TÀI LIỆU HỌC TẬP: PHẢN ỨNG CỦA ALKANE (LỚP 12)

I. ĐẠI CƯƠNG VỀ ALKANE

1. Định nghĩa

Alkane là các hydrocarbon no, mạch hở, chỉ chứa liên kết đơn (σ) C-C và C-H trong phân tử. Công thức tổng quát: $C_nH_{2n+2}$ ($n \ge 1$).

2. Đồng phân và Danh pháp

a. Đồng phân

Alkane có đồng phân mạch carbon (mạch thẳng, mạch nhánh). Số lượng đồng phân tăng nhanh theo số nguyên tử carbon.

Ví dụ:

• $C_4H_{10}$: 2 đồng phân (butane và 2-methylpropane)
• $C_5H_{12}$: 3 đồng phân (pentane, 2-methylbutane và 2,2-dimethylpropane)

b. Danh pháp

Tên theo IUPAC:

• Chọn mạch carbon dài nhất làm mạch chính.
• Đánh số thứ tự các nguyên tử carbon trên mạch chính sao cho mạch nhánh có số chỉ vị trí nhỏ nhất.
• Gọi tên: Số chỉ vị trí nhánh - Tên nhánh + Tên alkane mạch chính + "-ane"

Tên gốc alkyl:

• Alkane - 1H $\rightarrow$ Alkyl (thay "-ane" bằng "-yl")
  • $CH_4$ (methane) $\rightarrow$ $CH_3-$ (methyl)
  • $C_2H_6$ (ethane) $\rightarrow$ $C_2H_5-$ (ethyl)
  • $C_3H_8$ (propane) $\rightarrow$ $C_3H_7-$ (propyl và isopropyl)

3. Tính chất vật lý

• Ở điều kiện thường, $C_1$ đến $C_4$ là chất khí, $C_5$ đến $C_{17}$ là chất lỏng, từ $C_{18}$ trở lên là chất rắn.
• Nhiệt độ sôi, nhiệt độ nóng chảy, khối lượng riêng tăng theo chiều tăng của phân tử khối.
• Alkane không tan trong nước, tan trong dung môi hữu cơ.

4. Tính chất hóa học

Alkane tương đối trơ về mặt hóa học ở điều kiện thường do liên kết C-C và C-H bền. Tuy nhiên, ở điều kiện thích hợp, alkane tham gia các phản ứng sau:

II. PHẢN ỨNG ĐẶC TRƯNG CỦA ALKANE

1. Phản ứng thế halogen (Halogen hóa)

a. Cơ chế

Phản ứng halogen hóa alkane xảy ra theo cơ chế gốc tự do (SR - Substitution, Radical). Gồm 3 giai đoạn chính:

• Giai đoạn khơi mào (Initiation): Tạo gốc tự do halogen do tác dụng của ánh sáng hoặc nhiệt.

  $X_2 \xrightarrow{h\nu} 2X^{\bullet}$ (X là halogen: Cl, Br)

• Giai đoạn phát triển mạch (Propagation):

  $R-H + X^{\bullet} \rightarrow R^{\bullet} + HX$

  $R^{\bullet} + X_2 \rightarrow R-X + X^{\bullet}$

• Giai đoạn tắt mạch (Termination): Các gốc tự do kết hợp với nhau.

  $X^{\bullet} + X^{\bullet} \rightarrow X_2$

  $R^{\bullet} + X^{\bullet} \rightarrow R-X$

  $R^{\bullet} + R^{\bullet} \rightarrow R-R$

b. Quy tắc thế

• Ưu tiên thế hydrogen ở carbon bậc cao hơn (carbon liên kết với nhiều carbon khác hơn) do gốc tự do tạo thành bền hơn.

  • Bậc của carbon: carbon bậc I (liên kết với 1 carbon khác), carbon bậc II (liên kết với 2 carbon khác), carbon bậc III (liên kết với 3 carbon khác).
  • Độ bền của gốc tự do: bậc III > bậc II > bậc I

• Ví dụ: Phản ứng chlorine hóa propane ($CH_3CH_2CH_3$):

  $CH_3CH_2CH_3 + Cl_2 \xrightarrow{h\nu} CH_3CHClCH_3$ (chính) + $CH_3CH_2CH_2Cl$ (phụ) + HCl

  (2-chloropropane) (1-chloropropane)

• Lưu ý:

  • Phản ứng halogen hóa thường tạo hỗn hợp nhiều sản phẩm thế khác nhau.
  • Phản ứng brom hóa chọn lọc hơn chlorine hóa, ưu tiên thế vào carbon bậc cao hơn rõ rệt.
  • Phản ứng fluor hóa xảy ra quá mãnh liệt, phản ứng iodine hóa xảy ra rất chậm hoặc không xảy ra.

2. Phản ứng đốt cháy (Oxy hóa hoàn toàn)

Alkane cháy hoàn toàn trong oxy dư tạo thành carbon dioxide ($CO_2$) và nước ($H_2O$). Phản ứng tỏa nhiều nhiệt.

$C_nH_{2n+2} + \frac{3n+1}{2}O_2 \xrightarrow{t^o} nCO_2 + (n+1)H_2O$

Ví dụ:

$CH_4 + 2O_2 \xrightarrow{t^o} CO_2 + 2H_2O$

Tính chất định lượng:

• Số mol $CO_2$ và $H_2O$ tạo thành có thể được sử dụng để xác định công thức phân tử của alkane.
• Nếu $n_{H_2O} > n_{CO_2}$: Hydrocarbon là alkane.
• $n_{alkane} = n_{H_2O} - n_{CO_2}$

3. Phản ứng cracking (phản ứng cắt mạch)

Ở nhiệt độ cao và có xúc tác, alkane có thể bị cắt mạch carbon tạo thành các alkane và alkene nhỏ hơn.

Ví dụ:

$C_4H_{10} \xrightarrow{t^o, xúc tác} CH_4 + C_3H_6$

$C_4H_{10} \xrightarrow{t^o, xúc tác} C_2H_6 + C_2H_4$

4. Phản ứng reforming (phản ứng đồng phân hóa và aromat hóa)

Ở nhiệt độ cao và có xúc tác, alkane mạch thẳng có thể chuyển thành alkane mạch nhánh (đồng phân hóa) hoặc hydrocarbon thơm (aromat hóa).

Ví dụ:

• Đồng phân hóa:

  $CH_3CH_2CH_2CH_3 \xrightarrow{t^o, xúc tác} CH_3CH(CH_3)CH_3$

• Aromat hóa:

  $C_6H_{14} \xrightarrow{t^o, xúc tác} C_6H_6 + 4H_2$

III. ỨNG DỤNG CỦA ALKANE

• Nhiên liệu: Methane (khí thiên nhiên), propane, butane (khí hóa lỏng LPG), xăng (hỗn hợp alkane lỏng).
• Nguyên liệu cho công nghiệp hóa chất: Sản xuất alkene, arene, halogen alkane...
• Dung môi: Pentane, hexane.

IV. BÀI TẬP VẬN DỤNG

Bài 1: Viết công thức cấu tạo và gọi tên các đồng phân của alkane có công thức phân tử $C_5H_{12}$.

Bài 2: Khi chlorine hóa methane theo tỉ lệ mol 1:1, sản phẩm chính thu được là gì? Viết phương trình phản ứng.

Bài 3: Đốt cháy hoàn toàn 4.48 lít khí methane (đktc). Tính thể tích khí carbon dioxide sinh ra (đktc) và khối lượng nước tạo thành.

Bài 4: Crackinh hoàn toàn 11.6 gam butane thu được hỗn hợp X gồm methane, ethane, propene và butene. Đốt cháy hoàn toàn hỗn hợp X, thu được V lít $CO_2$ (đktc) và m gam nước. Tính giá trị V và m.