C4H10 ra CH4 l C4H10 ra C3H6 l C4H10 → CH4 + C3H6 | Butan ra Metan | Butan ra Propen

Phản ứng C₄H₁₀ → CH₄ + C₃H₆

1. Phản ứng Cracking C₄H₁₀

C₄H₁₀ CH₄ + C₃H₆

2. Điều kiện phản ứng điều chế CH₄ từ C₄H₁₀

Nhiệt độ: nhiệt độ Xúc tác: xúc tác

3. Cách thực hiện phản ứng

Tiến hành cracking C₄H₁₀.

4. Bản chất của phản ứng cracking

Trong điều kiện có nhiệt độ, áp suất cao và xúc tác thì ankan có thể bị bẻ gãy mạch C tạo thành các ankan và anken nhỏ hơn được gọi là phản ứng cracking.

Một số phản ứng cracking thường gặp

Phản ứng cracking butan C₄H₁₀

Khi thực hiện phản ứng cracking butan thì sẽ thu được hỗn hợp gồm các ankan và anken như: C₄H₈, H₂, CH₄, C₃H₆, C₂H₆, C₂H₄,…

Phương trình phản ứng:

C₄H₁₀ → C₄H₈+ H₂

C₄H₁₀→ CH₄ + C₃H₆

C₄H₁₀ → C₂H₆+ C₂H₄

C₄H₁₀ → C₃H₈ + CH₂

5. Điều chế metan

5.1 Điều chế CH₄ trong công nghiệp

Ở quy mô công nghiệp, cách thu khí CH₄ và các đồng đẳng của nó được tách từ khí thiên nhiên và dầu mỏ. Đây là cách điều chế CH₄ dễ dàng và nhanh chóng.

5.2. Cách điều chế metan trong phòng thí nghiệm

Một số cách điều chế CH₄ trong phòng thí nghiệm như sau:

Khi cần một lượng nhỏ metan, người ta nung natri axetat chung với vôi tôi xút, hoặc điều chế metan bằng cách cho nhôm cacbua tác dụng với nước:

Điều chế CH₄ từ nhôm cacbua:

Al₄C₃ + 12H₂O → 4Al(OH)₃ + 3CH₄

Phản ứng muối natri axetat với xút tạo khí metan (nhiệt phân muối natri của axit carboxylic):

CH₃–COONa + NaOH Na₂CO₃ + CH₄

Cách điều chế metanol bằng phản ứng cộng hidro vào cacbon:

C + 2H₂ CH₄

Cách điều chế CH₄ từ khí CO:

CO + 3H₂ H₂O + CH₄

Hoặc điều chế CH₄ bằng cách khử các dẫn xuất methyl của các halogen, ancol hay carbonyl.

6. Ứng dụng của Metan

Metan là một trong những nhiên liệu vô cùng quan trọng. Nếu so với việc đốt cháy than đá thì đốt cháy metan sẽ sinh ra ít CO2 trên mỗi đơn vị nhiệt giải phóng.

Metan thường được sử dụng làm nhiên liệu cho các lò nướng, nhà cửa, máy nước nóng, lò nung, xe ôtô… Nó đốt cháy oxy để tạo ra nhiệt.

Metan dưới dạng khí tự nhiên nén được sử dụng làm nhiên liệu cho xe cộ và được đánh giá là thân thiện với môi trường.

Khí CH4 có vai trò quan trọng trong việc phát điện bằng cách đốt nó như một nhiên liệu trong tuabin khí. Hoặc máy phát điện hơi nước. Vì vậy ở nhiều nơi khí metan được biết đến là một loại khí thiên nhiên dùng để sưởi ấm và nấu ăn.

7. Tính chất hóa học của C₄H₁₀

Trong phân tử C₄H₁₀ các liên kết xích ma bền vững, vì thế C₄H₁₀ tương đối trơ về mặt hóa học: Ở nhiệt độ thường, chúng không phản ứng với axit, bazơ và chất oxi hóa mạnh (như KMnO₄) Dưới tác dụng của ánh sáng, xúc tác, nhiệt, C₄H₁₀ tham gia các phản ứng thế, phản ứng tách và phản ứng oxi hóa.

7.1. Phản ứng thế bởi halogen

- Khi chiếu sáng hoặc đốt nóng hỗn hợp butan và clo sẽ xảy ra phản ứng thế lần lượt các nguyên tử hidro bằng clo. Tương tự như metan.

C₄H₁₀ + Cl₂ → C₄H₉Cl + HCl

- Phản ứng thế H bằng halogen thuộc loại phản ứng halogen hóa, sản phẩm hữu cơ có chứa halogen gọi là dẫn xuất halogen.

7.2. Phản ứng tách (gãy liên kết C-C và C-H)

- Dưới tác dụng của nhiệt và xúc tác (Cr₂O₃, Fe, Pt,...), các ankan không những bị tách hidro tạo thành các hidrocacbon không no mà còn bị gãy các liên kết C-C tạo ra các phân tử nhỏ hơn.

7.3. Phản ứng oxi hóa

- Khi đốt, butan bị cháy tạo ra CO₂, H₂O và tỏa nhiều nhiệt

- Nếu không đủ oxi, ankan bị cháy không hoàn toàn, khi đó ngoài CO₂ và H₂O còn tạo ra các sản phẩm như CO, than muội, không những làm giảm năng suất tỏa nhiệt mà còn gây độc hại cho môi trường.

8. Bài tập vận dụng

Câu 1. Nhận xét nào sau đây là sai?

A. Nhiệt độ nóng chảy, nhiệt độ sôi và khối lượng riêng của các ankan tăng dần theo chiều tăng của phân tử khối.

B. Các ankan không tan trong nước nhưng tan nhiều trong các dung môi hữu cơ.

C. Các ankan có khả năng phản ứng cao.

D. Các ankan đều nhẹ hơn nước

Lời giải:

Đáp án: C

Câu 2. Có bao nhiêu phát biểu đúng trong số các phát biểu sau:

a) Metan cháy với oxi tạo hơi nước và khí lưu huỳnh đioxit.

b) Phản ứng hóa học giữa metan và clo được gọi là phản ứng thế.

c) Trong phản ứng hóa học, giữa metan và clo, chỉ có duy nhất một nguyên tử hiđro của metan có thể được thay thế bởi nguyên tử clo.

d) Hỗn hợp gồm hai thể tích metan và một thể tích oxi là hỗn hợp nổ mạnh.

A. 1

B. 2

C. 3

D. 4

Lời giải:

Đáp án: A

Giải thích:

Các phát biểu sai là:

a) Metan cháy với oxi tạo hơi nước và khí lưu huỳnh đioxit => Sai vì tạo khí cacbonic (CO₂) chứ không phải là lưu huỳnh đioxit

c) Trong phản ứng hóa học giữa Metan và Clo, chỉ có duy nhất một nguyên tử Hiđro của Metan có thể được thay thế bởi nguyên tử Clo => Sai.

d) Hỗn hợp gồm hai thể tích Metan và một thể tích Oxi là hỗn hợp nổ mạnh => Sai, hỗn hợp nổ gồm một thể tích Metan và hai phần thể tích Oxi

Câu 3. Đốt cháy hoàn toàn 11,2 lít khí metan. Biết các thể tích khí đo ở điều kiện tiêu chuẩn.Thể tích khí oxi cần dùng là

A. 22,4 lít

B. 11,2 lít

C. 22,4 lít

D. 11,2 lít

Lời giải:

Đáp án: C

Câu 4. Các tính chất vật lí cơ bản của Metan là:

A. Chất lỏng, không màu, tan nhiều trong nước

B. Chất khí, không màu, không mùi, nhẹ hơn không khí, tan ít trong nước

C. Chất khí không màu, tan nhiều trong nước

D. Chất khí, không màu, không mùi, nặng hơn không khí, tan ít trong nước

Lời giải:

Đáp án: B

Giải thích:

Ở điều kiện tiêu chuẩn, mêtan là chất khí không màu, không mùi, không vị.

Nó hóa lỏng ở −162°C, hóa rắn ở −183°C, và rất dễ cháy.

Một mét khối mêtan ở áp suất thường có khối lượng 717 g.

Câu 5. Để chứng minh sản phẩm của phản ứng cháy giữa metan và oxi có tạo thành khí cacbonic hay không ta cho vào ống nghiệm hóa chất nào sau đây?

A. Nước cất

B. Nước vôi trong

C. Nước muối

D. Thuốc tím

Lời giải:

Đáp án: B

Câu 6. Phát biểu nào sau đây là đúng?

A. Các ankan là những chất tan tốt trong nước

B. Các ankan đều có khối lượng riêng lớn hơn 1g/ml.

C. Ankan có đồng phân mạch cacbon.

D. Có 4 ankan đồng phân cấu tạo của nhau có cùng công thức phân tử C₄H₁₀.

Lời giải:

Đáp án: C

Giải thích:

A sai vì ankan hầu như không tan trong nước.

B sai vì ankan nhẹ hơn nước nên khối lượng riêng nhỏ hơn 1g/ml.

D sai vì C₄H₁₀ chỉ có 2 ankan đồng phân là CH₃-CH₂-CH₂-CH₃ và (CH₃)₃CH.

Câu 7: Trong phòng thí nghiệm, người ta điều chế metan bằng phương pháp nào sau đây?

A. Nung natri axetat khan với hỗn hợp vôi tôi xút

B. Phân hủy hợp chất hữu cơ

C. Tổng hợp cacbon và hidro

D Cracking butan

Lời giải:

Đáp án: A

Câu 8: Trong các khẳng định sau, khẳng định nào đúng?

A. Ankan từ C4H10 trở đi có đồng phân cấu tạo

B. Ankan mà phân từ chỉ chứa C bậc I và C bậc II là ankan không phân nhánh

C. Ankan có cả dạng mạch hở và mạch vòng

D. A và B đúng

Lời giải:

Đáp án: D

Câu 9: Cho isopentan tác dụng với Cl2 theo tỉ lệ 1: 1 về số mol, có ánh sáng khuếch tán. Dẫn xuất monoclo nào dễ hình thành nhất?

A. CH3CHClCH(CH3)2

B. CH3CH2CCl(CH3)2

C. (CH3)2CHCH2CH2Cl

D. CH3CH2CH(CH3)CH2Cl

Lời giải:

Đáp án: B

Giải thích:

Isopentan có 4 vị trí thế clo là a, b, c, d

Theo quy tắc thế, Clo ưu tiên thế vào vị trí C có bậc cao nên sản phẩm chính của phản ứng là

CH₃CH₂CCl(CH₃)₂.

Câu 10: Trong các ankan đồng phân của nhau, chất nào có nhiệt độ sôi cao nhất?

A. Đồng phân mạch không nhánh

B. Đồng phân mạch phân nhánh nhiều nhất

C. Đồng phân isoankan

D. Đồng phân tert-ankan

Lời giải:

Đáp án: A

Câu 11: Các ankan không tham gia loại phản ứng nào?

A. Phản ứng thế

B. Phản ứng tách

C. Phản ứng cộng

D. Phản ứng cháy

Lời giải:

Đáp án: C

Câu 12. Đốt cháy hoàn toàn 2,24 lít hỗn hợp X (đktc) gồm CH4, C2H6 và C3H8 thu được V lít khí CO2 (đktc) và 6,3 gam H2O. Giá trị của V là

A. 5,60

B. 7,84

C. 4,48

D. 10,08.

Lời giải:

Đáp án: A

Giải thích:

n_H2O = 0,35 mol

Ta thấy tất cả các khí trong hỗn hợp đều là ankan.

=> n_X = nH₂O – n_CO2 => n_CO2 = n_H2O – n_X = 0,35 - 0,1 = 0,25 mol => V = 5,6 lít

Câu 13. Đốt cháy hoàn toàn một hiđrocacbon A thu được 0,22 mol CO2 và 0,264 mol H2O. Khi X tác dụng với khí clo (theo tỉ lệ số mol 1 : 1) thu được một sản phẩm hữu cơ duy nhất . Tên gọi của X là

A.

B. CH3-CH3

C.CH3CH2CH3.

D. CH3-CH(CH3)-CH2-CH3

Lời giải:

Đáp án: D

Giải thích:

Ta thấy nH₂O > nCO₂ => X là ankan

n_X= nH₂O - nCO₂ = 0,264 - 0,22 = 0,044 mol

=> Số C = nCO₂ : n_X = 0,22 : 0,044 = 5 => CTPT là C₅H₁₂

Do X tác dụng với khí clo thu được 4 sản phẩm monoclo nên X là CH₃-CH(CH₃)-CH₂-CH₃ (2-metylbutan).

Câu 14. Những phát biểu nào sau đây không đúng?

1) Metan tác dụng với clo khi có ánh sáng.

2) Metan là chất khí, không màu, không mùi, nặng hơn không khí.

3) Metan cháy tỏa nhiều nhiệt nên được dùng làm nhiên liệu trong đời sống và trong sản xuất.

4) Hỗn hợp giữa metan và clo là hỗn hợp nổ.

5) Trong phân tử metan có bốn liên kết đơn C-H.

6) Metan tác dụng với clo ở điều kiện thường.

A. 1, 3, 5.

B. 1, 2, 6.

C. 2, 4, 6.

D. 2, 4, 5.

Lời giải:

Đáp án: C

Giải thích: