BÀI 12: ALKANE

(20 câu)

1. NHẬN BIẾT (7 câu)

Câu 1. Alkane là gì?

Giải:

Alkane là hydrocarbon mạch hở, trong phân tử chỉ có liên kết đơn.

Câu 2. Nêu cấu tạo chung của alkane.

Giải:

Mỗi nguyên tử carbon trong phân tử alkane nằm ở tâm một hình tứ diện. Liên kết với bốn nguyên tử (hay nhóm nguyên tử) nằm ở bốn đỉnh của hình tứ diện đó.

Câu 3. Nên đặc điểm chung về đồng phân alkane.

Giải:

Các alkane có từ bốn nguyên tử C trở lên có đồng phân về mạch carbon. Các alkane mạch không phân nhánh có mạch carbon mà trong đó mỗi nguyên tử carbon chỉ liên kết với tối đa hai nguyên tử carbon khác. Alkane mạch phân nhánh chứa nguyên tử carbon liên kết với ba hoặc bốn nguyên tử carbon khác.

Câu 4: Nêu tính chất vật lí của các alkane.

Giải:

• Ở điều kiện thường, methane, ethane, propane và butane là các chất khí; các alkane có số nguyên tử carbon lớn hơn (trừ neopentane) là chất lỏng hoặc chất rắn. Nhiệt độ nóng chảy, nhiệt độ sôi và khối lượng riêng của các alkane nhìn chung đều tăng theo khối lượng phân tử của chúng.
• Tất cả các alkane đều nhẹ hơn nước
• Alkane thuộc loại hợp chất hữu cơ kém phân cực, do đó chúng đều kém tan trong nước và tan nhiều trong dung môi hữu cơ không phân cực. Một số alkane cũng được sử dụng làm dung môi để hòa tan các chất kém phân cực khác.

Câu 5: Nêu các nguồn alkane trong tự nhiên.

Giải:

Alkane dùng trong công nghiệp được lấy từ nguồn alkane có trong tự nhiên, bao gồm dầu mở, khí thiên nhiên và khí mỏ dầu (khí đồng hành).

Câu 6: Nêu các ứng dụng của alkane.

Giải:

• Alkane là thành phần chính của các loại nhiên liệu trong đời sống (khí đốt, LPG, xăng, dầu hỏa, dầu diesel, dầu đốt). Khí đốt (từ khí thiên nhiên, khí đồng hành, biogas) có thành phần chủ yếu là methane; LPG (liquefied petroleum gas) có thành phần chính là propane, butane và isobutane; bật lửa gas sử dụng butane làm chất bắt cháy; xăng, dầu hỏa, dầu diesel, đầu đốt có thành phần chính là các alkane với mạch carbon chứa khoảng từ 5 đến 20 nguyên tử carbon.
• Ngoài việc sử dụng làm nhiên liệy, methane còn được sử dụng làm nguyên liệu để tổng hợp acetylene, hydrogen và một số chất khác có nhiều ứng dụng trong công nghiệp (ethylene, propylene, butadiene cho ngành nhựa; MTBE là chất làm tăng chỉ số octane của xăng).
• Một số alkane lỏng được sử dụng làm nhiên liệu, dung môi pha sơn, chiết tách hoạt chất làm thuốc hoặc làm dung môi trong tổng hợp hữu cơ,…Các alkane ở dạng rắn được dùng làm sáp, nến,…Alkane là thành phần chính của dầu nhờn, nhựa đường,…và còn được sử dụng để tổng hợp các chất hoạt động bề mặt.

Câu 7: Liệt kê các tính chất hóa học của alkane.

Giải:

• Phản ứng thế halogen
• Phản ứng cracking
• Phản ứng reforming
• Phản ứng oxi hóa

2. THÔNG HIỂU (5 câu)

Câu 1. Viết công thức cấu tạo dạng đầy đủ của các hydrocarbon có công thức phân tử CH₄, C₂H₆ và C₃H₈. Dự đoán tính chất của các chất dựa trên đặc điểm liên kết của chúng.

Giải:

Trong phân tử alkane chỉ có các liên kết σ bền và kém phân cực. Mỗi nguyên tử carbon cũng như hydrogen đã tạo ra số liên kết cộng hoá trị lớn nhất của chúng. Vì thế, các alkane khó tham gia vào các phản ứng hoá học và phản ứng xảy ra sẽ kèm theo việc thay thế nguyên tử hydrogen hoặc bẻ gãy mạch carbon. Ở điều kiện thường, các alkane kém hoạt động, chúng không tác dụng với acid, kiềm và một số chất oxi hoá như dung dịch KMnO₄, K₂Cr₂O₇,... Các phản ứng tiêu biểu của alkane là phản ứng thế halogen (chlorine, bromine), phản ứng cracking, phản ứng reforming và phản ứng cháy.

Câu 2. Mô tả hình dạng của phân tử methane và ethane.

Giải:

Nguyên tử carbon trong phân tử methane và ethane nằm ở tâm một hình tứ diện, liên kết với bốn nguyên tử (hay nhóm nguyên tử) nằm ở bốn đỉnh của hình tứ diện đó.

Câu 3. Gọi tên các hợp chất isobutane, isopentane và neopentane theo danh pháp thay thế.

Giải:

Câu 4. Trình bày về phản ứng oxy hóa của alkane?

Giải:

* Phản ứng oxy hóa của alkane là quá trình trong đó các phân tử alkane phản ứng với oxy trong môi trường có điều kiện oxy hóa để tạo ra sản phẩm mới. Trong quá trình này, các nguyên tử hydrogen của alkane bị thay thế bởi các nguyên tử oxi, tạo thành sản phẩm mới là alkohol hoặc keton.

* PTHH minh họa:

1. Phản ứng oxy hóa của methane:

2 CH₄ + 3 O₂ → 2 CO₂ + 4 H₂O

2. Phản ứng oxy hóa của ethane:

2 C₂H₆ + 7 O₂ → 4 CO₂ + 6 H₂O

3. Phản ứng oxy hóa của propane:

C₃H₈ + 5 O₂ → 3 CO₂ + 4 H₂O

Câu 5. Trình bày về phản ứng cracking của alkane?

Giải:

* Phản ứng cracking của alkane là quá trình phân hủy các phân tử alkane lớn thành các phân tử alkane nhỏ hơn, đơn giản hóa chúng thành các sản phẩm có khối lượng thấp hơn.

* Phản ứng cracking của alkane xảy ra ở nhiệt độ cao, thông thường từ 500℃ đến 900℃ và áp suất cao.

* PTHH minh họa:

1. Cracking propane:

C₃H₈      C₂H₄ + CH₄

2. Cracking butane:

C₄H₁₀        C₃H₆ + CH₄

3. Cracking octane:

C₈H₁₈        C₆H₁₄ + C₂H₄ + H₂

3. VẬN DỤNG (5 câu)

Câu 1. Viết công thức cấu tạo các sản phẩm monobromo có thể tạo thành trong phản ứng giữa bromine và hexane.

Giải:

CH₃CH₂CH₂CH₂CH₂CH₂Br

CH₃CH₂CH₂CH₂CHBrCH₃

CH₃CH₂CH₂CHBrCH₂CH₃

Câu 2. Biogas hay khí sinh học là một hỗn hợp khí (chủ yếu là methane, chiếm hơn 60%) được sinh ra từ quá trình phân hủy kị khí của các phụ phẩm nông nghiệp (chất thải của gia súc, gia cầm, rơm, rạ,...), rác thải hữu cơ,... Mỗi m3 biogas có thể cung cấp năng lượng tương đương với 0,4 kg dầu diesel hoặc 0,6 kg xăng hoặc 0,8 kg than. Cho biết việc sử dụng biogas có thể mang lại những lợi ích gì.

Giải:

Tạo ra nguồn năng lượng sạch và tái tạo

Sử dụng khí biogas để đun nấu thay thế cho các năng lượng hóa thạch (củi, than đá) và gas, ngoài ra còn sử dụng thắp sáng, sưởi ấm cho gia súc. Giảm chi phí về gas/ than /xăng...

Cải thiện chất lượng môi trường

 Hệ thống biogas giúp giảm mùi hôi và cải thiện cảnh quan,tạo ra môi trường xanh, sạch cho các hộ chăn nuôi do chất thải được tập trung và nạp vào bể  biogas.

Cải thiện sức khỏe và an toàn xã hội

Giảm các bệnh nhiễm khuẩn hô hấp được cải thiện do chất lượng môi trường không khí không bị ô nhiễm.

Câu 3. Vì sao không được dùng nước để dập tắt các đám cháy xăng, dầu mà phải dùng cát hoặc CO₂?

Giải:

Vì xăng, dầu chứa các alkane kém tan trong nước và nhẹ hơn nước. Nên khi tiếp xúc xăng, dầu sẽ nổi lên trên mặt nước. Khiến cho đám cháy càng lan rộng hơn gây hậu quả càng nghiêm trọng. Còn khi sử dụng cát hoặc bình chứa khí carbonic thì sẽ ngăn cản xăng, dầu tiếp xúc với oxygen trong không khí làm cho đám cháy bị dập tắt.

Câu 4. Hãy đề xuất một số biện pháp góp phần làm giảm ô nhiễm môi trường do các phương tiện giao thông gây ra.

Giải:

• Sử dụng nhiên liệu sinh học như xăng pha thêm ethanol (E5, E10,...), biodiesel.

Ethanol vừa là phụ gia tăng chỉ số octane vừa là nhiên liệu cháy sạch. Biodiesel là methyl ester của các acid béo trong dầu mỡ động thực vật phi thực phẩm, nhiên liệu này có chỉ số cetane cao, không chứa sulfur và arene.

• Sử dụng các phương tiện giao thông tiết kiệm năng lượng và chuyển đổi sang các loại động cơ điện.

Câu 5. Viết công thức cấu tạo và gọi tên thay thế của các hydrocarbon có công thức phân tử C₅H₁₂.

Giải:

4. VẬN DỤNG CAO (3 câu)

Câu 1. Dầu thô có thành phần chính là các hydrocarbon. Người ta có thể phân tách các hydrocarbon có trong dầu thô bằng phương pháp chưng cất phân đoạn. Mỗi phân đoạn gồm một số hydrocarbon có nhiệt độ sôi gần nhau.

1. a) Vì sao khó thu được hydrocarbon tinh khiết bằng cách chưng cất dầu thô?
2. b) Undecane (C₁₁H₂₄) là một hydrocarbon mạch dài có trong dầu thô. Undecane có thể bị cracking tạo thành pentane và một alkene. Viết phương trình hoá học của phản ứng xảy ra.

Giải:

1. a) Khó thu được hydrocarbon tinh khiết bằng cách chưng cất dầu thô bởi mỗi phân đoạn nhận được hỗn hợp hydrocarbon khác nhau có nhiệt độ sôi gần nhau.
2. b) Các PTHH cracking Undecane có thể là:

C₁₁H₂₄ → C₅H₁₂ + C₆H₁₂

C₁₁H₂₄ → C₅H₁₂ + 2C₃H₆

C₁₁H₂₄ → C₅H₁₂ + 3C₂H₄

Câu 2. Khí thải của động cơ có thể chứa những chất nào gây ô nhiễm môi trường? Có những giải pháp nào để hạn chế ô nhiễm môi trường do khí thải của động cơ?

Giải:

Khí thải động cơ, ngoài thành phần là carbon dioxide và hơi nước, còn có thể có carbon monoxide, các oxide của nitrogen và alkane chưa bị cháy hết.

Một số biện pháp hạn chế ô nhiễm môi trường do khí thải của động cơ:

• Đưa chất xúc tác vào ống xả của động cơ. Nhờ có chất xúc tác, alkane trong khí thải tiếp tục được chuyển hóa thành carbon dioxide và nước, trong khi carbon monoxide và các oxide của nitrogen được chuyển hóa thành carbon dioxide và nitrogen.
• Sử dụng nhiên liệu cháy sạch: nhiên liệu đảm bảo nghiêm ngặt về chỉ số octane và cetane.
• Sử dụng nhiên liệu sinh học như xăng pha thêm ethanol (E5, E10,...), biodiesel.

Ethanol vừa là phụ gia tăng chỉ số octane vừa là nhiên liệu cháy sạch. Biodiesel là methyl ester của các acid béo trong dầu mỡ động thực vật phi thực phẩm, nhiên liệu này có chỉ số cetane cao, không chứa sulfur và arene.

• Sử dụng các phương tiện giao thông tiết kiệm năng lượng và chuyển đổi sang các loại động cơ điện.

Câu 3. Đốt cháy hoàn toàn 1 hydrocarbon A (là chất khí, đkc) rồi dẫn sản phẩm lần lượt qua bình 1 đựng H₂SO₄ đặc và bình 2 chứa NaOH dư người ta thấy khối lượng bình 1 tăng 1,8 gam và khối lượng bình 2 tăng 3,52 gam. Xác định CTPT của A?

Giải:

Khối lượng bình 1 tăng là khối lượng của H₂O => 

Khối lượng bình 2 tăng là khối lượng của CO₂ =>  = 0,08 mol

Nhận thấy: <  => hydrocarbon là alkane

Số mol alkane là = 0,1 – 0,08 = 0,02 mol

Phương trình phản ứng:

→ n = 0,08 : 0,02 = 4

CTPT của A là C₄H₁₀