Ankan là gì? Định nghĩa, Tính chất hóa học của ankan và bài tập

1. Ankan là gì?

Ankan là hydrocarbon mạch hở, tức là các phân tử ankan chỉ chứa các liên kết C – C và C – H. Điều này có nghĩa Ankan là các hydrocarbon không tạo mạch vòng, trong đó mỗi phân tử chứa số nguyên tử hydro 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.

Ví dụ về một số ankan bao gồm: metan (CH4), etan (C2H6), propan (C3H8), butan (C4H10), pentan (C5H12) và hexan (C6H14). 

Công thức tổng quát của Ankan là CnH2n+2 với n là số nguyên dương. Hợp chất trong dãy Ankan có công thức hoá học đơn giản nhất chính là Metan: CH4. Tiếp theo là Êtan có công thức C2H6. 

Công thức cấu tạo và mô hình phân tử của Metan

2. Đồng đẳng, đồng phân và tên gọi của Ankan

Đồng đẳng: CH4 và các chất có công thức phân tử như C2H6, C3H8, C4H10, C5H12,… là dãy đồng đẳng Ankan với công thức tổng quát CnH2n+2 (n ≥ 1). Mạch cacbon hở, có thể phân nhánh hoặc không phân nhánh. Trong phân tử Ankan chỉ có liên kết C-C, C-H. Trong phân tử ankan (trừ C2H6), các nguyên tử cacbon trong không cùng nằm trên một đường thẳng.

Đồng phân: 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 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 (danh pháp):

- Cách gọi tên Ankan mạch cacbon thẳng: Tên mạch cacbon + an. Bao gồm: CH4: Metan; C2H6: Etan; C3H8: Propan; C4H10: Butan; C5H12: Pentan; C6H14: Hexan; C7H16: Heptan; C8H18: Octan;  C9H20: Nonan; C10H22: Đecan

- Cách gọi tên Ankan khi mạch cacbon có nhánh: Vị trí mạch nhánh + tên nhánh + tên mạch chính (tên Ankan tương ứng với số nguyên tử cacbon trong 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 (nhóm Ankyl) theo thứ tự vần chữ cái cùng với 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 phân tử ở trạng thái liên kết và không mang e tự do giống gốc tự do. 

+ Công thức tổng quát nhóm Ankyl là: CnH(2n+1).

+ Bậc của nguyên từ cacbon trong phân tử ankan bằng số nguyên tử cacbon liên kết trực tiếp với nó. 

3. Tính chất hóa học của Ankan

Trong nhiệt độ thông 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 có thể dễ dàng tham gia các phản ứng thế, phản ứng tách hidro và phản ứng cháy. Cùng tìm hiểu tính chất hóa học của ankan qua 3 loại phản ứng điển hình sau đây.  

3.1 Ankan phản ứng thế bởi Halogen (Cl2, Br2)

Khi chiếu sáng hoặc đốt nóng hỗn hợp Metan và Clo xảy ra phản ứng thế lần lượt các nguyên tử Hiđro bằng Clo. Các phương trình hóa học xảy ra:

CH4 + Cl2 → CH3Cl + HCl

CH3Cl + Cl2 → CH3Cl3 + HCl

CH2Cl2 + Cl2 → CHCl3 + HCl

CHCl3 + Cl2 → CCl4 + HCl

Nhận xét:

+ Các đồng đẳng của Metan cũng tham gia phản ứng thế tương tự như Metan.

+ Nguyên tử Hiđro khi liên kết với nguyên tử cacbon ở bậc cao hơn sẽ dễ bị thế hơn nguyên tử Hiđro liên kết với nguyên tử cacbon bậc thấp hơn.

+ Phản ứng thế H bằng Halogen thuộc loại phản ứng Halogen hóa, sản phẩm hữu cơ có chứa Halogen gọi là dẫn xuất Halogen.

+ Khả năng phản ứng của dãy halogen F2 > Cl2 > Br2 > I2.

+ Phản ứng Br hóa có khả năng phản ứng chậm hơn Cl hóa nhưng có độ chọn lọc cao.

3.2 Phản ứng tách của Ankan

* Phản ứng tách H2 của Ankan (Phản ứng này còn gọi là phản ứng đề Hidro hóa)

Công thức tổng quát: CnH2n+2 → CnH2n + H2

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.

Phương trình hóa học: CH3-CH2-CH3 → CH2=CH-CH3 + H2

Lưu ý một số trường hợp riêng biệt sau:

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

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

n-C6H14 → 4H2 + C6H6 (Benzen)

n-C7H16 → 4H2 + C6H5CH3 (Toluen)

* Phản ứng tách mạch cacbon của Ankan (n≥ 3) và phản ứng phân hủy của Ankan

Phản ứng tách mạch cacbon của ankan còn gọi là phản ứng Cracking xảy ra ở điều kiện nhiệt độ, áp suất và xúc tác thích hợp. Công thức tổng quát: CnH2n+2 → CxH2x+2 + CyH2y. Ankan thẳng CnH2n+2 khi cracking có thể xảy ra theo (n – 2) hướng khác nhau tạo ra 2(n-2) sản phẩm. Số mol Ankan sau phản ứng luôn bằng số mol Ankan ban đầu dù quá trình Cracking có nhiều giai đoạn.

Ankan bị phân hủy bởi nhiệt. Công thức tổng quát: CnH2n+2 → nC + (n+1)H2. Phản ứng phân hủy bởi halogen có công thức tổng quát: CnH2n+2 + nCl2 → CnCl2n+2 + (n+1)H2

3.3 Phản ứng oxy hóa Ankan (Phản ứng cháy của Ankan)

Ankan bền với tác nhân oxy hóa ở nhiệt độ 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 → (nhiệt độ) 2nCO2 + (2n+2)H2O

Đối với phản ứng cháy của Ankan khi làm bài tập cần lưu ý 2 đặc điểm là: nCO2 < nH2O và nH2O – nCO2 = nankan bị đốt cháy.

Nếu đốt cháy 1 hiđrocacbon mà thu được nCO2 < nH2O thì hiđrocacbon đem đốt cháy thuộc loại ankan. Nếu đốt cháy hỗn hợp hiđrocacbon cho nCO2 < nH2O thì trong hỗn hợp đốt cháy có chứa ít nhất 1 ankan.

4. Một số bài tập về Ankan

Bài tập 1: Đốt cháy một mẫu Hidrocacbon A thu được 1,76g CO2 và 0,9 H2O. Hãy tìm công thức phân tử của A.

Hướng dẫn giải

Ta có: nCO2 = 1,76 / 44 = 0,04 mol

  nH2O = 0,9 / 18 = 0,05 mol

Ta thấy nCO2 < nH2O nên A là Ankan

Ta có công thức phân tử tổng quát của Ankan là CnH2n+2

Ta có 0,05n = 0,04 ( n + 1) = > n = 4

Vậy công thức phân tử của A là C4H10

          Bài tập 2: Cracking 8,8 gam propan thu được hỗn hợp khí A gồm H2, CH4, C2H2, C3H6 và một phần propan chưa bị cracking. Biết H% = 90%. Khối lượng phân tử trung bình của A là:

Hướng dẫn giải

Theo định luật bảo toàn khối lượng: m A = m Propan = 8,8 gam

n C3H4 ban đầu = 8,8 / 44 = 0,2 mol → nC3H4 pư = 0,2 x 90% = 0,18 (mol)

n C3H4 dư = 0,02 mol

Vậy sau pư số mol khí tạo thành = 0,18 x 2 + 0,02 = 0,38 mol → MA = 8,80,38 = 23,16

=> Đáp án đúng là: Đáp án B

Bài tập 3: Nung m gam hỗn hợp gồm 3 muối Natri của 3 Axit hữu cơ no, đơn chức với NaOH dư, thu được chất rắn D và hỗn hợp Y gồm 3 Ankan. Tỉ khối của Y so với H2 là 11,5. Cho D tác dụng với H2SO4 dư thu được 17,92 lít CO2 (đktc). Tên của 1 trong 3 Ankan và giá trị của m là

Hướng dẫn giải

Đặt công thức trung bình của 3 muối Natri của 3 axit hữu cơ no, đơn chức là CnH2n+1COONa. Phương trình hóa học:

CnH2n+1COONa + NaOH → (nhiệt độ, CaO) CnH2n+2 + Na2CO3 (1)

Na2CO3 + H2SO4 → Na2SO4 + H2O + CO2 (2)

Theo phương trình (1) và (2) ta có: n Na2CO3 = nCnH2n+2 = nNaOH = nCO2 = 17,92 / 22,4 = 0,8 (mol)

Áp dụng định luật bảo toàn khối lượng: m X + m NaOH = m CnH2n+2 + m Na2CO3 → m X = 0,8 x 106 + 11,5 x 2 x 0,8 − 0,8 x 40 = 71,2 (gam)

M Y = 14n + 2 = 23 → n = 1,5

=> Trong 3 Ankan có 1 Ankan là CH4

=> Đáp án đúng là: Đáp án A

Bài 4: Đốt cháy hoàn toàn một mẫu hiđrocacbon, người ta thấy thể tích hơi nước sinh ra gấp 1,2 lần thể tích CO2 trong cùng điều kiện. Biết rằng hiđrocacbon đó chỉ tạo thành một dẫn xuất monoclo duy nhất. Hãy xác định công thức cấu tạo của ankan này.

Hướng dẫn giải

Ta đặt công thức của ankan đó là CxHy: CxHy + ( x + y / 4 ) O2  → xCO2 + y/2 H2O

Theo đề bài ta có: VH20 / VCO2 = 1,2 = > y/2 = 1,2x => y = 2,4x

Mà y phải là số chẵn và y ≤  2x + 2 nên ta có 2,4x ≤  2x + 2 => x ≤  5

Nên ta chọn x = 5 và y = 12

=> Công thức phân tử của Ankan này là: C5H12

Bạn có thể tham khảo thêm bài viết sau: Amino axit là gì? Công thức hóa học của các amino axit thường gặp và bài tập của Luật Minh Khuê.

Mọi vướng mắc bạn vui lòng trao đổi trực tiếp với bộ phận luật sư tư vấn pháp luật trực tuyến qua tổng đài 24/7 gọi số: 1900.6162 hoặc liên hệ văn phòng để nhận được sự tư vấn, hỗ trợ từ Luật Minh Khuê.