Bài 15: Alkane

I. Khái niệm, danh pháp

1. Khái niệm và công thức chung của alkane

- Alkane là các hydrocarbon no mạch hở chỉ chức liên kết đơn (liên kết \(\sigma\)) C – H và C – C trong phân tử.

- Công thức phân tử chung của alkane: C_nH_2n+2 (n là số nguyên, n \(\geq\) 1).

Ví dụ: CH₄, C₂H₆, C₃H₈, C₄H₁₀, C₅H₁₂,...

2. Danh pháp

a) Alkane không phân nhánh

Tên theo danh pháp thay thế của alkane trong mạch không phân nhánh:

b) Alkane mạch phân nhánh

- Gốc alkyl: Phần còn lại sau khi lấy đi một nguyên tử hydrogen từ phân tử alkane (công thức chung của gốc alkyl là C_nH_2n+1)

- Tên gốc alkyl:

Ví dụ: methyl (CH₃-) , ethyl (C₂H₅-), propyl (C₃H₇-),...

- Alkane mạch nhánh gồm alkane mạch chính kết hợp với một hay nhiều nhánh.

Tên theo danh pháp thay thế của alkane mạch phân nhánh:

Lưu ý:

- Chọn mạch dài nhất, có nhiều nhánh nhất làm mạch chính.

- Đánh số nguyên tử carbon mạch chính sao cho mạch nhánh có số chỉ vị trí nhỏ nhất.

- Dùng chữ số (1,2,3,...) và gạch nối (-) để chỉ vị trí nhánh, nhóm cuối cùng viết liền với tên mạch chính.

- Nếu có nhiều nhánh giống nhau: dùng các từ như di- (2), tri- (3), tetra- (4),... để chỉ số lượng nhóm giống nhau, tên nhánh viết theo thứ tự bảng chữ cái.

Ví dụ:

 

 

II. Đặc điểm cấu tạo

 

- Trong phân tử alkane chỉ chứa các liên kết đơn C – C và C – H, các liên kết này là liên kết \(\sigma\) bền vững và kém phân cực. Do vậy, phân tử alkane hầu như không phân cực và ở điều kiện thường chúng tương đối trơ về mặt hóa học.

- Trong phân tử methane, bốn liên kết C – H giống nhau tạo với nhau một góc 109,5\({^\circ}\) và hướng về bốn đỉnh của một tứ diện đều.

III. Tính chất vật lí

- Ở điều kiện thường:

+ Trạng thái khí: alkane từ C₁ đến C₄ và neopentane.

+ Trạng thái lỏng, không màu: từ C₅ đến C₁₇ (trừ neopentane)

+ Trạng thái rắn, màu trắng (sáp paraffin): alkane từ C₁₈ trở lên.

- Các alkane mạch nhánh thường có nhiệt độ sôi thấp hơn so với đồng phân alkane mạch không phân nhánh.

- Alkane không tan hoặc tan rất ít trong nước và nhẹ hơn nước, tan tốt hơn trong các dung môi hữu cơ.

IV. Tính chất hóa học

1. Phản ứng thế

- Khi đặt bình chứa hỗn hợp của alkane với halogen (thường là chlorine hoặc bromine) trong phòng tối và ở nhiệt độ phòng, phản ứng không xảy ra. Nhưng nếu đun nóng hoặc chiếu ánh sáng sẽ xảy ra phản ứng thế nguyên tử hydrogen trong alkane bằng nguyên tử halogen:

\(\Rightarrow \ \)phản ứng halogen hóa alkane. Sản phẩm của phản ứng halogen hóa là các dẫn xuất halogen.

Ví dụ: Khi trộn methane với chlorine và chiếu ánh sáng tử ngoại, sản phẩm thu được là chloromethane.

CH₄ + Cl₂ \(\overset{ánh\ sáng}{\rightarrow}\) CH₃Cl + HCl

Phản ứng thế có thể tiếp tục diễn ra với các nguyên tử hydrogen còn lại của chloromethane cho hỗn hợp các sản phẩm chloromethane, dichloromethane, trichloromethane và tetrachloromethane.

CH₃Cl + Cl₂\(\ \overset{ánh\ sáng}{\rightarrow}\) CH₂Cl₂ + HCl

CH₂Cl₂ + Cl₂ \(\overset{ánh\ sáng}{\rightarrow}\) CHCl₃ + HCl

CHCl₃ + Cl₂ \(\overset{ánh\ sáng}{\rightarrow}\) CCl₄ + HCl

Khi thực hiện phản ứng thế halogen vào các alkane có từ 3 nguyên tử carbon trở lên sẽ thu được hỗn hợp các sản phẩm thế monohalogen.

Ví dụ:

 

 

2. Phản ứng cracking

 

- Cracking alkane là quá trình phân cắt liên kết C – C (bẻ gãy mạch carbon) của các alkane mạch dài để tạo thành hỗn hợp các hydrocarbon có mạch carbon ngắn hơn.

- Phản ứng cracking được ứng dụng trong công nghiệp lọc dầu. Phản ứng cracking được thực hiện trong điều kiện nhiệt độ cao và thường có xúc tác.

Ví dụ: Cracking nonane C₉H₂₀ thu được các alkane mạch ngắn hơn là C₅ – C₇ và alkene C₂ – C₄. Sơ đồ phản ứng:

 

3. Phản ứng reforming

Reforming alkane là quá trình chuyển các alkane mạch không phân nhánh thành các alkane mạch phân nhánh và các hydrocarbon mạch vòng nhưng không làm thay đổi số nguyên tử carbon trong phân tử và cũng không làm thay đổi đáng kể nhiệt độ sôi của chúng.

Reforming alkane xảy ra quá trình đồng phân hóa (isomer hóa) và arene hóa (thơm hóa). Quá trình reforming thường được thực hiện với các alkane C₅ – C₁₁ trong điều kiện nhiệt độ cao và thường có xúc tác.

Ví dụ: reforming hexane thu được các alkane mạch nhánh và các hydrocarbon mạch vòng.

Quá trình reforming được ứng dụng trong công nghiệp lọc dầu để làm tăng chỉ số octane của xăng và sản xuất các arene (benzene, toluene, xylenen) làm nguyên liệu cho công nghiệp tổng hợp hữu cơ

4. Phản ứng oxi hóa

a) Phản ứng oxi hóa hoàn toàn (phản ứng cháy)

Khi tiếp xúc với oxygen và có tia lửa khơi mào, alkane bị đốt cháy tạo thánh khí carbon dioxide, hơi nước và giải phóng năng lượng.

C_nH_2n+2 + \(\frac{3n + 1}{2}\) O₂ \(\overset{t{^\circ}}{\rightarrow}\) nCO₂ + (n+1)H₂O

Ví dụ:

CH_4(g) + 2O_2(g) \(\overset{t{^\circ}}{\rightarrow}\) CO_2(g) + 2H₂O_(g)                     \(\mathrm{\Delta}\)_rH^o = - 890 kJ/mol

C₃H_8(g) + 5O_2(g) \(\overset{t{^\circ}}{\rightarrow}\) 3CO_2(g) + 4H₂O_(g)              \(\mathrm{\Delta}\)_rH^o = - 2216 kJ/mol

Phản ứng cháy của alkane có vai trò rất quan trọng đối với đời sống con người. Đốt cháy các alkane cung cấp nhiệt để đun nấu, sưởi ấm và cung cấp năng lượng cho các ngành công nghiệp.

b) Phản ứng oxi hóa không hoàn toàn

- Ở nhiệt độ cao, có mặt xúc tác, alkane bị oxi hóa cắt mạch carbon bởi oxygen tạo thành hỗn hợp carboxylic acid:

RCH₂ – CH₂R’ + \(\frac{5}{2}\)O₂\(\overset{xúc\ tác,\ t{^\circ}}{\rightarrow}\) RCOOH + R’COOH + H₂O

- Các acid béo mạch dài dùng để sản xuất xà phòng và các chất tẩy rửa được điều chế bằng phương pháp oxi hóa mạch các alkane C₂₅ – C₃₅.

 

 

V. Ứng dụng

 

Khí thiên nhiên và khí dầu mỏ là nhiên liệu sạch và được sử dụng rộng rãi trên thế giới. Chúng được sử dụng làm nhiên liệu trong sản xuất và đời sống.

LPG (Liquefied Petroleum Gas) thương phẩm chứa propane C₃H₈ và butane C₄H₁₀.

Ngoài ra, khí thiên nhiên và khí dầu mỏ với thành phần chính là methane được dùng làm nguyên liệu để sản xuất phân bón urea, hydrogen và ammonia.

Các alkane lỏng được sử dụng làm nhiên liệu xăng, diesel và nhiên liệu phản lực (jet fuel),...

Các alkane C₆, C₇, C₈ là nguyên liệu để sản xuất benzene, toluene và các đồng phân xylene.

Các alkene từ C₁₁ đến C₂₀ (vaseline) được dùng làm kem dưỡng da, sáp nẻ, thuốc mỡ. Các alkane từ C₂₀ đến C₃₅ (paraffin) được dùng làm nến, sáp,...

VI. Điều chế

1. Phương pháp điều chế alkane ở thể khí trong công nghiệp

Các alkane ở thể khí chủ yếu được lấy từ khí thiên nhiên và khí dầu mỏ. Sau khi loại bỏ các hợp chất không phải là hydrocarbon (đặc biệt là H₂S và SO₂), khí được dẫn qua đường ống dẫn đến nơi tiêu thụ hoặc được nén lại ở dạng lỏng (hóa lỏng ở áp suất cao) để dễ dàng vận chuyển. Khí dầu mỏ hóa lỏng là LPG, còn khí thiên nhiên hóa lỏng là LNG (liquefied natural gas).

2. Phương pháp điều chế alkane ở thể lỏng, rắn trong công nghiệp

Khi chưng cất dầu mỏ nhận được hỗn hợp alkane có chiều dài mạch carbon khác nhau ở các phân đoạn sôi khác nhau. Để nhận được các alkane tinh khiết cần phải có các công nghệ tách và tinh chế rất phức tạp.

Khi ngưng tụ chứa chủ yếu alkane C₅ – C₈, là sản phẩm thu được khi khai thác dầu mỏ. Chúng được bơm lên cùng với dầu và được ngưng tụ thành chất lỏng. Khí ngưng tụ thường được chế biến thành xăng.

VII. Ô nhiễm không khí do phương tiện giao thông

1. Các chất trong khí thải của phương tiện giao thông gây ô nhiễm không khí

Quá trình cháy của xăng dầu, dầu diesel trong động cơ các phương tiện giao thông tạo ra sản phẩm cuối cùng là CO₂. Khí này là nguyên nhân chính gây hiệu ứng nhà kính kàm trái đất nóng lên. Nếu xăng, dầu diesel cháy không hoàn toàn, thiếu oxygen thì tạo ra khí CO, VOCs (các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi như fomaldehyde, benzene, toluene,...) và các hạt bụi đen chứa các hợp chất arene đa vòng rất độc. Nhiên liệu chứa sulfur khi cháy sinh ra các oxide của sulfur SO_x. Ngoài ra quá trình cháy tạo nhiệt độ cao khiến oxygen và nitrogen trong không khí phản ứng với nhau, tạo thành các loại oxide của nitrogen (NO_x). Các chất này gây ô nhiễm môi trường không khí.

2. Một số biện pháp hạn chế ô nhiễm môi trường do các phương tiện giao thông

- Sử dụng nhiên liệu cháy sạch: Để bảo vệ sức khỏe con người, trong tiêu chuẩn nhiên liệu có yêu cầu nghiêm ngặt về chỉ số octane đối với xăng và chỉ số cetane đối với diesel. Ngoài ra còn có yêu cầu về hàm lượng kim loại nặng.

- Đối với xăng, có yêu cầu về hàm lượng benzene. Theo tiêu chuẩn EURO 4 và EURO 5, hàm lượng benzene phải nhỏ hơn 1% về thể tích.

- Đối với nhiên liệu diesel, có yêu cầu về hàm lượng sulfur và hàm lượng arene đa vòng. Theo tiêu chuẩn EURO 4, hàm lượng sulfur phải dưới 50mg/kg và theo EURO 5 phait dưới 10mg/kg. Theo tiêu chuẩn EURO 4 và EURO 5, hàm lượng arene đa vòng PAHs phải dưới 11%.

- 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 chỉ 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.

1. Công thức tổng quát của alkane: C_nH_2n+2 (n\(\geq 1)\).

2. Trong điều kiện thường, alkane C₁ – C₄ và neopentane ở trạng thái khí, C₅ – C₁₇ (trừ neopentane) là chất lỏng không màu, từ C₁₈ trở lên là chất rắn.

3. Các phản ứng của alkane:

+ Phản ứng thế: C_nH_2n+2\(\ \overset{+ X_{2}}{\rightarrow}\) C_nH₂₊₁X \(\overset{+ X_{2}}{\rightarrow}\) CnH_2nX₂ \(\overset{+ X_{2}}{\rightarrow}\)...

+ Cracking alkane mạch dài thu được hỗn hợp alkane mạch ngắn hơn để chế biến thành xăng và alkene C₂ – C₄ làm nguyên liệu cho tổng hợp hữu cơ.

+ Reforming alkane mạch không phân nhánh thu được alkane mạch nhánh để sản xuất xăng có chỉ số octane cao và các arene làm nguyên liệu cho tổng hợp hữu cơ.

+ Phản ứng oxi hóa:

C_nH_2n+2 + \(\frac{3n + 1}{2}\)O₂ \(\overset{t{^\circ}}{\rightarrow}\) nCO₂ + (n+1)H₂O

RCH₂ – CH₂R’ + \(\frac{5}{2}\)O₂\(\overset{xúc\ tác,\ t{^\circ}}{\rightarrow}\)RCOOH+R’COOH + H₂O

4. Trong công nghiệp, nguyên liệu sản xuất alkane lấy từ khí thiên nhiên và dầu mỏ.

5. Ứng dụng: nhiên liệu (LPG, LNG, xăng, diesel, nhiên liệu phản lực); nguyên liệu cho công nghiệp hóa chất, dược phẩm, mĩ phẩm, phân bón,...