Bài 16. Hydrocarbon không no
Tìm hiểu về alkene, alkyne và diene - các hydrocarbon có liên kết bội.
Lý thuyết Hydrocarbon không no
1. Alkene (Olefin)
a) Định nghĩa và công thức
Alkene: Hydrocarbon không no, mạch hở, có 1 liên kết đôi C=C.
Công thức chung: CₙH₂ₙ (n ≥ 2)
Ví dụ:
- C₂H₄: Ethene (Ethylene)
- C₃H₆: Propene (Propylene)
- C₄H₈: Butene
b) Cấu tạo
Liên kết đôi C=C:
- 1 liên kết σ (sigma)
- 1 liên kết π (pi)
- Độ dài: 134 pm (ngắn hơn C-C: 154 pm)
- Năng lượng: 610 kJ/mol (mạnh hơn C-C: 347 kJ/mol)
Lai hóa sp²:
- 3 orbital sp² (góc 120°)
- 1 orbital p (vuông góc mặt phẳng)
- Hình học phẳng
- Không quay tự do
c) Đồng phân
1. Đồng phân mạch carbon:
C₄H₈: CH₂=CH-CH₂-CH₃ và CH₃-CH=CH-CH₃
2. Đồng phân vị trí liên kết đôi:
But-1-ene: CH₂=CH-CH₂-CH₃
But-2-ene: CH₃-CH=CH-CH₃
3. Đồng phân hình học (cis-trans):
cis-But-2-ene: 2 CH₃ cùng phía
trans-But-2-ene: 2 CH₃ khác phía
d) Tính chất vật lý
- C₂-C₄: Khí
- C₅-C₁₇: Lỏng
- C₁₈+: Rắn
- Không tan trong nước
- Nhẹ hơn nước
2. Tính chất hóa học của alkene
a) Phản ứng cộng
1. Cộng hydrogen (hydro hóa):
CH₂=CH₂ + H₂ → CH₃-CH₃ (Ni, t°)
2. Cộng halogen:
CH₂=CH₂ + Br₂ → CH₂Br-CH₂Br
Hiện tượng: Dung dịch Br₂ (nâu đỏ) mất màu
3. Cộng hydrogen halide (quy tắc Markovnikov):
CH₃-CH=CH₂ + HBr → CH₃-CHBr-CH₃ (sản phẩm chính)
Quy tắc Markovnikov: H cộng vào C có nhiều H hơn, halogen vào C có ít H hơn.
4. Cộng nước (hydrat hóa):
CH₂=CH₂ + H₂O → CH₃-CH₂-OH (H₂SO₄, t°)
b) Phản ứng trùng hợp
nCH₂=CH₂ → (-CH₂-CH₂-)ₙ (t°, p, xt)
Tạo polymer (polyethylene - PE)
Ứng dụng:
- PE: Túi nilon, màng bọc
- PP (từ propylene): Ống nước, đồ gia dụng
- PVC (từ vinyl chloride): Ống nước, dây điện
c) Phản ứng oxi hóa
1. Oxi hóa hoàn toàn (cháy):
CₙH₂ₙ + 3n/2 O₂ → nCO₂ + nH₂O
Đặc điểm: n(CO₂) = n(H₂O)
2. Oxi hóa không hoàn toàn:
CH₂=CH₂ + [O] + H₂O → CH₂(OH)-CH₂(OH) (KMnO₄)
Hiện tượng: Dung dịch KMnO₄ (tím) mất màu
3. Alkyne (Acetylene)
a) Định nghĩa và công thức
Alkyne: Hydrocarbon không no, mạch hở, có 1 liên kết ba C≡C.
Công thức chung: CₙH₂ₙ₋₂ (n ≥ 2)
Ví dụ:
- C₂H₂: Ethyne (Acetylene)
- C₃H₄: Propyne
- C₄H₆: Butyne
b) Cấu tạo
Liên kết ba C≡C:
- 1 liên kết σ + 2 liên kết π
- Độ dài: 120 pm (ngắn nhất)
- Lai hóa sp (góc 180°)
- Hình học thẳng hàng
c) Tính chất hóa học
1. Phản ứng cộng:
Cộng H₂ (2 giai đoạn):
CH≡CH + H₂ → CH₂=CH₂ (Pd/PbCO₃, t°)
CH₂=CH₂ + H₂ → CH₃-CH₃ (Ni, t°)
Cộng Br₂ (2 giai đoạn):
CH≡CH + Br₂ → CHBr=CHBr
CHBr=CHBr + Br₂ → CHBr₂-CHBr₂
2. Phản ứng thế kim loại:
CH≡CH + 2AgNO₃ + 2NH₃ → CAg≡CAg↓ + 2NH₄NO₃
Kết tủa vàng (acetylide bạc)
3. Phản ứng cháy:
CₙH₂ₙ₋₂ + (3n-1)/2 O₂ → nCO₂ + (n-1)H₂O
Đặc điểm: n(CO₂) > n(H₂O)
d) Điều chế và ứng dụng
Điều chế C₂H₂:
CaC₂ + 2H₂O → C₂H₂ + Ca(OH)₂
Ứng dụng:
- Hàn cắt kim loại (ngọn lửa 3000°C)
- Sản xuất PVC, cao su tổng hợp
- Tổng hợp hóa chất
4. Diene và so sánh
a) Diene
Định nghĩa: Hydrocarbon có 2 liên kết đôi.
Công thức chung: CₙH₂ₙ₋₂ (n ≥ 3)
Phân loại:
- Liên hợp: 2 liên kết đôi cách nhau 1 liên kết đơn
- Ví dụ: CH₂=CH-CH=CH₂ (butadiene)
- Cô lập: 2 liên kết đôi cách nhau ≥2 liên kết đơn
- Tích tụ: 2 liên kết đôi kề nhau (hiếm)
Tính chất:
- Phản ứng cộng 1,2 và 1,4
- Trùng hợp tạo cao su
Ứng dụng:
Butadiene → Cao su Buna, SBR (cao su lốp xe)
b) So sánh alkane, alkene, alkyne
| Đặc điểm | Alkane | Alkene | Alkyne |
|---|---|---|---|
| Công thức | CₙH₂ₙ₊₂ | CₙH₂ₙ | CₙH₂ₙ₋₂ |
| Liên kết | C-C (đơn) | C=C (đôi) | C≡C (ba) |
| Lai hóa | sp³ | sp² | sp |
| Phản ứng chính | Thế | Cộng | Cộng, Thế |
| Với Br₂ | Không (đktc) | Mất màu | Mất màu |
| Với KMnO₄ | Không | Mất màu | Mất màu |
Các dạng bài tập
Dạng 1: Dạng 1: Xác định công thức và viết đồng phân
Phương pháp giải:
Phương pháp:
- Xác định loại hydrocarbon từ công thức
- Viết các đồng phân (mạch, vị trí, hình học)
- Đặt tên theo IUPAC
Ví dụ:
a) Xác định CTPT:
X làm mất màu Br₂ → X là alkene hoặc alkyne
Thử alkene CₙH₂ₙ:
M = 14n = 56 → n = 4
CTPT: C₄H₈ (alkene)
Kiểm tra alkyne CₙH₂ₙ₋₂:
M = 14n - 2 = 56 → n = 4.14 (loại)
b) Các đồng phân alkene C₄H₈:
Đồng phân 1: But-1-ene
CH₂=CH-CH₂-CH₃
Đồng phân 2: But-2-ene
CH₃-CH=CH-CH₃
Đồng phân 3: 2-methylpropene
CH₃
|
CH₂=C-CH₃Đồng phân 4: Cyclobutane
Vòng 4 cạnh (không có C=C, nhưng cùng CTPT)
c) Đồng phân hình học:
But-2-ene có đồng phân cis-trans:
cis-But-2-ene:
CH₃ CH₃ \ / C=C / \ H H
2 nhóm CH₃ cùng phía
trans-But-2-ene:
CH₃ H \ / C=C / \ H CH₃
2 nhóm CH₃ khác phía
Giải thích:
- But-1-ene: Không có (1 C có 2H)
- 2-methylpropene: Không có (1 C có 2 CH₃)
- But-2-ene: Có (mỗi C có 1H và 1 CH₃)
Đáp án: But-2-ene có đồng phân cis và trans.
Dạng 2: Dạng 2: Bài toán về phản ứng cộng và cháy
Phương pháp giải:
Phương pháp:
- Viết PTHH phản ứng
- Tính toán theo mol
- Sử dụng quan hệ n(CO₂) và n(H₂O)
Ví dụ:
a) Tính khối lượng Br₂:
Bước 1: Tính số mol hỗn hợp
n(X) = 5.6 / 22.4 = 0.25 mol
Bước 2: Viết PTHH
C₂H₄ + Br₂ → C₂H₄Br₂
C₃H₆ + Br₂ → C₃H₆Br₂
Cả 2 alkene đều cộng 1 mol Br₂
Bước 3: Tính n(Br₂)
n(Br₂) = n(X) = 0.25 mol
m(Br₂) = 0.25 × 160 = 40g
b) Tính thể tích CO₂:
Phương trình cháy:
C₂H₄ + 3O₂ → 2CO₂ + 2H₂O
C₃H₆ + 4.5O₂ → 3CO₂ + 3H₂O
Gọi: n(C₂H₄) = a mol, n(C₃H₆) = b mol
a + b = 0.25
n(CO₂) = 2a + 3b
n(H₂O) = 2a + 3b
→ n(CO₂) = n(H₂O) (đặc điểm alkene CₙH₂ₙ)
Cách khác: Dùng công thức trung bình
Số C trung bình: n̄ = (2a + 3b)/(a+b)
Với alkene: n(CO₂) = n̄ × n(X)
Nhưng chưa biết tỉ lệ a:b
Nếu không biết tỉ lệ: Không tính được chính xác
c) Với tỉ lệ C₂H₄:C₃H₆ = 2:3:
Bước 1: Tính số mol
n(C₂H₄) = 0.25 × 2/5 = 0.1 mol
n(C₃H₆) = 0.25 × 3/5 = 0.15 mol
Bước 2: Tính khối lượng
m(C₂H₄) = 0.1 × 28 = 2.8g
m(C₃H₆) = 0.15 × 42 = 6.3g
Bước 3: Tính V(CO₂)
n(CO₂) = 2 × 0.1 + 3 × 0.15 = 0.2 + 0.45 = 0.65 mol
V(CO₂) = 0.65 × 22.4 = 14.56 lít
Đáp án:
- a) m(Br₂) = 40g
- b) V(CO₂) = 14.56 lít (với tỉ lệ 2:3)
- c) m(C₂H₄) = 2.8g; m(C₃H₆) = 6.3g
Dạng 3: Dạng 3: Bài toán thực tế về sản xuất polymer
Phương pháp giải:
Phương pháp:
- Viết PTHH trùng hợp
- Tính toán hiệu suất
- Đánh giá ứng dụng
Ví dụ:
a) Phương trình trùng hợp:
nCH₂=CH₂ → (-CH₂-CH₂-)ₙ (t°, p, xt)
Điều kiện:
- Nhiệt độ: 100-300°C
- Áp suất: 1000-3000 atm (PE áp suất cao) hoặc 1-30 atm (PE áp suất thấp)
- Xúc tác: Peroxide, Ziegler-Natta
b) Tính khối lượng PE:
Bước 1: Phân tích phản ứng
nCH₂=CH₂ (M = 28) → (-CH₂-CH₂-)ₙ (M = 28n)
Khối lượng bảo toàn: m(PE) = m(C₂H₄)
Bước 2: Tính khối lượng lý thuyết
m(PE lý thuyết) = 100 tấn
Bước 3: Tính theo hiệu suất
m(PE thực tế) = 100 × 95% = 95 tấn
c) Tính số túi nilon:
Bước 1: Đổi đơn vị
m(PE) = 95 tấn = 95,000 kg = 95,000,000 g
Bước 2: Tính số túi
Số túi = 95,000,000 / 10 = 9,500,000 túi
Kết luận: Sản xuất được 9.5 triệu túi nilon
d) Biện pháp xử lý rác thải PE:
1. Tái chế (Recycling):
- Thu gom và phân loại: Tách PE khỏi rác khác
- Rửa sạch: Loại bỏ tạp chất
- Nghiền nhỏ: Tạo mảnh nhựa
- Nóng chảy và đúc: Tạo sản phẩm mới
- Hiệu quả: Tiết kiệm 70-80% năng lượng so với sản xuất mới
- Sản phẩm: Túi rác, ống nước, đồ gia dụng
2. Đốt thu hồi năng lượng:
- Đốt ở nhiệt độ cao (>850°C)
- Thu hồi nhiệt phát điện
- Xử lý khí thải (lọc bụi, khử độc)
- Hiệu quả: 1 kg PE ≈ 44 MJ năng lượng
- Nhược điểm: Phát thải CO₂
3. Phân hủy hóa học:
- Nhiệt phân: PE → Hydrocarbon nhẹ (nhiên liệu)
- Xúc tác: Chuyển thành xăng, dầu
- Hiệu quả: 60-80% chuyển hóa
- Ứng dụng: Sản xuất nhiên liệu tái tạo
4. Sử dụng PE phân hủy sinh học:
- Thêm chất phụ gia phân hủy
- PE oxy hóa phân hủy (oxo-biodegradable)
- Thời gian phân hủy: 2-5 năm (thay vì 100-500 năm)
- Chi phí cao hơn 20-30%
5. Giảm sử dụng:
- Thay thế bằng túi vải, giấy
- Sử dụng túi tái sử dụng
- Giảm bao bì nhựa
- Thuế môi trường cho túi nilon
So sánh các phương pháp:
| Phương pháp | Ưu điểm | Nhược điểm |
|---|---|---|
| Tái chế | Tiết kiệm tài nguyên, giảm rác | Cần phân loại, chi phí thu gom |
| Đốt | Thu hồi năng lượng, giảm thể tích | Phát thải CO₂, cần công nghệ cao |
| Phân hủy hóa học | Tạo nhiên liệu | Chi phí cao, công nghệ phức tạp |
| PE phân hủy sinh học | Thân thiện môi trường | Giá cao, chưa phổ biến |
Kết luận: Kết hợp nhiều phương pháp: Ưu tiên giảm sử dụng → Tái chế → Đốt thu hồi năng lượng. Mục tiêu: Kinh tế tuần hoàn (Circular Economy).