Bài học

Tính chất hóa học và điều chế ethylic alcohol

Em sẽ làm được gì?

Viết đúng phương trình phản ứng cháy và phản ứng với sodium của ethylic alcohol; nêu hai cách điều chế; tính được thể tích khí sinh ra từ phản ứng với sodium; giải thích ứng dụng làm nhiên liệu sinh học.

Cần nhớ trước

Cấu tạo và nhóm –OH của ethylic alcohol (bài trước); kĩ năng cân bằng phương trình hóa học và tính theo phương trình (Course công thức–phương trình–mol).

Cồn khô cháy êm để nướng lẩu ngay trên bàn ăn, xăng E5 ở cây xăng có pha ethylic alcohol để giảm khí thải — ethylic alcohol cháy được, y hệt các hydrocarbon em đã học. Nhưng khác với hydrocarbon thuần túy, alcohol còn có một phản ứng rất đặc trưng của nhóm –OH: phản ứng với kim loại sodium. Và ethylic alcohol còn được làm ra từ chính… hạt gạo, quả nho hay ngô mà ta ăn hằng ngày.

Cồn khô cháy êm để nướng lẩu ngay trên bàn ăn, xăng E5 ở cây xăng có pha ethylic alcohol để giảm khí thải — ethylic alcohol **cháy được**, y hệt các hydrocarbon em đã học. Nhưng khác với hydrocarbon thuần túy, alcohol còn có một phản ứng rất đặc trưng của nhóm –OH: **phản ứng với kim loại sodium**. Và ethylic alcohol còn được làm ra từ chính… hạt gạo, quả nho hay ngô mà ta ăn hằng ngày.

Phản ứng cháy

Ethylic alcohol cháy trong khí oxygen với ngọn lửa màu xanh nhạt, tỏa nhiều nhiệt, sinh ra khí carbon dioxide và hơi nước:

$C_2H_5OH + 3O_2 \xrightarrow{t^\circ} 2CO_2 + 3H_2O$

Vì cháy tương đối sạch (không sinh muội than như khi đốt thiếu oxygen) và tỏa nhiều nhiệt, ethylic alcohol được dùng làm cồn khô (thắp bếp, nướng lẩu) và pha vào xăng tạo xăng sinh học E5, E10 (E5 nghĩa là 5% ethylic alcohol pha với 95% xăng khoáng) giúp giảm lượng khí thải độc hại ra môi trường. Lưu ý an toàn: không đổ thêm cồn vào ngọn lửa đang cháy, vì hơi cồn bốc lên rất nhanh và có thể bắt lửa ngược gây bỏng nặng.

Ethylic alcohol **cháy** trong khí oxygen với ngọn lửa màu xanh nhạt, tỏa nhiều nhiệt, sinh ra khí carbon dioxide và hơi nước: $$C_2H_5OH + 3O_2 \xrightarrow{t^\circ} 2CO_2 + 3H_2O$$ Vì cháy tương đối sạch (không sinh muội than như khi đốt thiếu oxygen) và tỏa nhiều nhiệt, ethylic alcohol được dùng làm **cồn khô** (thắp bếp, nướng lẩu) và pha vào xăng tạo **xăng sinh học E5, E10** (E5 nghĩa là 5% ethylic alcohol pha với 95% xăng khoáng) giúp giảm lượng khí thải độc hại ra môi trường. Lưu ý an toàn: **không** đổ thêm cồn vào ngọn lửa đang cháy, vì hơi cồn bốc lên rất nhanh và có thể bắt lửa ngược gây bỏng nặng.

Phản ứng với sodium

Nhóm –OH khiến ethylic alcohol phản ứng được với kim loại mạnh sodium (Na), giải phóng khí hydrogen:

$2C_2H_5OH + 2Na \rightarrow 2C_2H_5ONa + H_2\uparrow$

(C₂H₅ONa là sodium ethoxide, một muối hữu cơ). Phản ứng này cho thấy trong phân tử alcohol có một nguyên tử H linh động — nguyên tử H gắn trực tiếp vào oxygen của nhóm –OH — dễ dàng bị thay thế bởi kim loại kiềm. So với phản ứng Na + H₂O (xảy ra rất mãnh liệt, có thể bắn tóe), phản ứng Na với ethylic alcohol xảy ra êm dịu hơn vì phần gốc hydrocarbon C₂H₅– làm giảm bớt độ phân cực của liên kết O–H so với trong nước.

Nhóm **–OH** khiến ethylic alcohol phản ứng được với kim loại mạnh **sodium (Na)**, giải phóng khí **hydrogen**: $$2C_2H_5OH + 2Na \rightarrow 2C_2H_5ONa + H_2\uparrow$$ (C₂H₅ONa là sodium ethoxide, một muối hữu cơ). Phản ứng này cho thấy trong phân tử alcohol có một nguyên tử **H linh động** — nguyên tử H gắn trực tiếp vào oxygen của nhóm –OH — dễ dàng bị thay thế bởi kim loại kiềm. So với phản ứng Na + H₂O (xảy ra rất mãnh liệt, có thể bắn tóe), phản ứng Na với ethylic alcohol xảy ra **êm dịu hơn** vì phần gốc hydrocarbon C₂H₅– làm giảm bớt độ phân cực của liên kết O–H so với trong nước.

Điều chế ethylic alcohol

Có hai cách điều chế chính, tương ứng với hai bối cảnh khác nhau:

Lên men tinh bột/đường (cách cổ truyền, thủ công): tinh bột trong gạo, ngô, sắn được chuyển hóa thành đường glucose, rồi glucose được lên men nhờ men rượu (một loại vi sinh vật) để tạo thành ethylic alcohol và khí carbon dioxide. Đây chính là cách nấu rượu truyền thống ở nhiều vùng quê Việt Nam.
Hydrat hóa ethylene (quy mô công nghiệp): cho khí ethylene cộng nước, có xúc tác acid:

$C_2H_4 + H_2O \xrightarrow{acid,\ t^\circ} C_2H_5OH$

Cách này cho hiệu suất cao và sản lượng lớn, phù hợp sản xuất công nghiệp (làm dung môi, nguyên liệu hóa chất, xăng sinh học), trong khi cách lên men phù hợp quy mô nhỏ, gắn với thực phẩm.

Ở Việt Nam, ethylic alcohol dùng làm xăng sinh học chủ yếu được lên men từ sắn (khoai mì) — một nguồn nguyên liệu rẻ, dễ trồng và không cạnh tranh trực tiếp với lương thực chính như gạo. So với xăng khoáng thông thường, xăng pha ethylic alcohol cháy sinh ra ít khí CO và hydrocarbon chưa cháy hết hơn, góp phần giảm ô nhiễm không khí ở đô thị.

Có hai cách điều chế chính, tương ứng với hai bối cảnh khác nhau: - **Lên men tinh bột/đường (cách cổ truyền, thủ công):** tinh bột trong gạo, ngô, sắn được chuyển hóa thành đường glucose, rồi glucose được **lên men** nhờ men rượu (một loại vi sinh vật) để tạo thành ethylic alcohol và khí carbon dioxide. Đây chính là cách nấu rượu truyền thống ở nhiều vùng quê Việt Nam. - **Hydrat hóa ethylene (quy mô công nghiệp):** cho khí ethylene cộng nước, có xúc tác acid: $$C_2H_4 + H_2O \xrightarrow{acid,\ t^\circ} C_2H_5OH$$ Cách này cho hiệu suất cao và sản lượng lớn, phù hợp sản xuất công nghiệp (làm dung môi, nguyên liệu hóa chất, xăng sinh học), trong khi cách lên men phù hợp quy mô nhỏ, gắn với thực phẩm. Ở Việt Nam, ethylic alcohol dùng làm xăng sinh học chủ yếu được lên men từ **sắn (khoai mì)** — một nguồn nguyên liệu rẻ, dễ trồng và không cạnh tranh trực tiếp với lương thực chính như gạo. So với xăng khoáng thông thường, xăng pha ethylic alcohol cháy sinh ra ít khí CO và hydrocarbon chưa cháy hết hơn, góp phần giảm ô nhiễm không khí ở đô thị.

Cách cổ truyền: tinh bột trong gạo/ngô chuyển thành glucose rồi lên men thành rượu; công nghiệp thì hydrat hóa trực tiếp ethylene.

Ví dụ

Ví dụ 1 — Cân bằng phản ứng cháy

1
Cân bằng phương trình: C₂H₅OH + O₂ → CO₂ + H₂O.
2
Vế trái có 2 nguyên tử C → 2 CO₂; có 6 nguyên tử H → 3 H₂O.
3
Vế phải: 2 CO₂ có 4 O, 3 H₂O có 3 O, tổng 7 O. Alcohol đã có sẵn 1 O trong phân tử, nên O₂ phải cung cấp 7 − 1 = 6 nguyên tử O, tức là 3 phân tử O₂.
4
Phương trình đã cân bằng: C₂H₅OH + 3O₂ → 2CO₂ + 3H₂O.

Ví dụ

Ví dụ 2 — Tính thể tích khí hydrogen sinh ra

1
Cho 4,6 gam ethylic alcohol tác dụng hết với sodium dư. Tính thể tích khí hydrogen thu được (đkc: 25°C, 1 bar, 1 mol khí chiếm 24,79 lít).
2
$n_{C_2H_5OH} = \dfrac{4{,}6}{46} = 0{,}1 \text{ mol}$
$$n_{C_2H_5OH} = \dfrac{4{,}6}{46} = 0{,}1 \text{ mol}$$
3
$2C_2H_5OH + 2Na \rightarrow 2C_2H_5ONa + H_2\uparrow$ Theo phương trình, $n_{H_2} = \dfrac{1}{2} n_{C_2H_5OH} = \dfrac{0{,}1}{2} = 0{,}05$ mol.
$$2C_2H_5OH + 2Na \rightarrow 2C_2H_5ONa + H_2\uparrow$$ Theo phương trình, $n_{H_2} = \dfrac{1}{2} n_{C_2H_5OH} = \dfrac{0{,}1}{2} = 0{,}05$ mol.
4
$V_{H_2} = 0{,}05 \times 24{,}79 = 1{,}2395 \approx 1{,}24 \text{ lít}$
$$V_{H_2} = 0{,}05 \times 24{,}79 = 1{,}2395 \approx 1{,}24 \text{ lít}$$
5
Thể tích khí hydrogen thu được ở đkc mới xấp xỉ 1,24 lít.

Luyện tập có hướng dẫn

Luyện tập độc lập

Lỗi thường gặp

Khi cân bằng phản ứng cháy alcohol, đừng quên alcohol đã có sẵn 1 nguyên tử O trong phân tử — chỉ tính thêm số O còn thiếu từ O₂. Quên điều này khiến nhiều học sinh cân sai hệ số O₂ (nhầm thành 2 thay vì 3).

Ghi nhớ

C₂H₅OH cháy tỏa nhiệt (C₂H₅OH + 3O₂ → 2CO₂ + 3H₂O), tác dụng với Na giải phóng H₂ (2C₂H₅OH + 2Na → 2C₂H₅ONa + H₂↑). Điều chế bằng lên men tinh bột/đường (thủ công) hoặc hydrat hóa ethylene C₂H₄ + H₂O → C₂H₅OH (công nghiệp). Nhớ dùng Vm = 24,79 lít/mol khi đề bài cho đkc 25°C, 1 bar.

Nếu để rượu (ethylic alcohol loãng) hở ngoài không khí một thời gian dài, nó sẽ chua đi — biến thành một chất hữu cơ quen thuộc khác: acetic acid, thành phần chính của giấm ăn. Đó chính là chủ đề của bài tiếp theo.