Tính chất hóa học của Ankan, hóa học phổ thông

Tính chất hóa học của Ankan: Phản ứng tách; phản ứng thế bởi halogen; Phản ứng phân hủy; Phản ứng cháy

.

Tính chất hóa học của Ankan

1. Ankan phản ứng thế bởi halogen (Cl₂, Br₂)

– 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:

CH₄ + Cl₂ \[\overset{askt}{\rightarrow}\] CH₃Cl + HCl

 CH₃Cl: metyl clorua (clometan)

CH₃Cl + Cl₂ \[\overset{askt}{\rightarrow}\] CH₂Cl₂ + HCl

 CH₂Cl₂: metylen clorua (điclometan)

CH₂Cl₂ + Cl₂ \[\overset{askt}{\rightarrow}\] CHCl₃ + HCl

 CHCl₃: clorofom (triclometan)

CHCl₃ +  Cl₂ \[\overset{askt}{\rightarrow}\] CCl₄ + HCl

CCl₄: cacbon tetraclorua(tetraclometan)

– Các đồng đẳng của metan cũng tham gia phản ứng thế tương tự và tạo thành hỗn hợp chất với tỉ lệ % khác nhau, như minh họa dưới đây:

• Ankan + Cl₂

CH₃-CH₂-CH₃ + Cl₂ \[\overset{askt}{\rightarrow}\] \[\left\{\begin{matrix}
& & & \\ CH_{3}-CH_{2}-CH_{2}Cl + HCl
& & & \\ 1-clopropan (43)
& & & \\ CH_{3}-CHCl-CH_{3} + HCl
& & & \\ 2-clopropan (57)
\end{matrix}\right.\]

• Ankan + Br₂

CH₃-CH₂-CH₃ + Br₂ \[\overset{t_{o},1:1}{\rightarrow}\] \[\left\{\begin{matrix}
& & & \\ CH_{3}-CH_{2}-CH_{2}Br
& & & \\ 1-Brompropan(3)
& & & \\ CH_{3}-CHBr-CH_{3}
& & & \\ 2-Brompropan(97)
\end{matrix}\right.\]

* Nhận xét và cơ chế phản ứng:

– Khả năng phản ứng: Cl₂ > Br₂ > I₂ và C_bậc3> C_bậc2 > C_bậc1. 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 tách của Ankan

a) Phản ứng tách H₂ của Ankan

– Phản ứng này còn gọi là phản ứng đề hidro hóa

CH₃-CH₃ \[\overset{500^{o}C,xt}{\rightarrow}\] CH₂=CH₂ + H₂

– Tổng quát: C_nH_2n+2 \[\overset{t^{o},xt}{\rightarrow}\] C_nH_2n + H₂

* Chú 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-CH₂-CH₃ → CH₂=CH-CH₃ + H₂

– 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 tách mạch Cacbon của Ankan (n≥ 3)

– Phản ứng này còn gọi là phản ứng cracking (bẻ gãy mạch cacbon) xảy ra ở điều kiện nhiệt độ, áp suất và xúc tác thích hợp.

CH₃-CH₂-CH₂-CH₃ \[\overset{500^{o}C,p,xt}{\rightarrow}\] \[\left\{\begin{matrix}
& & \\ CH_4+C_3H_6
& & \\ C_2H_4+C_3H_6
& & \\ C_4H_8+H_2
\end{matrix}\right.\]

– Tổng quát:  C_nH_2n+2 \[\overset{500^{o}C,p,xt}{\rightarrow}\] C_xH_2x+2 + C_yH_2y

* Chú 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.

b) Phản ứng phân hủy của Ankan

– Ankan bị phân hủy bởi nhiệt:

C_nH_2n+2 \[\overset{t^{o}}{\rightarrow}\] nC + (n+1)H₂

– Phản ứng phân hủy bởi halogen (Cl₂ hoặc F₂):

C_nH_2n+2 + nCl₂ \[\overset{t^{o}}{\rightarrow}\] C_nCl_2n+2 + (n+1)H₂

3. Phản ứng cháy của Ankan

– Phản ứng này còn gọi là phản ứng oxi hóa ankan

CH₄ + 2O₂ \[\overset{t^{o}}{\rightarrow}\] CO₂ + 2H₂O

– Tổng quát: C_nH_2n+2 + [⁽³ⁿ⁺¹⁾/₂]O₂ → nCO₂ + (n+1)H₂O

– Đối với phản ứng cháy của ankan khi làm bài tập 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.

* Chú ý: Nếu cho ankan tham gia phản ứng với oxi khi có mặt muối Mn²⁺ thì xảy ra phản ứng oxi hóa không hoàn toàn tạo RCOOH.

R-CH₂-CH₂-R + 5/2O₂ → 2RCOOH + H₂O

– Các ankan đầu dãy đồng đẳng rất dễ cháy, tỏa nhiều nhiệt. Khí CO₂, 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 CO₂ và H₂O 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 như:

CH₄ + 2O₂ \[\overset{t^{o},xt}{\rightarrow}\] HCH=O + 2H₂O