Hidrocacbon và một số dạng BT tiêu biểu (1)

CHUYÊN ĐỀ: HIDROCACBON dành cho HS THCS A- TÓM TẮT KIẾN THỨC I- Một số loại hidrocacbon thường gặp CH2 CH Mạch hở hoặc mạch vòng thỏa mãn điều kiện: số LK pi + số vòng = 2 3 CnH2n–4 n

CHUYÊN ĐỀ: HIDROCACBON (dành cho HS THCS) A- TÓM TẮT KIẾN THỨC

I- Một số loại hidrocacbon thường gặp

CH2

CH

Mạch hở hoặc mạch vòng thỏa mãn điều kiện: số LK pi + số vòng = 2

3 CnH2n–4 (n  3) dãy đồng đẳng Thuộc nhiều CH2=CH–C≡CH Vinyl axetilen Mạch hở hoặc mạch vòng thỏa mãn

điều kiện: số LK pi + số vòng = 3

Aren

CH CH CH CH

- Các hidrocacbon đều không tan trong nước hoặc rất ít tan ít tan trong nước

- Trạng thái ở đk thường: C1  C4: Khí ; C5  C17: Lỏng ; C18 trở đi: Rắn

 Thay thế lần lượt các nguyên tử

H của liên kết C-H bằng nguyên tử

Cl

Các hợp chất ankan hoặc xycloankan

hidrocacbon

cĩ chứa liên kết đơi C=C hoặc liên kết ba C≡C,

CnH2n+2 -2k + kH2 0

Ni t

 CnH2n+2

CnH2n+2 -2k + kBr2  CnH2n+2 -2kBr2k

R-CH=CH2 + HOH  R-CHax 2-CH2OH

Xycloankan vịng 3 cạnh cĩ phản ứng mở vọng với dung dịch Brom

CH2Br - CH2-CH2Br+ Br2 (dd)

Xycloankan vịng 3,4 cạnh cĩ phản ứng mở vọng với H 2

CH3 - CH2-CH2-CH3

+ H2 0

Ni t



0

Ni t

ở đầu mạch

2R-C≡CH + Ag2O NH 3

 2R-C≡CAg  + + H2O 2CxHy + aAg2O NH 3

 2CxHy-aAga  + aH2O

Phản ứng

trùng hợp

 Kết hợp các monome thành các polime Bản chất là phản ứng cộng với chính nĩ

(Liên kết ba khĩ trùng hợp hơn liên kết đơi)

Hợp chất cĩ liên kết đơi C=C hoặc liên kết ba C≡C

nn

n

nCxHy 0

xt ,p t

 –CxHy– Vd:

nCH2=CH2 0

xt,p t

 – CH2-CH2 –

nCH2=CH-CH=CH2 0

xt,p t

 – CH2-CH=CH-CH2 –

 CmH2m+2 + Cn –mH2(n –m)

VD: C3H8 0

crackinh t

 C2H4 + CH4

 Riêng benzen và các đồng đẳng cĩ cấu tạo vịng liên hợp (bền)

nên dễ tham gia phản ứng thế, khĩ tham gia phản ứng cộng hơn

các hợp chất khơng no khác:

+ Do hàm lượng C cao nên khi cháy  cĩ nhiều khĩi đen

+ Phản ứng thế với Br 2 lỏng hoặc Cl 2 dưới xúc tác thích hợp



+ 3H 2

+ HBr (k) Br

0

t bột Fe

 

+ Br 2 (lỏng)

Lưu ý: Chất nào làm mất màu nước brom thì thường cũng làm mất màu dung dịch thuốc tím

C2H4 + [O] + H2O KMnO 4

C2H4(OH)2 Etilen glycol

Hoặc viết: 3C2H4 + 2KMnO4 + 4H2O  3C2H4(OH)2 + 2MnO2 + 2KOH

C2H2 + 4[O] KMnO 4

(COOH)2 Axit oxalic

Hoặc viết: 3CH + 8KMnO + 4HO  3(COOH) + 8MnO + 8KOH

3 Điều chế, tách các hidrocacbon

Để thực hiện điều chế và tách các hidrocacbon ta cần nắm phản ứng điều chế một số hidrocacbon quen thuộc CH 4 , C 2 H 4 , C 2 H 2 , benzen và ghi nhớ sơ đồ mối quan hệ giữa các hidrocacbon với các dẫn xuất quan trọng

3.1- Sơ đồ quan hệ giữa các loại hidrocacbon và các dẫn xuất quan trọng

(15)

(14)

(13) (12)

(11) (10)

(9)

(8)

(7) (6)

(5)

(4) (3)

(2)

(1)

+ AgNO 3 /NH 3 + dd HCl

+ dd Br 2 + Kiềm (rượu) + Zn (t0)

+ NaOH (t0) + dd Br 2

+ NaOH (t0) + Cl 2 (as)

(bac ankinua)

(tetrabrom ankan) (đbrom anken)

(ankin)

(rượu no, 2 chức) (đibrom ankan)

 C2H4

(2) C2H4 + H2 0

Ni t

 C2H6

(3) C2H6 + Cl2 as

 C2H5Cl + HCl (4) C2H5Cl + NaOH t0

  C2H5OH + NaCl (5) C2H4 + Br2  C2H4Br2

(6) CH2Br-CH2Br + Zn t0

  C2H4 + ZnBr2

(7) CH2Br-CH2Br + 2NaOH t0

  CH2(OH)-CH2OH + 2NaBr (8) C2H4Br2 + 2KOH rượuC2H2  + 2KBr + 2H2O

(13) C2Ag2 + 2HCl  C2H2  + 2AgCl 

(14) C2H4 + H2O H SO 2 4

t loãng

(15) C2H5OH H SO 2 4

180 C đặc

 C2H2  + ZnBr2 (4) Các đồng đẳng của axetilen (ankin) cũng cĩ thể điều chế theo phản ứng (3),(4)

no cĩ cùng chỉ số cacbon trong phân tử

CH2=CH2 + H2 0

Ni t

 Một số phản ứng điều chế etilen:

CHCH + H2 0 3

Pd / PbCO t

 CH2 = CH2 (1)

CH3-CH2OH H SO 2 4

180 C đặc

 C2H4 + HCl (tách HCl khỏi dẫn xuất halogen) (5)

Các đồng đẳng của etilen (anken) cĩ phương pháp điều chế tương tự như etilen

 Một số phản ứng khĩ cần lưu ý

CH2=CH2 + Cl2 500 C 0

 CH2=CH2Cl + HCl (cộng Cl2 vào anken)

CH2 = CH2 + [O] + H2O KMnO4 CH2OH – CH2OH (etilen glycol)

Hoặc viết: 3C2H4 + 2KMnO4 + 4H2O  3C2H4(OH)2 + 2MnO2 + 2KOH

RCOOH + CHCH xt RCOOCH=CH2 (cộng RCOOH vào ankin)

2CHCH nhị hợp

 CH2=CH-CCH +H2( xt:Pd /PbCO ) 3

 CH2=CH-CH=CH2 (butadien-1,3) CHCH + 4[O] KMnO4 HOOC-COOH (axit oxalic)

Hoặc viết: 3C2H2 + 8KMnO4 + 4H2O  3(COOH)2 + 8MnO2 + 8KOH

CH4 + O2 N O x y

600 C

 H-CHO + H2O RCl + 2Na + R’Cl t ,xt 0

 R-R’ + 2NaCl (phản ứng nối mạch cacbon)

B- MỘT SỐ BÀI TẬP ĐIỂN HÌNH VỀ HIDROCACBON

1/Dạng 1: Tìm CTPT viết CTCT của hidrocacbon

1.1: Kiến thức cần lưu ý:

a)Trong các bài tốn tìm CTPT theo phản ứng đốt cháy

* Biết số mol CO2 và số mol H2O  dự đốn được hidrocacbon bị cháy thuộc loại nào?

+) Nếu hỗn hợp cĩ anken A và một hidrocacbon khác B  B CO2 H O2

* Nếu biết số mol CO2, số mol H2O và số mol hỗn hợp đem đốt thì  chỉ số C trung bình và H trung bình

min < C <Cmax và Hmin < H < Hmax)

b)Trong các bài tốn tìm CTPT theo phản ứng cộng H 2 , Br 2

* Nếu biết số mol H2, Br2 vừa đủ tác dụng với hỗn hợp thì  số liên kết pi trung bình của hỗn hợp

n (Mmin<M <Mmax)



d) Biết độ chênh lệch PTK của 2 chất hữu cơ

* Chênh nhau 14n đvC là hơn nhau n nhĩm CH2 (với n là số nguyên dương)  các chất cĩ cùng CTTQ

Nếu đồng đẳng kế tiếp (liên tiếp) thì hơn nhau 14 đvC (tương ứng 1 nhĩm CH2)

* Chênh nhau 12 đvC là hơn nhau 1 nguyên tử C

* Chênh nhau 18 đvC là hơn nhau 1 phân tử nước (tương ứng với 2H, 1O)

e) Cách xác định lượng CO 2 , H 2 O qua một số dữ kiện tăng giảm khối lượng

KT

BCO

2 4 4

hút ẩm

H SO đặc, muối khan CuSO )

H O2 tăng m=m







CH3– CH2 – CH2 – CH2 – CH3 (có 3 dẫn xuất monoclo) (I)

CH3 – CH2 – CH(CH3) – CH3 (có 4 dẫn xuất monoclo) (II) Nhóm CH 3 trong ngoặc là nhánh

CH3–C(CH3)2–CH3 (có 1 dẫn xuất monoclo) (III)

c) Vì A + Cl2 (as) chỉ cho một dẫn xuất monoclo nên  CTCT phù hợp của A là (III)

Ví dụ 2: Đốt cháy hoàn toàn 4,4 gam hợp chất X chỉ gồm hai loại nguyên tố, ta chỉ thu đc 15,68 lít (đktc)

hỗn hợp khí gồm CO2 và hơi H2O Cho X tác dụng với clo thu được sản phẩm Y, trong đó clo chiếm 62,83% theo khối lượng Viết CTCT của X và Y

Ví dụ 3: Đốt cháy hoàn toàn 3,36 lít (đktc) hỗn hợp 2 anken A,B có phân tử khối hơn nhau 28 đvC Dẫn toàn

bộ lượng sản phẩm cháy lần lượt qua bình 1 đựng H2SO4 đặc dư và bình 2 đựng dung dịch NaOH dư thì thấy bình 1 tăng m(gam) và bình 2 tăng (m + 9,36) gam Xác định CTPT và CTCT của 2 anken

 0,15n(44 – 18) = 9,36  n= 2,4

 Hỗn hợp phải có 1 anken có chỉ số C < 2,4  CTPT của anken A là: C2H4

Anken B hơn anken A 28 đvC  hơn 2 nhóm CH2  CTPT của anken B: C4H8

(20%O2 ; 80% O2)

V lít KK (vừa đủ)

CxHy

CO0,03 mol A

Vậy công thức của CxHy là C3H8

Ví dụ 5: Đốt cháy hoàn toàn một hidrocacbon A mạch hở thu được lượng CO2 và hơi nước có tỷ lệ khối lượng tương ứng bằng 44: 9 Biết MA không quá 80 g/mol

a) Xác định CTPT có thể có của A

b) Khi cho A + dung dịch Br2 (đk thường) thu được một sản phẩm hữu cơ có hàm lượng cacbon chiếm 18,09% (theo khối lượng) Xác định CTPT tử đúng của A, viết CTCT của A biết 1mol A tác dụng tối đa với 2mol AgNO3/NH3

Ví dụ 6: Hỗn hợp X gồm 2 chất hiđrocacbon mạch hở, mỗi chất chỉ có 1 liên kết đôi (không có liên kết ba)

Biết rằng 9,1 gam X làm mất màu tối đa 200ml dung dịch Br2 1,25M; chất có phân tử khối nhỏ chiếm 65% đến 75% thể tích hỗn hợp X Xác định CTPT của mỗi chất trong X

Vậy CTPT của 2 hiđrocacbon là: C 2 H 4 ; C 4 H 8

Ví dụ 7: Đốt cháy hoàn toàn 0,1 mol chất hữu cơ D, sản phẩm thu được chỉ gồm 4,48 lít khí CO2(đktc) và 5,4 gam H2O Viết công thức cấu tạo có thể có của D Biết MD không quá 62 g/mol

Hướng dẫn:

nCO 0, 2(mol) n ; H O0,3(mol)nCO  D là hợp chất no

Ví dụ 8: Cho hỗn hợp X gồm anken và ankin Đốt cháy m(g) hỗn hợp rồi hấp thụ vào dung dịch Ca(OH)2

thu được 0,25 mol CaCO3 và dung dịch có khối lượn giảm 4,56 (gam) Khi thêm KOH vào thì được 5(gam) CaCO3 nữa Biết 0,05 mol hỗn hợp phản ứng vừa đủ với 0,08 mol H2 Tìm CTPT của 2 chất trong X

Hướng dẫn:

Số mol CO2 = số mol KT (lần 1) + 2nKT(lần 2) = 0,25 + 0,05.2 = 0,35 mol

Dung dịch giảm 4,56 gam  mKT(laàn 1) CO H O

Ví dụ 9: Hiđrocacbon A có công thức dạng CnH2n-2 (có tính chất tương tự axetilen) Cho 1,56 gam A tác dụng hết với 125 gam dung dịch Br2 7,68% đến khi kết thúc thì thu được 2 sản phẩm hữu cơ A1 và A2 Xác định CTPT của A

7n – 1 < 26 < 14n – 2  2 < n < 3,86

Vì n  z+ nên  n = 3 CTPT của hợp chất A là: C 3 H 4

Ví dụ 10: Hai hidrocacbon mạch hở A, B có chung CTĐG, khi đốt cháy A hoặc B đều cho số mol CO2 gấp đôi số mol H2O Tìm CTPT và viết CTCT của hợp chất A, B Biết rằng:

- Cho 0,01 mol A tác dụng với AgNO3/ NH3 (dư) thì thu được 2,4 gam kết tủa

- Cho 0,01 mol B tác dụng với AgNO3/ NH3 (dư) thì thu được 1,59 gam kết tủa

Hướng dẫn:

Từ số mol CO2 và H2O  CTPT CnHn

2CnHn + aAg2O 0

t3

dd NH

 2CnHn -a Aga  aH2O 0,01 0,01 (mol)

CnHn -a Aga có M = 13n + 107a

- Phân tử A tạo 2,4 gam kết tủa  13n + 107a = 2,4

240 0,01   n =

240 107a 13



Chỉ có a = 2 , n = 2 là thỏa mãn  A là C 2 H 2

Làm tương tự  B: C4H4 (vinyl axetylen)

CTCT của C2H2: CH≡CH

CTCT của C4H4: CH2 = CH – C≡CH

Ví dụ 11: Hỗn hợp khí A (ở điều kiện thường) gồm 3 hiđrocacbon X, Y, Z mạch hở (trong đó phân tử mỗi

chất chứa tối đa một liên kết đôi; có 2 chất cùng số mol) Đốt cháy hoàn toàn 448 ml hỗn hợp khí A (đktc),

dẫn toàn bộ sản phẩm vào bình đựng H2SO4 đặc, dư thấy bình tăng 0,756 gam Khí thoát ra được hấp thụ vào dung dịch Ca(OH)2 thì thu được 2,0 gam kết tủa; đun nóng phần nước lọc lại thu thêm 0,2 gam kết tủa (Biết các phản ứng xảy ra hoàn toàn) Xác định công thức phân tử của X,Y, Z

Phân tích: Không biết các hiđrocacbon thuộc loại nào, tuy nhiên do biết được số mol hỗn hợp A và số mol

CO 2 sinh ra nên có thể áp dụng phương pháp trung bình Đây là bài toán xuất hiện trong nhiều đề thi HSG

và chuyên của các tỉnh, thành phố Trong các hướng dẫn chấm đều biện luận tới 7 trường hợp vì không phát hiện được số mol CH 4 trong hỗn hợp là lớn nhất (dựa vào chỉ số C trung bình)

2CO2 + Ca(OH)2  Ca(HCO3)2

 nCO2 + (n+1)H2O Theo ptpư: A H O CO

 CO2 + 2H2O Theo ptpư: CH H O CO

n n n 0,018 (mol)

 n(Y Z) 0,020,0180,002 (mol)

Ta có: 0,0181 + 0,002n = 0,024  n = 3

Có 1 anken có C > 3 ; 1 anken có C < 3  CTPT của Y,Z là: C 2 H 4 ; C 4 H 8

*Trường hợp 3: Y no; Z có 1 liên kết đôi: CTTB của Y và Z là: C Hn m

Hướng dẫn:

Số mol KMnO4 phản ứng = 0,1V (mol)

Số mol MnO2 = 2,61/87 = 0,03 mol

3C Hn 2n + 2KMnO4 + 4H2O  3C Hn 2n(OH) + 2MnO2 2 + 2KOH

Nhận xét: Khi gặp bài này các em HS thường gặp rối ở chỗ cân bằng phản ứng Cách cân bằng theo hĩa trị như sau:

C Hn 2n cĩ điện hĩa trị của n nguyên tử cacbon = - 2n

C Hn 2n(OH) cĩ điện hĩa trị của n nguyên tử C là a  a + 2n – 2 = 0  a = -2n + 2 2

* Bài tốn cộng phối hợp H 2 và Br 2 vào hidrocacbon khơng no

 Sơ đồ bài tốn

0 xt:Ni( t C) au

MY

Y (

s một thời gian

Phản ứng chưa hoàn toàn (liên kết chưa đứt hết)

n X BTKL m = m

hợp chất no A( k-no)

dd Br dư)2bình tăng

m (gam)

Phản ứng hoàn toàn (liên kết đứt hết) BTKL mY= m + mZ

phản ứng) = n n

 Các bước giải BT cộng H2, Br2 vào hidrocacbon

 Bước 1: Viết các phương trình hĩa học cụ thể (hoặc tổng quát)

 Bước 2: Áp dụng bảo tồn khối lượng và phân tích hệ số trong tính tốn:

+) mX mY mZ m

+)

H2

n (phản ứng) = số mol khí giảm = nXnY

+) nH2(phản ứng) + nBr2(phản ứng) = nAk(số liên kết của A)

 Bước 3: Tính tốn tùy theo yêu cầu của đề bài

2.2- Ví dụ minh họa

Ví dụ 1: Hỗn hợp A gồm CH4 và C2H4 cĩ tỉ khối so với H2 là 10,4 Trộn A với 1 lượng khí H2 được hỗn hợp B Cho hỗn hợp B qua bột Ni nung nĩng thu được hỗn hợp D cĩ tỉ khối so với H2 là 10,6 Biết D khơng cịn chứa Hidro Viết các PTHH và % số mol C2H4 đã phản ứng

2 2

t (O ) Ni,t

1 2

Phân tích sơ đồ ta thấy:

* Chuyển từ X  Y, số mol khí giảm xuống bằng số mol H 2 phản ứng

2H2 + O2

0

t

 2H2O 0,05 0,05 (mol)

Ví dụ 3: Hỗn hợp khí A gồm C3H6, C4H10, C2H2, H2 Dẫn m (gam) hỗn hợp A đi qua bột Ni, nung nóng thu được hỗn

hợp khí B Đốt cháy hoàn toàn B cần vừa đủ V lít O2, dẫn toàn bộ sản phẩm cháy vào bình đựng dung dịch nước vôi trong, dư thì thấy khối lượng dung dịch giảm 21,45 gam so với dung dịch ban đầu Nếu dẫn B vào dung dịch B2 dư (dung môi trơ) thì thấy có 24 gam brom phản ứng Mặt khác: 11,2 lít A làm mất màu tối đa 800 ml dung dịch brom 0,5M (dung môi CCl4)

Biết các phản ứng xảy ra hoàn toàn, các thể tích khí đo ở điều kiện tiêu chuẩn

a) Viết các phương trình phản ứng xảy ra và tính m,V?

b) Tính tỷ khối của hỗn hợp khí B so với khí metan

0 0

 Định hướng giải:

* 2mol C 3 H 6   1mol C 2 H 2 + 1mol C 4 H 10  xem X chỉ có C 2 H 2 , C 4 H 10 , H 2

(số mol chất và số liên kết pi không đổi)

* Bảo toàn số mol liên kết pi  nC H2 2(TN ) 1 2nH 2nBr 2

* Lượng X ở 2 TN không thể so sánh được độ lệch phần nên cần hiểu rằng lượng X ở TN 1 chưa chắc bằng lượng ở

TN 2 (P 1 = kP 2 hoặc ngược lại)

Hướng dẫn:

a) 2mol C3H6  1mol C2H2 + 1mol C4H10

Quy đổi hỗn hợp A chỉ có: C2H2, C4H10, H2

Gọi x,y,z lần lượt là số mol C2H2, C4H10, H2 trong m (gam) A

 Thí nghiệm với m(gam) hỗn hợp A:

Phản ứng H2 hóa hoàn toàn, mà B tác dụng với nước Br2  H2 hết

Theo các phản ứng  nCaCO 3 nCO 2= 2x + 4y (mol)

Phương trình biểu diễn độ giảm khối lượng của dung dịch:

100(2x+4y) – 44(2x+4y) – 18(x + 5y + z) = 21,45

 94x + 134y – 18z = 21,45 (2)

 Thí nghiệm của 0,5 mol A:

Theo đề: 0,5 mol A tác dụng với 0,4 mol Br2

a) Tính khối lượng mỗi chất có trong hỗn hợp X

b) Đem toàn bộ lượng hỗn hợp khí Y nung nóng với xúc tác Ni thì xảy ra hai phản ứng:

C2H2 + H2 Ni,t0

  C2H4 (l)

C2H2 + 2H2 Ni,t 0

  C2H6 (2) Sau phản ứng thu được hỗn hợp khí Z gồm C2H6, C2H4, H2 dư và C2H2 dư, tỉ khối của hỗn hợp Z so với hidro bằng 8,8 Dẫn toàn bộ lượng hỗn hợp khí Z đi chậm qua bình đựng dung dịch brôm dư, sau khi các phản ứng xảy ra hoàn toàn thấy còn 3,36 lít hỗn hợp khí (đktc) thoát ra khỏi bình Tính thành phần phần trăm theo thể tích của mỗi khí trong

Áp dụng bảo tồn khối lượng  m z = m Y = 4,4(g)  n Z = 0,25 (mol)  H 2 phản ứng = 0,15(mol)  H 2 dư = 0,1

 C 2 H 6 = 0,05(mol) Bảo tồn mol C, H sẽ tìm được số mol mỗi chất C 2 H 4 và C 2 H 2 trong hỗn hợp Z

C2H4 + Br2  C2H4Br2 (5)

C2H2 + 2Br2  C2H2Br4 (6)

Ta cĩ: a + b = 0,25 – 0,15 = 0,1 (I)

Bảo tồn số mol H  4a + 2b = 0,42 – 0,12 – 0,056 = 0,3 (II)

Phần trăm thể tích mỗi khí trong Z:

Ví dụ 5: Hỗn hợp khí X gồm H2 và hyđrocacbon A (mạch hở, cĩ cơng thức phân tử CnH2n) được lấy theo tỉ lệ mol là

1:1 Đun nĩng X với bột Ni làm xúc tác để phản ứng xảy ra Sau một thời gian thu được hỗn hợp khí Y cĩ tỉ khối so với hiđro là 17,6 Tìm cơng thức phân tử, viết cơng thức cấu tạo của A, biết hiệu suất phản ứng đạt trên 50%

(Trích đề thi vào lớp 10 chuyên hĩa Phan Bội Châu (Nghệ An), năm học 2014-2015)

 Cĩ 3 nội dung khơng thể bỏ qua (mấu chốt của bài tốn):

*Bảo tồn khối lượng  mY mX

*Phân tích hệ số  n n n phản ứng)