Ankan – Khái niệm, Đồng đẳng, Đồng phân, Tính chất hóa học

Ankan là loại hidrocacbon no, mạch hở, trong đó phân tử chỉ chứa các liên kết đơn C-C hoặc C-H (CnH2n+2). Metan (CH4) là Ankan đơn giản nhất. Tại nội dung bài viết LabVIETCHEM sẽ chia sẻ thông tin cụ thể về Ankan đến các bạn. 

1. Ankan là gì?

Ankan là loại hidrocacbon no, mạch hở, trong đó phân tử chỉ chứa các liên kết đơn C-C hoặc C-H. Công thức tổng quát của ankan là CnH2n+2 (với n ≥ 1). 

Metan (CH4) là Ankan đơn giản nhất.

Hình 1: Ankan là loại hidrocacbon no, mạch hở

2. Đồng đẳng – Đồng phân – Tên gọi của Ankan

2.1. Đồng đẳng của Ankan

Các hợp chất như CH4, C2H6, C3H8, C4H10, C5H12,... thuộc dãy đồng đẳng của Ankan. Có công thức tổng quát CnH2n+2 (với n ≥ 1). Đây là các hidrocacbon mạch hở, có cấu trúc phân nhánh hoặc không phân nhánh. Trong phân tử Ankan, chỉ có sự xuất hiện của liên kết C-C và C-H. Trong các phân tử Ankan (trừ CH4), các nguyên tử cacbon không cùng nằm trên một đường thẳng.

2.2. Đồng phân của Ankan

Đối với các Ankan có từ 4 nguyên tử cacbon trở lên. Tức là từ C4H10 trở đi, có sự xuất hiện của đồng phân mạch cacbon. Mỗi công thức phân tử tương ứng với một loại hợp chất có cấu trúc mạch cacbon phân nhánh và mạch cacbon không phân nhánh. Đây là loại đồng phân cấu trúc của Ankan.

Tên gọi của Ankan (danh pháp)

Cách gọi tên Ankan mạch cacbon thẳng: Tên mạch cacbon + an. Bao gồm:

• CH4: Metan
• C2H6: Etan
• C3H8: Propan
• C4H10: Butan
• C5H12: Pentan
• C6H14: Hexan
• C7H16: Heptane
• C8H18: Octane
• C9H20: Nonan
• C10H22: Đecan

Hình 2: Tên gọi của Ankan (danh pháp)

Cách gọi tên Ankan khi mạch cacbon có nhánh: Vị trí mạch nhánh + tên nhánh + tên mạch chính (tên Ankan tương ứng với số nguyên tử cacbon trong mạch chính). 

3. Tính chất vật lý của Ankan

Ankan sở hữu các tính chất vật lý nổi bật sau đây: 

• Ở điều kiện phòng, 4 Ankan đầu tiên trong dãy đồng đẳng từ CH4 đến C4H10 tồn tại dưới dạng khí. Các Ankan tiếp theo chuyển sang trạng thái lỏng, và từ C18H38 trở đi, chúng tồn tại dưới dạng rắn.
• Nhiệt độ nóng chảy, nhiệt độ sôi cũng như khối lượng riêng của các Ankan tăng dần theo chiều tăng của khối lượng phân tử.
• Khối lượng riêng của Ankan thường nhẹ hơn so với nước. Hầu hết, các Ankan không tan trong nước mà chỉ tan trong dung môi hữu cơ.
• Ankan thường là các dung môi không phân cực, có khả năng tan trong các chất không phân cực như benzen, dầu mỡ,...

Hình 3: Tính chất vật lý của Ankan

4. Tính chất hóa học của Ankan

Dưới điều kiện thông thường, các Ankan thường không phản ứng với dung dịch axit, dung dịch kiềm và các chất oxi hóa. Tuy nhiên, khi bị đun nóng hoặc chiếu sáng, chúng có thể dễ dàng tham gia vào các loại phản ứng thế, phản ứng tách hiđro và phản ứng cháy. Dưới đây là ba loại phản ứng hóa học điển hình của Ankan: 

4.1. Phản ứng thế bằng Halogen (Cl2, Br2)

Khi Ankan như Metan được chiếu sáng hoặc đốt nóng trong môi trường chứa Clo, các nguyên tử Hiđro có thể bị thay thế một cách tuần tự bằng Clo. Các phản ứng hóa học của Ankan diễn ra như sau:

• CH4 + Cl2 → CH3Cl + HCl
• CH3Cl + Cl2 → CH2Cl2 + HCl
• CH2Cl2 + Cl2 → CHCl3 + HCl
• CHCl3 + Cl2 → CCl4 + HCl

4.2. Phản ứng tách của Ankan

4.2.1. Phản ứng tách H2 của Ankan

Phản ứng tách H2 của Ankan, còn được biết đến là phản ứng đề hidro hóa, diễn ra theo công thức tổng quát: CnH2n+2 → CnH2n + H2. Chỉ những Ankan có ít nhất 2 nguyên tử Carbon mới có khả năng tham gia vào phản ứng này. 

Trong quá trình phản ứng tách H2, hai nguyên tử Hiđro gắn với hai nguyên tử Cacbon kề nhau sẽ tách ra cùng nhau, và thường ưu tiên tách Hiđro từ nguyên tử Cacbon ở bậc cao hơn.

Phương trình hóa học:

• CH3-CH2-CH3 → CH2=CH-CH3 + H2

Một số trường hợp đặc biệt:

• CH3-CH2-CH2-CH3 → 2H2 + CH2=CH-CH=CH2
• CH3-CH(CH3)-CH2-CH3 → CH2=C(CH3)-CH=CH2 + 2H2
• n-C6H14 → 4H2 + C6H6 (Benzene)
• n-C7H16 → 4H2 + C6H5CH3 (Toluen)

Hình 4: Tính chất hóa học của Ankan

4.2.2. Phản ứng Cracking của Ankan (n≥ 3) 

Phản ứng tách mạch cacbon của ankan, hay phản ứng Cracking. Phản ứng này xảy ra trong điều kiện nhiệt độ, áp suất và xúc tác phù hợp. Công thức tổng quát của phản ứng là: CnH2n+2 → CxH2x+2 + CyH2y. 

Ankan thẳng CnH2n+2 khi trải qua quá trình Cracking có thể phân chia thành (n – 2) mạch khác nhau, tạo ra 2(n-2) sản phẩm. Số mol của ankan sau phản ứng luôn bằng số mol của ankan ban đầu, dù quá trình Cracking có nhiều giai đoạn.

Ankan có thể phân hủy bởi nhiệt. Công thức tổng quát cho phản ứng phân hủy là: CnH2n+2 → nC + (n+1)H2. Đồng thời, phản ứng phân hủy cũng có thể xảy ra khi ankan phản ứng với halogen, với công thức tổng quát: CnH2n+2 + nCl2 → CnCl2n+2 + (n+1)H2.

4.2.3. Phản ứng cháy của Ankan

Phản ứng oxy hóa của Ankan, hay còn gọi là phản ứng cháy của Ankan, diễn ra khi ankan tương tác với các tác nhân oxy hóa ở nhiệt độ thường. Tuy nhiên, ở nhiệt độ cao hoặc khi có sự hiện diện của xúc tác, ankan có thể phản ứng với oxi, KMnO4, K2Cr2O7 để tạo thành các sản phẩm như: Ancol, Andehit, Xeton, Acid carboxylic…

Công thức tổng quát cho phản ứng cháy của Ankan là: CnH2n+2 → CnH2n + H2

Khi thực hiện phản ứng cháy của Ankan, cần lưu ý hai điểm quan trọng sau:

• Số lượng CO2 tạo ra luôn ít hơn số lượng H2O.
• Hiệu số giữa số mol H2O và số mol CO2 bằng số mol của ankan bị đốt cháy.

Nếu kết quả của phản ứng cháy cho thấy số mol CO2 nhỏ hơn số mol H2O, thì hydrocacbon đốt cháy thuộc loại ankan. Trong trường hợp đốt cháy một hỗn hợp hydrocacbon và số mol CO2 nhỏ hơn số mol H2O, hỗn hợp cháy này sẽ chứa ít nhất một loại ankan.

LabVIETCHEM vừa chia sẻ các thông tin liên quan đến Ankan đến các bạn thông qua bài viết. Hy vọng bài viết của LabVIETCHEM đã mang đến thông tin hữu ích đến các bạn.