Bài học

Tính chất vật lí và trạng thái tồn tại của alkane

Mục tiêu bài học

Sau bài này, em mô tả và giải thích được xu hướng biến đổi nhiệt độ sôi, trạng thái tồn tại (khí/lỏng/rắn) và khả năng hoà tan của alkane theo số nguyên tử carbon và theo mức độ phân nhánh.

Kiến thức nền cần nhớ

Bài trước đã cho em công thức chung $C_nH_{2n+2}$ và cách gọi tên $C_1$ đến $C_{10}$ . Em cũng đã biết alkane chỉ chứa liên kết $C-C$ , $C-H$ — hai loại liên kết gần như không phân cực vì độ âm điện của $C$ và $H$ khá gần nhau.

Bài trước đã cho em công thức chung $C_nH_{2n+2}$ và cách gọi tên $C_1$ đến $C_{10}$. Em cũng đã biết alkane chỉ chứa liên kết $C-C$, $C-H$ — hai loại liên kết gần như không phân cực vì độ âm điện của $C$ và $H$ khá gần nhau.

Khởi động

Bếp gas dùng propane, butane hoá lỏng dưới áp suất nhưng ở áp suất khí quyển bình thường lại là chất khí; xăng (chứa alkane $C_5-C_{10}$ ) là chất lỏng; còn nến, sáp (alkane $C_{18}$ trở lên) lại là chất rắn. Cùng một họ hydrocarbon no, vì sao trạng thái tồn tại lại khác nhau đến vậy?

Bếp gas dùng propane, butane hoá lỏng dưới áp suất nhưng ở áp suất khí quyển bình thường lại là chất khí; xăng (chứa alkane $C_5-C_{10}$) là chất lỏng; còn nến, sáp (alkane $C_{18}$ trở lên) lại là chất rắn. Cùng một họ hydrocarbon no, vì sao trạng thái tồn tại lại khác nhau đến vậy?

Kiến thức trọng tâm

Vì phân tử alkane hầu như không phân cực, lực hút giữa các phân tử chủ yếu là lực Van der Waals — một loại lực yếu, có độ lớn tăng theo diện tích bề mặt tiếp xúc giữa các phân tử. Phân tử càng nhiều nguyên tử carbon, khối lượng phân tử càng lớn, diện tích bề mặt tiếp xúc càng lớn, lực Van der Waals càng mạnh, nên cần nhiều năng lượng hơn để tách các phân tử ra khỏi nhau — do đó nhiệt độ sôi tăng dần theo số carbon trong cùng dãy đồng đẳng mạch thẳng.

Vì phân tử alkane hầu như không phân cực, lực hút giữa các phân tử chủ yếu là **lực Van der Waals** — một loại lực yếu, có độ lớn tăng theo diện tích bề mặt tiếp xúc giữa các phân tử. Phân tử càng nhiều nguyên tử carbon, khối lượng phân tử càng lớn, diện tích bề mặt tiếp xúc càng lớn, lực Van der Waals càng mạnh, nên cần nhiều năng lượng hơn để tách các phân tử ra khỏi nhau — do đó **nhiệt độ sôi tăng dần theo số carbon** trong cùng dãy đồng đẳng mạch thẳng.

Ở điều kiện thường (25 °C, 1 bar), bốn alkane đầu dãy ( $C_1$ đến $C_4$ ) là chất khí; từ khoảng $C_5$ đến $C_{17}$ là chất lỏng; từ khoảng $C_{18}$ trở lên là chất rắn. Đây là lí do propane, butane hoá lỏng khi nén áp suất trong bình gas nhưng bay hơi thành khí ngay khi mở van.

Ở điều kiện thường (25 °C, 1 bar), bốn alkane đầu dãy ($C_1$ đến $C_4$) là chất khí; từ khoảng $C_5$ đến $C_{17}$ là chất lỏng; từ khoảng $C_{18}$ trở lên là chất rắn. Đây là lí do propane, butane hoá lỏng khi nén áp suất trong bình gas nhưng bay hơi thành khí ngay khi mở van.

Ảnh hưởng của phân nhánh. Với cùng số carbon (tức là đồng phân của nhau), alkane càng phân nhánh thì phân tử càng "gọn", diện tích bề mặt tiếp xúc giữa các phân tử càng giảm, nên nhiệt độ sôi càng thấp so với đồng phân mạch thẳng tương ứng.

Tính tan. Vì không phân cực và không tạo được liên kết hydrogen với nước, alkane hầu như không tan trong nước, nhưng tan tốt trong các dung môi hữu cơ không phân cực (xăng, dầu, benzene...) — theo nguyên lí "chất không phân cực tan tốt trong dung môi không phân cực". Khối lượng riêng của alkane lỏng nhỏ hơn nước (khoảng 0,6–0,8 g/mL) nên alkane luôn nổi trên mặt nước.

**Tính tan.** Vì không phân cực và không tạo được liên kết hydrogen với nước, alkane hầu như không tan trong nước, nhưng tan tốt trong các dung môi hữu cơ không phân cực (xăng, dầu, benzene...) — theo nguyên lí "chất không phân cực tan tốt trong dung môi không phân cực". Khối lượng riêng của alkane lỏng nhỏ hơn nước (khoảng 0,6–0,8 g/mL) nên alkane luôn nổi trên mặt nước.

Nhiệt độ sôi của alkane mạch thẳng tăng dần khi số carbon tăng

Ví dụ

So sánh nhiệt độ sôi của hai đồng phân

C_5H_{12}

So sánh nhiệt độ sôi của hai đồng phân $C_5H_{12}$

1
So sánh và giải thích nhiệt độ sôi của n-pentane ( $CH_3-CH_2-CH_2-CH_2-CH_3$ , 36 °C) và 2,2-dimethylpropane ( $(CH_3)_4C$ , 9,5 °C) — hai chất cùng công thức phân tử $C_5H_{12}$ .
So sánh và giải thích nhiệt độ sôi của n-pentane ($CH_3-CH_2-CH_2-CH_2-CH_3$, 36 °C) và 2,2-dimethylpropane ($(CH_3)_4C$, 9,5 °C) — hai chất cùng công thức phân tử $C_5H_{12}$.
2
n-pentane có mạch thẳng, kéo dài; 2,2-dimethylpropane phân nhánh tối đa quanh một carbon trung tâm nên hình dạng phân tử gần như hình cầu, gọn hơn hẳn.
3
Phân tử càng gọn thì diện tích bề mặt tiếp xúc giữa các phân tử với nhau càng nhỏ, lực Van der Waals càng yếu, nên cần ít năng lượng hơn để tách các phân tử ra khỏi nhau khi sôi.
4
Vậy 2,2-dimethylpropane sôi ở nhiệt độ thấp hơn hẳn n-pentane (9,5 °C so với 36 °C) dù cùng công thức phân tử $C_5H_{12}$ , vì phân nhánh làm giảm diện tích tiếp xúc giữa các phân tử.
Vậy 2,2-dimethylpropane sôi ở nhiệt độ thấp hơn hẳn n-pentane (9,5 °C so với 36 °C) dù cùng công thức phân tử $C_5H_{12}$, vì phân nhánh làm giảm diện tích tiếp xúc giữa các phân tử.

Ví dụ

Sắp xếp và dự đoán trạng thái (dạng thi)

1
Cho bảng nhiệt độ sôi: nonane $C_9H_{20}$ (151 °C), decane $C_{10}H_{22}$ (174 °C), heptane $C_7H_{16}$ (98 °C). Sắp xếp theo thứ tự nhiệt độ sôi tăng dần và dự đoán trạng thái của mỗi chất ở 25 °C.
Cho bảng nhiệt độ sôi: nonane $C_9H_{20}$ (151 °C), decane $C_{10}H_{22}$ (174 °C), heptane $C_7H_{16}$ (98 °C). Sắp xếp theo thứ tự nhiệt độ sôi tăng dần và dự đoán trạng thái của mỗi chất ở 25 °C.
2
Cả ba đều là alkane mạch thẳng nên nhiệt độ sôi tăng theo số carbon: heptane (7C) < nonane (9C) < decane (10C).
3
Cả ba nhiệt độ sôi đều lớn hơn 25 °C nên cả ba đều ở thể lỏng ở điều kiện thường — đúng với khoảng $C_5$ – $C_{17}$ đã nêu ở phần lí thuyết.
Cả ba nhiệt độ sôi đều lớn hơn 25 °C nên cả ba đều ở thể lỏng ở điều kiện thường — đúng với khoảng $C_5$–$C_{17}$ đã nêu ở phần lí thuyết.
4
Vậy thứ tự nhiệt độ sôi tăng dần là heptane (98 °C) < nonane (151 °C) < decane (174 °C); cả ba đều là chất lỏng ở 25 °C.

Ví dụ

Giải thích hiện tượng dầu loang

1
Vì sao khi tràn dầu trên biển, lớp dầu (hỗn hợp alkane mạch dài) luôn nổi trên mặt nước và lan rộng thành một lớp mỏng thay vì chìm hoặc hoà tan?
2
Alkane có khối lượng riêng nhỏ hơn nước (khoảng 0,6–0,8 g/mL so với 1,0 g/mL của nước) nên luôn nổi lên trên.
3
Alkane không phân cực nên không hoà tan vào nước (nước là dung môi phân cực mạnh) — hai chất tách thành hai lớp riêng biệt thay vì hoà lẫn.
4
Vậy dầu loang nổi thành lớp mỏng trên mặt biển vì đồng thời nhẹ hơn nước và không tan trong nước — đây cũng là lí do sự cố tràn dầu gây ô nhiễm trên diện rộng, khó xử lí bằng cách khuấy trộn với nước.

Sai lầm thường gặp

Nhiều em nghĩ mạch nhánh "có vẻ cồng kềnh" nên phải sôi cao hơn mạch thẳng — thực tế NGƯỢC LẠI: phân nhánh làm phân tử gọn hơn, giảm diện tích tiếp xúc, nên nhiệt độ sôi thấp hơn mạch thẳng cùng số carbon.

Luyện tập có hướng dẫn

Luyện tập độc lập

Kiểm tra nhanh

Ghi nhớ

Nhiệt độ sôi của alkane tăng theo số carbon (do lực Van der Waals tăng theo diện tích bề mặt tiếp xúc) nhưng giảm khi phân nhánh (do phân tử gọn lại). Alkane không tan trong nước nhưng tan trong dung môi hữu cơ, và nhẹ hơn nước nên luôn nổi lên trên.

Cầu nối

Chương sau chuyển sang tìm hiểu alkane phản ứng như thế nào — bắt đầu với phản ứng thế đặc trưng khi có ánh sáng.