1. Ankan là gì?
Ankan là chất hóa học chỉ chiếm tỷ lệ không lớn và chủ yếu chỉ ở dạng "có dấu vết". Các ankan ở trạng thái khí như metan và etan là một phần quan trọng của các thiên thể, ví dụ như Trái đất của chúng ta, hay có ở sao chổi, Mặt trời, ...
Ngày 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.
Ankan là Hidrocacbon mạch hở, tức là các phần tử ankan chỉ chứa các liên kết C-C và C-H. Điều này có nghĩa Ankan là các Hidrocacbon không tạo mạch vòng, trong đó mỗi phần tử chứa số nguyên tử hidro cực đại và không chứa các liên kết đôi. Các ankan có tính chất hóa học tương đối ổn định và thường được sử dụng trong nhiều ứng dụng công nghiệp và thương mại. Ankan được ứng dụng nhiều trong thực tế đời sống như làm dung môi, dầu bôi trơn, nhiên liệu hàn xì cắt kim loại như CH4. Metan CH4 chính là một trong những chất nằm trong dãy ankan hidrocacbon no.
Công thức tổng quát của Ankan là CnH2n+2 với n là số nguyên dương.
Ví dụ về một số ankan bao gồm: metan (CH4); etan (C2H6); propan (C3H8); butan (C4H10). pentan (C5H12); hexan (C6H14), ...
2. Đồng phân của Ankan
Đồng phân là các chất hữu cơ có cùng công thức phân tử, những cấu tạo tạo khác nhau nên tính chất hóa học cũng khác nhau.
Ankan chỉ có đồng phân mạch C khi có từ 4C trở lên, nghĩa là các ankan từ C4H10 trở đi, ứng với mỗi công thức phân tử thì hợp chất sẽ có số công thức cấu tạo là mạch cacbon phân nhánh và mạch cacbon không phân nhánh. Đây chính là đồng phân cấu tạo của Ankan.
Tên gọi của ankan:
- Cách gọi tên ankan mạch cacbon thẳng: Tên mạch cacbon + an
- Cách gọi tên khi mạch cacbon có nhánh: vị trí nhánh + tên nhánh + tên mạch chính. Trong đó:
+ Số mạch cacbon chính là mạch dài và có nhiều nhóm thế nhất
+ Đánh số vị trí cacbon trong mạch chính bắt đầu từ phía gần nhánh hơn
+ Gọi tên mạch nhánh theo thứ tự chữ cái cùng với tần số chỉ vị trí của nó, sau đó là ankan tương ứng với mạch chính
+ Gốc hidrocacbon là phần còn lại của phân tử hidrocacbon sau khi bớt đi một số nguyên tử hidro nhưng vẫn tồn tại trong phần tử ở trạng thái liên kết và không mang e tự do giống gốc tự do
+ Bậc nguyên tử cacbon trong phân tử ankan bằng số nguyên tử cacbon liên kết trực tiếp với nó
3. Tính chất của Ankan
3.1. Tính chất vật lý:
- Ở điều kiện thường, tùy thuộc vào từng loại cấu tạo mà chúng có ở trạng thái khác nhau. Các ankan có công thức từ CH4 đến C4H10 là dạng khí; các ankan tiếp theo ở dạng lỏng và từ ankan C18H38 trở đi là ở dạng rắn
- Xét theo chiều tăng của phân tử khối, nhiệt độ nóng chảy, nhiệt độ sôi và khối lượng riêng của các ankan tăng dần
- Ankan nhẹ hơn nước, đa số ankan đều không tan trong nước nhưng lại có phản ứng mạnh với các dung môi hữu cơ
- Ankan là dung môi không phân cực, có thể hòa tan trong các chất không phân cực như benzen, dầu mỡ, ...
3.2. Tính chất 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. Trong nhiệt độ thường, các ankan không tác dụng với dung dịch axit, dung dịch kiềm và các chất oxi hóa. Nhưng khi được đun nóng hoặc chiếu sáng, các ankan dễ dàng tham gia các phản ứng hóa học, bao gồm các phản ứng sau:
Phản ứng thế: Khi chiếu sáng hoặc đốt nóng hỗn hợp Metan và Clo xảy ra phản ứng thế lần lượt các nguyên tử Hidro bằng Clo. Các phương trình hóa học xảy ra:
CH4 + Cl2 → CH3Cl + HCl
Ngoài ra cũng có những chất hóa học khác cũng có thể tham gia phản ứng thế với ankan như Br, F, ... và mức độ phản ứng được xếp F>Cl>Br>I
Phản ứng tách: 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, 2 nguyên tử H gắn với 2 nguyên tử C nằm cạnh nhau tách ra cùng nhau và ưu tiên tách H ở C có bậc cao hơn.
Công thức phản ứng chung: CnH2n+2 → CnH2n +H2
Ví dụ như: CH3-CH2-CH3 → CH2=CH-CH3 + H2
Phản ứng oxi hóa: chúng ta cũng biết rằng ankan bền với tác nhân oxi hóa ở nhiệt độ bình thường. Ở nhiệt độ cao hoặc có mặt xúc tác có thể phản ứng với oxi, KMnO4, K2Cr2O7 để tạo thành ancol, andehit, xeton, acid carboxylic, ....
Công thức tổng quát: 2CnH2n+2 +(3n+1)O2 → 2nCO2 + (2n+2)H2O
Như vậy, có thể thấy rằng với phản ứng cháy của Ankan thì nCO2<nH2O và nH2O - nCO2 = n Ankan bị đốt cháy
4. Điều chế và ứng dụng của ankan
4.1. Điều chế
Trong công nghiệp: Metan và các đồng đẳng được tách ra từ dầu mỏ và khí tự nhiên.
Trong phòng thí nghiệm: Khi chỉ cần một số lượng nhỏ ankan thì người ta thường điều chế trong các phòng thí nghiệm của các trường, của các cơ quan có thẩm quyền nghiên cứu, ... Ví dụ như khi muốn điều chế metan CH4, người ta sẽ tiến hành nung natri axetat với vôi tôi xút, hoặc có thể cho nhôm cacbua tác dụng với nước.
Phương trình phản ứng nhiệt phân muối natri của axit cacboxylic (vôi tôi xút):
CH3COONa + NaOH → CH4 + Na2CO3
Hoặc điều chế metan các phản ứng khác như:
AlC3 + 12H2O → 3CH4 + 4Al(OH)3
4.2. Ứng dụng
Chủ yếu, các ankan thường được sử dụng để làm nhiên liệu trong quá trình sản xuất các hợp chất hữu cơ, trong công nghiệp sản xuất phân đạm. Ví dụ như: từ metan điều chế axetilen; oxi hóa cắt mạch ankan mạch dài được axit ankanoic dùng trong tổng hợp xà phòng; ...
Ngoài ra, ankan cũng có những ứng dụng khác như để điều chế dung môi hữu cơ, tạo dầu bôi trơn, ....
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.
Còn từ pentan đến 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.
Các ankan từ hexadecane 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 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.
5. Bài tập về đồng phân Ankan
Bài 1: Số đồng phân cấu tạo mạch hở ứng với công thức C5H12 là:
Lời giải: Ankan có công thức có 3 đồng phần có cấu tạo:
CH3-CH2-CH2-CH2-CH3
CH3-C2(CH3)-CH3
CH3-CH(CH3)-CH2-CH3
Bài 2: Số đồng phân cấu tạo mạch hở ứng với công thức phân tử C6H14 là:
Lời giải: Ankan có công thức C6H14 tổng tất cả 5 đồng phân, bao gồm:
CH3-CH2-CH2-CH2-CH2-CH3
CH3-CH(CH3)-CH2-CH2-CH3
CH3-CH2-CH(CH3)-CH2-CH3
CH3-C2(CH3)-CH2-CH3
CH3-CH(CH3)-CH(CH3)-CH3
Bài tập trắc nghiệm về đồng phân của ankan:
Câu 1: Có bao nhiêu đồng phân cấu tạo có công thức phân tử C5H12
A. 3 đồng phân
B. 4 đồng phân
C. 5 đồng phân
D. 6 đồng phân
Câu 2: Có bao nhiêu đồng phân cấu tạo có công thức phân tử C6H14?
A. 3 đồng phân
B. 4 đồng phân
C. 5 đồng phân
D. 6 đồng phân
Câu 3: Có bao nhiêu đồng phân cấu tạo có công thức phân tử C4H9Cl?
A. 3 đồng phân
B. 4 đồng phân
C. 5 đồng phân
D. 6 đồng phân
Câu 4: Có bao nhiêu đồng phân cấu tạo có công thức phân tử C5H11Cl?
A. 6 đồng phân
B. 7 đồng phân
C. 5 đồng phân
D. 8 đồng phân
Trên đây Luật Minh Khuê chia sẻ bạn đọc kiến thức về đồng phân của Ankan. Quý khách hàng có thể xem thêm các bài viết liên quan: Ankan là gì? Định nghĩa, Tính chất của ankan và bài tập.
