Phản Ứng Axetilen + H2: Điều Chế Etilen và Ứng Dụng

Phản ứng cộng hidro vào axetilen (C2H2) để tạo thành etilen (C2H4) là một phản ứng quan trọng trong hóa học hữu cơ, có nhiều ứng dụng thực tế. Bài viết này sẽ trình bày chi tiết về phản ứng này, bao gồm phương trình, điều kiện, cơ chế và các ứng dụng liên quan, đồng thời mở rộng ra các tính chất hóa học khác của axetilen và các bài tập vận dụng.

1. Phương Trình Phản Ứng Axetilen + H2

Phương trình phản ứng tổng quát cho phản ứng cộng hidro của axetilen để tạo thành etilen như sau:

CH ≡ CH + H2 → CH2 = CH2

Trong điều kiện thích hợp, axetilen có thể phản ứng với hydro để tạo thành etilen. Đây là một phản ứng cộng, trong đó một liên kết π trong liên kết ba của axetilen bị phá vỡ và mỗi nguyên tử cacbon liên kết với một nguyên tử hydro.

2. Điều Kiện Phản Ứng

Để phản ứng Axetilen + H2 xảy ra hiệu quả cần có các điều kiện sau:

Xúc tác: Các xúc tác kim loại như palladium (Pd), platin (Pt) hoặc niken (Ni) thường được sử dụng. Xúc tác thường được phân tán trên một chất mang trơ như carbon, bari sulfat (BaSO4) hoặc chì carbonat (PbCO3) để tăng diện tích bề mặt.
Nhiệt độ: Nhiệt độ thích hợp thường nằm trong khoảng từ 80°C đến 200°C, tùy thuộc vào xúc tác được sử dụng.
Áp suất: Áp suất có thể ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng, nhưng thường không yêu cầu áp suất quá cao.

3. Cơ Chế Phản Ứng

Cơ chế phản ứng cộng hidro của axetilen xảy ra qua nhiều giai đoạn, bao gồm sự hấp phụ của axetilen và hydro lên bề mặt xúc tác, sự hoạt hóa liên kết H-H, và sự chuyển hydro đến axetilen.

4. Ứng Dụng của Phản Ứng Axetilen + H2

Phản ứng axetilen + H2 có nhiều ứng dụng quan trọng trong công nghiệp hóa chất và sản xuất polymer:

Sản xuất Etilen: Etilen là một monomer quan trọng để sản xuất polyethylene (PE), một loại nhựa nhiệt dẻo được sử dụng rộng rãi trong sản xuất bao bì, màng phủ và nhiều sản phẩm khác.
Sản xuất Hóa Chất Trung Gian: Etilen có thể được chuyển đổi thành nhiều hóa chất trung gian khác như ethylene oxide, ethylene glycol và vinyl clorua, được sử dụng trong sản xuất chất chống đông, polyester và PVC.

5. Mở Rộng: Tính Chất Hóa Học của Axetilen

Axetilen là một hydrocarbon không no với liên kết ba, do đó nó có nhiều tính chất hóa học đặc trưng:

5.1. Phản Ứng Cộng

Cộng halogen (Cl2, Br2): Axetilen phản ứng dễ dàng với halogen tạo thành các dẫn xuất halogen hóa.

CH ≡ CH + Br2 → CHBr = CHBr
CHBr = CHBr + Br2 → CHBr2 – CHBr2

Cộng HX (HCl, HBr, H2O): Axetilen cộng với HX tuân theo quy tắc Markovnikov, tạo thành các sản phẩm cộng.

CH ≡ CH + HCl → CH2 = CHCl
CH2 = CHCl + HCl → CH3 – CHCl2

Phản ứng Dime và Trime hóa:

2CH ≡ CH → CH ≡ C – CH = CH2 (vinylaxetilen)
3CH ≡ CH → C6H6 (benzen)

5.2. Phản Ứng Thế với Ion Kim Loại

Axetilen có thể phản ứng với dung dịch bạc nitrat trong amoniac tạo kết tủa vàng nhạt của bạc axetilua.

CH ≡ CH + 2AgNO3 + 2NH3 → Ag – C ≡ C – Ag↓ + 2NH4NO3

Phản ứng này được dùng để nhận biết axetilen và các ank-1-in.

5.3. Phản Ứng Oxi Hóa

Oxi hóa hoàn toàn (cháy): Axetilen cháy trong oxy tạo ra nhiệt lượng lớn.

2C2H2 + 5O2 → 4CO2 + 2H2O

Oxi hóa không hoàn toàn: Axetilen có khả năng làm mất màu dung dịch thuốc tím (KMnO4).

6. Bài Tập Vận Dụng

Câu 1: Cho 6.72 lít hỗn hợp khí X gồm axetilen và H2 (đktc) đi qua ống đựng bột Ni nung nóng, thu được hỗn hợp khí Y. Dẫn Y qua dung dịch brom dư, thấy có 4 gam brom đã phản ứng và còn lại hỗn hợp khí Z thoát ra. Tỉ khối của Z so với H2 là 10. Xác định thành phần phần trăm về thể tích của axetilen trong X.

Hướng dẫn giải:

Tính số mol H2 phản ứng, từ đó suy ra số mol axetilen ban đầu.
Tính thành phần phần trăm thể tích của axetilen trong X.

Câu 2: Dẫn 4.48 lít hỗn hợp khí X gồm etilen và axetilen (đktc) qua dung dịch AgNO3/NH3 dư, thu được 24 gam kết tủa. Tính thành phần phần trăm về thể tích của mỗi khí trong hỗn hợp X.