Tóm tắt lý thuyết luyện thi đại học Chương 13 Hidrocacbon. Tóm tắt lý thuyết luyện thi đại học Chương 13 Hidrocacbon. Tóm tắt lý thuyết luyện thi đại học Chương 13 Hidrocacbon. Tóm tắt lý thuyết luyện thi đại học Chương 13 Hidrocacbon.
CHƯƠNG XIII HIDROCACBON I Hidro cacbon Hiđrocacbon hợp chất hữu mà phân tử chứa nguyên tử cacbon hiđro Dựa vào cấu tạo mạch cacbon chất liên kết nguyên tử cacbon, người ta thường phân ba loại lớn Hiđrocacbon no (bão hồ, phân tử có liên kết đơn - liên kết ) Hiđrocacbon không no (chưa bão hồ, phân tử ngồi liên kết đơn, cịn có liên kết đơi liên kết ba - nghĩa có liên kết ) Hiđrocacbon thơm (nhiều loại, xem phần aren) Mỗi loại hiđrocacbon có chung công thức tổng quát: Đối với hiđrocacbon no mạch hở, Ví dụ ta thấy số liên kết nguyên tử C số nguyên tử cacbon trừ Vì ngun tử C có 4e hố trị (C có hố trị IV) mà liên kết cần 2e hố trị, nên phân tử có n ngun tử C số e hố trị cịn để liên kết với H 4n (n 1) = 2n + Do công thức chung hiđrocacbon no mạch hở CnH2n+2 Đối với hiđrocacbon khơng no mạch hở có liên kết đơi (ví dụ anken), ngồi liên kết cịn cần 2e hoá trị để tạo thành liên kết nguyên tử C Do số e hoá trị cần để liên kết với H giảm đơn vị Do cơng thức anken CnH2n Nếu anken có a liên kết đơi cơng thức chung CnH2n+22a Đối với hiđrocacbon mạch hở có liên kết ba (ankin, ví dụ CH C CH) ngồi liên kết cịn liên kết dùng hết 4e hố trị Do số nguyên tử H liên kết giảm đơn vị (so với hiđrocacbon no) Công thức chung ankin C nH2n+24 = CnH2n2 Đối với hiđrocacbon vòng no: Khi tạo thành vòng dùng 2e hoá trị nên số e hoá trị để liên kết với H giảm nên số e hoá trị để liên kết với H giảm đơn vị (so với hiđrocacbon no mạch hở) Do đó, cơng thức hiđrocacbon vịng no (xicloankan) CnH2n (đồng phân anken) Vậy công thức chung hiđrocacbon là: CnH2n+22a n: Số nguyên tử C phân tử a: Số liên kết đôi (1 liên kết ba liên kết đơi), số vịng (1 vịng tương đương liên kết đơi, tức a = 1) Ví dụ: II Ankan Cơng thức chung CnH2n+2 với n Tên gọi chung ankan hay parafin Chất đơn giản metan CH4 Công thức - cấu tạo - cách gọi tên Cấu tạo Mạch C hở, phân nhánh không phân nhánh Trong phân tử có liên kết đơn (liên kết ) tạo thành từ obitan lai hoá sp nguyên tử C, định hướng kiểu tứ diện Do mạch C có dạng gấp khúc Các nguyên tử quay tương đối tự xung quanh liên kết đơn Hiện tượng đồng phân mạch C khác (có nhánh khác khơng có nhánh) Cách gọi tên Tên gọi gồm: Tên mạch C có an Phân tử có mạch nhánh chọn mạch C dài làm mạch chính, đánh số nguyên tử C từ phía gần mạch nhánh Ví dụ: Tính chất vật lý Nhiệt độ nóng chảy, nhiệt độ sơi tăng dần tăng số nguyên tử C phân tử chất đầu khí, chất có n từ 19 chất lỏng, n 20 chất rắn Đều không tan nước dễ tan dung mơi hữu Tính chất hố học Phản ứng đặc trưng phản ứng phản ứng huỷ 3.1 Phản ứng nhiệt phân Ví dụ nhiệt phân metan: 3.2 Phản ứng oxi hố a) Cháy hồn tồn: sản phẩm cháy CO2 H2O b) Oxi hoá khơng hồn tồn: 3.3 Phản ứng a) Thế clo brom: Xảy tác dụng askt nhiệt độ tạo thành hỗn hợp sản phẩm Iot khơng có phản ứng với ankan Flo phân huỷ ankan kèm theo nổ Những ankan có phân tử lớn tham gia phản ứng êm dịu ưu tiên nguyên tử H nguyên tử C cao Ví dụ: b) Thế với HNO3 (hơi HNO3 200oC 400oC) c) Phản ứng tách H2: 400 900oC, xúc tác Cr2O3 + Al2O3 4.4 Phản ứng crackinh (Sản phẩm hiđrocacbon no không no) Điều chế Điều chế metan a) Lấy từ nguồn thiên nhiên: khí thiên nhiên, khí hồ ao, khí dầu mỏ, khí chưng than đá b) Tổng hợp c) d) Điều chế ankan khác a) Lấy từ nguồn thiên nhiên: khí dầu mỏ, khí thiên nhiên, sản phẩm crackinh b) Tổng hợp từ dẫn xuất halogen: R - Cl + 2Na + Cl - R' R - R' + 2NaCl Ví dụ: c) Từ muối axit hữu Ứng dụng Dùng làm nhiên liệu (CH4 dùng đèn xì để hàn, cắt kim loại) Dùng làm dầu bôi trơn Dùng làm dung môi Để tổng hợp nhiều chất hữu khác: CH3Cl, CH2Cl2, CCl4, CF2Cl2,… Đặc biệt từ CH4 điều chế nhiều chất khác nhau: hỗn hợp CO + H2, amoniac, CH CH, rượu metylic, anđehit fomic III ANKEN Công thức chung : CnH2n với n Tên gọi chung anken hay olefin Chất đơn giản etilen CH2 = CH2 Công thức - cấu tạo - cách gọi tên 1.1 Cấu tạo Mạch C hở, phân nhánh không phân nhánh Trong phân tử có liên kết đơi: gồm liên kết liên kết Nguyên tử C liên kết đôi tham gia liên kết nhờ obitan lai hố sp 2, cịn liên kết nhờ obitan p khơng lai hố Đặc biệt phân tử CH2 = CH2 có cấu trúc phẳng Do có liên kết nên khoảng cách nguyên tử C = C ngắn lại hai nguyên tử C khơng thể quay quanh liên kết đơi quay liên kết bị phá vỡ Hiện tượng đồng phân do: Mạch cacbon khác nhau, vị trí nối đơi khác Nhiều anken có đồng phân cis - trans Ví dụ: Buten-2 Anken có đồng phân với xicloankan 1.2 Cách gọi tên Lấy tên ankan tương ứng thay đuôi an en Mạch mạch có nối đơi với số thứ tự C nối đơi nhỏ Ví dụ: Tính chất vật lý Theo chiều tăng n (trong công thức C nH2n), nhiệt độ sôi nhiệt độ nóng chảy tăng n = : chất khí n = 18 : chất lỏng n 19 : chất rắn Đều tan nước, tan số dung môi hữu (rượu, ete,…) Tính chất hố học Do liên kết liên kết đôi bền nên anken có phản ứng cộng đặc trưng, dễ bị oxi hố chỗ nối đơi, có phản ứng trùng hợp 3.1 Phản ứng oxi hoá a) Phản ứng cháy b) Phản ứng oxi hoá êm dịu: Tạo thành rượu lần rượu đứt mạch C chỗ nối đôi tạo thành anđehit axit 3.2 Phản ứng cộng hợp a) Cộng hợp H2: b) Cộng hợp halogen: Làm màu nước brom nhiệt độ thường (Theo dãy Cl2, Br2, I2 phản ứng khó dần.) c) Cộng hợp hiđrohalogenua (Theo dãy HCl, HBr, HI phản ứng dễ dần) Đối với anken khác, nguyên tử halogen (trong HX) mang điện âm, ưu tiên đính vào nguyên tử C bậc cao (theo quy tắc Maccơpnhicơp) d) Cộng hợp H2O (đun nóng, có axit lỗng xúc tác) Cũng tn theo quy tắc Maccơpnhicơp: Nhóm - OH đính vào C bậc cao 3.3 Phản ứng trùng hợp: Có xúc tác, áp suất cao, đun nóng Điều chế 4.1 Điều chế etilen Tách nước khỏi rượu etylic Tách H2 khỏi etan: Nhiệt phân propan Cộng hợp H2 vào axetilen 4.2 Điều chế anken Thu từ nguồn khí chế biến dầu mỏ Tách H2 khỏi ankan: Tách nước khỏi rượu Tách HX khỏi dẫn xuất halogen: Tách X2 từ dẫn xuất đihalogen: (Phản ứng dd rượu với bột kẽm xúc tác) Ứng dụng Dùng để sản xuất rượu, dẫn xuất halogen chất khác Để trùng hợp polime: polietilen, poliprpilen Etilen dùng làm mau chín IV ANKIN Cơng thức chung CnH2n2 (n 2) Chất đơn giản axetilen CH CH Công thức - cấu tạo - cách gọi tên 1.1 Cấu tạo Trong phân tử có liên kết ba (gồm liên kết liên kết ) Đặc biệt phân tử axetilen có cấu hình đường thẳng ( H C C H : nguyên tử nằm đường thẳng) Trong phân tử có liên kết làm độ dài liên kết C C giảm so với liên kết C = C C C Các nguyên tử C quay tự quanh liên kết ba 2.2 Đồng phân Hiện tượng đồng phân mạch C khác vị trí nối ba khác Ngồi cịn đồng phân với ankađien hiđrocacbon vòng 3.3 Cách gọi tên Tương tự anken có in Ví dụ: Tính chất vật lý Khi n tăng, nhiệt độ sôi nhiệt độ nóng chảy tăng dần n = : chất khí n = 16 : chất lỏng n 17 : chất rắn Đều tan nước, tan số dung mơi hữu Ví dụ axetilen tan nhiều axeton Tính chất hố học 3.1 Phản ứng oxi hoá ankin a) Phản ứng cháy Phản ứng toả nhiệt b) Oxi hố khơng hồn tồn (làm màu dd KMnO4) tạo thành nhiều sản phẩm khác Ví dụ: Khi oxi hố ankin dd KMnO mơi trường H2SO4, gây đứt mạch C chỗ nối ba để tạo thành anđehit axit 3.2 Phản ứng cộng: Có thể xảy theo nấc a) Cộng H2 (to, xúc tác): b) Cộng halogen (làm màu nước brom) c) Cộng hiđrohalogenua (ở 120oC 180oC với HgCl2 xúc tác) axit (HCl, HCN, CH3COOH,…) Vinyl clorua dùng để trùng hợp thành nhựa P.V.C: Phản ứng cộng HX xảy đến cùng: Đối với đồng đẳng axetilen, phản ứng cộng tn theo quy tắc Maccơpnhicơp Ví dụ: d) Cộng H2O: Cũng tuân theo quy tắc Maccôpnhicôp: 3.3 Phản ứng trùng hợp 4.4 Phản ứng thế: Chỉ xảy axetilen ankin khác có nối ba cacbon đầu mạnh R C CH: Khi cho sản phẩm tác dụng với axit lại giải phóng ankin: Điều chế 5.1 Điều chế axetilen a) Tổng hợp trực tiếp b) Từ metan c) Thuỷ phân canxi cacbua d) Tách hiđro etan 5.2 Điều chế ankin a) Tách hiđrohalogenua khỏi dẫn xuất đihalogen b) Phản ứng axetilenua với dẫn xuất halogen Ứng dụng ankin Chỉ có axetilen có nhiều ứng dụng quan trọng Để thắp sáng (khí đất đèn) Dùng đèn xì để hàn, cắt kim loại Dùng để tổng hợp nhiều chất hữu khác nhau: anđehit axetic, cao su tổng hợp (policlopren), chất dẻo dung môi,… V ANKA ĐIEN (hay điolefin) Công thức chung : CnH2n2 (n 3) Cấu tạo Có liên kết đơi phân tử Các nối đơi có thể: Ở vị trí liền nhau: C = C = C Ở vị trí cách biệt: C = C C C = C Hệ liên hợp: C = C C = C Quan trọng ankađien thuộc hệ liên hợp Ta xét chất tiêu biểu là: Butađien : CH2 = CH CH = CH2 2.Tính chất vật lý Butađien chất khí, isopren chất lỏng (nhiệt độ sơi = 34 oC) Cả chất không tan nước, tan số dung môi hữu như: rượu, ete Tính chất hố học Quan trọng phản ứng sau: 3.1 Phản ứng cộng a) Cộng halogen làm màu nước brom Đủ brom, nối đơi bị bão hồ b) Cộng H2 c) Cộng hiđrohalogenua 3.2 Phản ứng trùng hợp Điều chế 4.1 Tách hiđro khỏi hiđrocacbon no Phản ứng xảy 600oC, xúc tác Cr2O3 + Al2O3, áp suất thấp 4.2 Điều chế từ rượu etylic axetilen VI HIDROCACBON THƠM (Aren) Các hiđrocacbon thơm quen thuộc benzen (C 6H6), toluen (C6H5 CH3), etylbenzen (C6H5 C2H5) đồng đẳng có cơng thức chung CnH2n-6 với n Ngồi ra, có aren mạch nhánh không no stiren C 6H5 CH = CH2, phenylaxetilen C6H5 C CH,…hoặc có nhiều nhân benzen naphtalen, antraxen Hiđrocacbon thơm điển hình benzen Benzen C6H6 1.1 Cấu tạo - đồng phân - tên gọi a) Cấu tạo Phân tử benzen có cấu tạo vịng cạnh Mỗi ngun tử C phân tử benzen tham gia liên kết với 2C bên cạnh H nhờ obitan lai hoá sp nên tất nguyên tử C H nằm mặt phẳng Còn mối liên kết thứ (liên kết ) tạo nên nhờ obitan 2p có trục vng góc với mặt phẳng phân tử Khoảng cách nguyên tử C phân tử nên mây electron p nguyên tử C xen phủ với mây electron 2p nguyên tử C bên cạnh, phân tử benzen khơng hình thành liên kết riêng biệt mà hệ liên kết thống gọi hệ liên hợp thơm, định tính chất thơm đặc trưng nhân benzen; vừa thể tính chất no, vừa thể tính chất chưa no Vì CTCT benzen thường biểu diễn cách sau: Gốc hiđrocacbon thơm Khi tách bớt 1H khỏi phân tử benzen ta gốc phenyl C6H5 Khi tách bớt 1H khỏi nguyên tử C nhân benzen phân tử hiđrocacbon thơm ta gốc aryl Nếu tách 2H gốc phenylen arylen b) Đồng phân Vì liên kết C C nhân benzen đồng nên benzen có đồng phân vị trí Nếu hai nhóm hai C lân cận ta có đồng phân ortho (viết tắt o) đánh số 1, Nếu hai nhóm cách nguyên tử C (một đỉnh lục giác gọi đồng phân meta (viết tắt m) 1, Nếu hai nhóm hai nguyên tử C đối đỉnh gọi đồng phân para (viết tắt p) 1, Ví dụ: Các đồng phân điclobenzen C6H4Cl2 1.2 Tính chất vật lý Benzen chất lỏng khơng màu, linh động, có mùi đặc trưng, nhiệt độ sôi = 80oC Benzen nhẹ nước, không tan nước, tan nhiều dung môi hữu rượu, ete, axeton Benzen dung mơi tốt để hồ tan nhiều chất Cl2, Br2, I2, S, P,…chất béo, cao su Những chất đơn giản dãy đồng đẳng benzen chất lỏng, đồng đẳng cao chất rắn Benzen dùng làm nguyên liệu đầu để điều chế thuốc nhuộm, thuốc chữa bệnh, sợi tổng hợp, chất dẻo, phenol, nitrobenzen, anilin Benzen dung mơi hữu tốt 1.3 Tính chất hố học benzen Benzen vừa tham gia phản ứng vừa tham gia phản ứng cộng, phản ứng đặc trưng hơn, chứng tỏ nhân benzen bền Đặc điểm benzen gọi chung tính thơm a) Phản ứng thế: Dễ dàng hiđrocacbon no mạch hở Với halogen nguyên chất (Cl2, Br2) phản ứng xảy nhiệt độ thường có vỏ bào sắt xúc tác: (brombenzen) Chú ý: Bình thường benzen khơng làm màu nước brom Phản ứng nitro hoá: Với HNO3 bốc khói, có mặt H2SO4 đặc, đun nóng nhẹ Phản ứng với H2SO4 đặc Phản ứng với dẫn xuất halogen b) Phản ứng cộng: Khó xảy hiđrocacbon chưa no, mạch hở Cộng hợp hiđro Cộng hợp clo brom 1.4 Tính chất hố học đồng đẳng benzen a) Phản ứng Thế nhân benzen Phản ứng nhân benzen đồng đẳng phụ thuộc vào ảnh hưởng nhóm có sẵn nhân benzen Người ta chia thành loại + Nhóm nhóm đẩy electron: Khi nhân benzen có nhóm đẩy electron NH2, NR, OH, OCH3, gốc ankyl R, … (+C, +H) làm mật độ electron vị trí ortho para tăng, phản ứng xảy dễ (định hướng vào vị trí o, p) Ví dụ phân tử toluen C6H5 CH3 + Nhóm nhóm hút electron Khi nhân benzen có nhóm hút electron NO2, COOH, CHO… ( C) làm giảm mật độ electron vị trí meta (định hướng vào vị trí m) Ví dụ phân tử C6H5 NO2 Sau phản ứng Br2 ứng với trường hợp SO3H, có trội Thế gốc ankyl: Với halogen xảy chiếu sáng khơng có xúc tác b) Phản ứng oxi hoá: Các chất oxi hoá mạnh (như KMnO4) oxi hố ngun tử C mạch nhánh đính trực tiếp với nhân benzen: 1.5 Điều chế a) Điều chế benzen Chưng cất nhựa than đá Từ axetilen: Từ xiclohexan Từ n - hexan b) Điều chế hiđrocacbon thơm khác Giới thiệu số hiđrocacbon thơm a) Tuloen C6H5 CH3: chất lỏng (nhiệt độ sơi = 111 oC), có mùi giống benzen, không tan nước, tan số dung môi hữu b) Etylbenzen C6H5 CH2 CH3 chất lỏng khơng màu, có mùi giống benzen (nhiệt độ sơi = 136oC), tan nước Ngồi tính chất hiđrocacbon thơm cịn có phản ứng tách H2: c) Stiren C6H5 CH = CH2 chất lỏng (nhiệt độ sơi = 145oC) Ít tan nước, tan nhiều rượu, ete, xeton Dễ tham gia phản ứng cộng nối đôi mạch nhánh Phản ứng trùng hợp xảy dễ dàng có mặt chất xúc tác: Polistiren chất rắn suốt, dễ gia công nhiệt, dùng làm vật liệu điện, dụng cụ gia đình Stiren đồng trùng hợp với butađien tạo thành cao su butađien stiren d) Xilen C6H4(CH)3 : có dạng e) Hiđrocacbon thơm có nhiều vịng benzen Điphenyl C6H5 C6H5 : chất rắn, tan rượu, ete Naphtalen C1OH8: Chất rắn Antraxen C14H10 ... metan a) Lấy từ nguồn thi? ?n nhiên: khí thi? ?n nhiên, khí hồ ao, khí dầu mỏ, khí chưng than đá b) Tổng hợp c) d) Điều chế ankan khác a) Lấy từ nguồn thi? ?n nhiên: khí dầu mỏ, khí thi? ?n nhiên, sản phẩm... ortho (viết tắt o) đánh số 1, Nếu hai nhóm cách nguyên tử C (một đỉnh lục giác gọi đồng phân meta (viết tắt m) 1, Nếu hai nhóm hai nguyên tử C đối đỉnh gọi đồng phân para (viết tắt p) 1,... CH CH = CH2 2.Tính chất vật lý Butađien chất khí, isopren chất lỏng (nhiệt độ sôi = 34 oC) Cả chất không tan nước, tan số dung mơi hữu như: rượu, ete Tính chất hố học Quan trọng phản ứng sau: