Ankan: Định nghĩa, tính chất, ứng dụng và cách điều chế

Ấn tượng đầu tiên về Ankan
Ankan là một loại hidrocacbon đặc biệt có công thức tổng quát là CnH2n+2 (n ≥ 1). Tuy nhiên, độc đáo của ankan không chỉ dừng lại ở công thức phân tử mà còn nằm ở tính chất vật lý và hóa học sắc sảo của nó. Hãy cùng Monkey khám phá xem Ankan là gì, có những tính chất và ứng dụng nào nhé!

Định nghĩa Ankan là gì?

Ankan là những hidrocacbon no dạng mạch hở, trong phân tử chỉ có liên kết đơn C-C hoặc C-H. Ankan có công thức tổng quát là CnH2n+2 (n ≥ 1). Ankan đơn giản nhất là metan (CH4).

Dãy đồng đẳng Ankan

Dãy đồng đẳng ankan gồm CH4 và các chất có công thức phân tử tương tự như C2H6, C3H8, C4H10, C5H12,… Các chất trong dãy đồng đẳng ankan có mạch cacbon ở dạng mạch hở, có thể phân nhánh hoặc không phân nhánh. Trong phân tử ankan, các nguyên tử cacbon trong không cùng nằm trên một đường thẳng (trừ C2H6). Các mạch cacbon có dạng gấp khúc và các nguyên tử cacbon có thể quay khá tự do xung quanh các liên kết đơn.

Đồng phân Ankan

Từ C4H10 trở đi, mỗi công thức phân tử sẽ ứng với các công thức cấu tạo mạch cacbon không phân nhánh và có phân nhánh của các đồng phân mạch cacbon. Ví dụ, công thức phân tử C2H5 sẽ ứng với các chất đồng phân cấu tạo như sau:

• CH3CH3: etan
• CH3CH2CH3: propan
• CH3CH2CH2CH3: butan

Danh pháp của Ankan

Một số ankan mạch cacbon không phân nhánh với danh pháp khác nhau được giới thiệu trong bảng dưới đây:

Tên gọi của ankan mạch thẳng = Tên mạch cacbon + an.

• CH4: Metan
• C2H6: Etan
• C3H8: Propan
• C4H10: Butan

Tên gọi của ankan mạch nhánh = Vị trí mạch nhánh – tên nhánh + tên mạch chính + an. Trong đó:

• Số mạch cacbon chính là mạch dài và có nhiều nhánh nhất.
• Đánh số thứ tự các nguyên tử cacbon mạch chính bắt đầu từ phía gần nhánh hơn.
• Gọi tên mạch nhánh (nhóm ankyl) theo thứ tự vần chữ cái cùng với số chỉ vị trí của nó, sau đó là ankan tương ứng với mạch chính.
• Gốc hidrocacbon là phần còn lại của phân tử hidrocacbon sau khi bớt đi một số nguyên tử hidro nhưng vẫn tồn tại trong phân tử ở trạng thái liên kết và không mang e tự do giống gốc tự do.
• Công thức tổng quát nhóm ankyl là: CnH(2n+1)
• Bậc của nguyên từ cacbon trong phân tử ankan bằng số nguyên tử cacbon liên kết trực tiếp với nó.

Với trường hợp chỉ có 1 nhánh CH3 ở nguyên tử C số 2, ta thêm tiền tố iso ở cuối.

Với trường hợp có 2 nhánh CH3 ở nguyên tử C số 2, ta thêm tiền tố neo.

Tính chất vật lý của Ankan

Dưới đây là thông tin về tính chất vật lý của ankan mà bạn cần biết:

• Ở điều kiện thường, 4 ankan đầu tiên trong dãy đồng đẳng (CH4 đến C4H10) tồn tại ở dạng khí. Các ankan tiếp theo có dạng lỏng và từ C18H38 trở đi ở dạng rắn.
• Xét theo chiều tăng của phân tử khối, nhiệt độ nóng chảy, nhiệt độ sôi và khối lượng riêng của các ankan tăng dần.
• Ankan nhẹ hơn nước, đa số ankan không tan trong nước mà chỉ tan trong dung môi hữu cơ.
• Ankan là dung môi không phân cực, có thể hòa tan trong các chất không phân cực như benzen, dầu mỡ…

Tính chất hóa học của Ankan

Trong nhiệt độ thường, các ankan không tác dụng với dung dịch axit, dung dịch kiềm và các chất oxi hóa. Nhưng khi được đun nóng hoặc chiếu sáng, các ankan dễ dàng tham gia các phản ứng thế, phản ứng tách hidro và phản ứng cháy. Hãy cùng tìm hiểu thông qua 3 loại phản ứng điển hình nhất.

Phản ứng thế bởi halogen

Các ankan có thể bị thay thế từng nguyên tử H trong phân tử metan theo phản ứng sau:

CH4 + Cl2 → CH3Cl (clometan – metyl clorua) + HCl (ĐK: Ánh sáng)

CH3Cl + Cl2 → CH2Cl2 (điclometan- metylen clorua) + HCl (ĐK: Ánh sáng)

CH2Cl2 + Cl2 → CHCl3 (triclometan – clorofom) + HCl (ĐK: Ánh sáng)

CHCl3+Cl2 → CCl4 (tetraclometan- cacbon tetraclorua) + HCl (ĐK: Ánh sáng)

Đối với ankan có mạch cacbon từ 3 C trở lên, clo và brom sẽ ưu tiên thế H ở các cacbon có bậc cao tạo thành sản phẩm chính.

Vì ankan có phản ứng mãnh liệt với flo, nên sẽ bị phân hủy thành C và HF:

CnH2n+2 + (n+1)F2 → nC + (2n+2)HF

Ankan không phản ứng thế với Iot. Khả năng phản ứng của dãy halogen với ankan giảm theo thứ tự: F2 > Cl2 > Br2 > I2.

Phản ứng tách

Dưới tác dụng của nhiệt và những chất xúc tác thích hợp, các ankan có phân tử khối nhỏ sẽ bị tách hidro thành hiđrocacbon không no tương ứng.

Phản ứng tách hidro: CH3 – CH3 → CH2=CH2 + H2 (500 độ C, chất xúc tác)

Phương trình tổng quát: CnH(2n+2) → CnH2n + H2 (nhiệt độ, Fe)

Ở nhiệt độ cao và chất xúc tác thích hợp, ngoài việc bị tách hidro, các ankan còn có thể bị phân cắt mạch cacbon tạo thành các phân tử nhỏ hơn.

Phản ứng oxi hóa

Khi bị đốt, các ankan đều cháy và tỏa ra nhiều nhiệt theo công thức chung:

CnH2n+2 + (3n+1/2) O2 → nCO2 + (n+1) H2O

Nếu thiếu oxi, phản ứng cháy của ankan xảy ra không hoàn toàn: Sản phẩm cháy còn có C, CO,.. ngoài CO2 và nước.

Điều chế Ankan trong phòng thí nghiệm và công nghiệp

Trong phòng thí nghiệm, metan được điều chế bằng cách đun nóng natri axetat khan với hỗn hợp vôi tôi xút theo phương trình:

CH3COONa + NaOH → CH4↑ + Na2CO3 (ĐK: CaO, nhiệt độ)

Trong công nghiệp, ankan được điều chế từ dầu mỏ, khí dầu mỏ, khí thiên nhiên thông qua phương pháp chưng cất phân đoạn. Ankan trong công nghiệp thu được ở những phân đoạn chưng cất khác nhau.

Ứng dụng của Ankan

Với tính chất vật lý và hóa học đa dạng, ankan có nhiều ứng dụng trong cuộc sống. Điển hình là:

• Nhiên liệu trong hàn cắt kim loại.
• Dầu bôi trơn và chất dung môi.
• Được sử dụng để tổng hợp nhiều chất hữu cơ khác như: CH3Cl, CH2Cl2, CCl4, CF2Cl2, …
• Đặc biệt, CH4 có thể ứng dụng để điều chế nhiều chất khác nhau như: Hỗn hợp CO + H2, ammoniac, C2H2, rượu metylic, andehit fomic, …

So sánh Ankan, Anken, Ankin

Ankan, anken và ankin là những loại hidrocacbon khác nhau về cấu tạo và tính chất. Dưới đây là bảng so sánh giữa chúng:

Như vậy, ankan, anken và ankin đều có những tính chất đặc biệt và có ứng dụng riêng trong cuộc sống và công nghiệp.

Kết luận

Ankan là một loại hidrocacbon đặc biệt với tính chất vật lý và hóa học độc đáo. Định nghĩa, tính chất, ứng dụng và cách điều chế của ankan đã được Monkey trình bày chi tiết thông qua bài viết này. Hy vọng rằng bạn đã hiểu rõ hơn về ankan và có thể áp dụng kiến thức này vào thực tế. Đừng quên truy cập Trường Trung Cấp Việt Hàn (VKI) để cập nhật những thông tin thú vị khác về môn Hóa học nhé!