Bài học

Alkane và phản ứng cháy

Em sẽ làm được gì?

Em viết và cân bằng được phương trình cháy hoàn toàn của methane và butane, tính được thể tích khí sản phẩm ở điều kiện chuẩn (đkc: $25^\circ C$ , 1 bar, $V_m = 24,79$ L/mol), và giải thích vì sao alkane được dùng làm nhiên liệu.

Em viết và cân bằng được phương trình cháy hoàn toàn của methane và butane, tính được thể tích khí sản phẩm ở điều kiện chuẩn (đkc: $25^\circ C$, 1 bar, $V_m = 24,79$ L/mol), và giải thích vì sao alkane được dùng làm nhiên liệu.

Cần nhớ trước

Cân bằng phương trình hóa học; công thức chuyển đổi mol–thể tích khí ở đkc, $V=n \times 24,79$ (Khóa Ôn nền tảng Hóa học 9); alkane và công thức chung $C_nH_{2n+2}$ (bài trước).

Cân bằng phương trình hóa học; công thức chuyển đổi mol–thể tích khí ở đkc, $V=n \times 24,79$ (Khóa *Ôn nền tảng Hóa học 9*); alkane và công thức chung $C_nH_{2n+2}$ (bài trước).

Khởi động

Vì sao bếp gas cháy lại tỏa nhiệt mạnh đến vậy, đủ để nấu chín thức ăn trong vài phút? Và vì sao khi bếp gas cháy có ngọn lửa xanh trong khi để lửa liu riu, thiếu gió lại xuất hiện khói đen?

Cả hai hiện tượng đều liên quan đến phản ứng cháy của alkane — tính chất hóa học quan trọng nhất khiến chúng trở thành nguồn nhiên liệu chủ lực của thế giới, từ bếp gas trong nhà đến động cơ ô tô và nhà máy điện.

Phản ứng cháy hoàn toàn của alkane

Khi cháy hoàn toàn (đủ khí oxygen), alkane tạo ra khí carbon dioxide và hơi nước, đồng thời tỏa ra rất nhiều nhiệt. Hai phương trình quan trọng em cần nhớ:

$CH_4 + 2O_2 \xrightarrow{t^\circ} CO_2 + 2H_2O$

$2C_4H_{10} + 13O_2 \xrightarrow{t^\circ} 8CO_2 + 10H_2O$

Nếu thiếu oxygen, alkane cháy không hoàn toàn, sinh ra khí carbon monoxide ( $CO$ , rất độc) và muội than (carbon, C) — vừa lãng phí nhiên liệu vừa nguy hiểm cho sức khỏe, đây là lí do vì sao bếp gas cần được điều chỉnh đủ gió khi đun nấu.

Khi cháy **hoàn toàn** (đủ khí oxygen), alkane tạo ra khí carbon dioxide và hơi nước, đồng thời tỏa ra rất nhiều nhiệt. Hai phương trình quan trọng em cần nhớ: $$CH_4 + 2O_2 \xrightarrow{t^\circ} CO_2 + 2H_2O$$ $$2C_4H_{10} + 13O_2 \xrightarrow{t^\circ} 8CO_2 + 10H_2O$$ Nếu **thiếu oxygen**, alkane cháy không hoàn toàn, sinh ra khí carbon monoxide ($CO$, rất độc) và muội than (carbon, C) — vừa lãng phí nhiên liệu vừa nguy hiểm cho sức khỏe, đây là lí do vì sao bếp gas cần được điều chỉnh đủ gió khi đun nấu.

Cách cân bằng phương trình cháy hydrocarbon

Cân bằng phương trình cháy hydrocarbon theo thứ tự: cân carbon trước → cân hydrogen → cân oxygen sau cùng. Lí do cân oxygen cuối là vì $O_2$ là chất duy nhất trong phản ứng chỉ chứa nguyên tố oxygen, nên dễ điều chỉnh hệ số nhất. Với những hydrocarbon có số H lẻ (như butane), có thể phải nhân đôi cả phương trình để hệ số oxygen thành số nguyên.

Cân bằng phương trình cháy hydrocarbon theo thứ tự: **cân carbon trước → cân hydrogen → cân oxygen sau cùng**. Lí do cân oxygen cuối là vì $O_2$ là chất duy nhất trong phản ứng chỉ chứa nguyên tố oxygen, nên dễ điều chỉnh hệ số nhất. Với những hydrocarbon có số H lẻ (như butane), có thể phải nhân đôi cả phương trình để hệ số oxygen thành số nguyên.

Tính thể tích khí sản phẩm ở đkc

Theo chương trình hiện hành, điều kiện chuẩn (đkc) là nhiệt độ $25^\circ C$ và áp suất 1 bar; ở điều kiện này, 1 mol khí bất kì chiếm đúng $V_m = 24,79$ lít. Vì vậy, sau khi tính được số mol khí sản phẩm ( $CO_2$ ) theo tỉ lệ phương trình, ta áp dụng công thức $V = n \times 24,79$ (lít) để tính thể tích khí ở đkc.

Theo chương trình hiện hành, **điều kiện chuẩn (đkc)** là nhiệt độ $25^\circ C$ và áp suất **1 bar**; ở điều kiện này, 1 mol khí bất kì chiếm đúng $V_m = 24,79$ lít. Vì vậy, sau khi tính được số mol khí sản phẩm ($CO_2$) theo tỉ lệ phương trình, ta áp dụng công thức $V = n \times 24,79$ (lít) để tính thể tích khí ở đkc.

Đốt 1 mol

CH_4

chỉ sinh 1 mol

CO_2

(24,79 lít), nhưng đốt 1 mol

C_4H_{10}

sinh 4 mol

CO_2

(99,16 lít) — vì mỗi phân tử butane có 4 carbon.Đốt 1 mol $CH_4$ chỉ sinh 1 mol $CO_2$ (24,79 lít), nhưng đốt 1 mol $C_4H_{10}$ sinh 4 mol $CO_2$ (99,16 lít) — vì mỗi phân tử butane có 4 carbon.

Ứng dụng của alkane

Nhờ phản ứng cháy tỏa nhiều nhiệt, alkane là nhiên liệu chủ lực trong đời sống: methane (thành phần chính của khí thiên nhiên) dùng chạy nhà máy điện, đun nấu qua đường ống khí đốt; propane và butane (khí gas hóa lỏng, LPG) dùng đun nấu trong bình gas gia đình; các alkane mạch dài hơn có trong xăng, dầu diesel dùng chạy động cơ. Ngoài vai trò nhiên liệu, alkane mạch dài còn dùng làm dung môi, sáp nến, dầu nhờn bôi trơn máy móc.

Nhờ phản ứng cháy tỏa nhiều nhiệt, alkane là **nhiên liệu** chủ lực trong đời sống: methane (thành phần chính của khí thiên nhiên) dùng chạy nhà máy điện, đun nấu qua đường ống khí đốt; propane và butane (khí gas hóa lỏng, LPG) dùng đun nấu trong bình gas gia đình; các alkane mạch dài hơn có trong xăng, dầu diesel dùng chạy động cơ. Ngoài vai trò nhiên liệu, alkane mạch dài còn dùng làm dung môi, sáp nến, dầu nhờn bôi trơn máy móc.

Ví dụ

Ví dụ 1 — Cân bằng và tính thể tích khí cháy methane

1
Đốt cháy hoàn toàn 2 mol khí methane. Viết phương trình cháy đã cân bằng và tính thể tích khí $CO_2$ sinh ra ở đkc.
Đốt cháy hoàn toàn 2 mol khí methane. Viết phương trình cháy đã cân bằng và tính thể tích khí $CO_2$ sinh ra ở đkc.
2
Cân C: 1 C mỗi vế → hệ số $CO_2$ là 1. Cân H: 4 H bên trái → cần 2 phân tử $H_2O$ (mỗi phân tử có 2 H). Cân O: vế phải có $2 \times 1 + 1 \times 2 = 4$ nguyên tử O → cần 2 phân tử $O_2$ . Vậy: $CH_4 + 2O_2 \rightarrow CO_2 + 2H_2O$ .
Cân C: 1 C mỗi vế → hệ số $CO_2$ là 1. Cân H: 4 H bên trái → cần 2 phân tử $H_2O$ (mỗi phân tử có 2 H). Cân O: vế phải có $2 \times 1 + 1 \times 2 = 4$ nguyên tử O → cần 2 phân tử $O_2$. Vậy: $CH_4 + 2O_2 \rightarrow CO_2 + 2H_2O$.
3
Theo tỉ lệ phương trình, 1 mol $CH_4$ sinh 1 mol $CO_2$ . Với 2 mol $CH_4$ → $n_{CO_2} = 2$ mol.
Theo tỉ lệ phương trình, 1 mol $CH_4$ sinh 1 mol $CO_2$. Với 2 mol $CH_4$ → $n_{CO_2} = 2$ mol.
4
$V_{CO_2} = n \times 24,79 = 2 \times 24,79 = 49,58$ lít.
$V_{CO_2} = n \times 24,79 = 2 \times 24,79 = 49,58$ lít.

Ví dụ

Ví dụ 2 — Bài toán khối lượng butane trong bình gas

1
Một bình gas mini chứa 5,8 gam butane $C_4H_{10}$ (khối lượng mol $M=58$ g/mol). Tính thể tích khí $CO_2$ sinh ra (ở đkc) khi đốt cháy hoàn toàn lượng butane này.
Một bình gas mini chứa 5,8 gam butane $C_4H_{10}$ (khối lượng mol $M=58$ g/mol). Tính thể tích khí $CO_2$ sinh ra (ở đkc) khi đốt cháy hoàn toàn lượng butane này.
2
$n_{C_4H_{10}} = \dfrac{m}{M} = \dfrac{5,8}{58} = 0,1$ mol.
$n_{C_4H_{10}} = \dfrac{m}{M} = \dfrac{5,8}{58} = 0,1$ mol.
3
Cân C: 4 C → 4 $CO_2$ . Cân H: 10 H → 5 $H_2O$ . Cân O: vế phải $4 \times 2 + 5 \times 1 = 13$ O → cần $\dfrac{13}{2}O_2$ ; nhân đôi cả phương trình để có hệ số nguyên: $2C_4H_{10} + 13O_2 \rightarrow 8CO_2 + 10H_2O$ .
Cân C: 4 C → 4 $CO_2$. Cân H: 10 H → 5 $H_2O$. Cân O: vế phải $4 \times 2 + 5 \times 1 = 13$ O → cần $\dfrac{13}{2}O_2$; nhân đôi cả phương trình để có hệ số nguyên: $2C_4H_{10} + 13O_2 \rightarrow 8CO_2 + 10H_2O$.
4
Theo tỉ lệ: 2 mol $C_4H_{10}$ sinh 8 mol $CO_2$ , tức 1 mol $C_4H_{10}$ sinh 4 mol $CO_2$ . Với 0,1 mol $C_4H_{10}$ → $n_{CO_2} = 0,1 \times 4 = 0,4$ mol.
Theo tỉ lệ: 2 mol $C_4H_{10}$ sinh 8 mol $CO_2$, tức 1 mol $C_4H_{10}$ sinh 4 mol $CO_2$. Với 0,1 mol $C_4H_{10}$ → $n_{CO_2} = 0,1 \times 4 = 0,4$ mol.
5
$V_{CO_2} = 0,4 \times 24,79 = 9,916$ lít.
$V_{CO_2} = 0,4 \times 24,79 = 9,916$ lít.

Lỗi thường gặp

Đừng nhầm!

Lỗi hay gặp nhất là dùng nhầm thể tích mol của chương trình cũ (22,4 lít/mol, ứng với $0^\circ C$ , 1 atm) thay vì con số đúng của chương trình hiện hành là 24,79 lít/mol (ở $25^\circ C$ , 1 bar). Luôn dùng 24,79, trừ khi đề bài nêu rõ điều kiện khác. Lỗi thứ hai là quên nhân đôi phương trình khi hệ số oxygen ra số lẻ (như trường hợp butane).

Lỗi hay gặp nhất là dùng nhầm **thể tích mol của chương trình cũ (22,4 lít/mol, ứng với $0^\circ C$, 1 atm)** thay vì con số đúng của chương trình hiện hành là **24,79 lít/mol** (ở $25^\circ C$, 1 bar). Luôn dùng 24,79, trừ khi đề bài nêu rõ điều kiện khác. Lỗi thứ hai là quên nhân đôi phương trình khi hệ số oxygen ra số lẻ (như trường hợp butane).

Luyện tập

Ghi nhớ

Alkane cháy đủ oxygen cho $CO_2 + H_2O$ và tỏa nhiều nhiệt; thiếu oxygen sinh $CO$ độc và muội than. Cân phương trình theo thứ tự C → H → O. Tính thể tích khí ở đkc bằng $V = n \times 24,79$ lít. Đây là cơ sở để alkane trở thành nhiên liệu quan trọng nhất trong đời sống.

Bài tiếp theo

Alkane cháy được nhưng không phản ứng với dung dịch bromine. Vậy alkene thì sao? Bài sau em sẽ tìm hiểu phản ứng đặc trưng của ethylene — chìa khóa để phân biệt alkane và alkene bằng thí nghiệm.