(SKKN 2022) phản ứng tách của ankan và phản ứng cộng hiđro của hiđrocacbon một số kinh nghiệm và phương pháp

Do đó để học sinh dễ nhớ, vận dụng giải bài tập dạng này tôi đưa ra sáng kiến kinh nghiệm với đề tài ‘‘Phản ứng tách của ankan và phản ứng cộng hiđro của hiđrocacbon - M

1 Mở đầu

1.1 Lí do chọn đề tài

Xã hội đã có nhiều thay đổi, nền giáo dục Việt Nam cũng có nhiều những đổi mới Và hơn nữa hoá học cũng cần phải có những thay đổi cả về tư duy, hình thức lẫn nội dung cốt lõi Hoá học ngày nay theo xu hướng vận động đã, đang và sẽ mãi là môn khoa học tự nhiên đóng góp nhiều thành tựu quan trọng cho cuộc sống con người Để có như vậy người học hoá học cần có những cách tiếp cận với những vấn đề, những đề tài của cuộc sống một cách nhanh chóng và thông suốt tạo nên một luồng hệ thống tư duy

Trong hóa học để hiểu được nội dung bài học các học sinh phải làm các bài tập vận dụng Đặc biệt trong hóa học hữu cơ thường có những biến đổi chất dài và nhiều kiến thức nên học sinh thường thấy khó nhớ, khó vận dụng và nguyên nhân một phần

do chưa phân dạng các bài tập cụ thể của từng phần học Đặc biệt hơn nữa đối với hóa học hữu cơ lớp 11 có những mảng kiến thức có nhứng mối liên hệ qua lại mà khi nhìn nhận được thì vận dụng một cách dễ dàng và nhanh chóng Đó là các bài tập về phản ứng tách của ankan và phản ứng cộng hiđro của hiđrocacbon Tuy nhiên hiện nay chưa có nhiều phân dạng bài tập qua lại giữa hai dạng này, nên học sinh còn lúng túng khi giải bài tập để tìm ra kết quả Do đó để học sinh dễ nhớ, vận dụng giải

bài tập dạng này tôi đưa ra sáng kiến kinh nghiệm với đề tài ‘‘Phản ứng tách của ankan và phản ứng cộng hiđro của hiđrocacbon - Một số kinh nghiệm và phương pháp’’.

Đề tài đưa ra với mục đích góp phần cho học sinh nhìn nhận được các dạng bài tập phản ứng tách của ankan và phản ứng cộng hiđro của hiđrocacbon, áp dụng giải quyết các bài tập một cách dễ dàng và hứng thú, tạo nên luồng tư duy mạch lạc, có cái nhìn sâu hơn về hoá học – môn khoa học tự nhiên đã, đang và sẽ mãi có những đóng góp quan trọng cho cuộc sống con người

1.2 Mục đích nghiên cứu

Với đề tài sáng kiến kinh nghiêm ‘‘Phản ứng tách của ankan và phản ứng cộng hiđro của hiđrocacbon - Một số kinh nghiệm và phương pháp’’ được triển khai

với mong muốn:

- Đáp ứng được nhu cầu học tập về phương pháp giải bài tập phản ứng tách của ankan và phản ứng cộng hiđro của hiđrocacbon của các em học sinh trung học phổ thông, chỉ ra cho học sinh các mảng kiến thức của từng phần có kiến thức tương tự, mối quan hệ giữa bài tập thuộc 2 dạng này, học sinh có thể nhìn ra các dạng bài tập và giải quyết vấn đề một cách nhanh chóng

- Chỉ ra các bài học cần có phân dạng, tìm ra mấu chốt của mảng kiến thức chủ đạo để khai triển và vận dụng khi giải quyết các bài tập tương tự và phát triển cao hơn

1.3 Đối tượng nghiên cứu

- Học sinh lớp 11 Trường THPT Hà Trung

1.4 Phương pháp nghiên cứu

- Thông qua phân dạng bài tập cụ thể cho từng phần kiến thức phản ứng tách của ankan, phản ứng cộng hiđro của hiđrocacbon

1

- Có thí dụ phân tích và hướng dẫn giải cụ thể cho mỗi phân dạng.

- Có bài tập vận dụng, đáp án chung cho các phân dạng

2 Nội dung của sáng kiến kinh nghiệm

2.1 Cơ sở lí luận của sáng kiến kinh nghiệm

- Bài học ankan trong sách giáo khoa hóa học 11

- Bài tập kiến thức về chương hiđrocacbon

- Các kiến thức về bảo toàn khối lượng, bảo toàn nguyên tố trong phản ứng hóa học

- Áp dụng các kiến thức bài học với mức độ nhận thức và tiếp thu của học sinh trung học phổ thông

2.1.1 Phản ứng tách của ankan

*Định nghĩa:

Dưới tác dụng của nhiệt và xúc tác (Cr2O3, Fe, Pt,…) các ankan không những bị tách hiđro tạo thành hiđrocacbon không no mà còn bị gãy các liên kết C - C tạo thành các phân tử nhỏ hơn

- Phản ứng tách hiđro gọi là phản ứng đề hiđro hóa

Thí dụ:

CH3-CH3 ⃗xt ,t0 CH2=CH2 + H2

- Phản ứng bẻ gãy liên kết C - C của ankan gọi là phản ứng crackinh

*Thí dụ:

Crackinh butan ta có thể có các phản ứng sau:

C4H10 ⃗xt ,t0

CH4 + C3H6

C4H10 ⃗xt ,t0

C2H6 + C2H4 ankan anken

2.1.2 Phản ứng cộng hiđro của hiđrocacbon

* Định nghĩa: Là phản ứng mà phân tử hiđrocacbon kết hợp thêm với phân tử hiđro, còn gọi là phản ứng hiđro hóa hiđrocacbon

*Thí dụ: C2H4 + H2 ⃗xt ,t0

C2H6

2.2 Thực trạng của vấn đề trước khi áp dụng sáng kiến kinh nghiệm

Trong hóa học hữu cơ 11, phản ứng tách của ankan, phản ứng hiđro hóa hiđrocacbon có mối quan hệ qua lại lẫn nhau Tuy nhiên hiện nay sự phân dạng và các phương pháp giải bài tập tách của ankan và phản ứng hiđro hóa hiđrocacbon còn chưa nhiều

và chưa có tính hệ thống Do đó sáng kiến kinh nghiệm với đề tài ‘‘Phản ứng tách của ankan - Một số kinh nghiệm và phương pháp’’ nhằm giúp học sinh phân dạng

và giải quyết các bài tập về phản ứng tách của ankan và phản ứng hiđro hóa hiđrocacbon

2.3 Các sáng kiến kinh nghiệm hoặc các giải pháp đã sử dụng để giải quyết vấn đề

2.3.1 Phản ứng tách của ankan

2.3.1.1 Phản ứng crackinh một lần và phản ứng tách một phân tử hiđro của ankan

*Phản ứng crackinh một lần

2

Là phản ứng crackinh mà chỉ có ankan ban đầu crackinh mà ankan tạo thành không có phản ứng crackinh tiếp

Tổng quát :

CnH2n+2 ⃗xt ,t0 CmH2m+2 + Cn-mH2(n-m)

ankan anken

-Điều kiện: m ¿ 1, n - m ¿ 2 Do đó n ¿ 3

>Từ C3 trở đi ankan mới có phản ứng crackinh

Xét thí dụ sau :

Thực hiện phản ứng cackinh x mol ankan, giả thiết rằng chỉ có ankan ban đầu thực hiện phản ứng

Phân tích :

CnH2n+2 ⃗xt ,t0

CmH2m+2 + Cn-mH2(n-m)

Bđ x

Pư y y y

Sau x-y y y

Ta có:

-Số mol trước phản ứng là:

nt = x

-Số mol sau phản ứng là:

ns = x - y + y + y = x + y

-Số mol tăng là:

ntăng = ns – nt = y = nankan pư

Nhận xét và kết luân sau:

- Số mol tăng là số mol ankan phản ứng:

ntăng = ns – nt = y = nankan pư

- Bảo toàn khối lượng:

ms = mt

- Khối lượng mol trung bình của hỗn hợp tỉ lệ nghịch với số mol:

Mt ns

Ms nt (1)

- Hiệu suất phản ứng crackinh:

H = Mt/Ms -1 (2)

Chứng minh

+ Công thức (1):

Ta có Mt =

mt

nt và Ms =

ms ns

Khi đó:

Mt

Ms =

mt

nt :

ms

ns (*) Mặt khác theo định luật bảo toàn khối lượng ta có: ms = mt

Do đó (*) ta có thể viết:

3

Mt ns

Ms nt (đpcm)

+ Công thức (2):

Hiệu suất phản ứng là

H = ntăng/nankan = (ns - nT)/nt = ns/nT - 1 = Mt/Ms - 1

*Phản ứng tách một phân tử hiđro của ankan

Xét thí dụ sau:

Thực hiện phản ứng đề hiđro hoá a mol ankan X thu được hỗn hợp Y Biết ankan thực hiện phản ứng tách một phân tử hiđro

Phân tích:

Ankan đề hiđro hóa theo phản ứng sau:

CnH2n+2 ⃗xt ,t0 CnH2n + H2 (n ¿ 2)

bđ: a

pư: x x x

sau: a - x x x

Ta có:

-Số mol trước phản ứng:

nt = a

-Số mol sau phản ứng:

ns = a - x + x + x = a + x

-Số mol khí tăng:

ntăng = ns – nt = a + x - a = x = nankan pư

Do đó ta có:

- Số mol tăng là số mol ankan phản ứng:

ntăng = ns – nt = nankan pư

Nhận xét: Phản ứng crackinh một lần ankan và phản ứng ankan tách một phân tử H2

có cùng hình thức biến đổi số mol trước và sau phản ứng

Kết luận cho phản ứng crackinh một lần và phản ứng tách một phân tử hiđro của ankan:

- Số mol tăng bằng số mol ankan phản ứng:

ntăng = ns – nt = nankan(phản ứng)= nanken =npi(sau)

- Bảo toàn khối lượng: ms = mt

- Khối lượng mol trung bình của hỗn hợp tỉ lệ nghịch với số mol:

Mt ns

Msnt

- Hiệu suất phản ứng tách:

H = Mt/Ms - 1

2.3.1.2 Phản ứng crackinh nhiều lần và phản ứng tách nhiều phân tử hiđro của ankan

* Phản ứng crackinh nhiều lần

4

Là phản ứng crackinh mà ankan sinh ra có thể crackinh tiếp.

Xét thí dụ:

CnH2n+2  CaH2a+2 + CbH2b

Sau đó: CaH2a+2  C2pH2p+2 + CqH2q

ankan anken

…

Kết luận:

- Số mol khí tăng là số mol anken tạo thành và bằng số mol liên kết pi :

ntăng = ns – nt = nanken(tạo thành) = npi(sau)

(Số mol khí tăng không bằng số mol ankan ban đầu phản ứng)

- Tổng số mol ankan sau phản ứng bằng số mol ankan ban đầu:

∑¿ ¿ nankan(sau) = nankan(bđ)

*Phản ứng tách nhiều phân tử hiđro của ankan

Là phản ứng ankan tách nhiều phân tử hiđro

Xét thí dụ:

Thực hiện phản ứng đề hiđro hoá a mol ankan X thu được hỗn hợp hiđrocacbon Y và hiđro Biết ankan tách nhiều phân tử hiđro

Phân tích:

Ankan đề hiđro hóa theo phản ứng sau:

CnH2n+2  CnH2n+2-2k + kH2 (n ¿ 2, k ¿ 2)

bđ: a

pư: x x kx

sau: a - x x kx

Ta có:

-Số mol trước phản ứng:

nt = a

-Số mol sau phản ứng:

ns = a - x + x + kx = a + kx

-Số mol tăng:

ntăng = ns – nt = a + kx - a = kx = nH2(tạo thành) = npi(sau)

Kết luận:

-Số mol khí tăng là sô mol hiđro tạo thành

ntăng = ns – nt = nH2(tạo thành) = npi(sau)

(Số mol khí tăng không bằng số mol ankan ban đầu phản ứng.)

2.3.1.3 Thí dụ

*Phản ứng crackinh một lần và phản ứng tách một phân tử hiđro của ankan Thí dụ 1 Tiến hành crackinh 10 lít khí butan, sau phản ứng thu được 18 lít hỗn hợp

khí X gồm etan, metan, etilen, propilen, butan (các khí đo cùng điều kiện) Hiệu suất của quá trình crackinh là

5

Phân tích và hướng dẫn giải

+ Phản ứng crackinh butan:

C4H10 ⃗xt ,t0

CH4 + C3H6

C4H10 ⃗xt ,t0

C2H6 + C2H4 Nhận xét ta thấy chỉ có ankan ban đầu rackinh (crackinh 1 lần) nên:

- Hiệu suất phản ứng crackinh:

H = ntăng/nankan = (18-10)/10 = 80%

 Chọn đáp án C

Thí dụ 2 Crackinh C4H10 thu được hỗn hợp sản phẩm A gồm 5 hiđrocacbon có khối lượng mol trung bình là 32,65 gam/mol Hiệu suất phản ứng crackinh là

Phân tích và hướng dẫn giải

+ Phản ứng crackinh butan:

C4H10 ⃗xt ,t0

CH4 + C3H6

C4H10 ⃗xt ,t0

C2H6 + C2H4 Nhận xét chỉ xảy ra crackinh 1 lần, nên ta có:

-Hiệu suất phản ứng crackinh là:

H = Mt/Ms - 1

= 58/32,65 - 1 = 77,64%

 Chọn đáp án A

Thí dụ 3 Nhiệt phân 8,8 gam propan thu được hỗn hợp A gồm H2, CH4, C2H4, C3H6

và một phần propan chưa bị nhiệt phân Biết hiệu suất phản ứng là 90% Khối lượng phân tử trung bình của hỗn hợp A là

Phân tích và hướng dẫn giải

C3H8 ⃗xt ,t0 CH4 + C2H4

C3H8 ⃗xt ,t0 C3H8 + H2

- Do crackinh 1 lần và tách 1 phân tử H2 nên ta có:

-Hiệu suất phản ứng tách là:

H = Mt/Ms - 1

 44/Ms - 1 = 90%

 Ms = 23,16

Vậy khối lượng mol trung bình của hỗn hợp A là 23,26

 Chọn đáp án B

Thí dụ 4 Khi đun nóng một ankan A để tách một phân tử hiđro, thu được hỗn hợp X

có tỉ khối so với hiđro bằng 12,57 Công thức phân tử của ankan A là

6

C C2H6 hoặc C3H8 D C3H8 hoặc C4H10.

Phân tích và hướng dẫn giải

CnH2n+2 ⃗xt ,t0

CnH2n + H2

Do tách 1 phân tử H2 nên hiệu suất phản ứng tách là H ta có:

0 < H = Mt/Ms - 1 ¿ 1

 0 < (14n + 2)/(12,57.2) - 1 ¿ 1

 1,65 < n ¿ 3,45

Do đó n = 2 hoặc n = 3

 Ankan A là C2H6 hoặc C3H8

 Chọn đáp án C

*Phản ứng crackinh nhiều lần và phản ứng tách nhiều phân tử hiđro của ankan Thí dụ 1 Nhiệt phân 1 mol octan, thu được hỗn hợp X gồm CH4 15%; C2H4 50%;

C3H6 25% còn lại là C2H6, C3H8, C4H10 (theo thể tích) Số mol Br2 cần phản ứng vừa đủ với hỗn hợp X là

Phân tích và hướng dẫn giải

- Phản ứng thuộc crackinh nhiều lần:

Ta có: %n(CH4, C2H6, C3H8, C4H10) = 25%nX

Mặt khác ta có số mol ankan sau phản ứng chính là sô mol ankan ban đầu:

n(CH4, C2H6, C3H8, C4H10) = nC8H18(bđ) = 1

 nX = 4 (mol)

Ta có số mol khí tăng là số mol anken tạo thành:

 ntăng = 4 - 1 = 3 (mol) = nanken = nBr2

 Chọn đáp án D

Thí dụ 2 Cho etan qua xúc tác (ở nhiệt độ cao) thu được một hỗn hợp X gồm etan,

etilen, axetilen và H2 Tỉ khối của hỗn hợp X đối với etan là 0,4 Hãy cho biết nếu cho 0,4 mol hỗn hợp X qua dung dịch Br2 dư thì số mol Br2 đã phản ứng là bao nhiêu?

Phân tích và hướng dẫn giải

C2H6 ⃗xt ,t0 C2H4 + H2

C2H6 ⃗xt ,t0 C2H2 + 2H2

- Đây là phản ứng tách nhiều phân tử H2

Ta có, khối lượng mol trung bình tỉ lệ nghịch với số mol:

Ms

Mt=

nt ns

 0,4 = nt/0,4

7

 nt = 0,16

- Số mol khí tăng là số mol H2 tạo thành

ntăng = 0,4 - 0,16 = 0,24 = nH2 = npi(X) = nBr2(pư)

 Chọn đáp án A

Thí dụ 3 Tiến hành nhiệt phân hỗn hợp gồm pentan và octan (có tỉ lệ mol là 1:1) thu

được hỗn hợp Y (Giả sử chỉ xảy ra phản ứng crackinh ankan với hiệu suất 100%) Khối lượng mol của hỗn hợp Y (MY) là

Phân tích và hướng dẫn giải

Giả sử số mol ban đầu của C5H12 và C8H18 lần lượt là 1 mol

 mY = mX = 186 (g)

- Do phản ứng crackinh hoàn toàn nên:

+ Số mol khí tạo thành nhỏ nhất khi chỉ có ankan ban đầu crackinh (crackinh một lần) và khi đó ankan tạo ra là CH4 và số mol sau gấp đôi số mol ban đầu

C5H12 ⃗xt ,t0 CH4 + C4H8

1 mol 1 1

C8H18 ⃗xt ,t0 CH4 + C7H14

1 mol 1 1

nY = 4 (mol)

+ Số mol khí tạo thành lớn nhất khi ankan sinh ra vẫn có thể crackinh tiếp và số mol tạo thành lớn nhất khi crackinh sản phẩm anken tạo ra là C2H4

Với C5H12

C5H12 ⃗xt ,t0 C3H8 + C2H4

1 mol 1 1

C3H8 ⃗xt ,t0 CH4 + C2H4

1 mol 1 1

Với C8H18

C8H18 ⃗xt ,t0 C6H14 + C2H4

1 mol 1 1

C6H14 ⃗xt ,t0 C4H10 + C2H4

1 mol 1 1

C4H10 ⃗xt ,t0 C2H6 + C2H4

1 mol 1 1

Vậy nY = 7 (mol)

Do đó:

 3 ¿ nY ¿ 7

 186/7 ¿ MY ¿ 186/3

8

 26,67 ¿ MY ¿ 46,5

 Chọn đáp án A

Thí dụ 4 Thực hiện phản ứng tách một thể tích ankan X thu được 5 thể tích hỗn hợp

Y Lấy 5,6 lít Y (đktc) làm mất màu vừa đủ dung dịch chứa a mol Br2 Giá trị của a là

Phân tích và hướng dẫn giải

Ở đây có thể xảy ra phản ứng crackinh ankan ban đầu và ankan sản phẩm

Ta có: nkhí tăng = npi = nBr2

+ Áp dụng vào ví dụ này ta có :

nY = 0,25 = 5.nX  nX = 0,05

 ntăng = npi = 0,25 - 0,05 = 0,2

 nBr2 = npi = 0,2

Chọn đáp án A

2.3.2 Phản ứng cộng hiđro của hiđrocacbon

Xét thí dụ sau:

Thực hiện phản cộng chứa a mol hỗn hợp gồm hiđrocacbon X và hiđro thu được hỗn hợp Y

Phân tích

Ta có thể viết phương trình phản ứng xảy ra ở dạng tổng quát sau:

X + kH2  Z

bđ: c (mol) d

pư: x kx x

sau: c – x d – kx x

Ta có: nt = c + d = a

ns = c - x + d - kx + x = c + d - kx = a - kx

ngiảm = nt – ns = a – (a – kx) = kx = nH2(phản ứng)

Vậy số mol giảm là số mol H2 phản ứng

(Hoặc có thể nhận xét: Số mol X phản ứng bao nhiêu thì số mol Z tạo thành bấy nhiêu, nên số mol khí giảm là số mol hiđro phản ứng.)

Kết luận:

-Số mol khí giảm là số mol H2 phản ứng:

ngiảm = nt – ns = nH2(phản ứng)

-Bảo toàn khối lượng: ms = mt

-Khối lượng mol trung bình của hỗn hợp tỉ lệ nghịch với số mol:

Mt ns

Msnt (1)

Chứng minh công thức (1):

Ta có Mt =

mt

nt và Ms =

ms ns

9

Khi đó:

Mt

Ms =

mt

nt :

ms

ns (2)

Mặt khác theo định luật bảo toàn khối lượng ta có: ms = mt Do đó (2) ta có thể viết: Mt ns Ms nt (đpcm) 2.3.2.1 Thí dụ Thí dụ 1 (Câu 49 - Mã đề 296 đề tuyển sinh Đại học khối A năm 2012) Hỗn hợp X gồm H2 và C2H4 có tỉ khối so với H2 là 7,5 Dẫn X qua Ni nung nóng, thu được hỗn hợp Y có tỉ khối so với H2 là 12,5 Hiệu suất của phản ứng hiđro hoá là A 70% B 80% C 60% D 50%. Phân tích và hướng dẫn giải C2H4 + H2  C2H6 Gọi nt= nX = 1(mol) Mt = MX = 15 H2 2 13

15

C2H4 28 13

 ( 2) ( 2 4) n H n C H = 1 1  nH2 = nC2H4 = 0,5 (mol) Ms = MY = 25 Theo phương pháp giảm số mol: Mt ns Ms nt 

15

25= 1

ns

 ns = 0,6

ngiảm = 1 - 0,6 = 0,4 = = nH2 (phản ứng) = nC2H4 (phản ứng)

Hiệu suất tính theo hiđro hoặc etilen đều đúng:

H =

0, 4 0,5.100% = 80%

 Chọn đáp án B

Thí dụ 2 (Câu 18 - Mã đề 637 đề tuyển sinh Đại học khối B năm 2009)

Hỗn hợp khí X gồm hiđrovà một anken có khả năng cộng HBr cho sản phẩm hữu cơ duy nhất Tỉ khối của X so với hiđro bằng 9,1 Đun nóng X có xúc tác Ni, sau khi phản ứng xảy ra hoàn toàn, thu được hỗn hợp khí Y không làm mất màu nước brom;

tỉ khối của Y so với hiđro bằng 13 Công thức cấu tạo của anken là

C CH2=CH-CH2-CH3 D CH3-CH=CH-CH3

10