Giải chi tiết Hóa học 11 Cánh diều mới bài 12: Alkane

MỞ ĐẦU 

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.

Hướng dẫn trả lời:

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.

I. KHÁI NIỆM VÀ DANH PHÁP

Câu hỏi 1: Mô tả hình dạng của phân tử methane và ethane.

Hướng dẫn trả lời:

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 hỏi 2: Gọi tên các hợp chất isobutane, isopentane và neopentane theo danh pháp thay thế.

Hướng dẫn trả lời:

II. TÍNH CHẤT VẬT LÍ

III. TÍNH CHẤT HÓA HỌC

Thí nghiệm 1: Phản ứng của hexane với bromine

Chuẩn bị: Hexane, nước bromine, ống nghiệm, các nước nóng và bông tầm dung dịch NaOH.

Tiến hành: Cho vào ống nghiệm khô khoảng 1 mL hexane, sau đó nhà thêm vào khoảng 1 ml nước bromine. Lắc nhẹ hỗn hợp phản ứng. Nút ống nghiệm bằng bông đã tắm dung dịch NaOH rồi nhúng ống nghiệm vào trong các nước nóng khoảng 50 °C (đã chuẩn bị trước) hoặc để ống nghiệm ra nơi có ánh sáng mặt trời.

Yêu cầu: Quan sát, nhận xét màu sắc và tính đồng nhất của hỗn hợp phản ứng trước và sau khi đun nóng (hoặc để ra ngoài ánh nắng mặt trời).

Chú ý an toàn: Hexane, bromine và hydrogen bromide đều dễ bay hơi, có mùi xốc, độc.

Hướng dẫn trả lời:

Ở điều kiện thường (trước khi đun nóng), không có hiện tượng xảy ra, hỗn hợp không đồng nhất.

Khi đun nóng (hoặc để ngoài ánh nắng mặt trời), nước bromine bị mất màu vàng.

Vì ở điều kiện thường các alkane kém hoạt động, nếu đun nóng hoặc chiếu sáng sẽ xảy ra phản ứng thế nguyên tử hydrogen trong alkane bằng nguyên tử halogen.

PTHH: C6H14 + Br2→ C6H13Br + HBr

Thí nghiệm 2: Phản ứng của hexane với potassium permanganate

Chuẩn bị: Hexane, dung dịch KMnO₄ 1%, ống nghiệm.

Tiến hành: Cho vào ống nghiệm khoảng 1 mL hexane, thêm tiếp vào ống nghiệm vài giọt dung dịch thuốc tím (KMnO₄) 1% và lắc đều.

Yêu cầu: Quan sát, nhận xét màu sắc và tính đồng nhất của hỗn hợp phản ứng.

Hướng dẫn trả lời:

Quan sát thấy ống nghiệm có 2 lớp, lớp dưới là dung dịch KMnO₄ trong nước màu tím, lớp trên là hexane không màu.

1. Phản ứng thế halogen

Luyện tập: Viết công thức cấu tạo các sản phẩm monobromo có thể tạo thành trong phản ứng giữa bromine và hexane ở Thí nghiệm 1.

Hướng dẫn trả lời:

CH₃CH₂CH₂CH₂CH₂CH₂Br

CH₃CH₂CH₂CH₂CHBrCH₃

CH₃CH₂CH₂CHBrCH₂CH₃

2. Phản ứng cracking và phản ứng reforming

3. Phản ứng oxi hóa

Thí nghiệm 3: Đốt cháy hexane

Chuẩn bị: Hexane, bát sứ, que đóm dài, diêm hoặc bật lửa.

Tiến hành: Cho khoảng 1 mL hexane vào chén sứ, dùng que đóm dài để châm lửa đốt hexane.

Yêu cầu: Quan sát, nhận xét màu ngọn lửa và viết phương trình hoá học của phản ứng oxi hoá hoàn toàn hexane.

Chú ý an toàn: Hexane bay hơi mạnh, dễ bắt lửa và dễ cháy.

Hướng dẫn trả lời:

Hiện tượng: hexane bốc cháy cho ngọn lửa màu vàng.

PTHH: 2C₆H₁₄ + 19O₂ → 12CO₂ + 14H₂O

IV. NGUỒN ALKANE TRONG TỰ NHIÊN, ỨNG DỤNG CỦA ALKANE

1. Nguồn alkane trong tự nhiên - Điều chế alkane trong công nghiệp

Câu hỏi 3: 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.

Hướng dẫn trả lời:

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.

2. Ứng dụng

3. Nhiên liệu và môi trường

Câu hỏi 4: Biện pháp nào sau đây không làm giảm ô nhiễm môi trường gây ra do sử dụng nhiên liệu từ dầu mỏ?

A. Đưa thêm hợp chất có chứa chì vào xăng để làm tăng chỉ số octane của xăng.

B. Đưa thêm chất xúc tác vào ống xả động cơ để chuyển hoá các khí thải độc hại.

C. Tăng cường sử dụng biogas.

D. Tổ chức thu gom và xử lí dầu cặn.

Hướng dẫn trả lời:

Đáp án B.

Nhờ có chất xúc tác, alkane (nhiên liệu từ dầu mỏ) trong khí thải tiếp tục được chuyển hóa thành carbon dioxide và nước, trong khi carbon monodioxide và các oxide của nitrogen được chuyển hóa thành carbon dioxide và nitrogen.

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

Hướng dẫn trả lời:

• 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.

BÀI TẬP

Bài 1: Viết công thức cấu tạo và gọi tên thay thế của các hydrocarbon có công thức phân tử C₅H₁₂.

Hướng dẫn trả lời:

Bài 2: Vì sao không được dùng nước để dập tắt các đám cháy xăng, dầu mà phải dùng cát hoặc CO2?

Hướng dẫn trả lời:

Vì xăng, dầu chưa 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.

Bài 3: 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.

a) Vì sao khó thu được hydrocarbon tinh khiết bằng cách chưng cất dầu thô?

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.

Hướng dẫn trả lời:

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.

b) Các PTHH cracking Undecane có thể là:

C₁₁H₂₄ → C₅H₁₂ + C₆H₁₂

C₁₁H₂₄ → C₅H₁₂ + 2C₃H₆

C₁₁H₂₄ → C₅H₁₂ + 3C₂H₄

Bài 4: 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?

Hướng dẫn trả lời:

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.