Bài học

Phản ứng cháy, cracking và reforming của alkane

Mục tiêu bài học

Sau bài này, em viết và cân bằng được phương trình phản ứng cháy hoàn toàn của alkane, tính toán được lượng chất theo phương trình cháy, và giải thích được vai trò của cracking, reforming trong công nghiệp lọc dầu.

Kiến thức nền cần nhớ

Bài trước đã cho em phản ứng thế của alkane. Từ Hoá học 8–9, em đã biết cách cân bằng một phương trình hoá học và tính theo phương trình (số mol, khối lượng, thể tích khí). Ở chương trình 2018, thể tích khí ở điều kiện chuẩn (đkc: 25 °C, 1 bar) dùng $V_m = 24{,}79$ lít/mol — khác với đktc $22{,}4$ lít/mol của chương trình cũ, cần chú ý không nhầm lẫn hai hằng số này.

Khởi động

Khí gas (LPG) và xăng đều là hỗn hợp alkane, khi cháy hoàn toàn toả rất nhiều nhiệt nên được dùng làm nhiên liệu. Nhưng nếu bếp gas bị nghẹt, thiếu oxygen, ngọn lửa sẽ chuyển màu vàng cam kèm khói đen và sinh khí CO độc — vì sao thiếu oxygen lại thay đổi sản phẩm cháy như vậy?

Kiến thức trọng tâm

Phản ứng cháy hoàn toàn của alkane (đủ oxygen) tuân theo công thức tổng quát: $C_nH_{2n+2} + \dfrac{3n+1}{2}O_2 \to nCO_2 + (n+1)H_2O$ , toả nhiệt mạnh — đây là lí do alkane là thành phần chính của các nhiên liệu (gas, xăng, dầu diesel).

**Phản ứng cháy hoàn toàn** của alkane (đủ oxygen) tuân theo công thức tổng quát: $C_nH_{2n+2} + \dfrac{3n+1}{2}O_2 \to nCO_2 + (n+1)H_2O$, toả nhiệt mạnh — đây là lí do alkane là thành phần chính của các nhiên liệu (gas, xăng, dầu diesel).

Cháy không hoàn toàn (thiếu oxygen) sinh thêm khí CO, thậm chí muội than (C) bên cạnh $CO_2$ , $H_2O$ . Khí CO rất độc vì nó liên kết với hemoglobin trong máu mạnh hơn oxygen hàng trăm lần, chiếm chỗ khiến máu không vận chuyển được oxygen — đây là lí do tuyệt đối không đốt bếp than, máy phát điện trong phòng kín thiếu thông gió.

**Cháy không hoàn toàn** (thiếu oxygen) sinh thêm khí CO, thậm chí muội than (C) bên cạnh $CO_2$, $H_2O$. Khí CO rất độc vì nó liên kết với hemoglobin trong máu mạnh hơn oxygen hàng trăm lần, chiếm chỗ khiến máu không vận chuyển được oxygen — đây là lí do tuyệt đối không đốt bếp than, máy phát điện trong phòng kín thiếu thông gió.

Cracking (bẻ gãy mạch): dưới nhiệt độ cao hoặc xúc tác, các alkane mạch dài trong dầu mỏ bị bẻ gãy thành hỗn hợp alkane mạch ngắn hơn và alkene. Mục đích công nghiệp: tăng lượng xăng (alkane $C_5$ – $C_{10}$ ) từ các phân đoạn dầu nặng, đồng thời tạo ra alkene — nguyên liệu quan trọng cho công nghiệp hoá dầu (sản xuất nhựa, polymer sẽ học ở Chương 4).

**Cracking** (bẻ gãy mạch): dưới nhiệt độ cao hoặc xúc tác, các alkane mạch dài trong dầu mỏ bị bẻ gãy thành hỗn hợp alkane mạch ngắn hơn và alkene. Mục đích công nghiệp: tăng lượng xăng (alkane $C_5$–$C_{10}$) từ các phân đoạn dầu nặng, đồng thời tạo ra alkene — nguyên liệu quan trọng cho công nghiệp hoá dầu (sản xuất nhựa, polymer sẽ học ở Chương 4).

Reforming (cải tổ cấu trúc): biến đổi alkane mạch thẳng có chỉ số octane thấp thành alkane mạch nhánh hoặc hydrocarbon vòng có chỉ số octane cao hơn, giúp xăng cháy êm hơn trong động cơ. Khác với cracking, reforming KHÔNG làm thay đổi số nguyên tử carbon của phân tử.

Ví dụ

Tính thể tích khí

CO_2

từ phản ứng cháy propaneTính thể tích khí $CO_2$ từ phản ứng cháy propane

1
Đốt cháy hoàn toàn 0,2 mol propane ( $C_3H_8$ ). Tính thể tích khí $CO_2$ (đkc) sinh ra.
Đốt cháy hoàn toàn 0,2 mol propane ($C_3H_8$). Tính thể tích khí $CO_2$ (đkc) sinh ra.
2
$C_3H_8 + 5O_2 \to 3CO_2 + 4H_2O$ .
$C_3H_8 + 5O_2 \to 3CO_2 + 4H_2O$.
3
Theo PT: $n(CO_2) = 3 \times n(C_3H_8) = 3 \times 0{,}2 = 0{,}6$ mol.
Theo PT: $n(CO_2) = 3 \times n(C_3H_8) = 3 \times 0{,}2 = 0{,}6$ mol.
4
$V(CO_2) = 0{,}6 \times 24{,}79 = 14{,}874$ lít. Vậy thể tích $CO_2$ sinh ra (đkc) là $14{,}874$ lít.
$V(CO_2) = 0{,}6 \times 24{,}79 = 14{,}874$ lít. Vậy thể tích $CO_2$ sinh ra (đkc) là $14{,}874$ lít.

Ví dụ

Đốt cháy hỗn hợp hai alkane (dạng thi)

1
Đốt cháy hoàn toàn hỗn hợp X gồm 0,1 mol $CH_4$ và 0,05 mol $C_2H_6$ . Tính thể tích khí $CO_2$ (đkc) và khối lượng nước sinh ra.
Đốt cháy hoàn toàn hỗn hợp X gồm 0,1 mol $CH_4$ và 0,05 mol $C_2H_6$. Tính thể tích khí $CO_2$ (đkc) và khối lượng nước sinh ra.
2
$CH_4 + 2O_2 \to CO_2 + 2H_2O$ (1); $C_2H_6 + \dfrac{7}{2}O_2 \to 2CO_2 + 3H_2O$ (2).
$CH_4 + 2O_2 \to CO_2 + 2H_2O$ (1); $C_2H_6 + \dfrac{7}{2}O_2 \to 2CO_2 + 3H_2O$ (2).
3
Từ (1): $n(CO_2) = 0{,}1$ mol. Từ (2): $n(CO_2) = 2 \times 0{,}05 = 0{,}1$ mol. Tổng: $n(CO_2) = 0{,}1 + 0{,}1 = 0{,}2$ mol. (1')
Từ (1): $n(CO_2) = 0{,}1$ mol. Từ (2): $n(CO_2) = 2 \times 0{,}05 = 0{,}1$ mol. Tổng: $n(CO_2) = 0{,}1 + 0{,}1 = 0{,}2$ mol. (1')
4
Từ (1): $n(H_2O) = 2 \times 0{,}1 = 0{,}2$ mol. Từ (2): $n(H_2O) = 3 \times 0{,}05 = 0{,}15$ mol. Kết hợp (1') và số liệu này, tổng $n(H_2O) = 0{,}2 + 0{,}15 = 0{,}35$ mol.
Từ (1): $n(H_2O) = 2 \times 0{,}1 = 0{,}2$ mol. Từ (2): $n(H_2O) = 3 \times 0{,}05 = 0{,}15$ mol. Kết hợp (1') và số liệu này, tổng $n(H_2O) = 0{,}2 + 0{,}15 = 0{,}35$ mol.
5
$V(CO_2) = 0{,}2 \times 24{,}79 = 4{,}958$ lít; $m(H_2O) = 0{,}35 \times 18 = 6{,}3$ gam. Vậy $V(CO_2) \approx 4{,}96$ lít và $m(H_2O) = 6{,}3$ gam.
$V(CO_2) = 0{,}2 \times 24{,}79 = 4{,}958$ lít; $m(H_2O) = 0{,}35 \times 18 = 6{,}3$ gam. Vậy $V(CO_2) \approx 4{,}96$ lít và $m(H_2O) = 6{,}3$ gam.

Ví dụ

Minh hoạ phản ứng cracking

1
Viết một phương trình minh hoạ cracking octane ( $C_8H_{18}$ ) và giải thích nguyên tắc bảo toàn nguyên tử trong phản ứng này.
Viết một phương trình minh hoạ cracking octane ($C_8H_{18}$) và giải thích nguyên tắc bảo toàn nguyên tử trong phản ứng này.
2
$C_8H_{18} \xrightarrow{t^{\circ}, xt} C_4H_{10} + C_4H_8$ (một trong nhiều cách bẻ mạch có thể xảy ra).
$C_8H_{18} \xrightarrow{t^{\circ}, xt} C_4H_{10} + C_4H_8$ (một trong nhiều cách bẻ mạch có thể xảy ra).
3
Vế trái: 8 carbon, 18 hydrogen. Vế phải: $(4+4)=8$ carbon, $(10+8)=18$ hydrogen — khớp nhau, đúng theo định luật bảo toàn khối lượng/nguyên tố (tổng số nguyên tử mỗi loại không đổi).
Vế trái: 8 carbon, 18 hydrogen. Vế phải: $(4+4)=8$ carbon, $(10+8)=18$ hydrogen — khớp nhau, đúng theo định luật bảo toàn khối lượng/nguyên tố (tổng số nguyên tử mỗi loại không đổi).
4
Vậy cracking chỉ cắt các liên kết $C-C$ nội phân tử để tạo alkane mạch ngắn hơn kèm alkene, không làm mất hay sinh thêm nguyên tử carbon, hydrogen nào — tổng số carbon, hydrogen hai vế luôn bằng nhau.
Vậy cracking chỉ cắt các liên kết $C-C$ nội phân tử để tạo alkane mạch ngắn hơn kèm alkene, không làm mất hay sinh thêm nguyên tử carbon, hydrogen nào — tổng số carbon, hydrogen hai vế luôn bằng nhau.

Sai lầm thường gặp

Khi số carbon $n$ là số lẻ, hệ số $O_2$ trong phương trình cháy là phân số $\dfrac{3n+1}{2}$ — nhiều em quên nhân đôi cả phương trình để đưa về hệ số nguyên, hoặc bỏ sót hệ số này khi cân bằng. Một lỗi khác là nhầm cracking với phản ứng cháy — cracking KHÔNG dùng oxygen, chỉ bẻ mạch bằng nhiệt/xúc tác.

Luyện tập có hướng dẫn

Luyện tập độc lập

Kiểm tra nhanh

Ghi nhớ

Alkane cháy hoàn toàn theo $C_nH_{2n+2} + \dfrac{3n+1}{2}O_2 \to nCO_2 + (n+1)H_2O$ , toả nhiệt mạnh; thiếu oxygen sinh thêm CO độc. Cracking bẻ mạch dài thành alkane ngắn + alkene để tăng lượng xăng; reforming chỉ đổi cấu trúc mạch, giữ nguyên số carbon.

Alkane cháy hoàn toàn theo $C_nH_{2n+2} + \dfrac{3n+1}{2}O_2 \to nCO_2 + (n+1)H_2O$, toả nhiệt mạnh; thiếu oxygen sinh thêm CO độc. Cracking bẻ mạch dài thành alkane ngắn + alkene để tăng lượng xăng; reforming chỉ đổi cấu trúc mạch, giữ nguyên số carbon.

Cầu nối

Chương sau chuyển sang alkene — hydrocarbon có liên kết đôi, phản ứng hoàn toàn khác hẳn alkane.