Alkane

I. Khái niệm, danh pháp

1. Khái niệm và công thức chung của alkane

Alkane là các hydrocarbon no mạch hở chỉ chứa liên kết đơn C-H và C-C trong phân tử.

Công thức chung của alkane là: C_nH_2n+2 (n là số nguyên, n ≥ 1)

2. Danh pháp

2.1. Alkane không phân nhánh

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

Tên thay thế của một số alkane mạch không nhánh

2.2. Alkane mạch 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 là 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), tetra-(4),... để chỉ số lượng nhóm giống nhau, tên nhanh viết theo thứ tự bảng chữ cái.

Ví dụ: 

2-methylbutane

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 ở σ bền vững và kém phân cực.

Trong phân tử methane, bốn liên kết C-H giống nhau tạo với nhau một gốc 109,5^o và hướng về bốn đỉnh của một từ diện đều.

Mô hình phân tử của methane 

III. Tính chất vật lý

Tính chất vật lí của một số alkane

Ở điều kiện thường:

• Alkane từ C1 đến C4 và neopentane ở trang thái khí,
• Alkane từ C5 đến C17 (trừ neopentane) ở trạng thái lỏng, không màu, alkane
• Alkane từ C18 trở lên là chất rắn màu trắng (còn gọi là sáp parafin).

Các alkane mạch nhánh thường có nhiệt độ sôi thấp hơn so với đồng phân alkane mach 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 hoá học

1. Phản ứng thế

Phản ứng halogen hóa alkane là phản ứng xảy ra khi đặt bình chứa hỗn hợp của alkane với halogen ở nơi có ánh sáng hoặc ở nhiệt độ cao (đun nóng). Sản phẩm của phản ứng halogen hóa là các dẫn xuất halogen.

X (Cl, Br)

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

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

CH₄ + Cl₂ CH₃Cl + HCl

                         Chloromethane

CH₃Cl + Cl₂  CH₂Cl₂ + HCl

                         dichloromethane

CH₂Cl₂ + Cl₂  CHCl₃ + HCl

                          trichloromethane

CHCl₃ + Cl₂ CCl₄ + HCl

                         tetrachloromethane

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

Phản ứng được ứng dụng trong công nghiệp lọc dầu.

Ví dụ:

CH₃-CH₂-CH₃ CH₂=CH₂ + CH₄

Tổng quát:

C_nH_2n+2 CaH_2a+2 + C_bH_2b

3. Phản ứng reforming

Ví dụ: 

4. Phản ứng oxi hoá

4.1. Phản ứng oxi hoá hoàn toàn (phản ứng cháy)

Khi tiếp xúc với oxygen và có tin lớn khơi mào, alkane bị đốt cháy trở thành khí carbon dioxide, hai nước và giải phóng năng lượng.

Tổng quát:

Ví dụ:

CH₄ + 2O₂ CO₂ + 2H₂O

C₂H₆ + 7/2O₂ 2CO₂ + 3H₂O

4.2. Phản ứng oxi hoá không hoàn toàn

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

RCH₂-CH₂R' + O₂ RCOOH + R'COOH + H₂O

V. Ứng dụng

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

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

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

Các alkane 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, ...

Một số ứng dụng của alkane

VI. Điều chế

1. Phương pháp điều chế alkane

Sau khi loại bỏ các hợp chất không phải là hydrocarbon (đặc biệt là H₂S và CO₂), khi được dẫn qua đường ống dẫn đến nơi tiêu thụ hoặc được nên lại ở dạng lỏng để dễ dàng vận chuyển.

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.

VII. Ô nhiễm không khí do phương tiện giao thông

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

• Quá trình cháy của xăng, dầu diesel trong động cơ các phương tiện giao thông là nguyên nhân chính gây hiệu ứng nhà kính làm Trái Đất nóng lên.
• Ngoài ra quá trình cháy tạo nhiệt độ cao khiến oxygen và nitrogen trong không khi phản ứng với nhau, tạo thành các loại oxide của nitrogen (NO₂). 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.
• Sử dụng nhiên liệu sinh học như xăng pha thêm ethanol (E5, E10...), blodiesel.
• Sử dụng các phương tiện giao thông tiết kiệm năng lượng và chuyển đổi sang các loại động cơ điện