truyền khác sinh ra một phản ứng dây chuyền. Nếu có đủ clo, các sản phẩm khác chẳng hạn như CH2Cl2 có thể tạo ra.
- Kết thúc: Tái tổ hợp của hai gốc tự do:Cl· + Cl· → Cl2; hayCH3· + Cl· → CH3Cl; hoặcCH3· + CH3· → C2H6.Khả năng cuối cùng trong bước kết thúc sẽ tạo ra tạp chất trong hỗn hợp cuối cùng; chủ yếu là sự tạo ra các phân tử hữu cơ với mạch cacbon dài hơn thay vì tái tạo lại các chất tham gia phản ứng.Trong trường hợp của metan hay etan, mọi nguyên tử hiđro đều bình đẳng và có cơ hội nganh nhau để được thay thế. Điều này dẫn đến cái gọi là sự phân bổ sản phẩm thống kê. Đối với propan và các ankan lớn hơn thì các nguyên tử hiđrô tạo thành các nhóm CH2 (hay CH) được ưu tiên thay thế.
Phản ứng của các halogen khác nhau dao động đáng kể: tỷ lệ tương đối là: flo (108) > clo (1) > brôm (7×10−11) > iốt (2×10−22). Vì thế phản ứng của ankan với flo là khó kiểm soát nhất, với clo là nhanh vừa phải, với brom là chậm và đòi hỏi mức độ chiếu xạ tia cực tím cao còn với iốt trên thực tế là không tồn tại và không có lợi về mặt nhiệt động lực học.
Các phản ứng này là quy trình công nghiệp quan trọng để halogen hóa các hydrocacbon.
Cracking và sửa đổi
“Cracking” phá vỡ các phân tử lớn thành các phân tử nhỏ hơn. Nó có thể thực hiện bằng các phương pháp nhiệt hay sử dụng chất xúc tác. Quy trình cracking nhiệt tuân theo cơ chế chia cắt liên kết đối xứng, có nghĩa là các liên kết bị phá vỡ đối xứng và cặp các gốc tự do được tạo ra. Quy trình cracking với chất xúc tác được diễn ra với sự tham gia của chất xúc tác axít (thông thường là các axít rắn) như silicat nhôm và zeolit) có xu hướng phá vỡ bất đối xứng các liên kết tạo ra các cặp ion ngược dấu điện tích, thông thường là cacbocation và anion hiđrua rất không ổn định. Các gốc tự do cacbon-khu vực hóa và các cation là không ổn định và nhanh chóng tham gia vào quá trình tái tạo mạch, sự phân chia C-C tại vị trí beta (có nghĩa là cracking) và hiđrô nội phân tử và liên phân tử được di chuyển hoặc trong di chuyển hiđrua. Trong cả hai dạng quy trình, các chất trung gian của phản ứng (gốc tự do, ion) được tái tạo liên tục, và vì vậy chúng được tạo ra trong một cơ chế tự lan truyền. Chuỗi các phản ứng cuối cùng được kết thúc bằng sự tái tổ hợp các gốc tự do hay các ion.
Ở đây là ví dụ về cracking butan CH3-CH2-CH2-CH3
Khả năng 1 (48%): việc phá vỡ thực hiện trên liên kết CH3-CH2.CH3* / *CH2-CH2-CH3
sau một số bước người ta thu được ankan và anken: CH4 + CH2=CH-CH3
Khả năng 2 (38%): việc phá vỡ thực hiện trên liên kết CH2-CH2.CH3-CH2* / *CH2-CH3
sau một số bước người ta thu được ankan và anken dạng khác: CH3-CH3 + CH2=CH2
Khả năng 3 (14%): phá vỡ liên kết C-H.sau một số bước người ta thu được anken và hiđrô: CH2=CH-CH2-CH3 + H2
Các phản ứng khác
Các ankan sẽ phản ứng với hơi nước khi có mặt chất xúc tác niken để tạo ra hiđrô. Ankan có thể clorosulfonat hóa và nitrat hóa, mặc dù cả hai phản ứng đều đòi hỏi các điều kiện đặc biệt. Sự lên men hóa các ankan thành các axít cacboxylic có một tầm quan trọng kỹ thuật.
Nguy hiểm
Mêtan là một chất nổ khi trộn với không khí (1-8% CH4) và là một chất khí gây hiệu ứng nhà kính mạnh: các ankan thấp khác có thể là chất nổ khi trộn cùng không khí. Các ankan lỏng là những chất dễ bắt lửa, mặc dù rủi ro này giảm dần theo chiều dài mạch cacbon. Pentan, hexan và heptan được xếp loại là nguy hiểm cho môi trường và có hại: octan cũng được phân loại là có hại. Hexan mạch thẳng là một chất độc cho hệ thần kinh và vì thế ít được sử dụng trong thương mại.
Trong tự nhiên
Mặc dù các ankan có trong tự nhiên theo nhiều cách khác nhau, chúng không được đánh giá như là các chất thiết yếu xét về mặt sinh học. Các cycloankan với số nguyên tử cacbon từ 14 tới 18 có trong xạ hương, được chiết ra từ hươu xạ (họ Moschidae). Tất cả các thông tin dưới đây đều chỉ áp dụng cho các ankan không tạo vòng.
Vi khuẩn và khuẩn cổ
Vi khuẩn cổ sản xuất mêtan trong dạ dày con bò này là nguyên nhân tạo ra một lượng nhỏ mêtan trong khí quyển Trái Đất.Một số loại vi khuẩn nhất định có thể chuyển hóa các ankan: chúng ưa thích các ankan có mạch cacbon chẵn do chúng dễ bị phân hủy hơn so với ankan mạch cacbon lẻ.
Mặt khác một số vi khuẩn cổ, như mêtanogen, sản sinh ra một lượng lớn mêtan bằng cách chuyển hóa cacbon điôxít hoặc ôxi hóa các hợp chất hữu cơ khác. Năng lượng được giải phóng bằng sự ôxi hóa hiđrô:
CO2 + 4H2 → CH4 + 2H2OMêtanogen cũng sản xuất ra khí đầm lầy trong các vùng đất lầy và giải phóng khoảng 2 tỷ tấn mêtan mỗi năm—nồng độ mêtan trong khí quyển trên thực tế chủ yếu là do chúng sản xuất. Công suất sản xuất mêtan của trâu, bò và các động vật ăn cỏ khác có thể tới 150 lít một ngày, cũng như của mối, đều là do mêtanogen. Chúng cũng sản xuất ankan đơn giản nhất này trong ruột người. Các vi khuẩn cổ mêtanogen vì vậy nằm ở cuối của chu trình cacbon, với cacbon được giải phóng ngược trở lại khí quyển sau khi đã được cố định bởi quá trình quang hợp. Có lẽ là các mỏ khí thiên nhiên hiện nay cũng đã được hình thành theo cách tương tự.
Nấm và thực vật
Nước tạo thành các giọt nhỏ trên màng mỏng chứa sáp ankan phủ bên trên vỏ quả táo.Các ankan cũng đóng vai trò nhỏ trong sinh học của ba nhóm eukaryot là: nấm, thực vật và động vật. Một số loại men đặc biệt, ví dụ Candida tropicale, các loài họ Pichia, Rhodotorula, có thể sử dụng ankan như là nguồn cacbon và/hoặc năng lượng. Loài nấm Amorphotheca resinae ưa thích các ankan mạch dài trong nhiên liệu hàng không, và có thể sinh ra các vấn đề nghiêm trọng cho máy bay trong các khu vực nhiệt đới.
Trong thực vật người ta cũng tìm thấy các ankan rắn mạch dài; chúng tạo ra một lớp sáp rắn chắc-lớp cutin (biểu bì), trên các khu vực mà thực vật bị lột trần ra ngoài không khí. Nó bảo vệ thực vật chống lại sự mất nước, đồng thời ngăn cản sự thất thoát của các khoáng chất quan trọng do bị mưa. Nó cũng bảo vệ thực vật chống lại vi khuẩn, nấm và các côn trùng có hại. Lớp vỏ sáng màu trên các loại quả như táo cũng chứa các ankan mạch dài. Mạch cacbon thông thường nằm giữa 20 và 30 nguyên tử cacbon và được thực vật sản xuất từ các axít béo. Thành phần chính xác của lớp sáp không chỉ phụ thuộc vào loài mà còn thay đổi theo mùa và các yếu tố môi trường như điều kiện chiếu sáng, nhiệt độ và độ ẩm.
Động vật
Các ankan cũng được tìm thấy trong các sản phẩm của động vật, mặc dù chúng ít quan trọng hơn so với các hydrocacbon không no. Một ví dụ là dầu gan cá mập chứa khoảng 14% pristan (2,6,10,14-tetramêtylpentadecan, C19H40). Sự có mặt của chúng là quan trọng hơn trong các pheromon, loại hóa chất làm tín hiệu, mà gần như toàn bộ côn trùng đều cần khi liên lạc với nhau. Với một số loại, như được sử dụng bởi bọ cánh cứng Xylotrechus colonus, chủ yếu là pentacosan (C25H52), 3-mêtylpentaicosan (C26H54) và 9-mêtylpentaicosan (C26H54), chúng được chuyển giao bằng sự tiếp xúc cơ thể. Với các loài khác như muỗi xê xê Glossina morsitans morsitans, pheromon chứa 4 ankan là 2-mêtylheptadecan (C18H38), 17,21-đimêtylheptatriacontan (C39H80), 15,19-đimêtylheptatriacontan (C39H80) và 15,19,23-trimêtylheptatriacontan (C40H82), và chúng hoạt động bằng mùi với một khoảng cách lớn, một đặc trưng hữu ích để kiểm soát sâu bọ.
Quan hệ sinh thái
Lan hình nhện (Ophrys sphegodes)Một ví dụ về ankan mà cả trên động và thực vật đều có vai trò là quan hệ sinh thái giữa ong cát (Andrena nigroaenea) và lan hình nhện (Ophrys sphegodes); trong đó hoa lan phụ thuộc vào sự thụ phấn của ong. Ngoài ra, ong cát sử dụng các pheromon để xác định bạn tình của mình; trong trường hợp của A. nigroaenea, con cái sử dụng hỗn hợp của tricosan (C23H48), pentacosan (C25H52) và heptacosan (C27H56) với tỷ lệ 3:3:1, và con đực bị hấp dẫn bởi mùi đặc trưng này. Cây hoa lan đã nắm được ưu thế này— các phần trong hoa của nó không chỉ tương tự như bề ngoài của ong cát, mà nó còn sản xuất ra một lượng lớn cả ba ankan nói trên với cùng một tỷ lệ tương tự. Kết quả là hàng loạt ong đực bị quyến rũ bay đến và cố gắng giao hợp với bạn tình giả mạo của mình: mặc dù nỗ lực này không đem lại thành công cho ong, nhưng nó cho phép cây lan chuyển giao phấn hoa của nó, được gieo rắc sau khi con đực nản chí bay sang các bông hoa khác.
Bài tập đốt cháy Hiđrocabon
Các công thức hóa học lớp 11 cần nhớ để giải được dạng bài tập này như sau:
Bài tập tính số đồng phân Hiđrocacbon
Các công thức hóa học lớp 11 để tính số đồng phân của hiđrocacbon mà các em cần nhớ:
– Tính số đồng phân của ankan: CnH2n+2 = 2n-4 + 1 (3 < n < 7)
– Tính số đồng phân của RH thơm, đồng đẳng benzen:
CnH2n-6 = (n – 6)2 (6 < n < 10)
Bài tập về phản ứng thế halogen
Phản ứng thế monohalogen của akan
CnH2n+2 + X2→ CnH2n+1X + HX
(as/1:1)
Phản ứng tách của ankan
Ankan X → Hỗn hợp Y ( Hiđrocacbon; H2 )
Theo định luật bảo toàn khối lượng:
m(ankanban đầu) = m(hỗn hợp sau phản ứng) ⇔ mx= my
n(H2 sinh ra) = nx=ny
Công thức tính nhanh hiệu suất của phản ứng tách
H = (Mx/My -1).100%
Các công thức hóa học lớp 11 để giải bài tập về phản ứng cộng
Phương trình tổng quát:
CnH2n+2 + kH2→CnH2n+2
CnH2n+2-2k + kBr2→CnH2n+2-2kBr2k
Số mol H2 và số mol Br2 phản ứng bằng số mol liên kết Π (Anken/akin/ankađien)
nΠ = nBr2pư = nH2pư
Theo định luật bảo toàn khối lượng
m(trước phản ứng) = m(sau phản ứng)
Số mol hỗn hợp giảm bằng số mol H2 tham gia phản ứng
n(hỗn hợp trước) – n(hỗn hợp sau) = nH2 phản ứng
m(bình brom tăng) = m (aken/ankin/ankađien)
Bài tập về phản ứng của ankin có liên kết ba đầu mạch với dung dịch AgNO3/NH3
Học sinh cần nhớ các công thức hóa học 11 sau để giải được dạng bài tập này:
R-C≡CH + AgNO3 + NH3 → R-C≡CAg↓ + NH4NO3 ( R≠ H)
n(ankin) = n↓
m↓ = m(ankin) + 107nAg+ hay nAg+ = (m↓ – m(ankin))/107
