Alkane

Alkane là những hydrocarbon mạch hở chỉ chứa liên kết đơn trong phân tử và có công thức chung là C_nH_2n+2 (n≥1).

Ví dụ:

Ethane (C₂H₆)

Propane (C₃H₈)

Butane (C₄H₁₀)

Nguồn alkane trong tự nhiên: dầu mỏ, khí dầu mỏ, khí ao hồ.

Cấu tạo và công thức của alkane

Methane	Ethane	Propane

Alkane không phân nhanh có mạch carbon chỉ chứa nguyên tử carbon bậc I và bậc II. Alkane phân nhánh có chứa nguyên tử carbon bậc III, IV.

Bậc của nguyên tử carbon trong phân tử alkane được xác định bằng số nguyên tử carbon liên kết trực tiếp với nguyên tử carbon đó. Bậc của nguyên tử carbon được kí hiệu bằng số La Mã.

II. Danh pháp

1. Tên theo danh pháp thay thế của alkane không phân nhánh

Tên thay thế của một số alkane mạch không nhánh

Số nguyên tử carbon	Công thức alkane	Phần nền	Tên alkane
1	CH4	meth-	methane
2	CH3CH3	eth-	ethane
3	CH3CH2CH3	prop-	propane
4	CH3[CH2]2CH3	but-	butane
5	CH3[CH2]3CH3	pent-	pentane
6	CH3[CH2]4CH3	hex-	hexane
7	CH3[CH2]5CH3	hept-	heptane
8	CH3[CH2]6CH3	oct-	octane
9	CH3[CH2]7CH3	non-	nonane
10	CH3[CH2]8CH3	dec-	decane

2.2. Tên theo danh pháp thay thế của alkane phân nhánh

• Chọn mạch chính là mạch carbon dài nhất.
• Đánh số nguyên tử carbon mạch chính sao cho mạch nhánh có số chỉ vị trí nhỏ nhất.
• Tên nhánh là tên gốc alkyl. Gốc alkyl là phần còn lại sau khi loại đi 1 nguyên tử H của alkane
• Dùng chữ số (1, 2, 3, ...) và gạch nối (-) để chỉ vị trí nhánh, nhóm cuối cùng viết liền với tên mạch chính.
• Nếu có nhiều nhánh giống nhau: dùng các từ như di-(2), tetra-(4),... để chỉ số lượng nhóm giống nhau, tên nhanh viết theo thứ tự bảng chữ cái.

Ví dụ:

2-methylbutane	2-2-dimethylpropane

Tên gốc alkyl được gọi theo tên alkane nhưng bỏ ane thêm yl (thay đuôi ane trong alkane bằng yl) 

Ví dụ: methyl CH₃-, ethyl (C₂H₅-), propyl (C₃H₇-), ...

III. Tính chất vật lí

Ở điều kiện thường, các alkane từ C1 đến C4 ở thể khí.

Các alkane đều nhẹ hơn hơn nước, không tan truong nước, nhưng tan trong các dung môi không phân cực.

Khi số nguyên tử carbon tăng, nhiệt độ sôi và nhiệt độ nóng chảy của các alkane tăng.

IV. Tính chất hóa học

Do phân tử chỉ chứa liên kết σ bền, không phân cực nên alkane tương đối trơ về mặt hóa học.

Mô hình phân tử methane và ethane

1. Phản ứng thế halogen

C_nH_2n+2 + Cl₂ \(\overset{ánh \: sáng}{\rightarrow}\) C_nH_2n+1 + HCl

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

CH₄ + Cl₂ \(\overset{ánh \: sáng}{\rightarrow}\) CH₃Cl + HCl

                 Chloromethane

CH₃Cl + Cl₂ \(\overset{ánh \: sáng}{\rightarrow}\) CH₂Cl₂ + HCl

                 dichloromethane

CH₂Cl₂ + Cl₂ \(\overset{ánh \: sáng}{\rightarrow}\) CHCl₃ + HCl

                   trichloromethane

CHCl₃ + Cl₂ \(\overset{ánh \: sáng}{\rightarrow}\) CCl₄ + HCl

            tetrachloromethane

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

Ví dụ:

Phản ứng đặc trưng của alkane, nguyên tử H liên kết với nguyên tử C bậc cao dễ bị thế hơn nguyên tử H liên kết với nguyên tử C bậc thấp hơn.

2. Phản ứng cracking

Quá trình “bẻ gãy” các phân tử alkane mạch dài thành các phân tử hydrocarbon mạch ngắn hơn.

C_nH_2n+2 → C_mH_2m+2 + C_pH_2p

Ví dụ:

CH₃-CH₂-CH₃ \(\overset{cracking}{\rightarrow}\) CH₂=CH₂ + CH₄

C₁₂H₂₆ \(\overset{cracking}{\rightarrow}\) C₇H₁₆ + C₅H₁₀

3. Phản ứng reforming

Reforming là quá trình biển đổi cấu trúc phân tử các alkane mạch không phân nhánh, mạch hở, không thơm thành các hydrocarbon có mạch nhánh hoặc mạch vòng.

4. Phản ứng oxi hóa

4.1. Oxi hóa hoàn toàn

Các alkane thường dễ cháy và tỏa nhiều nhiệt.

 \(C_{n} H_{2n+2}+\frac{3n+1}{2} O_{2} \overset{t^{o} }{\rightarrow}nCO_{2}+(n+1)H_{2}O\)

CH₄ + 2O₂ \(\overset{t^{o} }{\rightarrow}\) CO₂ + 2H₂O

4.2. Oxi hóa không hoàn toàn

Trong trường hợp thiếu oxygen, phản ứng cháy xảy ra không hoàn toàn, tạo CO và có thể có C.

2C₅H₁₂ + 11O₂ \(\overset{t^{o} }{\rightarrow}\) 10CO + 12H₂O

V. Ứng dụng của alkane và điều chế alkane trong công nghiệp

Alkane được sử dụng làm nhiên liệu, dung môi, dầu nhờn,… và nguyên liệu để tổng hợp các chất hữu cơ khác nhau.

Trong công nghiệp, alkane được khai thác, chế biến từ khí thiên nhiên, khí đồng hành, dầu mỏ.

Ô nhiễm không khí do khói thải từ các phương tiện giao thông góp phần làm Trái Đất nóng lên và gây ra sự biến đổi khí hậu toàn cầu.

Tăng cường tham gia vận tải công cộng, giảm sự phụ thuộc nhiên liệu hóa thạch, bảo vệ rừng,… là những cách hạn chế sự ô nhiệm không khí.