Phản ứng thế và phản ứng oxi hóa ankan

I. Phương pháp giải bài tập phản ứng thế halogen của ankan

* Nhận xét chung

- Do trong phân tử chỉ có các liên kết đơn là các liên kết bền nên ở điều kiện thường các ankan tương đối trơ về mặt hóa học. Ankan không bị oxi hóa bởi các dung dịch H₂SO₄ đặc, HNO₃, KMnO₄…

- Khi có as, t^o, xt thì ankan tham gia các phản ứng thế, tách và oxi hóa.

1. Phản ứng thế halogen (phản ứng halogen hóa)

- Thường xét phản ứng với Cl₂, Br₂

- Dưới tác dụng của ánh sáng, các ankan tham gia phản ứng thế halogen. Các nguyên tử H có thể lần lượt bị thế đến hết bằng các nguyên tử halogen.

CH₄ + Cl₂ $\xrightarrow{\text{as}}$ CH₃Cl + HCl

CH₃Cl + Cl₂ $\xrightarrow{\text{as}}$ CH₂Cl₂ + HCl

CH₂Cl₂ + Cl₂ $\xrightarrow{\text{as}}$ CHCl₃ + HCl

CHCl₃ + Cl₂ $\xrightarrow{\text{as}}$ CCl₄ + HCl

2. Quy tắc thế

Khi tham gia phản ứng thế, nguyên tử halogen sẽ ưu tiên tham gia thế vào nguyên tử H của C bậc cao hơn (có ít H hơn).

Ví dụ : CH₃–CH₂–CH₃  +  Br₂ $\xrightarrow{\text{as}}$ CH₃–CHBr–CH₃  +  HBr

3. Phương pháp giải bài tập thế halogen

- Bước 1 : Viết phương trình phản ứng của ankan với Cl₂ hoặc Br₂. Nếu đề bài không cho biết sản phẩm thế là monohalogen, đihalogen,… thì ta phải viết phản ứng ở dạng tổng quát :

${{C}_{n}}{{H}_{2n+2}}\,\,+\,\,\,xB{{r}_{2}}\,\,\xrightarrow{\text{as,}\,\,{{\text{t}}^{o}}}\,\,\,{{C}_{n}}{{H}_{2n+2-x}}Br{}_{x}\,\,+\,\,xHBr$

hoặc          ${{C}_{n}}{{H}_{2n+2}}\,\,+\,\,xC{{l}_{2}}\,\,\xrightarrow{\text{as}}\,\,\,{{C}_{n}}{{H}_{2n+2-x}}Cl{}_{x}\,\,+\,\,xHCl$

- Bước 2 : Tính khối lượng mol của sản phẩm thế hoặc khối lượng mol trung bình của hỗn hợp sản phẩm để tìm số nguyên tử cacbon trong ankan hoặc mối liên hệ giữa số cacbon và số nguyên tử clo, brom trong sản phẩm thế, từ đó xác định được số nguyên tử cacbon và số nguyên tử clo, brom trong sản phẩm thế. Suy ra công thức cấu tạo của ankan ban đầu và công thức cấu tạo của các sản phẩm thế.

II. Phương pháp giải bài tập phản ứng oxi hóa ankan

1. Phản ứng cháy (oxi hóa hoàn toàn)

            ${{C}_{n}}{{H}_{2n+2}}+\frac{\text{3n + 1}}{\text{2}}{{O}_{2}}\xrightarrow{{{t}^{o}}}nC{{O}_{2}}+\left( n+1 \right){{H}_{2}}O$  

- Đốt cháy ankan luôn có ${{\text{n}}_{{{\text{H}}_{\text{2}}}\text{O}}}$> ${{\text{n}}_{\text{CO}_{\text{2}}^{{}}}}$và n_ankan = ${{\text{n}}_{{{\text{H}}_{\text{2}}}\text{O}}}$ – ${{\text{n}}_{\text{CO}_{\text{2}}^{{}}}}$, do đó khi đốt cháy hiđrocacbon bất kì thu được ${{\text{n}}_{{{\text{H}}_{\text{2}}}\text{O}}}>{{n}_{C{{O}_{2}}}}$thì đó là ankan

- Số C trong ankan hay số C trung bình của hỗn hợp các ankan = $\frac{{{n}_{C{{O}_{2}}}}}{{{n}_{ankan}}}=\frac{n{}_{C{{O}_{2}}}}{{{n}_{{{H}_{2}}O}}-{{n}_{C{{O}_{2}}}}}$

- Số mol O₂ phản ứng =$\frac{2.{{n}_{C{{O}_{2}}}}+{{n}_{{{H}_{2}}O}}}{2}$

- Bảo toàn khối lượng : ${{m}_{ankan}}+\text{ }{{m}_{{{O}_{2}}}}=\text{ }{{m}_{C{{O}_{2}}}}+\text{ }{{m}_{{{H}_{2}}O}}$ hoặc ${{m}_{ankan}}=\text{ }{{m}_{C}}+\text{ }{{m}_{H}}=\text{ }12{{n}_{C{{O}_{2}}}}+\text{ }2{{n}_{{{H}_{2}}O}}$

* Khi gặp bài tập liên quan đến hỗn hợp các ankan thì nên sử dụng phương pháp trung bình: Thay hỗn hợp các ankan bằng một ankan ${{C}_{\overline{n}}}{{H}_{2\overline{n}+2}}$dựa vào giả thiết để tính toán số C trung bình (giá trị $\bar{n}$) rồi căn cứ vào tính chất của giá trị trung bình để suy ra kết quả cần tìm.

2. Phản ứng oxi hóa không hoàn toàn

- Ankan có thể bị oxi hóa không hoàn toàn tạo ra các sản phẩm khác nhau.

Ví dụ : $C{{H}_{4}}~+~{{O}_{2}}~~\xrightarrow{\text{600}\,\text{-}\,\text{80}{{\text{0}}^{\text{o}}}\text{C, NO}}HCHO~+~{{H}_{2}}O$

            $RCH{{}_{2}}\text{ }C{{H}_{2}}R\text{ }+{{O}_{2}}~~\xrightarrow{{{\text{t}}^{\text{o}}}\text{, M}{{\text{n}}^{2+}}}RCOOH~+\text{ }RCOOH+~{{H}_{2}}O$