Lý Thuyết Ankan: Định Nghĩa, Tính Chất Vật Lý, Tính Chất Hóa Học Ankan

Ankan là hợp chất hữu cơ căn bản mà các em sẽ được học trong chương trình Hóa học 11. Vậy, ankan là gì? Để giúp các em hiểu rõ hơn về hợp chất này, Marathon Education sẽ tổng hợp những nội dung trọng tâm bao gồm định nghĩa, công thức, danh pháp cũng như những tính chất cơ bản của ankan trong bài viết sau.

>>> Xem thêm: Lý Thuyết Ankin: Khái Niệm, Tính Chất Lý Hóa Và Cách Điều Chế Ankin

Ankan là gì?

Ankan là những hydrocacbon no, mạch hở, trong phân tử chỉ có liên kết đơn C-C hoặc C-H. Công thức tổng quát của ankan: C_nH_2n+2 (n ≥ 1)

Ankan đơn giản nhất là metan (CH₄).

>>> Xem thêm: Lý Thuyết Anken: Khái Niệm, Danh Pháp Và Phản Ứng Đặc Trưng Của Anken

Công thức hóa học, đồng đẳng và đồng phân của ankan

Đồng đẳng

CH₄ và các chất có công thức phân tử như C₂H₆, C₃H₈, C₄H₁₀, C₅H₁₂,… là dãy đồng đẳng ankan với công thức tổng quát C_nH_2n+2 (n ≥ 1).

Trong phân tử ankan (trừ C₂H₆), các nguyên tử cacbon trong không cùng nằm trên một đường thẳng.

Đồng phân

Các ankan từ C₄H₁₀ trở đi, ứng với mỗi công thức phân tử thì hợp chất sẽ có công thức cấu tạo là mạch cacbon phân nhánh và mạch cacbon không phân nhánh. Đây chính là đồng phân cấu tạo của ankan.

Ví dụ: C₅H₁₂ có các đồng phân cấu tạo như sau

Danh pháp của ankan

Tên gọi của các ankan có mạch cacbon thẳng: tên mạch cacbon + an.

Ví dụ: CH₄ – metan, C₃H₈ – propan, C₅H₁₂ – pentan

Danh pháp thay thế của các ankan có mạch nhánh được gọi tên cụ thể như sau:

• Mạch cacbon dài nhất và nhiều nhánh nhất được chọn làm mạch chính.
• Các nguyên tử cacbon mạch chính được đánh số thứ tự từ phía gần nhánh hơn.
• Mạch nhánh (nhóm ankyl) được gọi tên theo thứ tự vần chữ cái cùng số chỉ vị trí của nó, sau đó đến tên ankan tương ứng với mạch chính.

Ví dụ:

Trong phân tử hidrocacbon no, bậc của nguyên tử C được tính bằng số liên kết của chính nó với các nguyên tử cacbon khác.

>>> Xem thêm: Lý Thuyết Ankadien Hóa 11: Định Nghĩa, Tính Chất Và Điều Chế Ankadien

Tính chất vật lý của ankan

• Ở điều kiện thường, 4 ankan đầu trong dãy đồng đẳng từ CH₄ đến C₄H₁₀ có dạng khí. Các ankan tiếp theo ở dạng lỏng, từ C₁₈H₃₈ trở đi là ở dạng rắn.
• Nhiệt độ nóng chảy, nhiệt độ sôi cũng như khối lượng riêng của các ankan tăng dần (xét theo chiều tăng của phân tử khối).
• Khối lượng riêng của ankan nhẹ hơn nước. Đa số, các ankan không tan trong nước mà chỉ tan trong dung môi hữu cơ.
• Ankan là dung môi không phân cực tan được trong các chất không phân cực như benzen, dầu mỡ,…

Tính chất hóa học của ankan

Phản ứng thế

Phản ứng thế là phản ứng mà một nguyên tố hoạt động hóa học mạnh hơn trong hợp chất sẽ thay thế nguyên tố hoạt động hóa học yếu hơn.

Ví dụ: Khi đốt nóng hỗn hợp Metan và Clo sẽ xảy ra phản ứng thế các nguyên tử Hidro bằng Clo.

CH_4 + Cl_2 \xrightarrow{askt} CH_3Cl + HCl\\
CH_3Cl + Cl_2 \xrightarrow{askt}  CH_2Cl_2 + HCl\\
CH_2Cl_2 + Cl_2 \xrightarrow{askt}  CHCl_3 + HCl\\
CHCl_3 + Cl_2 \xrightarrow{askt} CCl_4 + HCl

Tương tự, các đồng đẳng của metan cũng tham gia được phản ứng thế tạo thành hỗn hợp chất với tỉ lệ % khác nhau.

CH₃-CH₂-CH₃ + Br₂ → CH₃-CHBr-CH₃ + HBr (sản phẩm chính)

CH₃-CH₂-CH₃ + Br₂ → CH₃-CH₂-CH₂-Br + HBr (sản phẩm phụ)

Đới với ankan có mạch cacbon từ 3 C trở lên, clo và brom sẽ ưu tiên thế H ở các cacbon có bậc cao tạo thành sản phẩm chính.

Vì ankan có phản ứng mãnh liệt với flo nên ankan sẽ bị phân hủy thành C và HF:

C_nH_2n+2 + (n+1)F₂ → nC + (2n+2)HF

Iot không phản ứng thế được với ankan.

Vậy khả năng phản ứng của dãy halogen với ankan sẽ giảm theo thứ tự F₂ > Cl₂ > Br₂> I₂.

Phản ứng tách (cracking ankan)

Khi bị tác động bởi nhiệt độ và chất xúc tác, ankan có phân tử khối nhỏ sẽ bị tách H thành các hidrocacbon không no tương ứng với nó. Ngoài ra, các ankan này cũng có thể bị cracking mạch cacbon và tạo thành những phân tử nhỏ hơn.

Ví dụ: Phản ứng cracking H₂ hay còn gọi là phản ứng đề Hidro hóa:

CH_3-CH_2-CH_3 \xrightarrow[Fe]{t^o} CH_2=CH-CH_3 + H_2\\

Phương trình tổng quát:

C_nH_{2n+2} \xrightarrow[Fe]{t^o} C_nH_{2n} + H_2

Ở phản ứng cracking H, các em lưu ý:

• Những ankan có 2 nguyên tử C trở lên mới tham gia phản ứng tách H₂.
• Trong phản ứng tách H₂, 2 nguyên tử H gắn với 2 nguyên tử C nằm cạnh nhau sẽ tách ra cùng nhau. Ưu tiên tách nguyên tử H ở nguyên tử C có bậc cao hơn.

C_4H_{10} \xrightarrow[Fe]{t^o} CH_3-CH=CH-CH_3 + H_2

Phản ứng oxi hóa

Khi bị đốt cháy, các ankan sẽ xảy ra phản ứng cháy và tỏa nhiệt. Trong điều kiện thiếu oxi, các ankan cháy không hoàn toàn, tạo thành sản phẩm gồm CO₂, H₂O, CO,…

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

Đối với các dạng bài tập về phản ứng cháy của ankan, các em cần lưu ý những điểm sau:

\begin{aligned}
&\small\bull \text{Số mol }CO_2 < \text{số mol } H_2O \text{ hay } \frac{n}{n+1} = \frac{n_{CO_2}}{n_{H_2O}}\\
&\small\bull \text{Số mol }H_2O - \text{ số mol }CO_2 = \text{số mol ankan phản ứng}\\
&\small\bull n_{O_{2\ pứ}} = n_{H_2O} + \frac12n_{CO_2}\\
&\small\bull m_{ankan} = m_C + m_H
\end{aligned}

>>> Xem thêm: Lý Thuyết Về Oxi Và Tính Chất Hóa Học Của Oxi Hóa Lớp 10

Cách điều chế ankan là gì?

Trong phòng thí nghiệm

Để điều chế Metan người ta thường đun nóng natri axetat khan với hỗn hợp vôi tôi xút:

CH_3COONa + NaOH \xrightarrow[CaO]{t^o} CH_4 + Na_2CO_3

Trong công nghiệp

Trong dầu mỏ, khí dầu mỏ, khí thiên nhiên,… có thể tìm thấy ankan. Thông qua phương pháp chưng cất phân đoạn, ở những phân đoạn chưng cất khác nhau có thể thu được các ankan.

Ứng dụng của Ankan

Ankan 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, Ankan còn được ứng dụng để:

•  Dùng để tổng hợp các chất hữu cơ như CH₃Cl, CH₂Cl₂, CCl₄, CF₂Cl₂, …
• Đặc biệt từ CH4 điều chế được nhiều chất khác nhau: hỗn hợp CO + H2, amoniac NH3 , axit axetic CH≡CH, rượu metylic C2H5OH và anđehit fomic HCHO

Tham khảo ngay các khoá học online của Marathon Education

Bài viết trên của Marathon Education đã tổng hợp đầy đủ những kiến thức lý thuyết của ankan. Hy vọng những thông tin này sẽ giúp các em ghi nhớ tốt hơn và giải được các bài tập. Chúc các em học trực tuyến thật tốt và đạt được nhiều thành tích cao!