2.3.1.1. Bài tập Hóa học hữu cơ lớp 11
Chương hidrocacbon
Câu 1: Một thành phố đang thu hồi metan từ việc phân hủy rác thải để tạo ra “năng lượng xanh”. Những thành phố lớn có thể sản xuất năng lượng từ metan đủ cung cấp cho 25000 hộ dân. Để làm được điều này mỗi ngày thành phố cần lượng điện năng là 1,08 x 109 kJ. Metan cháy theo phương trình:
CH4(k) + 2O2 → CO2(k) + 2H2O(k) ∆H = -890,3 kJ
Nếu 80% lượng nhiệt sinh ra được chuyển hóa thành điện năng thì cần thu hồi bao nhiêu kg metan mỗi ngày để tạo ra được lượng điện năng 1,08 x 109
kJ ?
Hướng dẫn:
Lượng nhiệt cần được sinh ra: 1,08 x 109 : 0,8 = 1,35 x 109 kJ. Khối lượng metan cần: (1,35 x 109
: 890,3) x 16 : 1000 = 24261,48 kg.
Câu 2: Nguyên nhân gây ra các vụ nổ trong các hầm mỏ, than đá là gì? Biện pháp ngăn ngừa các vụ cháy nổ này?
Hình 2.1. Hầm mỏ dễ xảy ra các vụ nổ. Hướng dẫn:
41
Metan (thành phần chính của khí thiên nhiên) có nhiều trong các mỏ than đá. Một thể tích metan hợp với hai thể tích oxi tạo thành hỗn hợp nổ khi đun nóng hoặc có tia lửa.
to
CH4 + 2O2 CO2 + 2 H2O
Đây là nguyên nhân chính gây ra các vụ nổ.
Biện pháp ngăn ngừa các vụ cháy nổ hầm mỏ có thể sử dụng cách sau: - Quạt không khí vào hầm mỏ than, làm cho không khí luôn lưu thông, giảm nồng độ metan, đồng thời làm cho tỉ lệ giữa metan và oxi (hoặc không khí) trong mỏ khác với tỉ lệ của hỗn hợp khí gây nổ.
- Hạn chế tối đa những hiện tượng làm phát lửa (hoặc sinh nhiệt) bằng cách sử dụng đèn đevyl hoặc pin đèn, ăcquy để thắp sáng thay cho đèn đất (đèn axetilen) hoặc đèn dầu thông thường.
Câu 3: Các chất freon (chẳng hạn CF2Cl2) gây ra hiện tượng “suy giảm tầng ozon” theo cơ chế sau:
CF2Cl2 →hv
·CF2Cl + Cl· (1) O3 + Cl· → O2 + ClO· (2) O3 + ClO· → O2 + Cl· (3)
a) Giải thích tại sao một phân tử CF2Cl2 có thể phân huỷ hàng chục ngàn phân tử ozon.
b) Trong khí quyển có một lượng nhỏ khí metan. Hiện tượng gì xảy ra đồng thời với hiện tượng “suy giảm tầng ozon”? Hiện tượng đó có ảnh hưởng gì tới hiện tượng “suy giảm tầng ozon”? Giải thích.
Hướng dẫn
a) Phản ứng phân huỷ ozon là phản ứng dây chuyền theo cơ chế gốc. Nguyên tử Cl sinh ra ở (3) lại tiếp tục tham gia ở (2), quá trình đó lặp đi lặp lại hàng chục ngàn lần. Do đó mỗi phân tử CF2Cl2 có thể phân huỷ hàng chục ngàn phân tử O3.
42
b) Đồng thời với hiện tượng “suy giảm tầng ozon” là hiện tượng “mưa axit” do:
CH4 (trong khí quyển) + Cl· → HCl + ·CH3 Hiện tượng này góp phần làm giảm bớt sự phân huỷ ozon.
Câu 4: Vì sao có khí metan thoát ra từ ruộng lúa hoặc các ao hồ? Người ta lợi dụng hiện tượng này để làm gì?
Hướng dẫn:
Trong ruộng lúa, ao hồ thường chứa các vật thể hữu cơ. Khi các vật thể này thối rữa (hay quá trình phân hủy các vật thể hữu cơ) sinh ra khí metan. Người ta ước chừng 1/7 lượng khí metan thoát vào khí quyển hàng năm là từ các hoạt động cày cấy.
Lợi dụng hiện tượng này người ta đã làm các hầm biogas trong chăn nuôi heo tạo khí metan để sử dụng đun nấu hay chạy máy. Biogas góp phần tạo ra nguồn nguyên liệu thay thế các loại nguyên liệu truyền thống ở nông thôn như củi, than. Tận dụng triệt để các nguồn sinh ra CH4, hạn chế sự ảnh hưởng của CH4 đến hiệu ứng nhà kính. Điều quan trọng là với kết cấu khép kín và sử dụng triệt để nguồn chất thải trong chăn nuôi, sinh hoạt, công trình biogas đã góp phần giải quyết vấn đề bức xúc ở nông thôn là ô nhiễm môi trường.
Hình 2.2. Nông dân đang xây dựng hầm biogas.
Câu 5: Dùng xăng pha chì gây ảnh hưởng tới môi trường như thế nào?
43
Xăng pha chì có nghĩa là trong xăng có pha thêm một ít tetraetyl chì
Pb(C2H5)4, có tác dụng làm tăng khả năng chịu nén của nhiên liệu dẫn đến tiết kiệm khoảng 30% lượng xăng sử dụng. Nhưng khi cháy trong động cơ thì chì oxit sinh ra sẽ bám vào các ống xả, thành xilanh, nên thực tế còn trộn vào xăng chất 1,2 - đibrometan CH2Br – CH2Br để chì oxit chuyển thành muối PbBr2 dễ bay hơi thoát ra khỏi xilanh, ống xả và thải vào không khí gây ô nhiễm môi trường và ảnh hưởng nghiêm trọng tới sức khỏe con người.
Áp dụng: Hiện nay nhà nước ta nghiêm cấm các doanh nghiệp kinh doanh xăng dầu sử dụng xăng pha chì. Đối với vấn đề này, giáo viên có thể đặt câu hỏi cho học sinh thảo luận rồi giải thích cho học sinh biết được tác hại của việc pha chế chì vào xăng, nhằm nâng cao ý thức bảo vệ môi trường.
Câu 6: Khi điều chế C2H4 từ C2H5OH và H2SO4 đặc trong phòng thí nghiệm có thể lẫn các khí nào gây ô nhiễm không khí. Làm thế nào để thu được C2H4 tinh khiết mà không gây ô nhiễm môi trường?
Hướng dẫn
Khi điều chế C2H4 từ C2H5OH và H2SO4 đặc trong phòng thí nghiệm có thể lẫn các khí SO2, CO2 sinh ra từ phản ứng phụ giữa C2H5OH và H2SO4. Dẫn khí thu được qua bình đựng bazơ mạnh như dung dịch nước vôi trong, xút...SO2 và CO2 sẽ bị giữ lại trong dung dịch dưới dạng muối tan, ta thu lấy C2H4 tinh khiết.
Câu 7: Vì sao đốt xăng, cồn thì cháy hết sạch, còn khi đốt gỗ, than đá lại còn tro bay vào không khí gây bụi bẩn ô nhiễm bầu không khí?
Hướng dẫn:
Bởi vì so với gỗ và than đá thì xăng và cồn là những hợp chất hữu cơ có độ thuần khiết cao. Khi đốt xăng và cồn chúng sẽ cháy hoàn toàn tạo thành CO2 và hơi H2O, tất cả chúng đều bay vào không khí. Xăng tuy là hỗn hợp nhiều hiđrocacbon, nhưng chúng là những chất dễ cháy. Vì vậy cho dù ở trạng thái hỗn hợp nhưng khi đốt đều cháy hết.
44
Với than đá và gỗ thì lại khác. Cả hai vật liệu đều có những thành phần rất phức tạp. Những thành phần của chúng như xenlulozơ, bán xenlulozơ, gỗ, nhựa là những hợp chất hữu cơ dễ cháy và có thể “cháy hết”. Nhưng gỗ thường dùng còn có các khoáng vật. Những khoáng vật này đều không cháy được. Vì vậy sau khi đốt cháy gỗ sẽ còn lại và tạo thành tro.Than đá cũng vậy, trong thành phần than đá ngoài cacbon và các hợp chất hữu cơ phức tạp còn có các khoáng là các muối silicat nên so với gỗ khi đốt cháy than còn cho nhiều tro hơn. Tro bụi bay vào không khí làm ô nhiễm nghiêm trọng bầu không khí.
Câu 8: Vì sao các tàu chở dầu khi bị tai nạn thường gây thảm hoạ cho một vùng biển rất rộng?
Hình 2.3. Dầu loang trên biển vịnh Mexico.
Hướng dẫn
Các tàu chở dầu khi bị tai nạn thường gây ra thảm hoạ cho một vùng biển rất rộng vì dầu mỏ là hỗn hợp của các hiđrocacbon không tan trong nước, nhẹ hơn nước. Nó loang ra thành từng mảng trên một vùng rộng lớn, thấm qua da và màng tế bào của sinh vật sống trên biển, gây huỷ hoại môi trường biển ảnh hưởng đến môi trường sinh thái biển.
Câu 9. Một loại khí thiên nhiên chứa 82% metan, 7% etan, 1,8% propan, 0,9% butan, 8,2% nitơ và 0,1% cacbon đioxit về thể tích.
a. Tính thể tích không khí cần để đốt cháy hoàn toàn 1m3 khí thiên nhiên. Biết rằng thể tích oxi chiếm 1/5 thể tích không khí, thể tích các khí đo ở đktc.
45
b. Tính thể tích tối thiểu dung dịch NaOH 8% (D = 1,1 g/ml) để hấp thụ hết khí CO2 khi đốt cháy 1m3 (đo ở đktc) khí thiên nhiên nêu trên.
Hướng dẫn
a. 1m3 khí thiên nhiên chứa: 0,82m3 CH4, 0,07m3 C2H6; 0,018m3 C3H8; 0,009m3 C4H10; 0,082 m3 N2 và 0,001 m3 CO2. CH4 + 2O2 →t0 CO2 + 2H2O (1) (m3) 0,82 1,64 0,82 C2H6 + 3,5O2 →t0 2CO2 + 3H2O (2) (m3) 0,07 0,245 0,14 C3H8 + 5O2 →t0 3CO2 + 4H2O (3) (m3) 0,018 0,09 0,054 C4H10 + 6,5O2 →t0 4CO2 + 5H2O (4) (m3) 0,009 0,0585 0,036 Theo (1 → 4) thể tích oxi cần: 2,0335 (m3). Thể tích không khí cần: 2,0335 . 5 = 10,1675 (m3). b. Thể tích CO2 sinh ra và thể tích CO2 có sẵn trong khí: 1,15 (m3 ) hay 1150 (lit). Số mol CO2 là: 1150/22,4 mol. NaOH + CO2 → NaHCO3 (5) Khối lượng NaOH cần: (1150/22,4).40 =2053,6 g .
Thể tích dung dịch NaOH cần: (2053,6 .100)/ (8.1,1)= 23336 ml hay 23,336 (lit).
Câu 10. Tại sao ngày nay người ta thường dùng etilen thay cho axetilen trong công nghiệp tổng hợp hữu cơ? Giải thích.
Hướng dẫn
- Etilen là nguyên liệu rẻ hơn, tiện lợi hơn nhiều so với axetilen (etilen thu được từ quá trình khai thác và chế biến dầu mỏ).
- Phương pháp điều chế các monome để tổng hợp các polime đi từ etilen kinh tế hơn và ít ảnh hưởng đến môi trường.
Ví dụ: Sơ đồ điều chế vinyl clorua từ etilen dưới đây có chất thải ra môi trường chỉ là nước.
46
Câu 11. Trước đây phần lớn axetilen được sản xuất từ đất đèn. Phương pháp này có nhược điểm gì? Tại sao không nên xây dựng các lò sản xuất đất đèn ở khu vực đông dân? Ngày nay axetilen được sản xuất bằng cách nào?
Hướng dẫn
Muốn điều chế đất đèn từ C và CaO, người ta phải tốn rất nhiều năng lượng điện, vì phản ứng xảy ra ở nhiệt độ rất cao 25000C trong lò điện, với các điện cực lớn bằng than chì, còn có nhiều tạp chất gây độc hại môi trường như SO2, PH3... 0 2500 C 2 CaO 3C+ →CaC +CO
Không nên xây dựng các lò sản xuất đất đèn ở khu vực đông dân vì quá trình sinh ra khí CO là một khí rất độc.
Hiện nay trên quy mô công nghiệp người ta ít sản xuất axetilen từ đất đèn mà chủ yếu đi từ khí metan.
1500oC
2CH4 → C2H2 + 3H2
Câu 12: Vì sao ném đất đèn xuống ao làm cá chết ?
Hướng dẫn:
Đất đèn có thành phần chính là canxi cacbua CaC2, khi tác dụng với nước sinh ra khí axetilen và canxi hiđroxit:
CaC2 + 2H2O → C2H2 + Ca(OH)2
Axetilen có thể tác dụng với nước tạo ra anđehit axetic, chính chất này làm tổn thương đến hoạt động hô hấp của cá vì vậy có thể làm cá chết.
Ngoài ra cá chết là do trong đất đèn có tạp chất là hợp chất của P, S. Khi gặp nước thuỷ phân ra PH3, H2S chất độc và có mùi khó chịu. Vì vậy dùng đất đèn điều chế C2H2 có mùi hôi.
Câu 13.
a. MTBE là gì? Ứng dụng của MTBE là gì?
CH2=CH2 ClCH2–CH2Cl CH2=CHCl Cl2
HCl Cl2
47
b. Nêu các phương pháp sản xuất MTBE từ hidrocacbon trên quy mô công nghiệp. So sánh ưu nhược điểm của các phương pháp. Phương pháp nào có hiệu quả kinh tế nhất?
Hướng dẫn
a.MTBE là tên viết tắt của metyl tert- butylete có công thức là CH3OC(CH3)3. Người ta sử dụng MTBE để pha vào xăng thay cho (C2H5)2Pb để tăng chất lượng xăng và tránh ô nhiễm chì. b. Phương pháp sản xuất: CH4 + H2O →t0 CO + 3 H2 CO + 2H2 →xt,p,t0 CH3OH (CH3)2C=CH2 + H2O →axit (CH3)3COH * Phương pháp A: CH3OH + (CH3)3COH →axit,t0
CH3OC(CH3)3
Cần dùng CH3OH dư nhiều lần (làm dung môi) để ưu tiên tạo ra MTBE tránh tạo thành ete đối xứng. Chưng cất tách được ete ra khỏi hỗn hợp sau phản ứng.
* Phương pháp B: CH3OH + (CH3)2C= CH2 →axit,t0
CH3OC(CH3)3
Cần dùng CH3OH làm dung môi tạo điều kiện dễ dàng cho sự hình thành cation tert- butyl. Tách sản phẩm bằng chưng cất phân đoạn.
Phương pháp A đi từ 2 ancol và cần nhiệt độ cao hơn để tách nước. Phương pháp B đi từ 1 ancol (không cần điều chế (CH3)3C- OH) thực hiện ở nhiệt độ thấp hơn vì thế sẽ kinh tế hơn.
Câu 14. Một loại xăng có khối lượng riêng là 0,75g/ml. Để đơn giản, người ta xem loại xăng này là một hỗn hợp các đồng phân của octan. Khi sử dụng cho động cơ đốt trong, người ta pha thêm chì tetraetyl Pb(C2H5)4 (d = 1,6g/ml) vào xăng theo tỉ lệ 0,6ml/1 lít. Một động cơ đốt trong đã đốt cháy hoàn toàn 1 lít loại xăng trên. Tính:
a) Khối lượng cacbon đioxit sinh ra.
48
Hướng dẫn
a) Khối lượng 1 lít xăng : 1000 . 0,75 = 750 (g).
Số mol octan trong 1 lít xăng : 750 : 114 = 6,579 (mol).
t0
C8H18 + 12,5O2 → 8CO2 + 9H2O. Khối lượng CO2 : 8 . 6,579 . 44 = 2315, 808 (g). b) Khối lượng 0,6ml Pb(C2H5)4 : 0,6 . 1,6 = 0,96 (g).
Khối lượng Pb sinh ra: (0,96 . 207): 323= 0,615 (g).
Câu 15: Để đơn giản, người ta xem một loại xăng là hỗn hợp các đồng phân của hexan. Đốt cháy hết 1 lít xăng (D= 0,8g/ml) với hiệu suất 65% thì thải vào không khí lượng CO2 có thể tích ( đktc) là bao nhiêu ?
Hướng dẫn:
mxăng = 0,8. 1000= 800g.
PT: C6H14 + 9,5O2 → 6CO2 + 7H2O. H= 100% 86g → 6.22,4 lít.
H= 65% 800g → (800.6.22,4.0,65): 86= 812,65 (lít).
Câu 16. Một loại xăng có chứa 4 ankan với thành phần số mol như sau: heptan (10%), octan (50%), nonan (30%) và đecan (10%).
a) Khi dùng loại xăng này để chạy động cơ ôtô và môtô cần trộn lẫn hơi xăng và không khí theo tỉ lệ thể tích như thế nào để phản ứng cháy xảy ra vừa hết.
b) Một xe máy chạy 100 km tiêu thụ hết 1,5 kg xăng nói trên. Tính xem khi chạy 100 km, chiếc xe máy đó đã tiêu thụ bao nhiêu lít oxi của không khí, thải ra bao nhiêu lít khí CO2, thải ra khí quyển một lượng nhiệt bằng bao nhiêu?
Giả thiết năng lượng giải phóng khi đốt cháy nhiên liệu có 80% chuyển thành cơ năng, còn lại chuyển thành nhiệt toả ra môi trường. Thể tích khí đo ở 27,30C; 1 atm.
49
a) 1 mol xăng có: 0,1 mol C7H16; 0,5 mol C8H18; 0,3 mol C9H20; 0,1 mol C10H22.
Đặt công thức phân tử trung bình của xăng là C Hn 2n+2.
( )
n 0,1 7 0,5 8 0,3 9 0,1 10 8,4 M 14n 2 119,6 g / mol
= × + × + × + × =
= + = .
Phản ứng cháy (nổ) của hơi xăng:
( ) 2 2 2 n 2n 2 3n 1 C H O nCO n 1 H O 2 + + + → + + .
Thể tích O2 cần để đốt cháy 1 lít hơi xăng là:
3n 1 3 8,4 1 13,1 2 2 + = × + = (lít). Thể tích không khí: 5 × 13,1 = 65,5. Tỉ lệ thể tích: etx¨ng kk V 1 V = 65,5.
b) Số mol xăng trong 1500 g xăng: 1500 12,542 mol( )
119,6 = . ( ) 2 2 2 n 2n 2 3n 1 C H O nCO n 1 H O 2 + + + → + +
Để đốt cháy 1 mol xăng cần số mol O2 là: 3 8,4 1 13,1 mol( )
2
× + =
.
Số mol CO2 tạo thành khi đốt cháy 1 mol xăng là 8,4 mol. Khi đốt cháy 1,5 kg xăng cần số mol O2 tiêu thụ là:
12,542 × 13,1 = 164,3 (mol)
Thể tích O2 tiêu thụ tại T = 27,3 + 273 = 300,3K và 1atm là: 2 2 O O n R T 164,3 0,08205 300,3 V 4048,3 p 1 × × × × = = = .
50 Thể tích CO2 thải ra: 2 CO 105,35 0,08205 300,3 V 2595,78 1 × × = = (lít).
Nhiệt tạo thành khi đốt cháy 1,5 kg xăng: 12,542 × 5337,8 = 66946,69 kJ.
Lượng nhiệt thải ra khí quyển:
0,2 × 66946,69 = 13389,34 kJ.
Câu 17. Chất lượng xăng của động cơ đốt trong được xác định bởi tốc độ cháy của hỗn hợp hơi xăng và không khí. Chất lượng xăng được đánh giá qua “chỉ số octan”. Xăng có chất lượng “tiêu chuẩn” khi chỉ số octan bằng 100, nghĩa là xăng tiêu chuẩn được giả thiết là có thành phần chỉ gồm hoàn toàn chất 2,2,4-