Tính chất của Ankan (Properties of Alkanes)

Tính chất vật lý

Trạng thái: Ở điều kiện thường, các ankan từ $C_1$ đến $C_4$ là chất khí, từ $C5$ đến $C{17}$ là chất lỏng, từ $C_{18}$ trở đi là chất rắn.

Nhiệt độ sôi: Nhiệt độ sôi của ankan tăng dần theo chiều tăng của số nguyên tử cacbon trong mạch chính. Đối với các ankan có cùng số nguyên tử C, ankan mạch nhánh có nhiệt độ sôi thấp hơn ankan mạch thẳng do sự phân nhánh làm giảm diện tích tiếp xúc giữa các phân tử, dẫn đến lực Van der Waals yếu hơn.

Nhiệt độ nóng chảy: Tương tự nhiệt độ sôi, nhiệt độ nóng chảy của ankan cũng tăng theo số nguyên tử cacbon. Tuy nhiên, sự tăng này không đều đặn do cấu trúc tinh thể của ankan mạch thẳng và mạch nhánh khác nhau.

Khối lượng riêng: Khối lượng riêng của ankan tăng theo số nguyên tử cacbon, nhưng luôn nhỏ hơn khối lượng riêng của nước (ankan nổi trên mặt nước).

Độ tan: Ankan không tan trong nước nhưng tan tốt trong các dung môi hữu cơ không phân cực như benzen, ether, cloroform, và các ankan khác. Điều này là do ankan là các hợp chất không phân cực, trong khi nước là một dung môi phân cực. Nguyên tắc “giống nhau hòa tan giống nhau” giải thích cho tính chất này.

Tính chất hóa học

Ankan là những hydrocarbon no, do đó chúng khá trơ về mặt hóa học. Tuy nhiên, chúng vẫn có thể tham gia một số phản ứng sau:

Phản ứng thế với halogen ($Cl_2, Br_2$): Đây là phản ứng đặc trưng của ankan. Phản ứng xảy ra theo cơ chế gốc tự do, cần có ánh sáng hoặc nhiệt độ. Vận tốc phản ứng giảm dần từ $F_2$ đến $I_2$. Ví dụ: $CH_4 + Cl_2 \xrightarrow{ánh sáng} CH_3Cl + HCl$

Phản ứng cháy: Ankan cháy tạo thành $CO_2$ và $H_2O$ và tỏa nhiều nhiệt. Phản ứng cháy hoàn toàn: $CnH{2n+2} + (\frac{3n+1}{2})O_2 \rightarrow nCO_2 + (n+1)H_2O$

Phản ứng cracking (bẻ gãy mạch cacbon): Ở nhiệt độ cao và xúc tác thích hợp, các ankan mạch dài có thể bị bẻ gãy mạch cacbon tạo thành các ankan và anken mạch ngắn hơn. Ví dụ: $C{16}H{34} \xrightarrow{cracking} C8H{18} + C8H{16}$

Phản ứng reforming (cải tạo): Chuyển ankan mạch thẳng thành ankan mạch nhánh, xicloankan hoặc hydrocarbon thơm, nhằm tăng chỉ số octan của xăng.

Phản ứng dehydro hóa (tách hydro): Ở nhiệt độ cao và xúc tác thích hợp, ankan có thể tách hydro tạo thành anken. Ví dụ: $C_2H_6 \xrightarrow{xt, t^o} C_2H_4 + H_2$

Ứng dụng

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

Nhiên liệu: Metan ($CH_4$), propan ($C_3H_8$), butan ($C4H{10}$) là các thành phần chính của khí đốt tự nhiên và khí hóa lỏng (LPG), được sử dụng rộng rãi làm nhiên liệu trong sinh hoạt và công nghiệp.

Dung môi: Các ankan lỏng được sử dụng làm dung môi trong nhiều quá trình công nghiệp.

Nguyên liệu sản xuất hóa chất: Ankan là nguyên liệu quan trọng để sản xuất nhiều loại hóa chất khác như anken, ancol, axit cacboxylic…

Sáp parafin: Hỗn hợp các ankan mạch dài được sử dụng để sản xuất sáp parafin, dùng làm nến, giấy chống thấm…

Kết luận

Ankan là một nhóm hydrocarbon quan trọng với nhiều tính chất và ứng dụng đa dạng. Hiểu biết về tính chất của ankan là cơ sở quan trọng cho việc nghiên cứu và ứng dụng chúng trong thực tiễn.

Một số Ankan tiêu biểu và đặc điểm

Metan ($CH_4$): Là ankan đơn giản nhất, là thành phần chính của khí thiên nhiên, khí biogas. Metan là một khí nhà kính mạnh.

Etan ($C_2H_6$): Cũng là thành phần của khí thiên nhiên, được sử dụng làm nhiên liệu và nguyên liệu trong công nghiệp hóa chất.

Propan ($C_3H_8$) và Butan ($C4H{10}$): Được sử dụng làm nhiên liệu trong bình gas (LPG) cho các hộ gia đình và công nghiệp.

Pentan ($C5H{12}$), Hexan ($C6H{14}$), Heptan ($C7H{16}$), Octan ($C8H{18}$): Là thành phần của xăng, dầu hỏa. Chỉ số octan là một đại lượng biểu thị khả năng chống kích nổ của nhiên liệu, được xác định bằng cách so sánh với hỗn hợp isooctan (2,2,4-trimetylpentan) có chỉ số octan là 100 và n-heptan có chỉ số octan là 0.

Các ankan mạch dài: Từ $C{18}H{38}$ trở lên là thành phần của parafin rắn, dùng làm nến, sáp, chất phủ bề mặt.

Ảnh hưởng đến môi trường

Việc sử dụng ankan làm nhiên liệu, đặc biệt là các nhiên liệu hóa thạch, góp phần vào sự gia tăng khí nhà kính trong khí quyển, dẫn đến biến đổi khí hậu. $CO_2$ sinh ra từ quá trình đốt cháy ankan là một khí nhà kính quan trọng. Ngoài ra, quá trình khai thác, vận chuyển và chế biến dầu mỏ cũng có thể gây ra ô nhiễm môi trường.

Xu hướng nghiên cứu và phát triển

Hiện nay, các nghiên cứu đang tập trung vào việc tìm kiếm các nguồn năng lượng thay thế cho nhiên liệu hóa thạch, cũng như phát triển các công nghệ đốt cháy sạch hơn để giảm thiểu tác động đến môi trường. Việc sử dụng biometan (metan sinh học) từ các nguồn năng lượng tái tạo cũng đang được quan tâm.

• Morrison, R. T., & Boyd, R. N. (1992). Organic chemistry. Englewood Cliffs, N.J: Prentice Hall.
• Wade, L. G. (2010). Organic chemistry. Upper Saddle River, N.J: Pearson Prentice Hall.
• Vollhardt, K. P. C., & Schore, N. E. (2018). Organic chemistry: Structure and function. New York: W.H. Freeman and Company.
• McMurry, J. (2012). Organic chemistry. Belmont, CA: Brooks/Cole, Cengage Learning.

Câu hỏi và Giải đáp

Câu 1: Tại sao ankan lại tương đối trơ về mặt hóa học?

Trả lời: Ankan tương đối trơ do liên kết C-C và C-H trong phân tử là liên kết đơn, bền vững và không phân cực. Các liên kết này khó bị bẻ gãy, do đó ankan ít tham gia phản ứng cộng.

Câu 2: Sự khác biệt về nhiệt độ sôi giữa các ankan mạch thẳng và mạch nhánh là gì? Giải thích.

Trả lời: Ankan mạch nhánh có nhiệt độ sôi thấp hơn ankan mạch thẳng có cùng số nguyên tử cacbon. Điều này là do các phân tử ankan mạch nhánh có hình dạng gọn hơn, diện tích tiếp xúc giữa các phân tử nhỏ hơn, dẫn đến lực Van der Waals yếu hơn. Do đó, cần ít năng lượng hơn để vượt qua lực hút giữa các phân tử và chuyển sang trạng thái khí.

Câu 3: Phản ứng cracking có ý nghĩa gì trong công nghiệp hóa dầu?

Trả lời: Phản ứng cracking có vai trò quan trọng trong công nghiệp hóa dầu vì nó cho phép chuyển hóa các ankan mạch dài, ít giá trị thành các ankan và anken mạch ngắn hơn, có giá trị sử dụng cao hơn (như xăng, nguyên liệu cho công nghiệp hóa chất).

Câu 4: Viết phương trình phản ứng cháy hoàn toàn của butan ($C4H{10}$).

Trả lời: $C4H{10} + \frac{13}{2}O_2 \rightarrow 4CO_2 + 5H_2O$

Câu 5: Ngoài việc làm nhiên liệu, ankan còn có ứng dụng nào khác?

Trả lời: Ngoài làm nhiên liệu, ankan còn được sử dụng làm dung môi trong công nghiệp, nguyên liệu sản xuất nhiều loại hóa chất (như anken, ancol, axit cacboxylic), sản xuất sáp parafin (dùng làm nến, giấy chống thấm), dầu bôi trơn, và trong một số ứng dụng khác như mỹ phẩm.