1,01^365 = 37,8 (Mỗi nỗ lực, dù là nhỏ nhất, đều có Ý nghĩa)

ALKANE

1. KHÁI QUÁT VỀ HYDROCARBON

– Khái niệm: Hydrocacbon là những hợp chất hữu cơ trong phân tử chỉ chứa 2 nguyên tố C và H.

– Công thức tổng quát: C_nH_{2n + 2 – 2k} (k = π + v là độ bất bão hòa)

– Phân loại:

1. ALKANE
2. Khái niệm, đồng phân, danh pháp
3. Khái niệm – công thức chung của alkane

– Alkane là những hydrocarbon no, mạch hở chỉ chứa các liên kết đơn trong phân tử.

– Công thức chung: C_nH_2n+2 (n 1)

2. Đồng phân

– Alkane từ 4C trở lên có đồng phân về mạch carbon (mạch không phân nhánh và phân nhánh).

– Bậc của một nguyên tử carbon trong phân tử alkane bằng số nguyên tử carbon liên kết trực tiếp với nguyên tử carbon đó. Bậc của một nguyên tử carbon kí hiệu bằng các số La Mã (I, II, III, IV).

3. Danh pháp

♦ Tên gọi thay thế của các alkane không phân nhánh = Tên tiền tố (chỉ số C) + ane

♦ Tên gọi thay thế của các alkane phân nhánh

– Gốc alkyl là phần còn lại sau khi lấy đi một nguyên tử hydrogen từ phân tử alkane.

Alkane (C_nH_2n+2)             Alkyl (C_nH_2n+1-)

(tên tiền tố + ane)                          (tên tiền tố + yl)

– Tên gọi thay thế của alkane phân nhánh:

♦ Tên riêng

– Một số alkane có tên riêng: C số 2 có 1 nhóm CH₃– thêm “iso”, C số 2 có 2 nhóm CH₃– thêm “neo”

1. Đặc điểm cấu tạo

– Phân tử alkane chỉ chứa các liên kết đơn C – C, C – H là các liên kết σ bền vững và kém phân cực  Phân tử alkane hầu như không phân cực và ở điều kiện thường chúng trơ về mặt hóa học.

– Trong alkane, mỗi nguyên tử C đều nằm ở tâm của một hình tứ diện liên kết với bốn nguyên tử nằm ở 4 đỉnh của hình tứ diện đó.

methane               ethane

III. Tính chất vật lí

– Ở điều kiện thường: Alkane C₁ – C₄ và neopentane: chất khí (khí gas); C₅ – C₁₇ trừ neopentane: chất lỏng (xăng, dầu); C₁₈ trở lên: chất rắn (nến, sáp).

– Các alkane nhẹ hơn nước, rất ít tan trong nước, tan tốt trong dung môi không phân cực do alkane kém phân cực.

– Nhiệt độ nóng chảy, nhiệt độ sôi tăng dần theo phân tử khối, alkane mạch không phân nhánh có nhiệt độ sôi cao hơn so với mạch phân nhánh.

1. Tính chất hóa học

– Ở điều kiện thích hợp, alkane tham gia phản ứng thế, phản ứng cracking, phản ứng reforming và phản ứng oxi hóa.

1. Phản ứng thế halogen (Cl₂, Br₂/ ánh sáng hoặc t^o)

TQ: C_nH_2n+2 + aX₂  C_nH_2n+2-aX_a + aHX  (X: Cl, Br)

– Phản ứng trên gọi là phản ứng halogen hóa alkane, sản phẩm tạo thành gọi là dẫn xuất halogen.

– Từ C₃H₈ trở lên, phản ứng tạo ra nhiều sản phẩm thế và tuân theo qui tắc “Ưu tiên thế vào H của C có bậc cao hơn”.

2. Phản ứng cracking

– Cracking alkane là quá trình phân cắt liên kết C – C (bẻ gãy mạch carbon) của các alkane mạch dài để tạo thành hỗn hợp các hydrocarbon mạch ngắn hơn.

TQ: C_nH_2n+2  C_mH_2m+2 + C_qH_2q (n = m + q)

– Phản ứng cracking được ứng dụng trong công nghệ lọc dầu, giúp tạo thêm các hydrocarbon lỏng (xăng, dầu) từ alkane rắn.

3. Phản ứng refoming

– Reforming alkane là quá trình chuyển các alkane mạch không phân nhánh thành các alkane mạch phân nhánh và các hydrocarbon mạch vòng.

– Phản ứng reforming không làm thay đổi số nguyên tử carbon trong phân tử và cũng không làm thay đổi đáng kể nhiệt độ sôi của chúng.

– Phản ứng reforming được dùng trong công nghiệp lọc dầu để tăng chỉ số octane của xăng.

4. Phản ứng oxi hóa

♦ Phản ứng oxi hóa hoàn toàn (phản ứng cháy)

TQ: C_nH_2n+2 + O₂  nCO₂ + (n +1)H₂O

– Khi đốt cháy ankan ta luôn có: và ngược lại.

– Phản ứng đốt cháy alkane tỏa lượng nhiệt lớn để đun nấu, sưởi ấm, cung cấp năng lượng cho các ngành công nghiệp.

♦ Phản ứng oxi hóa không hoàn toàn

– Phản ứng đốt cháy thiếu oxygen: tạo C hoặc CO.

VD: 2C₅H₁₂ + 11O₂ (thiếu)  10CO + 12H₂O

– Phản ứng oxi hóa cắt mạch tạo carboxylic acid

TQ: RCH₂ – CH₂R’ + 2,5O₂  RCOOH + R’COOH + H₂O

– Alkane không làm mất màu dung dịch thuốc tím KMnO₄.

1. Nguồn alkane trong tự nhiên, điều chế và ứng dụng của alkane

♦ Nguồn alkane trong tự nhiên

– Trong tự nhiên alkane có nhiều trong thành phần của dầu mỏ, khí thiên nhiên và khí mỏ dầu.

♦ Điều chế

– Alkane thể khí được lấy từ khí thiên nhiên và khí mỏ dầu: Khí dầu mỏ hóa lỏng (LPG) có thành phần chính là propane và butane, khí thiên nhiên hóa lỏng (LNG) có thành phần chính là methane.

– Alkane thể lỏng và rắn được điều chế từ dầu mỏ bằng phương pháp chưng cất phân đoạn: Xăng, dầu hỏa, dầu diesel, dầu nhờn, … và nhựa đường.

♦ Ứng dụng

– Alkane được dùng làm nhiên liệu, dung môi, dầu nhờn, …, nguyên liệu trong tổng hợp hữu cơ.

♦ Ô nhiễm không khí do phương tiện giao thông

– Khí thải từ các phương tiện giao thông như CO₂, CO, NO_x, … gây ô nhiễm môi trường.

– Biện pháp hạn chế ô nhiễm môi trường: Sử dụng nhiên liệu sạch, nhiên liệu sinh học, sử dụng tiết kiệm năng lượng, …

HYDROCARBON KHÔNG NO

1. Khái niệm, đồng phân, danh pháp

1. Đặc điểm cấu tạo

III. Tính chất vật lí

– Ở điều kiện thường, các alkene, alkyne là những chất không mùi và nhẹ hơn nước, từ C₂ đến C₄ ở thể khí (trừ but – 2 – yne ở thể lỏng); các alkene, alkyne có số C lớn hơn ở thể lỏng hoặc rắn.

– Nhiệt độ nóng chảy, nhiệt độ sôi, khối lượng riêng tăng theo chiều tăng của số nguyên tử C.

– Các alkene, alkyne đều nhẹ hơn nước, hầu như không tan trong nước, tan tốt trong dung môi hữu cơ không phân cực như chloroform, diethyl ether, … do phân tử kém phân cực.

1. Tính chất hóa học

– Do phân tử đều chứa liên kết π kém bền dễ bị phá vỡ trong các phản ứng hóa học nên phản ứng đặc trưng alkene và alkyne là phản ứng cộng, phản ứng trùng hợp và phản ứng oxi hóa.

1. Phản ứng cộng

– Bản chất của phản ứng cộng là phá vỡ liên kết π, chuyển liên kết C=C, C≡C về liên kết C–C.

(a) Phản ứng cộng A₂ (H₂, X₂)

♦ Cộng H₂ (hydrogen hóa)

TQ: C_nH_2n + H₂  C_nH_2n+2

       C_nH_2n-2 + 2H₂  C_nH_2n+2

       C_nH_2n-2 + H₂  C_nH_2n (Lindlar: Pd, CaCO₃, Pb(CH₃COO)₂, quinoline)

♦ Cộng halogen (halogen hóa)

TQ: C_nH_2n   +   Br₂ → C_nH_2nBr₂

        C_nH_2n-2 + 2Br₂ → C_nH_2n-2Br₄

                    vàng nâu     không màu  Alkene, alkyne làm mất màu dung dịch Br₂ (nhận biết).

(b) Phản ứng cộng HA (HX, H – OH)

♦ Cộng hydrogen halide (HX: HCl, HBr, HI)

TQ: C_nH_2n + HX → C_nH_2n+1X

       C_nH_2n-2 + HX → C_nH_2n-1X

       C_nH_2n-2 + 2HX → C_nH_2nX₂

Qui tắc cộng Markovnikov: Khi cộng HX vào liên kết bội (C=C, C≡C) bất đối xứng, H cộng ưu tiên vào C có nhiều H hơn, X cộng vào C còn lại.

♦ Cộng nước (hydrate hóa)

TQ: C_nH_2n  + H₂O C_nH_2n+1OH (alcohol), H⁺ thường là H₃PO₄ hoặc H₂SO₄.

– Với alkyne: CH ≡ CH + H₂O  [CH₂=CH-OH] → CH₃CHO

                                                                                  (không bền)       

                      CH ≡ C – CH₃ + H₂O  [CH₂ = C(OH) – CH₃] → CH₃ – CO – CH₃

                                                                                                (không bền)

– Phản ứng cộng nước vào alkene và alkyne cũng tuân theo qui tắc Markovnikov.

– Gốc hydrocarbon không no: CH₂ = CH -: vinyl; CH₂=CH₂ – CH₂ -: allyl.

2. Phản ứng trùng hợp của alkene

– Khái niệm: Phản ứng trùng hợp là quá trình cộng hợp liên tiếp nhiều phân tử nhỏ giống nhau hoặc tương tự nhau (gọi là monomer) để tạo thành chất có phân tử khối lớn (gọi là polimer).

– Các chất có liên kết đôi C = C có khả năng tham gia phản ứng trùng hợp.

VD: nCH₂=CH₂   ( CH₂ – CH₂ )_n

         ethylene                      polyethylene (PE)

3. Phản ứng của alk – 1 – yne với AgNO₃ trong NH₃

AgNO₃ + 3NH₃ + H₂O → [Ag(NH₃)₂]OH + NH₄NO₃

TQ: RC≡CH + [Ag(NH₃)₂]OH  RC≡CAg↓_{vàng nhạt} + 2NH₃ + H₂O

THĐB: CH≡CH + 2[Ag(NH₃)₂]OH  CAg≡CAg↓_{vàng nhạt} + 4NH₃ + 2H₂O

Phản ứng tạo kết tủa vàng dùng để nhận biết alk – 1 – yne. AgNO₃ trong NH₃ là thuốc thử Tollens.

4. Phản ứng oxi hóa

(a) Phản ứng oxi hóa không hoàn toàn

– Các alkene và alkyne bị oxi hóa không hoàn toàn làm mất màu dung dịch thuốc tím KMnO₄.

VD: 3C₂H₄ + 2KMnO₄ + 4H₂O → 3C₂H₄(OH)₂ + 2KOH + 2MnO₂↓

        3C₂H₂ + 8KMnO₄ → 3(COOK)₂ + 2KOH + 8MnO₂↓ + 2H₂O

  Phản ứng dùng để nhận biết alkene, alkyne.

(b) Phản ứng cháy

TQ: C_nH_2n + O₂  nCO₂ + nH₂O       (Đốt cháy alkene )

       C_nH_2n-2 + O₂  nCO₂ + (n – 1)H₂O   (Đốt cháy alkyne )

– Alkene và alkyne cháy tỏa nhiều nhiệt.

1. Điều chế và ứng dụng
2. Điều chế

Ứng dụng

ARENE (HYDROCARBON THƠM)

1. Khái niệm, danh pháp
2. Cấu tạo vòng benzene

– Phân tử benzene (C₆H₆) có 6 nguyên tử C và H đều nằm trên một mặt phẳng, 6 nguyên tử C liên kết với nhau tạo thành hình lục giác đều, góc liên kết 120^o, độ dài liên kết C – C đều bằng 139 pm.

2. Khái niệm

– Arene hay hydrocarbon thơm là những hydrocarbon trong phân tử có chứa một hay nhiều vòng benzene.

– Benzene và các đồng đẳng của nó hợp thành dãy đồng đẳng của benzene có công thức chung là C_nH_2n-6 (n  6).

3. Công thức cấu tạo và danh pháp

– Tên thay thế = VT nhánh – tên nhánh + benzene

– Nếu vòng benzene có 2 nhóm thế thì có 3 vị trí:

– Gốc aryl:  hay C₆H₅-: phenyl;  hay C₆H₅-CH₂-: benzyl.

1. Tính chất vật lí và trạng thái tự nhiên

– Ở điều kiện thường benzene, toluene, xylene, styrene là chất lỏng không màu, naphthalene là chất rắn màu trắng, có mùi đặc trưng.

– Các arene đều độc, không tan trong nước, tan trong các dung môi hữu cơ không phân cực.

– Benzene, toluene, xylene, naphthalene có trong dầu mỏ.

III. Tính chất hóa học

– Tính thơm: Dễ thế, khó cộng, bền vững với các chất oxi hóa.

1. Phản ứng thế

– Nguyên tử H trong vòng benzene có thể bị thay thế bởi halogen (-Cl, -Br) hoặc nitro (-NO₂).

– Qui tắc thế: Alkylbenzen tham gia phản ứng thế dễ hơn benzen và ưu tiên vào vị trí o, p.

(a) Thế halogen (halogen hóa)

– Benzene và alkylbenzene (toluene, …) có phản ứng thế với Cl₂, Br₂ (xúc tác: FeBr₃ hoặc FeCl₃).

(b) Thế nitro (nitro hóa)

– Benzene và alkylbenzene (toluene, …) có phản ứng thế nitro khi phản ứng với HNO₃/H₂SO₄ đặc.

2. Phản ứng cộng

(a) Phản ứng cộng Cl₂ (ánh sáng tử ngoại: uv, t^o)

C₆H₆ + 3Cl₂  C₆H₆Cl₆ (hexachlorocyclohexane)

(b) Phản ứng cộng H₂ (Ni, t^o)

C₆H₆ + 3H₂  C₆H₁₂ (cyclohexane)

                                            C₆H₅CH=CH₂ + 4H₂ C₆H₁₁CH₂-CH₃

– Các arene khác cũng có phản ứng cộng H₂ (Ni, t^o).

3. Phản ứng oxi hóa

(a) Phản ứng oxi hóa không hoàn toàn

– Alkylbenzene bị oxi hóa không hoàn toàn làm mất màu dung dịch KMnO₄ khi đun nóng, benzene không có phản ứng này.

VD: C₆H₅CH₃ + 2KMnO₄  C₆H₅COOK + KOH + 2MnO₂↓ + H₂O

        5C₆H₅CH₃ + 6KMnO₄ + 9H₂SO₄  5C₆H₅COOH + 3K₂SO₄ + 6MnSO₄ + 14H₂O

(b) Phản ứng cháy

– Các arene cháy hoàn toàn tạo CO₂ và H₂O, phản ứng tỏa nhiều nhiệt.

– Phản ứng tổng quát với benzene và đồng đẳng: C_nH_2n-6 + O₂  nCO₂ + (n – 3)H₂O

1. Điều chế và ứng dụng
2. Điều chế

– Chưng cất nhựa than đá.

– Refoming các alkane trong dầu mỏ.

VD: C₆H₁₄  C₆H₆ + 4H₂                        C₇H₁₆  C₆H₅CH₃ + 4H₂

                               (benzene)                                                        (toluene)

– Riêng ethylbenzene, styren:

2. Ứng dụng

– Dung môi, sản xuất tơ, chất dẻo.

– Sản xuất bột giặt, thuốc trừ sâu, phẩm nhuộm, …

Dạng 1: Bài toán về năng lượng hóa học – đốt cháy nhiên liệu