Câu hỏi mở đầu trang 82

Đề bài: Khí thiên nhiên, khí dầu mỏ, xăng, nhiên liệu phản lực (jet fuel) và dầu diesel có vai trò rất quan trọng trong mọi lĩnh vực của đời sống, kinh tế, công nghiệp. Vậy thành phần chính của các nhiên liệu này là gì? Ngoài ra, các alkane có phải là nguồn nguyên liệu quan trọng cho công nghiệp sản xuất các hoá chất hữu cơ hiện nay không?

Lời giải:

• Thành phần chính: Khí thiên nhiên, khí dầu mỏ, xăng, dầu diesel, nhiên liệu phản lực… đều có thành phần chính là các alkane (hydrocarbon no, mạch hở).
• Alkane là nguồn nguyên liệu quan trọng cho công nghiệp hoá chất hữu cơ: dùng để sản xuất nhựa, phân bón (urea, ammonia), dược phẩm, dung môi, sáp, kem dưỡng da, các arene (benzene, toluene, xylene)…

I. Khái niệm, danh pháp

Câu 1 trang 84

Đề bài: Viết các công thức cấu tạo và gọi tên theo danh pháp thay thế của alkane có công thức phân tử $\text{C}_5\text{H}_{12}$ và phân loại các đồng phân đó.

Lời giải:

$\text{C}_5\text{H}_{12}$ có 3 đồng phân cấu tạo:

Đồng phân 1: mạch không phân nhánh

$$\text{CH}_3-\text{CH}_2-\text{CH}_2-\text{CH}_2-\text{CH}_3$$

Tên gọi: pentane.

Đồng phân 2: mạch chính 4C, có 1 nhánh methyl ở C2

$$\text{CH}_3-\text{CH}(\text{CH}_3)-\text{CH}_2-\text{CH}_3$$

Tên gọi: 2-methylbutane.

Đồng phân 3: mạch chính 3C, có 2 nhánh methyl ở C2

$$\text{C}(\text{CH}_3)_4 \quad \text{hay} \quad (\text{CH}_3)_3\text{C}-\text{CH}_3$$

Tên gọi: 2,2-dimethylpropane.

Phân loại:

• Alkane mạch không phân nhánh: pentane.
• Alkane mạch phân nhánh: 2-methylbutane và 2,2-dimethylpropane.

Câu 2 trang 84

Đề bài: Viết công thức cấu tạo của alkane có tên gọi 2-methylpropane.

Lời giải:

Phân tích tên:

• Mạch chính: propane (3 nguyên tử carbon).
• Nhánh: 1 nhóm methyl ($\text{CH}_3-$) ở vị trí C2 (carbon số 2).

Công thức cấu tạo:

$$\text{CH}_3-\text{CH}(\text{CH}_3)-\text{CH}_3 \quad \text{hay} \quad (\text{CH}_3)_3\text{CH}$$

Câu 3 trang 84

Đề bài: Tên gọi của chất sau đây bị sai, em hãy giải thích và sửa lại cho đúng:

$$\text{CH}_3-\text{CH}(\text{CH}_3)-\text{CH}_2-\text{CH}_3 \quad \text{(1-methylbutane)}$$

Lời giải:

Phân tích vì sao tên sai:

• Mạch chính dài nhất có 4 carbon → tên mạch chính là butane (đúng).
• Nhưng cách đánh số carbon trong tên đã cho chưa đúng.

Quy tắc: Đánh số nguyên tử carbon trong mạch chính sao cho nhánh có số chỉ vị trí nhỏ nhất.

• Đánh số từ trái sang phải: $\text{CH}_3^{(1)} – \text{CH}^{(2)}(\text{CH}_3) – \text{CH}_2^{(3)} – \text{CH}_3^{(4)}$ → nhánh ở vị trí 2.
• Đánh số từ phải sang trái: $\text{CH}_3^{(4)} – \text{CH}^{(3)}(\text{CH}_3) – \text{CH}_2^{(2)} – \text{CH}_3^{(1)}$ → nhánh ở vị trí 3.

Chọn số nhỏ hơn → nhánh ở vị trí 2.

Tên đúng: 2-methylbutane.

II. Tính chất vật lí

Câu 4 trang 85

Đề bài: Dựa vào Bảng 15.2, em hãy nhận xét về quy luật biến đổi nhiệt độ sôi của alkane theo phân tử khối.

Lời giải:

Quan sát Bảng 15.2: từ methane (−161,5 °C) đến decane (174,0 °C), khi số nguyên tử carbon trong phân tử tăng (phân tử khối tăng) thì nhiệt độ sôi cũng tăng dần.

Nhận xét: Khi phân tử khối của alkane tăng thì nhiệt độ sôi của alkane tăng dần.

III. Tính chất hoá học

1. Phản ứng thế

Hoạt động trang 86 – Thí nghiệm phản ứng bromine hoá hexane

Đề bài: Cho khoảng 1 mL hexane vào ống nghiệm rồi cho tiếp khoảng 1 mL nước bromine. Quan sát thấy ống nghiệm có hai lớp, lớp dưới là nước bromine màu vàng, lớp trên là hexane không màu. Lắc đều và quan sát. Đặt ống nghiệm vào cốc nước ấm (khoảng 50 °C), quan sát hiện tượng.

1. Nêu hiện tượng xảy ra trong quá trình thí nghiệm. Giải thích.
2. Viết phương trình hoá học ở dạng công thức phân tử của phản ứng xảy ra trong thí nghiệm trên (nếu có), giả thiết là chỉ có một nguyên tử hydrogen được thay thế.

Lời giải:

1. Hiện tượng và giải thích:

• Sau khi lắc đều ở nhiệt độ thường: bromine tan vào hexane (vì cả hai đều không phân cực) → lớp trên (hexane) chuyển sang màu vàng, lớp dưới (nước bromine) nhạt màu. Đây chỉ là sự hoà tan, chưa có phản ứng xảy ra.
• Khi đặt vào nước ấm khoảng 50 °C: lớp hexane (trên) nhạt màu dần do bromine đã phản ứng với hexane.

→ Giải thích: ở nhiệt độ thường, alkane khá trơ; khi đun nóng, alkane mới phản ứng thế với bromine.

2. Phương trình hoá học (chỉ thay thế 1 nguyên tử H):

$$\text{C}_6\text{H}_{14} + \text{Br}_2 \xrightarrow{t^o} \text{C}_6\text{H}_{13}\text{Br} + \text{HBr}$$

Câu 5 trang 87

Đề bài: Viết sơ đồ phản ứng của butane với bromine trong điều kiện có chiếu sáng, tạo thành các sản phẩm monobromine.

Lời giải:

Phân tích: Butane ($\text{CH}_3-\text{CH}_2-\text{CH}_2-\text{CH}_3$) có 2 loại nguyên tử H:

• H ở C1 và C4 (carbon đầu mạch).
• H ở C2 và C3 (carbon giữa mạch).

Phản ứng thế bromine có thể xảy ra ở cả hai vị trí → thu được 2 sản phẩm monobromine:

$$\text{CH}_3-\text{CH}_2-\text{CH}_2-\text{CH}_3 + \text{Br}_2 \xrightarrow{\text{ánh sáng}} \begin{cases} \text{CH}_3-\text{CH}_2-\text{CH}_2-\text{CH}_2\text{Br} + \text{HBr} \\ \text{CH}_3-\text{CH}_2-\text{CHBr}-\text{CH}_3 + \text{HBr} \end{cases}$$

Trong đó:

• $\text{CH}_3-\text{CH}_2-\text{CH}_2-\text{CH}_2\text{Br}$: 1-bromobutane (thế H ở C1 hoặc C4).
• $\text{CH}_3-\text{CH}_2-\text{CHBr}-\text{CH}_3$: 2-bromobutane (thế H ở C2 hoặc C3).

4. Phản ứng oxi hoá

Hoạt động trang 88 – Thí nghiệm phản ứng oxi hoá hexane

Đề bài: Tiến hành 2 thí nghiệm:

Thí nghiệm 1: Cho khoảng 1 mL hexane vào ống nghiệm, thêm vài giọt dung dịch $\text{KMnO}_4$ 1%, lắc đều khoảng 5 phút, để yên 10 phút. Quan sát thấy ống nghiệm có 2 lớp: lớp dưới là dung dịch $\text{KMnO}_4$ màu tím, lớp trên là hexane không màu.

Thí nghiệm 2: Cho khoảng 1 mL hexane vào bát sứ nhỏ, đưa que đóm đang cháy vào bề mặt chất lỏng — hexane bốc cháy cho ngọn lửa màu vàng.

a) Hexane có phản ứng với dung dịch $\text{KMnO}_4$ ở điều kiện thường không? Tại sao?

b) Tại sao lại đốt cháy hexane trong bát sứ mà không nên đốt trong cốc thuỷ tinh? Viết phương trình hoá học của phản ứng xảy ra.

c) Nếu đốt cháy hexane trong điều kiện thiếu oxygen sẽ tạo ra carbon monoxide và nước. Hãy viết phương trình hoá học của phản ứng này.

Lời giải:

a) Hexane có phản ứng với dung dịch $\text{KMnO}_4$ ở điều kiện thường không?

• Không. Sau khi lắc đều và để yên, dung dịch $\text{KMnO}_4$ vẫn giữ màu tím → chứng tỏ không có phản ứng.
• Giải thích: Trong phân tử hexane chỉ có các liên kết đơn C–C và C–H bền vững và kém phân cực, vì vậy hexane (và các alkane nói chung) tương đối trơ về mặt hoá học ở điều kiện thường, không bị $\text{KMnO}_4$ oxi hoá.

b) Vì sao đốt hexane trong bát sứ mà không trong cốc thuỷ tinh?

• Phản ứng cháy của hexane toả nhiều nhiệt → nếu đốt trong cốc thuỷ tinh, cốc dễ bị nứt vỡ do sốc nhiệt.
• Bát sứ chịu nhiệt độ cao tốt hơn nên an toàn hơn khi đốt.

Phương trình hoá học của phản ứng cháy hoàn toàn:

$$2\text{C}_6\text{H}_{14} + 19\text{O}_2 \xrightarrow{t^o} 12\text{CO}_2 + 14\text{H}_2\text{O}$$

c) Phương trình đốt cháy hexane thiếu oxygen (tạo CO và $\text{H}_2\text{O}$):

$$2\text{C}_6\text{H}_{14} + 13\text{O}_2 \xrightarrow{t^o} 12\text{CO} + 14\text{H}_2\text{O}$$

Câu 6 trang 88

Đề bài: Viết phương trình hoá học của phản ứng đốt cháy hoàn toàn pentane.

Lời giải:

Pentane có công thức $\text{C}_5\text{H}_{12}$. Áp dụng công thức tổng quát đốt cháy alkane:

$$\text{C}_n\text{H}_{2n+2} + \dfrac{3n+1}{2}\text{O}_2 \xrightarrow{t^o} n\text{CO}_2 + (n+1)\text{H}_2\text{O}$$

Với $n = 5$: hệ số $\text{O}_2$ là $\dfrac{3 \cdot 5 + 1}{2} = \dfrac{16}{2} = 8$.

Phương trình:

$$\text{C}_5\text{H}_{12} + 8\text{O}_2 \xrightarrow{t^o} 5\text{CO}_2 + 6\text{H}_2\text{O}$$

IV. Ứng dụng

Câu 7 trang 89

Đề bài: Tại sao ở các cây xăng, kho chứa xăng dầu thường treo các biển cấm: “CẤM LỬA” và “CẤM HÚT THUỐC”?

Lời giải:

• Xăng, dầu là các alkane lỏng dễ bay hơi. Hơi xăng, dầu hoà với không khí tạo thành hỗn hợp dễ cháy nổ.
• Khi gặp tia lửa (từ bật lửa, diêm) hoặc tàn thuốc đang cháy → hỗn hợp này có thể bốc cháy hoặc phát nổ, gây hậu quả nghiêm trọng về người và tài sản.

→ Vì vậy, ở các cây xăng, kho chứa xăng dầu phải treo biển cấm lửa, cấm hút thuốc để đảm bảo an toàn, phòng chống cháy nổ.

ThS. Lê Thị Mai Nhi

(Người kiểm duyệt, ra đề)

Chức vụ: Trưởng ban biên soạn môn Hoá Học THPT

Trình độ: Thạc sĩ Hóa học, Chứng chỉ hạng II, Chứng chỉ STEM, Ngoại ngữ B1

Kinh nghiệm: 10+ năm kinh nghiệm tại Trường THPT Chuyên Nguyễn Huệ