Ankan (hay parafin) là những hiđrocacbon no, mạch hở, trong phân tử chỉ chứa các liên kết đơn giữa các nguyên tử cacbon. Đây là nhóm hợp chất mở đầu chương trình Hóa học hữu cơ lớp 11 và xuất hiện rất nhiều trong đề thi. Nếu bạn từng lúng túng khi phân biệt ankan với anken, chưa nhớ rõ công thức chung hay chưa biết cách viết phương trình phản ứng thế, thì phần kiến thức dưới đây sẽ giúp bạn hệ thống lại từ định nghĩa, công thức, tính chất cho tới các dạng bài tập có lời giải chi tiết. Cùng bắt đầu với câu hỏi cơ bản nhất: ankan là gì?
Ankan là gì?
Ankan là hiđrocacbon no, mạch hở, trong phân tử chỉ chứa các liên kết đơn C–C và C–H. Vì chỉ có các liên kết đơn (liên kết σ) tương đối bền vững nên ankan khá trơ về mặt hóa học ở điều kiện thường, chỉ tham gia phản ứng khi có điều kiện thích hợp như ánh sáng hoặc nhiệt độ cao. Ankan còn được gọi là parafin, nghĩa là “ít ái lực”, để chỉ khả năng phản ứng kém của nhóm chất này. Ankan đơn giản nhất là metan (CH₄).
Công thức tổng quát và dãy đồng đẳng của ankan
Ankan có một công thức chung duy nhất, giúp bạn nhận diện và tính toán nhanh.
- Công thức tổng quát: CₙH₂ₙ₊₂ (với n ≥ 1).
- Từ công thức này, khi biết số nguyên tử cacbon (n) bạn suy ngay ra số nguyên tử hiđro (2n + 2).
Các chất trong dãy đồng đẳng ankan hơn kém nhau một nhóm CH₂ và có tính chất hóa học tương tự nhau. Bảng dưới đây tổng hợp năm ankan đầu tiên:
| Số C (n) | Công thức phân tử | Tên gọi | Trạng thái (ở điều kiện thường) |
|---|---|---|---|
| 1 | CH₄ | Metan | Khí |
| 2 | C₂H₆ | Etan | Khí |
| 3 | C₃H₈ | Propan | Khí |
| 4 | C₄H₁₀ | Butan | Khí |
| 5 | C₅H₁₂ | Pentan | Lỏng |
Tính chất vật lý của ankan
Tính chất vật lý của ankan biến đổi có quy luật theo số nguyên tử cacbon.
- Bốn ankan đầu dãy (metan đến butan) là chất khí; từ C₅ đến khoảng C₁₇ là chất lỏng; từ C₁₈ trở đi là chất rắn.
- Không tan trong nước, tan tốt trong dung môi hữu cơ; ankan nhẹ hơn nước nên nổi lên trên.
- Nhiệt độ sôi và nhiệt độ nóng chảy tăng dần theo số nguyên tử cacbon trong phân tử.
- Ankan không màu; các ankan nhẹ thường không mùi hoặc có mùi nhẹ đặc trưng như khí gas.
Xem thêm: Nồng độ mol là gì? Công thức CM = n/V và bài tập vận dụng
Tính chất hóa học của ankan
Do chỉ chứa liên kết đơn bền vững, ankan tương đối trơ nhưng vẫn có ba phản ứng đặc trưng cần nhớ.
- Phản ứng thế halogen (phản ứng đặc trưng): ankan tác dụng với clo hoặc brom khi có ánh sáng, tạo dẫn xuất halogen. Ví dụ: CH₄ + Cl₂ → CH₃Cl + HCl (ánh sáng khuếch tán).
- Phản ứng cháy (oxi hóa hoàn toàn): ankan cháy trong oxi tạo CO₂ và H₂O, tỏa nhiều nhiệt. Đặc điểm quan trọng: khi đốt cháy ankan luôn có số mol H₂O lớn hơn số mol CO₂ (n_H₂O > n_CO₂). Ví dụ: CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O.
- Phản ứng tách (cracking, đề hiđro hóa): ở nhiệt độ cao và có xúc tác, ankan mạch dài bị bẻ gãy tạo ankan nhỏ hơn và anken, hoặc tách hiđro để tạo anken tương ứng.
Điểm mấu chốt: ankan tham gia phản ứng thế, hoàn toàn khác với anken (có nối đôi) tham gia phản ứng cộng. Đây là dấu hiệu để phân biệt hai nhóm chất.
Phân biệt ankan và anken
Nhiều bạn nhầm lẫn giữa ankan và anken vì tên gọi gần giống nhau. Bảng so sánh dưới đây làm rõ sự khác biệt.
| Tiêu chí | Ankan | Anken |
|---|---|---|
| Loại hiđrocacbon | No (chỉ liên kết đơn) | Không no (có 1 nối đôi C=C) |
| Công thức chung | CₙH₂ₙ₊₂ (n ≥ 1) | CₙH₂ₙ (n ≥ 2) |
| Phản ứng đặc trưng | Phản ứng thế | Phản ứng cộng, trùng hợp |
| Làm mất màu dung dịch brom | Không | Có |
| Chất tiêu biểu | Metan (CH₄) | Etilen (C₂H₄) |
Mẹo nhận biết nhanh: dẫn khí qua dung dịch nước brom, nếu không làm mất màu thì đó là ankan; nếu làm mất màu thì đó là anken.
Điều chế và ứng dụng của ankan
Ankan có nhiều trong dầu mỏ và khí thiên nhiên, đây là nguồn khai thác chính trong công nghiệp. Trong phòng thí nghiệm, metan có thể được điều chế bằng cách nung natri axetat (CH₃COONa) với vôi tôi xút (hỗn hợp NaOH và CaO). Về ứng dụng, ankan được dùng làm nhiên liệu quan trọng như khí đốt, xăng, dầu diesel; làm dung môi; làm nguyên liệu cho các quá trình tổng hợp hóa học; và parafin rắn được dùng để sản xuất nến, sáp.
Bài tập ankan có lời giải chi tiết
Dưới đây là các dạng bài tập ankan thường gặp, kèm lời giải từng bước để bạn luyện tập.
Bài 1 — Viết công thức và gọi tên. Viết công thức phân tử của ankan có 3 nguyên tử cacbon và gọi tên.
- Bước 1: Áp dụng công thức chung CₙH₂ₙ₊₂ với n = 3.
- Bước 2: Số H = 2×3 + 2 = 8. Vậy công thức là C₃H₈.
- Bước 3: Ankan có 3 cacbon tên là propan. Đáp số: C₃H₈ (propan).
Bài 2 — Phản ứng thế clo. Viết phương trình khi cho metan tác dụng với clo (có ánh sáng) theo tỉ lệ 1:1.
- Bước 1: Ankan tham gia phản ứng thế, một nguyên tử H được thay bằng một nguyên tử Cl.
- Bước 2: Phương trình: CH₄ + Cl₂ → CH₃Cl + HCl (điều kiện ánh sáng).
- Bước 3: Sản phẩm là metyl clorua (CH₃Cl) và khí HCl.
Bài 3 — Đốt cháy ankan, tính CO₂ và H₂O. Đốt cháy hoàn toàn 0,1 mol propan (C₃H₈). Tính số mol CO₂ và H₂O tạo thành.
- Bước 1: Viết phương trình cháy: C₃H₈ + 5O₂ → 3CO₂ + 4H₂O.
- Bước 2: Theo tỉ lệ, 1 mol C₃H₈ tạo 3 mol CO₂ và 4 mol H₂O.
- Bước 3: Với 0,1 mol C₃H₈ → n_CO₂ = 0,3 mol; n_H₂O = 0,4 mol. Nhận xét: n_H₂O > n_CO₂, đúng đặc điểm của ankan.
Bài 4 — Tìm công thức phân tử ankan. Đốt cháy hoàn toàn một ankan thu được 0,3 mol CO₂ và 0,4 mol H₂O. Xác định công thức phân tử.
- Bước 1: Khi đốt ankan, số mol ankan = n_H₂O − n_CO₂ = 0,4 − 0,3 = 0,1 mol.
- Bước 2: Số C trung bình = n_CO₂ / n_ankan = 0,3 / 0,1 = 3. Vậy n = 3.
- Bước 3: Công thức phân tử là C₃H₈ (propan).
Bài 5 (trắc nghiệm). Công thức tổng quát của ankan là: A. CₙH₂ₙ B. CₙH₂ₙ₊₂ C. CₙH₂ₙ₋₂ D. CₙH₂ₙ₊₁OH. Đáp án: B. CₙH₂ₙ₊₂.
Xem thêm: Phân tử là gì? Phân tử khối và phân biệt với nguyên tử
Lỗi thường gặp khi học ankan
Nắm được những lỗi phổ biến sau sẽ giúp bạn tránh mất điểm oan.
- Nhầm công thức: ankan là CₙH₂ₙ₊₂ chứ không phải CₙH₂ₙ (đó là anken).
- Cho rằng ankan làm mất màu dung dịch brom — sai, ankan không phản ứng với dung dịch brom ở điều kiện thường.
- Nhầm phản ứng đặc trưng: ankan tham gia phản ứng thế, không phải phản ứng cộng.
- Khi đốt cháy quên đặc điểm n_H₂O > n_CO₂ — đây là dữ kiện quan trọng để tìm số mol ankan.
- Viết thiếu điều kiện phản ứng (ánh sáng cho phản ứng thế, nhiệt độ cho phản ứng tách).
Câu hỏi thường gặp về ankan
Ankan là gì?
Ankan là hiđrocacbon no, mạch hở, trong phân tử chỉ chứa các liên kết đơn giữa các nguyên tử cacbon, có công thức chung CₙH₂ₙ₊₂.
Công thức tổng quát của ankan là gì?
Công thức tổng quát của ankan là CₙH₂ₙ₊₂ với n ≥ 1.
Phản ứng đặc trưng của ankan là gì?
Phản ứng đặc trưng của ankan là phản ứng thế halogen (với clo, brom) khi có ánh sáng.
Ankan có làm mất màu dung dịch brom không?
Không. Ankan không làm mất màu dung dịch brom, đây là điểm khác biệt so với anken.
Ankan và anken khác nhau thế nào?
Ankan là hiđrocacbon no chỉ có liên kết đơn (CₙH₂ₙ₊₂), tham gia phản ứng thế; còn anken có nối đôi C=C (CₙH₂ₙ), tham gia phản ứng cộng và làm mất màu dung dịch brom.
Ankan đơn giản nhất là chất nào?
Ankan đơn giản nhất là metan (CH₄).
Kết luận
Tóm lại, ankan là hiđrocacbon no, mạch hở, có công thức chung CₙH₂ₙ₊₂ và tương đối trơ về mặt hóa học ở điều kiện thường. Ankan có các phản ứng đặc trưng gồm phản ứng thế halogen, phản ứng cháy (với n_H₂O > n_CO₂) và phản ứng tách. Ghi nhớ công thức, phân biệt rõ ankan với anken và luyện tập các dạng bài trên sẽ giúp bạn xây dựng nền tảng vững chắc cho phần Hóa học hữu cơ.
