Liên môn ankan và thế giới hiện đại

VƯƠNG MINH ĐẠT Gmail: vuongdatminh@gmail.com CHỦ ĐỀ: ANKAN VÀ THẾ GIỚI HIỆN ĐẠI CẤU TRÚC PHÂN TỬ ANKAN Sự hình thành liên kết phân tử ankan Ở ankan, nguyên tử cacbon trạng thái lai hóa sp Mỗi nguyên tử cacbon nằm tâm tứ diện mà đỉnh nguyên tử H C, liên kết C – C, C – H liên kết σ với độ dài liên kết C – C 154 pm, liên kết C – H 109 pm, góc hóa trị CCC, HCH, CCH gần 109,50 Mô hình phân tử ankan Hình Mô hình phân tử propan, butan isobutan ĐỒNG ĐẲNG, ĐỒNG PHÂN VÀ DANH PHÁP Đồng đẳng Ankan hiđrocacbon no mạch hở, có công thức chung CnH2n+2, (n≥1) Metan (CH4), etan (C2H6), propan (C3H8), butan (C4H10) hợp thành dãy đồng đẳng gọi dãy đồng đẳng metan Ankan phổ biến thiên nhiên Metan có khí (thoát từ phân hủy yếm khí chất hữu cơ), khí thiên nhiên, khí dầu mỏ Các ankan từ C1 – C40 thành phần dầu mỏ Ankan nhiên liệu nguyên liệu quan trọng nhân loại Đồng phân Nguyên tử cacbon liên kết với nguyên tử cacbon khác gọi cacbon bậc I, liên kết với nguyên tử cacbon khác – cacbon bậc II, với nguyên tử cacbon khác – cacbon bậc III, với nguyên tử cacbon khác – cacbon bậc IV Ankan mà phân tử chứa C bậc I C bậc II ankan không phân nhánh, chứa C bậc III C bậc IV ankan phân nhánh VƯƠNG MINH ĐẠT Gmail: vuongdatminh@gmail.com Các ankan phân nhánh không phân nhánh đồng phân mạch cacbon * Số lượng đồng phân cấu tạo ankan Số lượng đồng phân cấu tạo tăng nhanh theo số nguyên tử C phân tử CnH2n+2: n Số đồng phân 10 15 20 18 35 75 4347 366319 Ngoài đồng phân mạch cacbon ra, n ≥ có đồng phân quang học phân tử có nguyên tử cacbon bất đối Danh pháp Ankan không phân nhánh Theo danh pháp IUPAC, bốn ankan gọi metan, etan, propan butan Các ankan không phân nhánh gọi tên cách dùng phần để số lượng nguyên tử cacbon phân tử kết hợp với đuôi –an để bão hòa Nhóm nguyên tử lại sau lấy bớt nguyên tử H từ phân tử ankan gọi nhóm ankyl Tên nhóm ankyl lấy từ tên ankan tương ứng, đổi đuôi an thành đuôi yl Bảng Tên số ankan nhóm ankyl không phân nhánh Ankan không phân nhánh Ankyl không phân nhánh Tên mạch + an Tên mạch + yl Công thức Công thức Tên Tên CH4 metan CH3– metyl CH3CH3 etan CH3CH2– etyl CH3CH2CH3 propan CH3CH2CH2– propyl CH3[CH2]2CH3 butan CH3[CH2]2CH2– butyl CH3[CH2]3CH3 pentan CH3[CH2]3CH2– pentyl CH3[CH2]4CH3 hexan CH3[CH2]4CH2– hexyl CH3[CH2]5CH3 heptan CH3[CH2]5CH2– heptyl CH3[CH2]6CH3 octan CH3[CH2]6CH2– octyl CH3[CH2]7CH3 nonan CH3[CH2]7CH2– nonyln VƯƠNG MINH ĐẠT Gmail: vuongdatminh@gmail.com đecan CH3[CH2]8CH3 CH3[CH2]8CH2– đecyl Ankan phân nhánh Theo IUPAC, tên ankan phân nhánh gọi tên theo kiểu thay thế: Số vị trí – Tên nhánh Tên mạch an - Chọn mạch cacbon dài có nhiều nhánh làm mạch - Đánh số thứ tự nguyên tử cacbon mạch từ phía gần nhánh cho số vị trí nhánh nhỏ - Gọi tên mạch nhánh theo thứ tự vần chữ với số vị trí nó, tên ankan tương ứng với mạch Nếu có nhiều nhánh tên sau tất số vị trí chúng, trước tên nhóm người ta thêm tiền tố đi- (hai), tri- (ba), tetra- (bốn),… để số lượng nhóm tên Dùng dấu gạch ngang để nối số với tên nhánh, dùng dấu phẩy để phân cách hai số cạnh IUPAC chấp nhận tên thường gọi ankan phân nhánh chứa nguyên tử cacbon: isobutan isopentan neopentan TÍNH CHẤT VẬT LÍ CỦA ANKAN Nhiệt độ sôi, nhiệt độ nóng chảy khối lượng riêng Bảng Nhiệt độ sôi, nhiệt độ nóng chảy khối lượng riêng số ankan Ankan Công thức Cn tnc, 0C ts, 0C Khối lượng riêng (g/cm3) Metan CH4 C1 -183 -162 0,415 (-1640C) Etan CH3CH3 C2 -183 -89 0,561 (-1000C) Propan CH3CH2CH3 C3 -188 -42 0,585 (-450C) Butan CH3[CH2]2CH3 C4 -138 -0,5 0,600 (00C) Pentan CH3[CH2]3CH3 C5 -130 36 0,626 (200C) Hexan CH3[CH2]4CH3 C6 -95 69 0,660 (200C) Heptan CH3[CH2]5CH3 C7 -91 98 0,684 (200C) Octan CH3[CH2]6CH3 C8 -57 126 0,703 (200C) Nonan CH3[CH2]7CH3 C9 -54 151 0,718 (200C) VƯƠNG MINH ĐẠT Gmail: vuongdatminh@gmail.com Đecan CH3[CH2]8CH3 Icosan CH3[CH2]18CH3 C20 C10 -30 174 0,730 (200C) 37 343 0,778 (200C) - Ở nhiệt độ thường, ankan từ C1 đến C4 trạng thái khí; từ C5 đến khoảng C18 trạng thái lỏng; từ khoảng C18 trở lên trạng thái rắn - Nhiệt độ nóng chảy, nhiệt độ sôi khối lượng riêng ankan nói chung tăng theo số nguyên tử C phân tử tức tăng theo phân tử khối - Nhiệt độ nóng chảy, nhiệt độ sôi ankan đồng phân khác rõ rệt phụ thuộc vào phân nhánh tức hình dạng phân tử chúng Những đồng phân có hình dạng gọn gàng thường có nhiệt độ sôi thấp nhiệt độ nóng chảy cao so với đồng phân có hình dạng gọn gàng - Ankan nhẹ nước Tính tan, màu mùi - Ankan không tan nước, trộn vào nước bị tách lớp lên nên người ta nói chúng kị nước - Ankan dung môi không phân cực, hòa tan tốt chất không phân cực dầu, mỡ, chúng chất ưa dầu mỡ ưa bám dính vào quần, áo, lông, da Những ankan lỏng thấm qua da màng tế bào - Ankan chất không màu - Các ankan nhẹ chất khí không mùi Ankan từ C5 – C10 có mùi xăng, từ C10 – C16 có mùi dầu hỏa Ankan rắn bay nên không mùi TÍNH CHẤT HÓA HỌC CỦA ANKAN Ở phân tử ankan có liên kết C – C, C – H Đó liên kết σ bền vững, không phân cực khó bị phân cực hóa Vì ankan tương đối trơ mặt hóa học: Ở nhiệt độ thường chúng không phản ứng với axit, bazơ, chất oxi hóa mạnh (như KMnO4, K2Cr2O7,…) chất khử mạnh (K, Na,…) Vì ankan có tên parafin, nghĩa lực hóa học Tuy nhiên, tác dụng ánh sáng, xúc tác nhiệt, ankan tham gia phản ứng thế, phản ứng tách phản ứng oxi hóa Phản ứng halogen - Dưới tác dụng ánh sáng, ankan tham gia phản ứng thế, nguyên tử hiđro bị thay dần halogen Halogen hóa metan VƯƠNG MINH ĐẠT Gmail: vuongdatminh@gmail.com Khi chiếu sáng đốt nóng hỗn hợp metan clo xảy phản ứng nguyên tử hiđro clo: CH4 + Cl   CH3Cl + HCl metyl clorua (clometan) CH3Cl + Cl2   CH2Cl2 + HCl metylen clorua (diclometan) CH2Cl2 + Cl   CHCl3 + HCl clorofom (triclometan) CHCl3 + Cl   CCl4 + HCl cacbon tetraclorua (tetraclometan) % mol dẫn xuất clo thu phụ thuộc chủ yếu vào tỉ lệ mol clo metan hỗn hợp đầu Tỉ lệ lớn % mol dẫn xuất clo cao Brom hóa metan xảy chậm tỏa nhiệt nên dễ khống chế giai đoạn monobrom hóa: CH4 + Br2   CH3Br + HBr metyl bromua (brommetan) Iot hóa metan xảy không đáng kể nhiệt độ 3000C Ở nhiệt độ cao phản ứng ngược lại chiếm ưu 300 C CH 3I + HI   CH4 + I2 Flo phản ứng mãnh liệt nên phân hủy ankan thành C HF Nhiệt tỏa lớn tức thời dẫn tới nổ Halogen hóa đồng đẳng metan Các đồng đẳng metan tham gia phản ứng tương tự metan Clo hóa đồng đẳng metan dẫn tới hỗn hợp đồng phân gồm sản phẩm nguyên tử hiđro bậc khác Brom hóa đồng đẳng metan xảy với tốc độ chậm nhiều so với clo hóa Vì độ chọn lọc cao nhiều CH  CH  CH  Cl 3 CH  CH  CH  Br 3 s, 25 C  CH3  CHCl  CH3 2-clopropan, 57% a    CH  CH2  Cl 1-clopropan, 43%  CH s, 25 C  CH3  CHBr  CH3 2-brompropan, 97% a    CH  CH2  Br 1-brompropan, 3%  CH Iot hóa trực tiếp ankan nói chung không thực tốc độ phản ứng nhỏ VƯƠNG MINH ĐẠT Gmail: vuongdatminh@gmail.com Flo hóa trực tiếp ankan xảy mãnh liệt dẫn tới phản ứng hủy làm đứt liên kết C – H, liên kết C – C tạo thành hỗn hợp HF, CF4 C - Quy tắc thế: Khi tham gia phản ứng thế, nguyên tử halogen ưu tiên vào cacbon có bậc cao Cơ chế phản ứng halogen hóa ankan Phản ứng clo hóa brom hóa ankan xảy theo chế gốc - dây chuyền Bước khơi mào: (1) Bước phát triển dây chuyền: (2) (3) (2) Bước đứt dây chuyền: (4) (5) (6) (1): Phân tử clo hấp thụ ánh sáng bị phân cắt đồng li thành nguyên tử clo (2): Nguyên tử clo gốc tự hoạt động, ngắt lấy nguyên tử H từ CH4 tạo HClvà gốc tự  CH3 (3): Gốc  CH3 không bền, tách lấy nguyên tử Cl từ Cl2 để trở thành CH3Cl bền Nguyên tử Cl sinh phản ứng (3) lại tác dụng với CH4 làm cho phản ứng (2) (3) lặp lặp lại tới hàng chục ngàn lần dây chuyền (4) (5) (6): Các gốc tự kết hợp với thành phân tử bền Phản ứng tách Khi đun nóng, tới khoảng 300 – 400oC, phân tử ankan không bị phân hủy Ở nhiệt độ cao có mặt chất xúc tác xảy phản ứng tách hiđro – gọi đehiđro hóa, phản ứng bẽ gãy liên kết C – C gọi cracking VƯƠNG MINH ĐẠT Gmail: vuongdatminh@gmail.com Phản ứng tách hiđro - Phản ứng tách hiđro áp dụng chủ yếu ankan có phân tử khối thấp Dưới tác dụng nhiệt chất xúc tác thích hợp, ankan từ C2 – C4 bị tách hiđro tạo thành anken 500 C,Pt CH  CH    CH  CH + H 2 3 0 500 C,Pt CH 3CH 2CH 2CH    CH 3CH=CHCH + H Chú ý: - Chỉ ankan phân tử có từ nguyên tử C trở lên có khả tham gia phản ứng tách H2 - Trong phản ứng tách H2, nguyên tử H gắn với nguyên tử C nằm cạnh tách ưu tiên tách H C bậc cao Phản ứng cracking - Khi có xúc tác thích hợp tác dụng nhiệt độ, ankan bị bẻ gãy mạch C - C tạo thành hỗn hợp ankan anken với số nguyên tử nhỏ ankan ban đầu   CH3CH=CH2 + CH4 00 C,Pt  CH3CH2CH2CH3 5   CH =CH + CH CH  2 3 Trong công nghiệp hóa dầu nửa đầu kỉ XX, người ta dung phương pháp cracking để tạo hỗn hợp ankan, anken từ C5 – C10 dùng làm xăng cho động đốt Ngày nay, người ta dung cracking chủ yếu để tạo etilen, propilen dùng làm cho công nghiệp hóa chất Phản ứng oxi hóa Phản ứng cháy Khi đốt, ankan bị cháy tạo CO2, H2O tỏa nhiều nhiệt CH + 2O t  CO + 2H 2O ; H = -890kJ o o  nCO + (n+1)H 2O Cn H2n+2 + 3n+1 O2 t Khi đốt cháy ankan nH 2O > nCO2 nankan = nH 2O - nCO2 Các ankan đầu dãy đồng đẳng dễ cháy, tỏa nhiều nhiệt Khí CO2, nước nhiệt tạo thành nhanh nên gây nổ VƯƠNG MINH ĐẠT Gmail: vuongdatminh@gmail.com Nếu không đủ oxi, ankan bị cháy không hoàn toàn, CO2 H2O tạo sản phẩm CO, muội than, làm giảm suất tỏa nhiệt mà gây độc hại cho môi trường Oxi hóa không hoàn toàn Khi có xúc tác, nhiệt độ thích hợp, ankan bị oxi hóa không hoàn toàn tạo thành dẫn xuất chứa oxi xt NO   HCHO + H2O CH4 + O2  o 600 - 800 C RCH2 -CH2R' + 2+ Mn  RCOOH + R'COOH + H O O2   ĐIỀU CHẾ Trong công nghiệp Công nghiệp khai thác ankan từ nguồn thiên nhiên mỏ khí thiên nhiên, mỏ dầu Từ khí thiên nhiên khí mỏ dầu người ta thu chủ yếu metan lượng nhỏ etan, propan, butan,… Dầu mỏ thường chứa ankan từ C đến C80 Nhờ chưng cất phân đoạn, người ta thu phân đoạn có chứa ankan với hiđrocacbon khác Trong phòng thí nghiệm Phương pháp chung - Cộng hiđro : CnH2n + H2 t  CnH2n+2 CnH2n−2 + 2H2 t  CnH2n+2 - Nhiệt phân hỗn hợp “vôi xút” (CaO + NaOH rắn): , CaO  C nH 2n+2 + Na2CO3 CnH2n+1COONa + NaOH t Phương pháp điều chế metan    CH4 C + 2H2   Al4C3 + 12H2O → 4Al(OH)3 + 3CH4 ỨNG DỤNG CỦA ANKAN Làm nhiên liệu Ứng dụng quan trọng ankan dùng làm nhiên liệu cung cấp nhiệt năng, điện cho phương tiện giao thông vận tải nhu cầu khác Xăng, dầu ví máu huyết quản kinh tế Khí thiên nhiên mà thành phần metan dùng để đun nấu, cung cấp nước để sưởi ấm, dùng nhà máy phát điện, dùng để cung cấp nhiệt cho nhà máy luyện kim, phân VƯƠNG MINH ĐẠT Gmail: vuongdatminh@gmail.com đạm, gốm sứ… Khí thiên nhiên hóa lỏng (LNG) khí mỏ dầu hóa lỏng (LPG) mà thành phần chủ yếu propan butan ngày trở thành nguồn nhiên liệu phổ biến, tiện dụng đời sống sản xuất Hiện nay, khí thiên nhiên dầu mỏ cung cấp tới khoảng 70% nguồn khác than đá, nước, lượng hạt nhân… cung cấp khoảng 30% tổng lượng mà loài người sử dụng Khí metan thoát từ phân hủy yếm khí chất hữu bể ủ phân rác, thành phần biogas, ngày trở thành nguồn cung cấp lượng quan trọng cho nhiều trang trại hộ nông dân giới Làm nguyên liệu Ankan nguồn nguyên liệu quan trọng cho công nghiệp sản xuất chất hữu công nghiệp sản xuất phân đạm Sở dĩ từ ankan người ta điều chế hợp chất có khả phản ứng cao để tổng hợp sản phẩm phục vụ người Từ metan điều chế axetilen, fomanđehit, CO H2 … 400 - 1500 C 2CH 1    CH  CH + 3H2 O, 600 C   CH4 + O N   HCH O + H2O CH  O   CO + 2H 2 Nhờ cracking ankan dầu mỏ, người ta thu etilen, propilen,… dùng để tổng hợp hóa chất thiết yếu etanol, etylen glicol,… chất dẻo quan trọng polietilen, polipropilen, … Một số ứng dụng khác (1) Propan butan hóa lỏng áp suất tương đối thấp, chúng biết tên gọi khí hóa lỏng Ví dụ, propan sử dụng lò nung khí propan butan bật lửa sử dụng lần Cả hai ankan sử dụng làm tác nhân đẩy bình xịt (2) Từ pentan tới octan ankan chất lỏng dễ bay Chúng sử dụng làm nhiên liệu động đốt trong, chúng dễ hóa vào khoang đốt Các ankan mạch nhánh ưa chuộng hơn, chúng có bắt cháy VƯƠNG MINH ĐẠT Gmail: vuongdatminh@gmail.com muộn so với ankan mạch thẳng tương ứng (sự bắt cháy sớm nguyên nhân sinh tiếng nổ lọc xọc động dễ làm hư hại động cơ) Xu hướng bắt cháy sớm đo số octan nhiên liệu, 2,2,4 - trimetylpentan (iso octan) có giá trị quy định ngẫu hứng 100 heptan có giá trị Bên cạnh việc sử dụng nguồn nhiên liệu ankan dung môi tốt cho chất không phân cực Chỉ số octan đại lượng quy ước để đặc trưng cho khả chống lại kích nổ nhiên liệu, giá trị tính phần trăm thể tích isooctan (2, 2, – trimetylpentan) hỗn hợp với n-heptan mà hỗn hợp có khả chống kích nổ tương đương với khả chống kích nổ nhiên liệu khảo sát Trong hỗn hợp isooctan có khả chống kích nổ tốt, quy ước 100, ngược lại, n-heptan có khả chống kích nổ quy ước Các yếu tố liên quan đến động ảnh hưởng đến số octan bao gồm: tỷ số nén, hệ số đầy, góc đánh lửa sớm, nhiệt độ áp suất vào độ giàu * Ý nghĩa số octan: Chỉ số octan tiêu quan trọng nhiên liệu, dùng nhiên liệu có trị số octan thấp so với quy định nhà chế tạo gây tượng kích nổ làm giảm công suất động cơ, nóng máy, gây mài mòn chi tiết máy, tạo khói đen gây ô nhiễm môi trường Ngược lại dùng nhiên liệu có trị số octan cao gây lãng phí Điều quan trọng phải dùng nhiên liệu theo yêu cầu nhà chế tạo, cụ thể theo tỷ số nén động cơ, tỷ số nén lớn yêu cầu trị số octan lớn ngược lại + Các phương pháp đo số octan: * Phương pháp nghiên cứu (RON) đo theo tiêu chuẩn ASTM D 2700 * Phương pháp mô tơ (MON) đo theo tiêu chuẩn ASTM D 2699 (3) Các ankan từ nonan tới chất lỏng có độ nhớt cao, phù hợp cho mục đích sử dụng lại, chúng tạo thành phần chủ yếu dầu điezen nhiên liệu hàng không Các nhiên liệu điezen đánh giá theo số cetan (cetan tên gọi cũ hexađecan) Tuy nhiên, điểm nóng chảy cao ankan sinh vấn đề nhiệt độ thấp vùng gần cực Trái Đất, nhiên liệu trở nên đặc quánh truyền dẫn chúng không đảm bảo chuẩn xác VƯƠNG MINH ĐẠT Gmail: vuongdatminh@gmail.com (4) Các ankan từ hexađecan trở lên tạo thành phần quan trọng loại chất đốt lò đốt dầu bôi trơn Ở chức sau chúng làm việc chất chống gỉ chất không ưa nước chúng làm cho nước tiếp xúc với bề mặt kim loại Nhiều ankan rắn sử dụng sáp parafin,ví dụ loại nến Không nên nhầm lớp sáp thực (ví dụ sáp ong) chủ yếu hỗn hợp este (5) Các ankan với độ dài mạch cacbon khoảng từ 35 trở lên tìm thấy bitum, sử dụng chủ yếu nhựa đường để rải đường Tuy nhiên, ankan có mạch cacbon lớn có giá trị thương mại thông thường hay tách thành ankan mạch ngắn thông qua phương pháp crackinh BIOGAS – NHIÊN LIỆU XANH Biogas gì? Biogas dạng khí sinh học tái tạo trình phân hủy chất thải người động vật điều kiện hầm kín Nhờ hoạt động vi sinh vật, chất thải lên men tạo khí sử dụng làm khí đốt chạy động đốt Thành phần nguồn gốc - Biogas viết tắt từ Biological Gas, khí sinh từ trình phân hủy xác động thực vật, thành phần gồm có: + Metan (CH4): 50% - 75% + Cacbon đioxit (CO2): 25% - 50% + Nitơ (N2): 0% - 10% + Hiđro sunfua (H2S): 0% - 3% VƯƠNG MINH ĐẠT Gmail: vuongdatminh@gmail.com + Oxi (O2): 0% - 2% - Nguồn gốc: Là phế liệu sản xuất nông, lâm nghiệp hoạt động sống sản xuất chế biến nông lâm sản Hoặc phân gia súc làm nguồn nhiên liệu chủ yếu hầm biogas Bản chất kị khí Biogas Là chất thải phân hủy nhờ vào vi sinh vật điều kiện hoàn toàn oxi Quá trình phân chia làm giai đoạn: + Giai đoạn 1: Các chất hữu cao phân tử vi sinh vật chuyển thành chất có trọng lượng thấp axit hữu cơ, đường glyxerin (được gọi chung hiđrat cacbon) + Giai đoạn 2: Là giai đoạn phát triển mạnh loại vi khuẩn metan để chuyển toàn chất hiđrat cacbon thành CH4, CO2 CO2 + 4H2 → CH4 + 2H2O CO + 3H2 → CH4 + H2O 4CO + 2H2 → CH4 + 3CO2 4HCOOH → CH4 + 3CO2 + 3H2O 4CHOH → 3CH4 + 2H2O + CO2 CH3COOH → CH4 + H2O Dựa vào vi khuẩn yếm khí để lên men phân huỷ kỵ khí chất hữu sinh hỗn hợp khí cháy được: H2, H2S, NH3, CH4, C2H2,… CH4 sản phẩm khí chủ yếu (nên gọi trình lên men tạo Metan ) Các yếu tố ảnh hưởng đến trình lên men - Điều kiện kị khí: O2 dịch lên men - Nhiệt độ: qui mô nhỏ thực 30 – 35oC, qui mô lớn có khí hóa tự động hóa thực 50 – 55oC - Độ pH: 6,5 – 7,5 (nếu