Bài tập phản ứng oxi hóa ankan

n_CO2 = 0,1 mol ; n_H2O = 0,18 mol => n_H2O > n_CO2 => 2 hiđrocacbon là ankan

=> n_ankan = n_H2O – n_CO2 = 0,18– 0,1 = 0,08 mol

\( =  > \,\,\bar C = \dfrac{{{n_{C{O_2}}}}}{{{n_{ankan}}}} = \dfrac{{0,1}}{{0,08}} = 1,25\)

=> có 1 ankan có số C < 1 và 1 ankan có số C > 1

=> 2 ankan thỏa mãn là CH₄ và C₂H₆

Đặt số mol của metan, propan và cacbon (II) oxit lần lượt là x, y, z

Sơ đồ phản ứng :

CH₄     CO₂    (1)      ;         C₃H₈    3CO₂     (2)      ;      CO      CO₂                 (3)

x                x                               y              3y                           z               z

Từ (1), (2), (3) và giả thiết ta có hệ :

Khối lượng mol trung bình của hỗn hợp A là :

\({\overline M _A} = \dfrac{{16x + 44y + 28z}}{{x + y + z}} > \dfrac{{16(x + z) + 44y}}{{x + y + z}} = \dfrac{{16.7,7 + 44.6}}{{13,7}} = 28,3\,\,gam/mol\)

Mặt khác 

\({M_{{N_2}}} = 28\,\,gam/mol\) nên suy ra khối lượng phân tử trung bình của A lớn hơn so với N₂ hay  \(\dfrac{{\overline M {}_A}}{{{M_{{N_2}}}}} > 1.\)

Để đơn giản cho việc tính toán ta chọn số mol của A là 1 mol và của O₂ là 4 mol

Phương trình phản ứng :

\({C_n}{H_{2n + 2}}\,\,\, + \,\,\,\,\,(\dfrac{{3n + 1}}{2})\,{O_2}\,\,\,\,\xrightarrow{{{t^o}}}\,\,\,nC{O_2}\,\,\,\, + \,\,\,\,(n + 1){H_2}O\)

bđ:          1                      4                                                                   : mol

pư:          1         \((\dfrac{{3n + 1}}{2})\)                  n                   (n+1)        : mol

spư:         0          4 -\((\dfrac{{3n + 1}}{2})\)             n                  (n+1)       : mol

Vì sau phản ứng hơi nước đã ngưng tụ nên chỉ có O₂ dư và CO₂ gây áp suất nên bình chứa.

Tổng số mol khí trước phản ứng : n₁ = 1 + 4 = 5 mol

Tổng số mol khí sau phản ứng : n₂ = 4 -\((\dfrac{{3n + 1}}{2})\)+ n =  (3,5 – 0,5n) mol

Do nhiệt độ trước và sau phản ứng không đổi nên : 

\(\dfrac{{{n_1}}}{{{n_2}}} = \dfrac{{{p_1}}}{{{p_2}}} \Rightarrow \dfrac{5}{{3,5 - 0,5n}} = \dfrac{{{p_1}}}{{0,5{p_1}}} = 2 \Rightarrow n = 2\)

Vậy A là C₂H₆

Ta thấy \(2{V_{C{O_2}}} + {V_{{H_2}O}} < 2{V_{{O_2}}}\) nên sau phản ứng O₂ còn dư, X phản ứng hết.

Mặt khác, khi đốt X có \({V_{C{O_2}}} < {V_{{H_2}O}}\) => X là ankan

Gọi CTPT của X là C_nH_2n+2

Trong hỗn hợp khí M đặt  \({V_{C{O_2}}} = a;{V_X} = b\)

=> a + b = 0,4 (1)

Ta có:

\({V_{C{O_2}}} = a + nb = 0,6\)

\({V_{{H_2}O}} = (n + 1)b = 0,6\)

Từ (1), (2), (3) ta được

a = b = 0,2; n=2

=> Công thức của X là C₂H₆

Ta có: n_CO2 = 0,25 mol

Đặt công thức phân tử của ankan là C_nH_2n+2 có số mol là a mol

Ta có: m_{ankan X} = a. (14n+2) = 3,60 gam; n_CO2 = an = 0,25 mol

Suy ra a = 0,05; n = 5

Vậy công thức phân tử của ankan X là C₅H₁₂.

Theo đề bài ta có: n_CO2 = 2,2 mol; n_H2O = 3,2 mol

Nhận thấy: n_H2O > n_CO2 => 2 hidrocacbon thuộc dãy đồng đẳng của ankan.

=> n_ankan = n_H2O – n_CO2 = 3,2 - 2,2 = 1 mol

=> Số C trung bình = n_CO2 / n_ankan = 2,2

Do 2 ankan là đồng đẳng liên tiếp nên là C₂H₆ và C₃H₈.

n_H2O = 0,4 mol

Ta thấy tất cả các khí trong hỗn hợp đều là ankan.

=> n_A = n_H2O – n_CO2 => n_CO2 = n_H2O – n_A = 0,3 mol => V = 6,72 lít

Có : n_C(X) = n_CO2 = 0,25 mol

Mà m_X = m_C + m_H => n_H = 0,6 mol

=> n_C : n_H = 0,25 : 0,6 = 5 : 12

Vì CTTQ của ankan là C_nH_2n+2 => X là C₅H₁₂

n_CO2 = 1 mol ;  n_H2O = 1,5 mol

Áp dụng công thức : n_ankan = n_H2O – n_CO2 = 1,5 – 1 = 0,5 mol

=> V_C2H6 = 0,5.22,4 = 11,2 lít

n_ankan = 0,35 mol ; n_CO2 = 0,75 mol

Áp dụng công thức : n_ankan = n_H2O – n_CO2 => n_H2O = 0,75 + 0,35 = 1,1 mol

=> m_H2O = 1,1.18 = 19,8 gam

- n_CO2 = 0,4 mol; n_H2O = 0,6 mol

- Áp dụng định luật bảo toàn nguyên tố: n_C = n_CO2 = 0,4 mol; n_H = 2.n_H2O = 1,2 mol

- Bảo toàn khối lượng: m_ankan = m_C  + m_H = 12.0,4 + 1.1,2 = 6 gam

n_CO2 = 0,1 mol; n_H2O = 0,15 mol

Bảo toàn nguyên tố O: $2.{{n}_{{{O}_{2}}}}=2.{{n}_{C{{O}_{2}}}}+{{n}_{{{H}_{2}}O}}=>\,\,{{n}_{{{O}_{2}}}}=\frac{2.{{n}_{C{{O}_{2}}}}+{{n}_{{{H}_{2}}O}}}{2}=\frac{2.0,1+0,15}{2}=0,175\,\,mol$

=> V_O2 = 0,175.22,4 = 3,92 lít

n_O2 = 0,275 mol ; n_CO2 = 0,15 mol

Bảo toàn nguyên tố O : $2.{{n}_{{{O}_{2}}}}=2.{{n}_{C{{O}_{2}}}}+{{n}_{{{H}_{2}}O}}=>\,\,{{n}_{{{H}_{2}}O}}=2.{{n}_{{{O}_{2}}}}-2.{{n}_{C{{O}_{2}}}}=2.0,275-2.0,15=0,25mol$

Bảo toàn nguyên tố C và H : n_{C (trong X)} = n_CO2 = 0,15 mol ; n_{H (trong X)} = 2.n_H2O = 0,5 mol

Bảo toàn khối lượng : m_X = m_{C (trong X)} + m_{H (trong X)} = 12.0,15 + 0,5 = 2,3 gam

Đốt cháy ankan ta có n_CO2 = n_H2O – n_ankan = 0,525 – 0,15 = 0,375 mol
=> m_{kết tủa} = 0,375.100= 37,5 gam

CO₂ + Ca(OH)₂ → CaCO₃↓ + H₂O

2CO₂ + Ca(OH)₂ → Ca(HCO₃)₂

Ca(HCO₃)₂ → CaCO₃↓ + CO₂ + H₂O

Từ các phản ứng, ta có: n_{CO2 sinh ra} = n_CaCO3 + 2.n_Ca(HCO3)2 = 0,2 + 2.0,1 = 0,4 mol

=> số C trong X = $\frac{{{n}_{C{{O}_{2}}}}}{{{n}_{ankan}}}=\frac{0,4}{0,2}=2$

=> X không thể là CH₄

Vì đốt cháy hiđrocacbon X thu được n_H2O > n_CO2 => X là ankan

n_X = n_H2O – n_CO2 = 0,132 – 0,11 = 0,022 mol

=> số C trong X = $\frac{{{n}_{C{{O}_{2}}}}}{{{n}_{ankan}}}$ = 5 => X là C₅H₁₂

C₅H₁₂ + Cl₂ → 4 sản phẩm monoclo => X có CTCT: (CH₃)₂CH-CH₂-CH₃ (2-metylbutan)

m_{dung dịch giảm} = m_{kết tủa} – (m_CO2 + m_H2O) 
=> m_CO2 + m_H2O = m_{kết tủa} - m_{dung dịch giảm} = 29,55 – 19,35 = 10,2 gam
Bảo toàn nguyên tố C: n_C = n_CO2 = n_BaCO3 = 0,15 mol

=> m_H2O = 10,2 – m_CO2 = 10,2 – 0,15.44 = 3,6 gam => n_H2O = 0,2 mol
Bảo toàn nguyên tố H: n_H = 2n_H2O = 2.0,2 = 0,4 mol
=> n_C : n_H = 0,15 : 0,4 = 3 : 8 => X là C₃H₈

Theo giả thiết ta có :  Do đó có hai trường hợp xảy ra :

TH1: Ca(OH)₂ dư, chỉ xảy ra phản ứng tạo kết tủa :

CO₂ + Ca(OH)₂ → CaCO₃ + H₂O (1)

0,03    0,03           0,03

m_{dung dịch tăng} = ${{m}_{{{H}_{2}}O}}+{{m}_{C{{O}_{2}}}}-{{m}_{CaC{{O}_{3}}}}=0,28\,\,gam\Rightarrow {{m}_{{{H}_{2}}O}}=0,28+3-0,03.44=\,\,1,96\,\,gam$

$\Rightarrow {{n}_{{{H}_{2}}O}}=0,1088\,\,mol\Rightarrow {{n}_{H}}=0,217\,\,mol\Rightarrow {{n}_{C}}:{{n}_{H}}=0,03:0,217=1:7,3\,\,(loại).$

TH2 : Ca(OH)₂ phản ứng hết :

CO₂ + Ca(OH)₂ → CaCO₃ + H₂O  (1)

0,03    0,03           0,03

2CO₂  +   Ca(OH)₂ → Ca(HCO₃)₂  (2)

0,02        0,01    

$\Rightarrow {{n}_{C{{O}_{2}}}}=0,05\,\,mol.$

m_{dung dịch tăng} = ${{m}_{{{H}_{2}}O}}+{{m}_{C{{O}_{2}}}}-{{m}_{CaC{{O}_{3}}}}=0,28\,\,gam\Rightarrow {{m}_{{{H}_{2}}O}}=0,28+3-0,05.44=\,\,1,08\,\,gam$

$\Rightarrow {{n}_{{{H}_{2}}O}}=0,06\,\,mol\Rightarrow {{n}_{H}}=0,12\,\,mol\Rightarrow {{n}_{C}}:{{n}_{H}}=0,05:0,12=5:12\,$

Vậy CTPT của ankan là C₅H₁₂

Phương trình phản ứng :

$\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,{{C}_{3}}{{H}_{8}}\,\,\,+\,\,\,\,\,5{{O}_{2}}\,\,\,\xrightarrow{{{t}^{o}}}\,\,\,\,\,3C{{O}_{2}}\,\,\,\,\,\,\,+\,\,\,\,\,\,4{{H}_{2}}O\,\,\,\,\,\,\,\,\,(1)$

$bđ\,(lit):\,\,\,\,\,\,\,\,x\,\,\,\,\,\,\,\to \,\,\,\,\,x\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,$

$pứ\,(lit):\,\,\,\,\,\,\,\,\frac{x}{5}\,\,\,\,\,\leftarrow \,\,\,\,\,x\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\to \,\,\,\,\frac{3x}{5}\,\,\,\,\,\,\,\to \,\,\,\,\,\,\,\,\frac{4x}{5}$

$spứ\,(lit):\,\,\,\,\,\frac{4x}{5}\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,0\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\frac{3x}{5}\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\frac{4x}{5}$

Sau phản ứng hơi nước bị ngưng tụ nên hỗn hợp khí còn lại gồm C₃H₈ và CO₂ sinh ra sau phản ứng. Ta có :

${{V}_{1}}={{V}_{C{}_{3}{{H}_{8}}}}+{{V}_{{{O}_{2}}}}=2x\,\,\,l\acute{i}t;\,\,{{V}_{2}}={{V}_{C{}_{3}{{H}_{8}}\,\,dư}}+{{V}_{C{{O}_{2}}}}=\frac{4x}{5}\,+\frac{3x}{5}=\frac{7x}{5}\,\,l\acute{i}t\Rightarrow \frac{{{V}_{2}}}{{{V}_{1}}}=\frac{7}{10}.$

${{n}_{C{{O}_{2}}}}=\frac{7,84}{22,4}=0,35\,\,mol;\,\,{{n}_{{{H}_{2}}O}}=\frac{9,9}{18}=0,55\,\,mol.$

Bảo toàn nguyên tố O: 2.n_O2 = 2.n_CO2 + n_H2O => 2x = 0,35.2 + 0,55 => x = 0,625

Thể tích không khí cần dùng là nhỏ nhất => oxi trong không khí phản ứng vừa đủ

$=>{{V}_{O{}_{2}\,\,(đktc)}}=0,625.22,4=14\,\,l\acute{i}t\Rightarrow {{V}_{Không \,Khí\,\,(đktc)}}=5.14\,\,=70\,\,l\acute{i}t.$