Phản Ứng Cháy Của Ankan: Chi Tiết, Ví Dụ và Bài Tập

Ankan là một loại hydrocarbon no mạch hở, có công thức chung là C_nH_2n+2. Phản ứng Cháy Của Ankan là một phản ứng hóa học quan trọng, tỏa nhiệt mạnh và được ứng dụng rộng rãi trong đời sống và công nghiệp. Bài viết này sẽ đi sâu vào phản ứng cháy của ankan, bao gồm phương trình tổng quát, các yếu tố ảnh hưởng và các bài tập minh họa.

I. Phương Trình Tổng Quát Phản Ứng Cháy Của Ankan

Phản ứng cháy của ankan là phản ứng oxi hóa hoàn toàn của ankan với oxi (O₂), tạo ra sản phẩm là khí cacbonic (CO₂) và nước (H₂O). Phương trình tổng quát của phản ứng cháy ankan như sau:

C_nH_2n+2 + (3n+1)/2 O₂ → n CO₂ + (n+1) H₂O

Lưu ý quan trọng:

• Ankan khi cháy luôn tạo ra số mol H₂O lớn hơn số mol CO₂.
• n_ankan = n_H2O – n_CO2
• n_{O2 (phản ứng)} = n_H2O + 1/2 n_CO2
• m_ankan = m_C + m_H

II. Đặc Điểm Của Phản Ứng Cháy Ankan

• Phản ứng tỏa nhiệt: Phản ứng cháy của ankan là một phản ứng tỏa nhiệt mạnh, giải phóng năng lượng lớn dưới dạng nhiệt và ánh sáng. Đây là lý do ankan được sử dụng làm nhiên liệu.
• Phản ứng oxi hóa khử: Trong phản ứng cháy, cacbon (C) trong ankan bị oxi hóa từ số oxi hóa thấp lên số oxi hóa +4 trong CO₂, còn oxi (O) bị khử từ số oxi hóa 0 xuống -2 trong H₂O.
• Ảnh hưởng của cấu trúc ankan: Khả năng cháy và lượng nhiệt tỏa ra phụ thuộc vào cấu trúc phân tử của ankan. Ankan mạch nhánh thường cháy dễ hơn và tạo ra ít khói hơn so với ankan mạch thẳng.

III. Ứng Dụng Của Phản Ứng Cháy Ankan

Phản ứng cháy của ankan có nhiều ứng dụng quan trọng trong đời sống và công nghiệp, bao gồm:

• Nhiên liệu: Ankan là thành phần chính của nhiều loại nhiên liệu như khí đốt tự nhiên (methane), xăng (hỗn hợp các ankan từ C₅ đến C₁₂), dầu hỏa (hỗn hợp các ankan từ C₁₂ đến C₁₈) và dầu diesel (hỗn hợp các ankan từ C₁₄ đến C₂₀).
• Sản xuất điện: Nhiệt năng sinh ra từ phản ứng cháy của ankan được sử dụng để đun sôi nước, tạo ra hơi nước làm quay turbin của máy phát điện.
• Gia nhiệt: Phản ứng cháy của ankan được sử dụng để gia nhiệt trong các lò công nghiệp, lò sưởi và bếp nấu.
• Nguyên liệu hóa học: Một số ankan được sử dụng làm nguyên liệu để sản xuất các hóa chất khác, như ethylene và propylene (thông qua quá trình cracking).

IV. Ví Dụ Minh Họa

Ví dụ 1: Đốt cháy hoàn toàn 4,48 lít khí methane (CH₄) ở điều kiện tiêu chuẩn. Tính thể tích khí CO₂ tạo thành và khối lượng nước thu được.

Giải:

Số mol CH₄: n(CH₄) = 4,48/22,4 = 0,2 mol

Phương trình phản ứng:

CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O

Theo phương trình:

n(CO₂) = n(CH₄) = 0,2 mol => V(CO₂) = 0,2 * 22,4 = 4,48 lít

n(H₂O) = 2 n(CH₄) = 0,4 mol => m(H₂O) = 0,4 18 = 7,2 gam

Ví dụ 2: Đốt cháy hoàn toàn 8,6 gam một ankan X thu được 26,4 gam CO₂. Xác định công thức phân tử của X.

Giải:

Số mol CO₂: n(CO₂) = 26,4/44 = 0,6 mol

Gọi công thức phân tử của ankan X là C_nH_2n+2

Phương trình phản ứng:

C_nH_2n+2 + (3n+1)/2 O₂ → n CO₂ + (n+1) H₂O

Theo phương trình:

n(X) = n(CO₂)/n = 0,6/n

=> M(X) = 8,6/(0,6/n) = (14n + 2)

=> 8,6n/0,6 = 14n + 2

=> 8,6n = 8,4n + 1,2

=> 0,2n = 1,2

=> n = 6

Vậy công thức phân tử của X là C₆H₁₄

V. Bài Tập Tự Luyện

1. Đốt cháy hoàn toàn 3 lít hỗn hợp khí gồm methane và ethane thu được 4 lít khí CO₂ (các thể tích đo ở cùng điều kiện). Tính thành phần phần trăm theo thể tích của mỗi khí trong hỗn hợp ban đầu.

2. Đốt cháy hoàn toàn một lượng ankan X cần dùng vừa đủ 17,92 lít khí O₂ (đktc) thu được 11,2 lít khí CO₂ (đktc). Xác định công thức phân tử của ankan X.

3. Đốt cháy hoàn toàn hỗn hợp hai ankan kế tiếp nhau trong dãy đồng đẳng thu được 7,84 lít khí CO₂ (đktc) và 9 gam H₂O. Xác định công thức phân tử của hai ankan.

4. Đốt cháy hoàn toàn một hydrocarbon A. Dẫn toàn bộ sản phẩm qua dung dịch Ca(OH)2 dư thấy khối lượng dung dịch giảm 2 gam và tạo 10 gam kết tủa. Công thức phân tử của A là gì? Giải thích.

Lời kết:

Phản ứng cháy của ankan là một chủ đề quan trọng trong chương trình hóa học phổ thông. Việc nắm vững kiến thức về phản ứng này giúp học sinh hiểu rõ hơn về tính chất của ankan và ứng dụng của chúng trong thực tế. Hy vọng bài viết này cung cấp cho bạn những thông tin hữu ích và giúp bạn học tốt môn hóa học.