Ankin là gì? Tính chất hóa học, tính chất vật lí, nhận biết, điều chế, ứng dụng của Ankin

Ankin là gì?

Axetilen C₂H₂

Propin C₃H₄

Butin C₄H₆

Pentin C₅H₈

1. Định nghĩa Ankin

Ankin là những hiđrocacbon mạch hở có một liên kết ba trong phân tử.Ankin đơn giản nhất, C₂H₂ ( ), có tên thông thường là axetilen.

2. Đồng đẳng của Ankin

Dãy đồng đẳng của axetilen có công thức chung là C₂H_2n-2 (n ≥ 2, với một liên kết ba)

3. Đồng phân của Ankin

- Ankin từ C₄ trở đi có đồng phân vị trí nhóm chức, từ C₅ trở đi có thêm mạch cacbon.

- Theo IUPAC, quy tắc gọi tên ankin tương tự như gọi tên anken, nhưng dùng đuôi in để chỉ liên kết ba.

4. Tính chất vật lí của Ankin

- Ở điều kiện thường, ankin từ C₂ đến C₄ là chất khí, từ C₅ đến C₁₆ là chất lỏng, từ C₁₇ trở đi là chất rắn.

- Hầu hết các ankin đều ít tan trong nước, tan được trong một số dung môi hữu cơ. Ví dụ axetilen tan khá nhiều trong axeton.

5. Cấu trúc phân tử của Ankin

Trong phân tử ankin, hai nguyên tử C liên kết ba ở trạng thái lai hóa sp (lai hóa đường thẳng). Liên kết ba gồm một liên kết xích ma và 2 liên kết pi. Hai nguyên tử C mang liên kết ba và hai nguyên tử liên kết trực tiếp với chúng nằm trên một đường thẳng.

6. Tính chất hóa học của Ankin

6.1. Phản ứng cộng

- Cộng brom: Giống như anken, ankin làm mất màu nước brom, phản ứng xảy ra qua hai giai đoạn. Muốn dừng lại ở giai đoạn thứ nhất thì cần phải thực hiện phản ứng ở giai đoạn thấp. Thí dụ:

Cộng hiđro:

- Khi có xúc tác Ni, Pt, Pd ở nhiệt độ thích hợp , ankin cộng với H₂ tạo thành ankan:

- Muốn dừng lại ở giai đoạn tạo ra anken thì phải dùng xúc tác là hỗn hợp Pd với PbCO₃:

Cộng hiđro clorua

Cộng nước (hiđrat hóa)

- Khi có mặt chất xúc tác HgSO₄ trong môi trường axit, H₂O cộng vào liên kết ba tạo ra hợp chất trung gian không bền và chuyển hóa dần thành anđehit hoặc xeton. Thí dụ:

- Phản ứng cộng HX, H₂O vào các ankin trong dãy đồng đẳng cảu axetilen cũng tuân theo quy tắc Mac-côp-nhi-côp như anken.

6.2. Phản ứng đime hóa và trime hóa

- Hai phân tử axetilen có thể cộng hợp với nhau tạo thành vinylaxetilen

- Ba phân tử axetilen cộng hợp với nhau thành benzen:

6.3. Phản ứng thế bằng ion kim loại

- Nguyên tử H đính vào cacbon mang liên kết ba linh động hơn rất nhiều so với H đính vào cacbon mang liên kết đôi và liên kết đơn, do đó nó có thể thay thế bằng nguyên tử kim loại.

- Thí dụ: Khi cho axetilen sục vào dung dịch AgNO₃ trong amoniac thì xuất hiện kết tủa vàng nhạt sau chuyển sang màu xám.

- Phản ứng này không những dùng để nhận ra axetilen mà cả các ankin có nhóm (các ankin mà liên kết ba ở đầu mạch):

6.4. Phản ứng oxi hóa

- Các ankin cháy trong không khí tạo ra CO₂, H₂O và tỏa nhiều nhiệt:

- Giống như anken, ankin làm mất màu dung dịch KMnO₄. Khi đó nó bị oxi hóa bởi liên kết ba tạo thành hỗn hợp các sản phẩm phức tạp, còn KMnO₄bị khử thành MnO₂ (kết tủa màu nâu đen).

7. Nhận biết Ankin

Để nhận biết ankin ta sử dụng dung dịch brom (Br₂) hoặc dung dịch thuốc tím (KMnO₄). Ankin sẽ làm mất màu nâu đỏ của dung dịch Br₂ hoặc làm mất màu tím của dung dịch KMnO₄.

7.1. Nhận biết ankin bằng dung dịch brom

+ Tổng quát:

C_nH_2n-2 + 2Br_2(dư) → C_nH_2n-2Br₄

+ Hiện tượng: Khi ankin phản ứng với dung dịch brom ở nhiệt độ thường thấy màu nâu đỏ của dung dịch brom nhạt dần, nếu ankin dư dung dịch mất màu.

+ Phương trình hóa học minh họa:

Brom tác dụng với ankin theo hai giai đoạn liên tiếp:

CH ≡ CH + Br₂ → CHBr=CHBr

CHBr=CHBr + Br₂ → CHBr₂-CHBr₂

+ Giải thích: Do dung dịch brom tham gia phản ứng cộng ̣̣(phá vỡ lần lượt hai liên kết  π  trong ankin).

7.2. Nhận biết ankin bằng dung dịch KMnO₄

+ Tổng quát: 

R₁-C ≡ C-R₂ + 2KMnO₄ → R₁COOK + R₂COOK + 2MnO_{2↓ đen}

+ Hiện tượng: Khi ankin phản ứng với dung dịch KMnO₄ ở nhiệt độ thường thấy màu của dung dịch KMnO₄ nhạt dần và có kết tủa đen của MnO₂.

+ Phương trình hóa học minh họa:

CH₃-C ≡ C-C₂H₅ + 2KMnO₄ → CH₃COOK + C₂H₅COOK + 2MnO_{2 ↓ đen}

Đối với axetilen:

3C₂H₂ + 8KMnO₄ + 2H₂O → 3(COOK)₂ + 2MnO_{2 ↓ đen} + 2KOH

+ Giải thích: Do xảy ra phản ứng oxi hóa không hoàn toàn giữa ankin và dung dịch KMnO₄

Chú ý: Không dùng phương pháp trên để phân biệt ankin và các hợp chất không no có liên kết C=C; C ≡C ….

7.3. Phân biệt ank-1-in với các ankin khác

Ta sử dụng dung dịch AgNO₃/NH₃. Ank-1-in sẽ tạo kết tủa vàng khi phản ứng với dung dịch AgNO₃/NH₃. Các ankin khác không có phản ứng này

CH ≡ CH + 2AgNO₃ + 2NH₃ → CAg ≡ CAg↓_vàng + 2NH₄NO₃

CH ≡ C-CH₃+ AgNO₃ + NH₃ → CAg ≡  C-CH₃↓_vàng + NH₄NO₃.

Trong đó: Nguyên tử hiđro liên kết trực tiếp với nguyên tử cacbon liên kết ba đầu mạch bị thay thế bởi ion kim loại.

8. Điều chế Ankin

- Phương pháp chính điều chế axetilen trong công nghiệp hiện nay là nhiệt phân metan ở 1500 độ C, phản ứng thu nhiệt mạnh:

- Nhiệt độ sôi của axetilen là -75 độ C nên dễ được tách ra khỏi hỗn hợp với hiđro.

- Ở những nơi dầu khí chưa phát triển, người ta điều chế axetilen theo sơ đồ sau:

- Canxi cacbua sản xuất trong công nghiệp (từ vôi sống và than đá) là chất rắn màu đen xám, trước kia được dùng tạo ra C₂H₂để thắp sáng vì vậy nó được gọi là “đất đèn”. Ngày nay, để điều chế một lượng nhỏ axetilen trong phòng thí nghiệm hoặc trong hàn xì, người ta vẫn thường dùng đất đèn. Axetilen điều chế từ đất đèn thường có tạp chất (H₂S, NH₃, PH₃,... ) có mùi khó chịu được gọi là mùi đất đèn.

9. Ứng dụng của Ankin

- Khi axetilen cháy trong oxi, nhiệt độ ngọn lửa có thể lên tới 3000 độ C . Vì vậy, axetilen được dùng làm nhiên liệu trong đèn xì oxi – axetilen để hàn cắt kim loại.

- Trong công nghiệp, axetilen là nguyên liệu để sản xuất poli(vinyl clorua) (dùng để sản xuất nhựa PVC), cao su, axit axetic và nhiều hóa chất khác như vinyl clorua, vinyl axetat, vinylaxetilen, anđehit axetic,...

- Lưu ý, khi sử dụng axetilen phải rất cẩn trọng vì khi nồng độ axetilen trong không khí từ 2,5% trở nên có thể gây cháy nổ.

10. Bài tập về Ankin

Ví dụ 1: Đốt cháy hoàn toàn một ankin X có thể khí thu được CO₂ và H₂O có tổng khối lượng là 23 gam. Nếu cho sản phẩm cháy đi qua dung dịch Ca(OH)₂ dư, thu được 40 gam kết tủa. Công thức của X là

A. C₅H₈.

B. C₃H₄.

C. C₂H₂.

D. C₄H₆.

Hướng dẫn giải:

$\begin{array}{l}{n}_{C{O}_2}=n_{\downarrow }=40:100=0,4mol\\ m_{C{O}_2}+m_{H_{2}O}=23\iff 44n_{C{O}_2}+18n_{H_{2}O}=23\\ \iff 44.0,4+18n_{H_{2}O}=23\Rightarrow n_{H_{2}O}=0,3mol\\ n_{ankin}=n_{C{O}_2}-n_{H_{2}O}=0,4-0,3=0,1mol\\ \overline{C}=\frac{0,4}{0,1}=4;\overline{H}=\frac{0,3.2}{0,1}=6\\ \Rightarrow C_4{H}_6\end{array}$

Đáp án D

Ví dụ 2: Đốt cháy hoàn toàn hiđrocacbon X, dẫn toàn bộ sản phẩm lần lượt đi qua bình 1 đựng H₂SO₄ dư, bình 2 đựng 400ml dd Ca(OH)₂ 0,5M, bình 2 không có khí thoát ra. Kết thúc phản ứng thấy khối lượng bình 1 tăng lên 3,6 gam, bình 2 có 10 gam kết tủa trắng. Công thức phân tử của X là

A. C₃H₄

B. C₂H₂

C. C₂H₄

D. C₃H₆

Hướng dẫn giải:

$n_{Ca{\left(OH\right)}_2} =0,5.0,4=0,2mol$

-  Khối lượng bình 1 tăng là khối lượng của H₂O:    $n_{H_{2}O} =3,6:18=0,2mol$

-  Số mol CaCO₃:

$n_{CaC{O}_3} =10:100=0,1mol$

- TH1: Khí CO₂ đi vào bình 2 chỉ sinh ra CaCO₃:

$n_{C{O}_2} =n_{CaC{O}_3} =0,1mol$

 $n_{H_{2}O} >n_{C{O}_2} \Rightarrow$hiđrocacbon X là ankan.

Số mol ankan là: n_ankan = 0,2 – 0,1 = 0,1 mol.

Phương trình đốt cháy:

$\begin{array}{l}{C}_n{H}_{2n+2} +\frac{3n+1}{2}{O}_2 \to {\text{ nCO}}_2 +\left(n+1\right)H_{2}O\\ 0,1 0,1mol\end{array}$

Ta có: 0,1n = 0,1 $\Rightarrow$ n =1. Vậy công thức phân tử của X là CH₄

TH2: Khí CO₂ đi vào bình 2 tạo ra 2 muối là CaCO₃ và Ca(HCO₃)₂

- Bảo toàn nguyên tố Ca: $n_{Ca{\left(HC{O}_3\right)}_2} =0,2–0,1=0,1mol$

- Bảo toàn nguyên tố C ta có: $n_{C{O}_2} =0,1.2+0,1=0,3mol$

$n_{C{O}_2} >n_{H_{2}O} \Rightarrow$Hidrocacbon là ankin

- Phương trình đốt cháy:

$2C_n{H}_{2n-2}+(3n-1)O_2\stackrel{t}{\to }2nC{O}_2+(2n-2)H_{2}O$

- Số mol ankin là: n_ankin = 0,3 – 0,2 = 0,1 mol

- Theo phương trình ta có: 0,1n = 0,3 $\Rightarrow$ n = 3 .

- Vậy công thức phân tử của ankin là: C₃H₄

Đáp án A

Ví dụ 3: Đốt cháy 8 gam ankin X, rồi hấp thụ hoàn toàn sản phẩm cháy vào dung dịch Ca(OH)₂ dư, thu được 60 gam kết tủa. Công thức phân tử của X là:

A. C₂H₂        

B. C₃H₄        

C. C₅H₈        

D. C₄H₆

Hướng dẫn giải:

$2C_n{H}_{2n-2}+(3n-1)O_2\stackrel{t^o}{\to }2nC{O}_2+(2n-2)H_{2}O$

$\begin{array}{l}{n}_{C{O}_2}=n_{CaC{O}_3} =0,6mol\Rightarrow M_X =\frac{8}{\raisebox{1ex}{$0,6$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$n$}\right.}=\frac{8n}{0,6}\\ \Rightarrow 14n-2=\frac{40n}{3}\Rightarrow n=3\end{array}$

Đáp án B