a. Khái niệm

Alkane là các hydrocarbon no mạch hở chỉ chứa liên kết đơn (liên kết \(\sigma \)) C—H và C—C trong phân tử.

 

− Công thức chung của alkane: C_nH_2n+2 (n là số nguyên, n ≥ 1).

Ví dụ: CH₄ C₂H₆ C₃H₈, C₄H₁₀, C₅H₁₂…

Hình 12.1. Mô hình phân tử của methane (a) và ethane (b)

 

– Mỗi nguyên tử carbon trong phân tử alkane nằm ở tâm một hình tứ diện, liên kết với bốn nguyên tử (hay nhóm nguyên tử) nằm ở bốn đỉnh của hình tứ diện đó.

b. Đồng phân

Các alkane có từ bốn nguyên tử C trở lên có đồng phân về mạch carbon.

 

Ví dụ:

 

c. Danh pháp

– Tên của 10 alkane mạch không phân nhánh đầu tiên trong dãy đồng đẳng và phần tiền tố cho biết số lượng nguyên tử carbon trong mạch carbon được giới thiệu ở Bảng 12.1.

Chú ý: phần tiền tố cho biết số lượng nguyên tử carbon cũng được sử dụng chung cho các loại hợp chất hữu cơ khác có cùng số lượng nguyên tử carbon.

Bảng 12.1. Tên của alkane, phần tiền tổ ứng với số nguyên tử carbon và một số tính chất vật lí của một số alkane

 

– Với alkane mạch phân nhánh, mạch carbon dài nhất là mạch chính; các mạch carbon còn lại là mạch nhánh.

– Mạch nhánh còn được xem là nhóm thế alkyl của mạch chính.

– Đánh số các nguyên tử carbon trên mạch chính xuất phát từ đầu gần mạch nhánh nhất để tổng số chỉ vị trí của các nhánh là nhỏ nhất.

– Khi đó, tên của alkane mạch phân nhánh được gọi như sau:

 

– Tên của nhóm thế alkyl được hình thành bằng cách thêm -yl vào sau phần tiền tổ chỉ số nguyên tử carbon có trong nhóm thế.

– Nếu có nhiều nhóm thế giống nhau thì thêm “di” (nếu có 2 nhóm thế), “trí” (nếu có 3 nhóm), “tetra” (nếu có 4 nhóm),… vào trước tên gọi của nhóm thế.

Ví dụ: 

 

– Một số alkane có tên riêng.

Ví dụ: 

 

– Ở điều kiện thường, alkane từ C1 đến C4 và neopentane ở trạng thái khí, từ C5 đến C17 (trừ neopentane) ở trạng thái lỏng, không màu, alkane từ C18 trở lên là chất rắn màu trắng (còn gọi là sáp paraffin).

– Các alkane mạch nhánh thường có nhiệt độ sôi thấp hơn so với đồng phân alkane mạch không phân nhánh.

– Alkane không tan hoặc tan rất ít trong nước và nhẹ hơn nước.

– Alkane thuộc loại hợp chất hữu cơ kém phân cực nên đều tan kém trong nước, tan tốt hơn trong các dung môi hữu cơ.

– Một số tính chất vật lí của alkane được mô tả ở Bảng 12.1.

– Do phân tử chỉ chứa liên kết \(\sigma\) bền, kém phân cực, mỗi nguyên tử carbon cũng như hydrogen đã tạo ra số liên kết cộng hoá trị lớn nhất của chúng.

– Vì thế, alkane tương đối trơ về mặt hoá học và phản ứng hoá học xảy ra sẽ kèm theo việc thay thế nguyên tử hydrogen hoặc bẻ gãy mạch carbon.

a. Phản ứng thế

Phản ứng thế nguyên tử hydrogen trong alkane bằng nguyên tử halogen chỉ xảy ra khi đun nóng hoặc chiếu ánh sáng

 

 

– Phản ứng trên được gọi là phản ứng halogen hoá alkane. Sản phẩm của phản ứng halogen hoá là các dẫn xuất halogen.

Ví dụ:

– Khi trộn methane với chlorine và chiếu ánh sáng tử ngoại, sản phẩm thu được là chloromethane.

CH₄ + Cl₂ \(\xrightarrow{ánh\,sáng}\) CH₃Cl + HCl

– Phản ứng thế có thể tiếp tục diễn ra với các nguyên tử hydrogen còn lại của chloromethane cho hỗn hợp các sản phẩm chloromethane, dichloromethane, trichloromethane và tetrachloromethane.

CH₃Cl + Cl₂ \(\xrightarrow{ánh\,sáng}\) CH₂Cl₂ + HCl

CH₂Cl₂ + Cl₂ \(\xrightarrow{ánh\,sáng}\) CHCl₃ + HCl

CHCl₃ + Cl₂ \(\xrightarrow{ánh\,sáng}\) CCl₄ + HCl

– Khi thực hiện phản ứng thế halogen vào các alkane có từ 3 nguyên tử carbon trở lên sẽ thu được được hỗn hợp các sản phẩm thế monohalogen.

Ví dụ:

 

Bậc của nguyên tử carbon trong phân tử chất hữu cơ được xác định bằng số liên kết giữa nguyên tử carbon đó với các nguyên tử carbon khác ở xung quanh.

 

b. Phản ứng cracking và phản ưng reforming 

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 có mạch carbon ngắn hơn.

 

– Phản ứng cracking được thực hiện trong điều kiện nhiệt độ cao và thường có xúc tác và được ứng dụng trong công nghiệp lọc dầu.

Ví dụ: Cracking nonane C₉H₂₀, thu được các alkane mạch ngắn hơn là C₅ – C₇ và alkene C₂ – C₄. Sơ đồ phản ứng:

 

Reforming alkane là quá trình chuyển các alkane mạch không phân nhánh thành các alkane mạch phân nhánh và các hydrocarbon mạch vòng nhưng không làm thay đổi số nguyên tử carbon trong phân tử và cũng không làm thay đổi đáng kể nhiệt độ sôi của chúng.

 

– Reforming alkane xảy ra quá trình đồng phân hoá (isomer hoá) và arene hoá (thơm hoá).

– Quá trình reforming thường được thực hiện với các alkane C5 – C11 trong điều kiện nhiệt độ cao và thường có xúc tác.

Ví dụ:

 

– Quá trình reforming được ứng dụng trong công nghiệp lọc dầu để làm tăng chỉ số octane⁽¹⁾ của xăng và sản xuất các arene (benzene, toluene, xylene) làm nguyên liệu cho công nghiệp tổng hợp hữu cơ.

(1) Chỉ số octane (octane number) đặc trưng cho tính chống kích nổ của xăng.

(2) Chỉ số cetane (cetane number) đặc trưng cho khả năng tự bốc cháy của nhiên liệu diesel.

c. Phản ứng oxi hoá

Phản ứng oxi hoá hoàn toàn (phản ứng cháy)

– Khi tiếp xúc với oxygen và có tia lửa khơi mào, alkane bị đốt cháy tạo thành khí carbon dioxide, hơi nước và giải phóng năng lượng.

\({{\text{C}}_{\text{n}}}{{\text{H}}_{\text{2n+2}}}\text{ +}\frac{\text{3n + 1}}{\text{2}}{{\text{O}}_{\text{2}}}\xrightarrow{{{t}^{0}}}\text{nC}{{\text{O}}_{\text{2}}}\text{+(n + 1)}{{\text{H}}_{\text{2}}}\text{O}\)

Ví dụ:

CH₄(g) + 2O₂(g) \(\xrightarrow{{{t}^{o}}}\) CO₂(g) + 2H₂O(g)                           \({{\rm{\Delta }}_{\rm{r}}}{\rm{H}}_{{\rm{298}}}^{\rm{0}}\) = – 890 kJ/mol

C₃H₈(g) + 5O₂(g) \(\xrightarrow{{{t}^{o}}}\) 3O₂(g) + 4H₂O(g)                          \({{\rm{\Delta }}_{\rm{r}}}{\rm{H}}_{{\rm{298}}}^{\rm{0}}\) = – 2216 kJ/mol

– Phản ứng cháy của alkane có vai trò rất quan trọng đối với đời sống con người.

– Đốt cháy các alkane cung cấp nhiệt để đun nấu, sưởi ấm và cung cấp năng lượng cho các ngành công nghiệp.

Phản ứng oxi hoá không hoàn toàn

– Ở nhiệt độ cao, có mặt xúc tác, alkane bị oxi hoá cắt mạch carbon bởi oxygen tạo thành hỗn hợp carboxylic acid:

\(\text{RC}{{\text{H}}_{\text{2}}}-\text{C}{{\text{H}}_{\text{2}}}\text{R }\!\!’\!\!\text{  + }\frac{\text{5}}{\text{2}}{{\text{O}}_{\text{2}}}\xrightarrow{xt,{{t}^{0}}}\text{RCOOH + R }\!\!’\!\!\text{ COOH + }{{\text{H}}_{\text{2}}}\text{O}\)

– Các acid béo mạch dài dùng để sản xuất xà phòng và các chất tẩy rửa được điều chế bằng phương pháp oxi hoá cắt mạch các alkane C25 – C35.

a. Nguồn alkane trong tự nhiên – Điều chế alkane trong công nghiệp.

– Alkane dùng trong công nghiệp được lấy từ alkane có trong tự nhiên.

Phương pháp điều chế alkane ở thể khí trong công nghiệp

– Các alkane ở thể khí chủ yếu được lấy từ khi thiên nhiên và khí dầu mỏ.

– Sau khi loại bỏ các hợp chất không phải là hydrocarbon (đặc biệt là H₂S và CO₂), khí được dẫn qua đường ống dẫn đến nơi tiêu thụ hoặc được nén lại ở dạng lỏng (hoá lỏng ở áp suất cao) để dễ dàng vận chuyển.

– Khí dầu mỏ hoá lỏng là LPG, còn khí thiên nhiên hoá lỏng là LNG (liquefied natural gas).

Phương pháp điều chế alkane ở thể lỏng, rắn trong công nghiệp

– Khi chưng cất dầu mỏ nhận được hỗn hợp alkane có chiều dài mạch carbon khác nhau ở các phân đoạn sôi khác nhau.

– Để nhận được các alkane tinh khiết cần phải có các công nghệ tách và tinh chế rất phức tạp.

b. Ứng dụng

– Nhiên liệu xăng, diesel, phản lực,…

– Nguyên liệu sản xuất phân bón urea, khí hydrogen và ammonia, benzene, toluene, đồng phân xylene.

– Các alkane từ C11 đến C20 (vaseline) được dùng làm kem dưỡng da, sáp nẻ, thuốc mỡ. Các alkane từ C20 đến C35 (paraffin) được dùng làm nến, sáp,…

Hình 12.1. Một số ứng dụng của alkane trong đời sống

 

c. Nhiên liệu và môi trường

– Khí thải do các phương tiện giao thông hoạt động thải ra trong quá trình đốt cháy nhiên liệu là hỗn hợp của các khí và các hạt khác nhau.

– Khói thải và các hạt bụi mịn thải vào khí quyển là tác nhân gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khoẻ người dân.

Hình 12.2. Nguồn ô nhiễm do các phương tiện giao thông