Giải chi tiết Hóa học 11 Chân trời mới bài 12: Alkane

MỞ ĐẦU

Gas dùng làm nhiên liệu đun nấu trong gia đình có thành phần chủ yếu là propane và butane. Đây là các alkane ở thể khí trong điều kiện thường nhưng được hóa lỏng dưới áp suất cao 

Alkane là gì? chúng có vai trò như thế nào đối với đời sống, sản xuất?

Hướng dẫn trả lời:

Alkane là những hydrocarbon no, mạch hở, trong phân tử chỉ có liên kết đơn C-C hoặc C-H.

Alkane được ứng dụng nhiều trong cuộc sống thường ngày như:

• Dùng làm dung môi, chất bôi trơn, chất chống gỉ, sáp đun nấu và pha thuốc mỡ
• Dùng làm nguyên liệu để hàn cắt kim loại, làm đèn xi nhan

Ngoài ra trong hóa học, Alkane còn được ứng dụng để:  Dùng để tổng hợp các chất hữu cơ như CH₃Cl, CH₂Cl₂, CCl₄, CF₂Cl₂, …

1. KHÁI NIỆM VỀ ALKANE

Tìm hiểu nguồn alkane trong tự nhiên

Thảo luận 1. Vì sao methane được gọi là khí hồ ao?

Hướng dẫn trả lời:

do methane là thành phần chính trong những các bong bóng khí ở các vùng đầm lầy nên methane còn có tên gọi là khí ao hồ

Tìm hiểu cấu tạo và công thức chung của alkane

Thảo luận 2. Hãy nêu nhận xét đặc điểm cấu tạo phân tử của các alkane. Vì sao alkane còn được gọi là hydrocarbon bão hòa hay hydrocarbon no?

Hướng dẫn trả lời:

alkane dạng mạch hở, trong phân tử chỉ có liên kết đơn C - C, C - H 

Do alkane chỉ có các liên kết đơn (độ bất bão hoà bằng 0) nên còn được gọi là hydrocarbon bão hòa hay hydrocarbon no

Luyện tập 1. Alkane nào dưới đây có mạch phân nhánh?

Hướng dẫn trả lời:

Alkane b có mạch phân nhánh

Luyện tập 2. Phân tử của một alkane trong sáp nến có 52 nguyên tử hydrogen. Hãy xác định nguyên tử Carbon trong thành phần alkane nói trên.

Hướng dẫn trả lời:

alkane công thức chung là: C_nH_2n+2 (n ≥ 1)

Trong sáp nến có 52 nguyên tử hydrogen --> 2n + 2 = 52 --> n = 25

Vậy trong sáp nến có 25 nguyên tử Carbon

2. DANH PHÁP ALKANE

Tìm hiểu cách gọi tên alkane theo danh pháp thay thế

Thảo luận 3. Dựa vào thông tin nào trong bảng 12.1 để chứng minh bốn chất đầu dãy đồng đẳng alkane đều ở thể khí

Hướng dẫn trả lời:

Do nhiệt độ sôi của 4 chất đầu < nhiệt độ phòng

Luyện tập 1. Gọi tên gốc alkyl sau CH₃ - , C₂H₅ - , CH₃CH₂CH₂-

Hướng dẫn trả lời:

Tên gốc alkyl

CH3 - : methyl

C2H5 - : ethyl

CH3CH2CH2- : propyl

Luyện tập 2. Viết công thức cấu tạo và đọc tên tất cả đồng phân alkane có công thức phân tử C₅H₁₂

Hướng dẫn trả lời:

3. TÍNH CHẤT VẬT LÍ

Tìm hiểu tính chất vật lí của alkane

Thảo luận 4. Khi số nguyên tử carbon tăng, thể của các phân tử alkane chuyển từ khí sang lỏng rồi đến rắn. Giải thích

Hướng dẫn trả lời:

Khi số nguyên tử carbon tăng, kích thước phân tử alkane tăng, cùng theo đó là số electron cũng tăng, dẫn đến tương tác van der Waals giữa các phân tử cũng tăng → thể của các alkane chuyển dần từ khí sang lỏng rồi đến rắn.

Vận dụng. Giải thích vì sao người ta thường dùng xăng để rửa các vết bẩn dầu mỡ?

Hướng dẫn trả lời:

Dầu mỡ là hỗn hợp hydrocarbon dễ bị hòa tan trong dung môi xăng cũng là hỗn hợp hydrocarbon. Vì vậy đồ dùng bị bẩn dầu mỡ người ta thường dùng xăng hoặc dầu hỏa để lau rửa.

4. TÍNH CHẤT HOÁ HỌC

Tìm hiểu đặc điểm liên kết hóa học trong phân tử alkane

Thảo luận 5. Những nguyên tử carbon trong phân tử alkane không phân nhánh nằm trên một đường thẳng không?

Hướng dẫn trả lời:

Các nguyên tử carbon trong phân tử alkane (trừ C₂H₆) không cùng nằm trên một đường thẳng. 

Do mỗi nguyên tử Carbon tạo được 4 liên kết đơn hướng từ nguyên tử C (nằm ở tâm hình tứ diện) về 4 đỉnh của hình tứ diện với góc liên kết CCC,HCH,CCH khoảng 109,5o

Tìm hiểu tính chất hóa học của alkane

1. Phản ứng thế halogen

Thảo luận 6. Giải thích hiện tượng xảy ra trong hai ống nghiệm ở thí nghiệm 1

Hướng dẫn trả lời:

Do bromine là phân tử không phân cực nên tan được trong hexane là dung môi không phân cực, dẫn đến lớp trên là hexane có chứa bromine. Do đó ở ống nghiệm không chiếu sáng (hoặc không ngâm vào nước nóng), lớp trên có màu nâu đậm của bromine. Lớp dưới hầu như chỉ có nước với một lượng rất nhỏ bromine tạo màu nâu nhạt.

- Ở ống nghiệm có chiếu sáng (hoặc ngâm vào nước nóng khoảng 50 °C), phản ứng hoá học xảy ra ở lớp trên (gồm hexane và bromine) làm lớp này bị nhạt màu.

Thảo luận 7. Khi cho methane tác dụng với Chlorine (có chiếu sáng hoặc đun nóng), các nguyên tử hydrocarbon trong methane lần lượt bị thay thế bởi các nguyên tử chlorine,  tạo ra 4 dẫn xuất Chloro khác nhau. Viết phương trình hóa học của các phản ứng xảy ra

Hướng dẫn trả lời:

CH₄+ Cl₂ → CH₃Cl + HCl

CH₃Cl + Cl₂ → CH₂Cl₂ + HCl

CH₂Cl₂ + Cl₂ → CHCl₃ + HCl

CHCl₃ + Cl₂ → CCl₄ + HCl

Luyện tập. Cho 2-methylbutane tác dụng với chlorine trong điều kiện chiếu sáng thu được tối đa bao nhiêu đồng phân cấu tạo dẫn xuất monochloro?

Hướng dẫn trả lời:

2-methylbutane tác dụng với chlorine trong điều kiện chiếu sáng thu được tối đa 4 đồng phân cấu tạo dẫn xuất monochloro

2. Phản ứng cracking

Thảo luận 8. Viết 3 phương trình hóa học khác nhau khi cracking decane (C₁₀H₂₂)

Hướng dẫn trả lời:

C₁₀H₂₂ → CH₄ + C₉H₁₈

C₁₀H₂₂ → C₈H₁₈ + C₂H₄ 

C₁₀H₂₂ → C₃H₈ + C₇H₁₄ 

3. Phản ứng reforming

4. Phản ứng oxi hóa

Luyện tập. Theo ví dụ 5, nếu lấy cùng khối lượng methane và propane thì chất nào tỏa nhiệt nhiều hơn?

Hướng dẫn trả lời:

Giả sử cùng lấy 1g 2 chất methane và propane 

n_methane = 1/16 (mol) ⇒ Nhiệt lượng toả ra khi đốt cháy 1g methane là 1/16.890 = 55,625 kJ

n_propane  = 1/44 (mol) ⇒ Nhiệt lượng toả ra khi đốt cháy 1g propane là  1/44.2219 ≈ 50,43 kJ

Vậy nếu lấy cùng khối lượng thì methane tỏa nhiệt nhiều hơn

Thảo luận 9. Quan sát nhận xét màu ngọn lửa và viết phương trình hóa học của phản ứng đốt cháy hexane

Hướng dẫn trả lời:

Ngọn lửa có màu xanh

PTHH 2C₆H₁₄ + 19O₂ → 12CO₂ + 14H₂O

Thảo luận 10. Sau bước 2 của thí nghiệm 3, so sánh hiện tượng xảy ra ba giữa hai ống nghiệm

Hướng dẫn trả lời:

2 ống nghiệm không làm mất màu dung dịch KMnO₄

5. ỨNG DỤNG CỦA ALKANE VÀ ĐIỀU CHẾ ALKANE TRONG CÔNG NGHIỆP

Thảo luận 11. Nguyên nhân nào làm gia tăng khói thải và các hạt bụi mịn vào không khí?

Hướng dẫn trả lời:

Nguyên nhân tự nhiên

• Cháy rừng: Những vụ cháy rừng lớn trên toàn thế giới phần lớn do biến đổi khí hậu đột ngột gây nên. Sự biến đổi khí hậu đột ngột làm phát tán ra môi trường một lượng lớn bụi, dẫn đến việc môi trường không khí bị ô nhiễm một cách nghiêm trọng.
• Bụi thiên nhiên: Sa mạc, đất cát, phun trào núi lửa cũng là một trong những nguyên nhân lớn góp phần tạo nên một lượng lớn bụi mịn phát tán trong không khí, làm ô nhiễm không khí.
• Thời điểm giao mùa: Vào khoảng các tháng 10 - 11 trong năm thường xuất hiện sương mù. Những lớp sương mù dày này góp phần làm cho các lớp bụi tích tụ bên trong thành phố không thoát được, từ đó làm cho thành phố bị bao phủ bởi lớp bụi dày (bụi mịn, siêu mịn,…). 

Nguyên nhân nhân tạo

• Giao thông vận tải: Các phương tiện cá nhân cũng sản sinh ra lượng khói thải nhất định, cát bụi cuốn theo trong quá trình di chuyển, bào mòn bề mặt đường ra không khí, từ đó làm gia tăng lượng bụi mịn lớn làm ô nhiễm không khí.
• Sinh hoạt: Việc sử dụng bếp than, bếp củi, dầu để nấu nướng cũng sinh ra lượng khói thải nhất định, làm gia tăng bụi mịn trong không khí.
• Sản xuất công nghiệp: Các nhà máy, xưởng sản xuất, khu công nghiệp thường thải một lượng lớn khói thải ra môi trường, không khí, từ đó làm gia tăng lượng bụi mịn trong không khí.
• Rác thải: Rác sinh hoạt, rác công nghiệp làm sản sinh ra vi khuẩn, bụi mịn, từ đó gây ảnh hưởng đến luồng không khí sạch bạn hít thở mỗi ngày.
• Xây dựng: Quá trình xây dựng chung cư, cao ốc, cầu đường cũng là một nguyên nhân gây ra bụi mịn trong môi trường, làm ảnh hưởng đến không khí nghiêm trọng.
• Nông nghiệp: Vận chuyển, đốt rơm rạ sinh ra khói thải độc hại, ảnh hưởng đến luồng không khí sạch trong môi trường.

Luyện tập. Bụi mịn PM2.5 là các loại bụi mịn có đường kính nhỏ hơn hoặc bằng 2,5 µm. Chúng lơ lửng trong không khí và được hình thành từ các nguyên tố như C, S, N cùng với các hợp chất kim loại khác. Cho biết tác hại của bụi mịn PM2.5 đến sức khỏe.

Hướng dẫn trả lời:

Bụi mịn PM2.5 mang đến những vi khuẩn có hại cho cơ thể, từ đó gây ra hiện tượng dị ứng da, làm bạn cảm thấy ngứa ngáy, khó chịu. Nếu tiếp xúc với lượng bụi mịn nhiều còn có thể gây ra các hiện tượng viêm mũi, đau mắt, các bệnh về tai mũi họng.

Bụi PM 2.5 có thể hấp thụ chất độc, đồng thời mang theo vi khuẩn và virus ngoài môi trường. Chính vì vậy, khi chúng xâm nhập vào cơ thể bạn, chúng sẽ thải độc tố ngầm vào cơ thể bạn, từ đó làm suy giảm hệ miễn dịch. Vậy nên, những người sống ở các thành phố lớn, có mức độ ô nhiễm cao thường dễ mắc các bệnh vặt hơn những người sống ở những nơi có không khí trong lành.

Bụi PM2.5 xâm nhập vào cơ thể làm ảnh hưởng lớn đến phổi

Bụi mịn PM2.5 phá hủy và đẩy nhanh quá trình Apoptosis -một trong những cơ sở sinh bệnh học quan trọng nhất của bệnh tim mạch. Chính vì vậy khi hít phải 1 lượng lớn bụi mịn PM2.5 thì có thể làm tăng nguy cơ tử vong ở những người mắc bệnh tim.

Các nghiên cứu trên não người đã đưa ra cho chúng ta thấy khi chúng ta tiếp xúc với bụi mịn PM2.5, chúng có thể di chuyển từ từ vào não, từ đó thẩm thấu vào và làm gia tăng tỷ lệ mắc bệnh thoái hóa não của chúng ta.

Đặc biệt, bụi mịn PM2.5 chứa kim loại được các nhà khoa học nghiên cứu là nguyên nhân gây ung thư và khủng khiếp hơn là biến đổi gen ở người. 

Vận dụng. Em hãy đề xuất một số giải pháp để hạn chế tình trạng ô nhiễm không khí hiện nay 

Hướng dẫn trả lời:

Để khắc phục ô nhiễm môi trường không khí chúng ta cần:

• Trồng cây xanh, phủ xanh đồi núi để hấp thụ CO2 cũng như các chất độc hại.
• Ưu tiên sử dụng các phương tiện công cộng, giảm lượng khí thải thải ra mỗi ngày.
• Đô thị hóa đúng cách, hạn chế các bụi mịn PM 2.5.
• Xử lý khí thải trước khi xả ra môi trường.
• Không vứt rác bừa bãi.
• Ứng dụng công nghệ xanh vào việc xây dựng, trồng trọt, chăn nuôi.
• Hạn chế sử dụng các hóa chất trong nông, lâm nghiệp.
• Cấm các loại xe đã hết hạn, không đảm bảo tiêu chuẩn khí thải lưu thông.
• Tuyên truyền, vận động người dân để mọi người hiểu thêm về tác hại của ô nhiễm môi trường không khí.
• Xử lý rác thải đúng cách.
• Hạn chế sử dụng các vật liệu đốt không thân thiện với môi trường
• Sử dụng các thiết bị giúp tiết kiệm điện, không thải độc ra môi trường.

BÀI TẬP

Bài tập 1. Quan sát biểu đồ thể hiện nhiệt độ sôi của bốn alkane đầu tiên

a) Nhận xét, giải thích sự biến đổi nhiệt độ sôi của các alkane đã cho trong biểu đồ 

b) Nhiệt độ phòng methane, ethane, propane và butane là những chất lỏng hay chất khí?

Hướng dẫn trả lời:

a) Nhiệt độ sôi của các alkane tăng dần do từ methane đến butane phân tử khối tăng --> lực liên kết Vande Waals tăng --> nhiệt độ sôi tăng.

b) Nhiệt độ phòng methane, ethane, propane và butane là những chất khí

Bài tập 2. Biết rằng thành phần chủ yếu của xăng dầu là hydrocarbon. Hãy giải thích vì sao

a) phải chứa xăng dầu trong các thùng chứa chuyên dụng và bảo quản ở những kho riêng

b) các sự cố tràn dầu trên biển thường gây ra thảm họa cho một vùng biển rất rộng

c) khi bị cháy xăng dầu không nên dùng nước để dập đám cháy

Hướng dẫn trả lời:

a) Xăng, dầu, dễ bay hơi và rất dễ gây ra phản ứng nổ nên phải bảo quản trong bình chứa chuyên dụng ở những kho riêng.

b) Dầu không tan trong nước bị tác thành từng lớp nổi lên mặt nước do tác động sóng biển và thủy triều váng dầu trôi đi rất xa, thấm qua sa màng tế bào sinh vật sống trên biển, gây hủy hoại môi trường biển ảnh hưởng đến môi trường sinh thái biển.

c) Xăng dầu cháy không nên dùng nước dập vì xăng dầu vừa nhẹ hơn nước vừa không tan trong nước. vì vậy khi xăng dầu cháy mà dùng nước sẽ làm cho xăng dầu loãng ra, tiếp xúc với không khí nhiều hơn, làm cho cháy lớn và cháy rộng hơn.

Bài tập 3. Alkane X có công thức phân tử là C₅H₁₂. Xác định công thức cấu tạo và gọi tên của alkane X, biết X chỉ có thể tạo ra một dẫn xuất monochloro duy nhất

Hướng dẫn trả lời:

CTCT của X là  2,2 - dimethylpropane