Phản ứng giữa C2H4 (etilen) và KMnO4 (kali permanganat, thuốc tím) là một phản ứng oxi hóa khử quan trọng trong hóa học hữu cơ. Bài viết này sẽ cung cấp thông tin chi tiết về phản ứng này, bao gồm phương trình phản ứng, cách cân bằng, hiện tượng, cách thực hiện và các bài tập vận dụng.
Phương Trình Phản Ứng C2H4 + KMnO4
Phản ứng giữa etilen và thuốc tím trong môi trường nước tạo ra etylen glicol, mangan đioxit và kali hidroxit. Phương trình hóa học đầy đủ như sau:
3CH2=CH2 + 2KMnO4 + 4H2O → 3HO–CH2–CH2–OH + 2MnO2↓ + 2KOH
Cân Bằng Phản Ứng Etilen Tác Dụng Với KMnO4
Để cân bằng phản ứng này, ta sử dụng phương pháp thăng bằng electron:
-
Xác định chất oxi hóa và chất khử:
- Etilen (C2H4) là chất khử (số oxi hóa của C tăng từ -2 lên -1 trong etylen glicol).
- Kali permanganat (KMnO4) là chất oxi hóa (số oxi hóa của Mn giảm từ +7 xuống +4 trong MnO2).
-
Viết các bán phản ứng:
- Quá trình oxi hóa: C2H4 + 2H2O → HO–CH2–CH2–OH + 2e- + 2H+
- Quá trình khử: MnO4- + 3e- + 2H2O → MnO2 + 4OH-
-
Cân bằng số electron:
- Nhân bán phản ứng oxi hóa với 3 và bán phản ứng khử với 2 để số electron trao đổi bằng nhau.
-
Kết hợp các bán phản ứng và cân bằng điện tích và nguyên tố:
- 3C2H4 + 6H2O + 2KMnO4 + 4H2O → 3HO–CH2–CH2–OH + 2MnO2 + 2KOH + 6H+
-
Rút gọn phương trình:
- 3CH2=CH2 + 2KMnO4 + 4H2O → 3HO–CH2–CH2–OH + 2MnO2↓ + 2KOH
Hiện Tượng Phản Ứng Etilen Tác Dụng Với KMnO4
Hiện tượng dễ nhận thấy khi thực hiện phản ứng này là:
- Dung dịch thuốc tím (KMnO4) bị nhạt màu dần.
- Xuất hiện kết tủa màu nâu đen của mangan đioxit (MnO2).
Cách Tiến Hành Phản Ứng
Để thực hiện phản ứng này, ta có thể làm như sau:
- Chuẩn bị dung dịch KMnO4 loãng.
- Dẫn khí etilen (C2H4) từ từ vào dung dịch KMnO4.
- Quan sát sự thay đổi màu sắc và sự xuất hiện của kết tủa.
Ứng Dụng Của Phản Ứng C2H4 + KMnO4
Phản ứng giữa etilen và thuốc tím có nhiều ứng dụng quan trọng:
- Nhận biết alkene: Phản ứng làm mất màu dung dịch thuốc tím là một phương pháp đặc trưng để nhận biết các alkene (chất hữu cơ có liên kết đôi C=C).
- Điều chế etylen glicol: Etylen glicol là một chất quan trọng được sử dụng làm chất chống đông trong ô tô và trong sản xuất polyester.
- Trong phòng thí nghiệm: Phản ứng được sử dụng để nghiên cứu cơ chế phản ứng oxi hóa khử trong hóa học hữu cơ.
Mở Rộng Về Tính Chất Hóa Học Của Alkene
Phản Ứng Cộng
Phản ứng cộng hidro (Hidro hóa)
CH2 = CH2 + H2 →Ni,to CH3 – CH3
Phản ứng cộng halogen (Halogen hóa)
Alkene làm mất màu dung dịch brom, phản ứng này dùng để nhận biết alkene.
Ví dụ:
CH2 = CH2 + Br2 → Br–CH2–CH2–Br
Phản ứng cộng HX (X là OH, Cl, Br,…)
- Cộng nước
Ví dụ:
CH2 = CH2 + H – OH →H+,to CH3 – CH2 – OH
- Cộng axit HX
Ví dụ:
CH2 = CH2 + HCl → CH3 – CH2 – Cl
Quy tắc Mac-côp-nhi-côp: Trong phản ứng cộng HX (axit hoặc nước) vào liên kết C = C của alkene, H (phần mang điện tích dương) cộng vào C mang nhiều H hơn, X (hay phần mang điện tích âm) cộng vào C mang ít H hơn.
Phản Ứng Trùng Hợp
Phản ứng trùng hợp là quá trình kết hợp liên tiếp nhiều phân tử nhỏ giống nhau hoặc tương tự nhau tạo thành phân tử lớn gọi là polymer.
Số lượng mắt xích trong một phân tử polymer gọi là hệ số trùng hợp, kí hiệu n.
Ví dụ: Trùng hợp etilen
Phản Ứng Oxi Hóa
Oxi hóa hoàn toàn
CnH2n + 3n/2O2 →to nCO2 + nH2O
⇒ Đốt cháy hoàn toàn alkene thu được nCO2 = nH2O
Oxi hóa không hoàn toàn
Alkene làm mất màu dung dịch KMnO4 ⇒ Dùng để nhận biết alkene.
Ví dụ:
3CH2=CH2 + 4H2O + 2KMnO4 → 3HO–CH2–CH2–OH + 2MnO2↓ + 2KOH
Bài Tập Vận Dụng Liên Quan Đến Phản Ứng C2H4 + KMnO4
Câu 1: Dẫn 2,24 lít khí etilen (đktc) vào dung dịch chứa 31,6 gam KMnO4. Sau khi phản ứng xảy ra hoàn toàn, khối lượng MnO2 thu được là bao nhiêu?
Hướng dẫn giải:
- Tính số mol etilen: nC2H4 = 2,24/22,4 = 0,1 mol
- Tính số mol KMnO4: nKMnO4 = 31,6/158 = 0,2 mol
- Viết phương trình phản ứng: 3CH2=CH2 + 2KMnO4 + 4H2O → 3HO–CH2–CH2–OH + 2MnO2↓ + 2KOH
- Xác định chất hết, chất dư: Theo tỉ lệ phương trình, 3 mol C2H4 phản ứng với 2 mol KMnO4. Vậy 0,1 mol C2H4 phản ứng với (2/3)*0,1 = 0,067 mol KMnO4. Vậy KMnO4 dư. Tính số mol MnO2 theo số mol C2H4.
- Số mol MnO2 = số mol C2H4 = 0,1 mol.
- Khối lượng MnO2 = 0,1 * 87 = 8,7 gam.
Câu 2: Cho 4,48 lít hỗn hợp khí X gồm etilen và axetilen (đktc) phản ứng vừa đủ với dung dịch chứa m gam KMnO4 loãng. Sau khi phản ứng kết thúc, thấy có 12,8 gam MnO2 kết tủa. Giá trị của m là bao nhiêu?
Hướng dẫn giải:
- Tính số mol hỗn hợp X: nX = 4,48/22,4 = 0,2 mol
- Tính số mol MnO2: nMnO2 = 12,8/87 = 0,147 mol
- Viết phương trình phản ứng của etilen và axetilen với KMnO4.
- Gọi số mol etilen là x, số mol axetilen là y. Ta có hệ phương trình: x + y = 0,2 và (2/3)x + (2/3)y = 0,147.
- Giải hệ phương trình, ta được x = 0,11 mol và y = 0,09 mol.
- Tính số mol KMnO4 tham gia phản ứng: nKMnO4 = (2/3) 0,11 + (2/3) 0,09 = 0,133 mol.
- Khối lượng KMnO4: m = 0,133 * 158 = 21,014 gam.
Câu 3: Cho 2,8 gam alkene X tác dụng vừa đủ với dung dịch brom, thấy có 8 gam brom đã phản ứng. Xác định công thức phân tử của X. Sau đó viết CTCT và gọi tên X biết X có đồng phân hình học.
Hướng dẫn giải:
- Tính số mol brom: nBr2 = 8/160 = 0,05 mol
- Phản ứng giữa alkene và brom theo tỉ lệ 1:1, nên số mol alkene = số mol brom = 0,05 mol.
- Công thức phân tử của alkene có dạng CnH2n, khối lượng mol phân tử của alkene là 2,8/0,05 = 56.
- Ta có 14n = 56 => n = 4. Vậy công thức phân tử của alkene là C4H8.
- Vì X có đồng phân hình học => CTCT của X là CH3-CH=CH-CH3 (but-2-en).
Với những kiến thức và bài tập trên, hy vọng bạn đã hiểu rõ về phản ứng C2H4 + KMnO4 và ứng dụng của nó trong hóa học hữu cơ.