Ankan (Alkane)

1. Cấu trúc và danh pháp:

• Cấu trúc: Ankan có cấu trúc tứ diện xung quanh mỗi nguyên tử cacbon. Góc liên kết C-C-C xấp xỉ 109,5 độ. Các liên kết C-C và C-H đều là liên kết đơn, có tính chất không phân cực.
• Danh pháp: Tên của ankan mạch thẳng tuân theo quy tắc sau:
  • Từ 1 đến 4 cacbon: metan ($CH_4$), etan ($C_2H_6$), propan ($C_3H_8$), butan ($C_4H_{10}$).
  • Từ 5 cacbon trở lên: sử dụng tiếp đầu ngữ Hy Lạp chỉ số lượng cacbon (pent-, hex-, hept-, oct-, non-, dec-,…) kết hợp với hậu tố “-an”. Ví dụ: pentan ($C_5H_{12}$), hexan ($C_6H_{14}$),…
• Nhánh ankan: Khi có nhánh, cần xác định mạch chính (mạch dài nhất) và đánh số sao cho vị trí nhánh có số thứ tự nhỏ nhất. Tên nhánh được đặt trước tên mạch chính, kèm theo số chỉ vị trí. Ví dụ: 2-metylpropan (isobutan). Tên của nhánh cũng tuân theo quy tắc danh pháp của ankan, nhưng thay hậu tố “-an” bằng hậu tố “-yl”. Ví dụ: metyl, etyl, propyl,…

2. Tính chất vật lý:

• Trạng thái: Ở điều kiện thường, ankan từ $C_1$ đến $C_4$ là chất khí, từ $C_5$ đến $C_{17}$ là chất lỏng, từ $C_{18}$ trở lên là chất rắn.
• Nhiệt độ sôi và nhiệt độ nóng chảy: Tăng dần theo chiều tăng của phân tử khối. Ankan mạch nhánh có nhiệt độ sôi thấp hơn ankan mạch thẳng tương ứng do bề mặt tiếp xúc giữa các phân tử giảm, dẫn đến lực Van der Waals yếu hơn.
• Độ tan: Không tan trong nước, tan tốt trong các dung môi hữu cơ không phân cực. Điều này là do bản chất không phân cực của ankan.
• Khối lượng riêng: Nhỏ hơn khối lượng riêng của nước.

3. Tính chất hóa học:

Ankan là những hydrocarbon no, tương đối trơ về mặt hóa học. Ở điều kiện thường, chúng không phản ứng với axit, bazơ, chất oxi hóa mạnh. Tuy nhiên, ở nhiệt độ cao hoặc có xúc tác, ankan có thể tham gia một số phản ứng sau:

• Phản ứng cháy: Ankan cháy tạo thành $CO_2$ và $H_2O$, tỏa nhiều nhiệt. Phản ứng này được sử dụng rộng rãi để sản xuất năng lượng.
  $C_nH_{2n+2} + (\frac{3n+1}{2})O_2 \rightarrow nCO_2 + (n+1)H_2O$
• Phản ứng thế halogen: Ankan phản ứng với halogen ($Cl_2, Br_2$) khi có ánh sáng hoặc nhiệt độ, tạo thành dẫn xuất halogen. Phản ứng này diễn ra theo cơ chế gốc tự do.
  $CH_4 + Cl_2 \xrightarrow{ánh sáng} CH_3Cl + HCl$
• Phản ứng cracking (bẻ gãy mạch cacbon): Ở nhiệt độ cao và xúc tác, ankan mạch dài có thể bị bẻ gãy mạch cacbon tạo thành ankan và anken có mạch cacbon ngắn hơn. Phản ứng cracking có vai trò quan trọng trong công nghiệp hóa dầu.
• Phản ứng đề hydro hóa (tách hydro): Ankan có thể bị tách hydro tạo thành anken. Phản ứng này thường được thực hiện ở nhiệt độ cao và có xúc tác.

4. Ứng dụng:

Ankan có nhiều ứng dụng quan trọng trong đời sống và công nghiệp:

• Nhiên liệu: Metan, propan, butan là thành phần chính của khí thiên nhiên, khí dầu mỏ hóa lỏng (LPG), được sử dụng rộng rãi làm nhiên liệu trong sinh hoạt và công nghiệp.
• Dung môi: Hexan, heptan,… được dùng làm dung môi trong công nghiệp, đặc biệt là trong công nghiệp sơn và chất kết dính.
• Nguyên liệu: Ankan là nguyên liệu quan trọng trong công nghiệp hóa dầu, dùng để sản xuất nhiều chất hữu cơ khác như anken, ankin, rượu,…
• Sáp parafin: Hỗn hợp ankan mạch dài được dùng làm sáp parafin, dùng trong sản xuất nến, giấy, vải, mỹ phẩm, …

5. Điều chế:

Ankan có thể được điều chế từ nhiều nguồn khác nhau, bao gồm:

• Từ dầu mỏ và khí thiên nhiên: Đây là nguồn chính để điều chế ankan. Dầu mỏ và khí thiên nhiên là hỗn hợp phức tạp của nhiều hydrocarbon, bao gồm cả ankan. Quá trình chưng cất phân đoạn được sử dụng để tách riêng các ankan khác nhau dựa trên nhiệt độ sôi của chúng.
• Tổng hợp từ các chất vô cơ: Ví dụ: tổng hợp metan từ cacbon và hydro ở nhiệt độ và áp suất cao với xúc tác niken.
  $C + 2H_2 \xrightarrow{Ni, t^o, p} CH_4$
• Từ các hợp chất hữu cơ khác: Ví dụ: khử dẫn xuất halogen của ankan bằng phản ứng với kim loại kẽm trong môi trường axit.
  $R-X + Zn + H^+ \rightarrow R-H + Zn^{2+} + X^-$

6. Đồng phân:

Từ butan ($C4H{10}$) trở đi, ankan có hiện tượng đồng phân mạch cacbon. Đồng phân là các chất có cùng công thức phân tử nhưng khác nhau về cấu trúc. Số lượng đồng phân tăng nhanh theo số nguyên tử cacbon. Ví dụ: butan có 2 đồng phân, pentan có 3 đồng phân, hexan có 5 đồng phân,…

7. Vòng ankan (Cycloalkan):

Ngoài ankan mạch hở, còn tồn tại các ankan mạch vòng, gọi là cycloalkan hay xicloankan. Chúng có công thức tổng quát là $CnH{2n}$ (với n ≥ 3). Ví dụ: cyclopropan ($C_3H_6$), cyclobutan ($C_4H_8$), cyclopentan ($C5H{10}$),…

Cycloalkan có tính chất tương tự ankan, nhưng do cấu trúc mạch vòng nên góc liên kết bị biến dạng so với góc tứ diện, dẫn đến một số khác biệt về tính chất hóa học. Ví dụ, cyclopropan và cyclobutan dễ tham gia phản ứng cộng mở vòng hơn so với các cycloalkan khác do sức căng vòng lớn.

8. Ankan trong môi trường:

• Metan ($CH_4$) là một khí nhà kính mạnh, đóng góp vào sự nóng lên toàn cầu. Nó được sinh ra từ các nguồn tự nhiên như quá trình phân hủy kỵ khí của chất hữu cơ và từ các hoạt động của con người như khai thác và sử dụng nhiên liệu hóa thạch.
• Việc đốt cháy không hoàn toàn các nhiên liệu chứa ankan có thể tạo ra các chất ô nhiễm như CO, các hydrocarbon chưa cháy hết, các oxit nitơ, gây ô nhiễm không khí.
• Sự rò rỉ dầu mỏ chứa ankan có thể gây ô nhiễm môi trường nước và đất, ảnh hưởng đến hệ sinh thái và sức khỏe con người.

9. Ankan và sức khỏe con người:

• Ở nồng độ cao, một số ankan có thể gây ngạt thở do làm giảm nồng độ oxi trong không khí.
• Một số ankan lỏng có thể gây kích ứng da.
• Một số sản phẩm cháy không hoàn toàn của ankan, như CO, là chất độc hại đối với sức khỏe con người.

10. Xu hướng nghiên cứu:

Hiện nay, các nghiên cứu về ankan tập trung vào việc:

• Tìm kiếm các nguồn ankan mới, hiệu quả và bền vững. Ví dụ: nghiên cứu về khí hydrat, một dạng băng cháy chứa metan.
• Phát triển các phương pháp chuyển hóa ankan thành các sản phẩm hóa học có giá trị gia tăng cao hơn. Ví dụ: chuyển hóa metan thành methanol.
• Nghiên cứu tác động của ankan đối với môi trường và sức khỏe con người.
• Phát triển các công nghệ đốt cháy ankan hiệu quả và sạch hơn.

• Morrison, R. T., & Boyd, R. N. (1992). Organic chemistry. Englewood Cliffs, N.J: Prentice Hall.
• Solomons, T. W. G., & Fryhle, C. B. (2004). Organic chemistry. Hoboken, NJ: John Wiley & Sons.
• Wade, L. G. (2010). Organic chemistry. Upper Saddle River, NJ: Pearson Prentice Hall.
• McMurry, J. (2012). Organic chemistry. Belmont, CA: Brooks/Cole, Cengage Learning.

Câu hỏi và Giải đáp

Tại sao ankan mạch nhánh lại có nhiệt độ sôi thấp hơn ankan mạch thẳng có cùng số nguyên tử cacbon?

Trả lời: Ankan mạch nhánh có hình dạng phân tử gọn hơn, bề mặt tiếp xúc giữa các phân tử nhỏ hơn so với ankan mạch thẳng. Do đó, lực hút Van der Waals giữa các phân tử ankan mạch nhánh yếu hơn, dẫn đến nhiệt độ sôi thấp hơn.

Ngoài phản ứng thế halogen với $Cl_2$ và $Br_2$, ankan có phản ứng với $I_2$ và $F_2$ không? Tại sao?

Trả lời: Ankan phản ứng rất chậm với $I_2$, phản ứng gần như không xảy ra. Phản ứng với $F_2$ lại rất mãnh liệt, khó kiểm soát, thường gây nổ và tạo ra hỗn hợp sản phẩm. Do đó, phản ứng thế halogen của ankan thường chỉ được thực hiện với $Cl_2$ và $Br_2$.

Cracking ankan có ý nghĩa gì trong công nghiệp hóa dầu?

Trả lời: Cracking là quá trình bẻ gãy mạch cacbon của ankan mạch dài thành các ankan và anken mạch ngắn hơn. Quá trình này có ý nghĩa quan trọng trong công nghiệp hóa dầu vì nó cho phép chuyển hóa các phân đoạn dầu mỏ nặng, ít giá trị thành các sản phẩm nhẹ hơn, có giá trị sử dụng cao hơn như xăng, dầu hỏa, nguyên liệu cho công nghiệp hóa chất.

Cyclopropan có phản ứng cộng với $H_2$ không? Giải thích.

Trả lời: Có. Cyclopropan có góc liên kết C-C-C là 60 độ, rất khác so với góc tứ diện 109,5 độ. Do đó, liên kết C-C trong cyclopropan kém bền, dễ bị đứt ra để tham gia phản ứng cộng mở vòng với $H_2$ tạo thành propan.

$C_3H_6 + H_2 \rightarrow C_3H_8$

Làm thế nào để phân biệt ankan và anken trong phòng thí nghiệm?

Trả lời: Có thể dùng dung dịch $Br_2$ hoặc dung dịch $KMnO_4$ để phân biệt ankan và anken. Anken làm mất màu dung dịch $Br_2$ và dung dịch $KMnO_4$, trong khi ankan không làm mất màu hai dung dịch này. Phản ứng này dựa trên tính chất dễ tham gia phản ứng cộng của anken do có liên kết đôi C=C.