Alkane: từ công thức đến nhiên liệu
Nhận diện hydrocarbon mạch hở no bằng CₙH_2ₙ₊_2, cân bằng cháy theo C–H–O, giải bài mol–khối lượng và so sánh nhiệt lượng nhiên liệu theo mol với theo gam.
Hóa học 9 · Hydrocarbon no
Alkane: từ công thức đến nhiên liệu
Nhìn công thức để nhận đúng họ chất, cân bằng phản ứng cháy bằng một quy trình chắc chắn và biến phương trình thành bài toán mol–khối lượng không sai đơn vị.
KHTN 9 C_nH_{2n+2} Mức độ 3/5 35–45 phút Cân bằng nguyên tử
Phạm vi bài học: khái niệm hydrocarbon, công thức chung, methane–butane, phản ứng cháy và ứng dụng nhiên liệu. Các bài định lượng được giải và cân bằng lại độc lập.
Sáu điểm khóa
1 Hydrocarbon Phân tử chỉ gồm carbon và hydrogen.
2 Alkane Hydrocarbon mạch hở chỉ có liên kết đơn.
3 Công thức chung C_nH_{2n+2}, n là số nguyên dương, n \ge 1.
4 Dãy đồng đẳng Hai chất liên tiếp hơn kém nhau một nhóm CH_{2}.
5 Cháy hoàn toàn Sản phẩm là CO_{2} và H_{2}O; phản ứng tỏa nhiệt.
6 An toàn Đủ oxygen, thông thoáng, không kiểm tra rò gas bằng lửa.
Từ cấu tạo đến phép tính
1. Nhận diện alkane bằng ba bộ lọc
Một chất là alkane khi đồng thời thỏa ba điều kiện: (1) chỉ có C và H; (2) mạch hở; (3) giữa các nguyên tử chỉ có liên kết đơn. Công thức C_nH_{2n+2} là dấu hiệu phân tử của alkane mạch hở no, nhưng vẫn phải đọc đúng n \ge 1.
Chất · Chỉ C, H? · Mạch hở, chỉ liên kết đơn? · Kết luận
CH_{3}–CH_{3} · Có · Có · Alkane
CH_{2}=CH_{2} · Có · Không, có C=C · Không phải alkane
CH_{3}–CH_{2}–OH · Không, có O · — · Không phải hydrocarbon
CH_{3}–CH_{2}–CH_{3} · Có · Có · Alkane
Bẫy: cứ “có C và H” chưa đủ. Chất có thêm O không phải hydrocarbon; chất chứa C=C là hydrocarbon nhưng không phải alkane.
2. Công thức chung và cách cân bằng phản ứng cháy
Cháy hoàn toàn một alkane trong đủ oxygen tạo carbon dioxide và nước. Bắt đầu bằng khung phản ứng, cân bằng theo thứ tự C → H → O:
C_nH_{2n+2} + (3n + 1)/2 O_{2} → nCO_{2} + (n + 1)H_{2}O.
Nếu muốn mọi hệ số nguyên, nhân toàn bộ phương trình với 2:
2C_nH_{2n+2} + (3n + 1)O_{2} → 2nCO_{2} + 2(n + 1)H_{2}O.
- Có n nguyên tử C, đặt n trước CO_{2}.
- Có 2n + 2 nguyên tử H, đặt n + 1 trước H_{2}O.
- Vế phải có 2n + n + 1 = 3n + 1 nguyên tử O, đặt (3n + 1)/2 trước O_{2}.
- Đếm lại từng nguyên tố và rút gọn hệ số nếu có ước chung.
Alkane · Phương trình cháy hoàn toàn đã cân bằng
CH_{4} · CH_{4} + 2O_{2} → CO_{2} + 2H_{2}O
C_{2}H_{6} · 2C_{2}H_{6} + 7O_{2} → 4CO_{2} + 6H_{2}O
C_{3}H_{8} · C_{3}H_{8} + 5O_{2} → 3CO_{2} + 4H_{2}O
C_{4}H_{10} · 2C_{4}H_{10} + 13O_{2} → 8CO_{2} + 10H_{2}O
Khóa nguyên tử: với propane, trái C:H:O = 3:8:10; phải 3CO_{2} + 4H_{2}O cho C:H:O = 3:8:(6+4)=10. Phương trình kín.
3. Bài trọng tâm: từ 8,8 g propane đến toàn bộ sản phẩm
BÀI TOÁN TRỌNG TÂM
Đốt cháy hoàn toàn 8,8 g propane C_{3}H_{8} trong đủ O_{2}. Tính khối lượng O_{2} cần dùng, CO_{2} và H_{2}O tạo thành. Dùng C = 12, H = 1, O = 16.
Phương trình: C_{3}H_{8} + 5O_{2} → 3CO_{2} + 4H_{2}O. Khối lượng mol M(C_{3}H_{8}) = 3·12 + 8·1 = 44 g/mol.
- n(C_{3}H_{8}) = 8,8/44 = 0,20 mol.
- Theo hệ số: n(O_{2}) = 5·0,20 = 1,00 mol.
- n(CO_{2}) = 3·0,20 = 0,60 mol; n(H_{2}O) = 4·0,20 = 0,80 mol.
- m(O_{2}) = 1,00·32 = 32,0 g.
- m(CO_{2}) = 0,60·44 = 26,4 g; m(H_{2}O) = 0,80·18 = 14,4 g.
Đáp số: cần 32,0 g O_{2}; tạo 26,4 g CO_{2} và 14,4 g H_{2}O.
Kiểm tra bảo toàn khối lượng
8,8 + 32,0 = 40,8 g; 26,4 + 14,4 = 40,8 g.
Hai vế bằng nhau. Kiểm tra này không thay cho cân bằng phản ứng, nhưng phát hiện rất nhanh lỗi nhân hệ số hoặc khối lượng mol.
Không bỏ cụm “đủ O_{2}”: bài đang xét cháy hoàn toàn. Thiếu oxygen có thể tạo sản phẩm khác; không tự dùng phương trình CO_{2}, H_{2}O cho mọi điều kiện cháy.
4. Nhiên liệu: so sánh theo mol và theo gam
Nhiệt lượng cháy theo mol tăng dần từ methane đến butane vì một mol phân tử lớn hơn chứa nhiều C, H hơn. Nhưng khi so trên mỗi gam , phải chia nhiệt mol cho khối lượng mol.
Alkane · M (g/mol) · Nhiệt cháy (kJ/mol) · Nhiệt trên 1 g (kJ/g)
Methane · 16 · 891 · 55,69
Ethane · 30 · 1 561 · 52,03
Propane · 44 · 2 220 · 50,45
Butane · 58 · 2 878 · 49,62
Các thương được làm tròn hai chữ số thập phân: 891/16 = 55,6875; 1561/30 \approx 52,0333; 2220/44 \approx 50,4545; 2878/58 \approx 49,6207. Trong bảng này, methane cho nhiệt lượng lớn nhất trên 1 g , dù butane lớn nhất trên 1 mol.
BÀI HỖN HỢP
Đốt hoàn toàn hỗn hợp gồm 0,10 mol CH_{4} và 0,10 mol C_{2}H_{6}. Tính số mol O_{2}, CO_{2}, H_{2}O.
Giải: CH_{4} cần 0,20 mol O_{2}, tạo 0,10 mol CO_{2} và 0,20 mol H_{2}O. C_{2}H_{6} cần 0,35 mol O_{2}, tạo 0,20 mol CO_{2} và 0,30 mol H_{2}O. Tổng: 0,55 mol O_{2}; 0,30 mol CO_{2}; 0,50 mol H_{2}O .
Đọc đúng đại lượng so sánh: kJ/mol và kJ/g trả lời hai câu khác nhau. Không kết luận từ cột kJ/mol khi đề hỏi cùng khối lượng nhiên liệu.
5. Bài luyện, an toàn nhiên liệu và bảng tự kiểm 60 giây
BÀI 1
Alkane có 6 nguyên tử carbon. Viết công thức phân tử và phương trình cháy với hệ số nguyên tối giản.
Giải: C_{6}H_{14}. Phương trình: 2C_{6}H_{14} + 19O_{2} → 12CO_{2} + 14H_{2}O. Kiểm tra O: 38 nguyên tử ở mỗi vế.
BÀI 2
0,25 mol methane cháy hoàn toàn cần bao nhiêu mol O_{2} và tạo bao nhiêu mol nước?
Giải: CH_{4} + 2O_{2} → CO_{2} + 2H_{2}O, nên cần 0,50 mol O_{2} và tạo 0,50 mol H_{2}O.
BÀI 3
Một chất có công thức C_{4}H_{8}. Có thể kết luận đó là alkane không?
Giải: không. Alkane mạch hở với n = 4 phải là C_{4}H_{10}. C_{4}H_{8} không thỏa C_nH_{2n+2}.
An toàn và sử dụng hiệu quả
- Đảm bảo thông gió khi dùng nhiên liệu khí; cháy thiếu oxygen làm tăng nguy cơ sản phẩm độc.
- Nếu nghi rò gas, hãy khóa van gas khi thao tác đó an toàn, mở cửa thông gió, tránh bật hoặc tắt thiết bị điện và tuyệt đối không dùng ngọn lửa để dò.
- Điều chỉnh ngọn lửa phù hợp, tắt nguồn sau sử dụng, bảo dưỡng thiết bị theo hướng dẫn.
- Giảm lãng phí nhiên liệu cũng giảm phát thải CO_{2} trên cùng nhu cầu sử dụng.
Lỗi · Biểu hiện · Cách sửa
Nhầm H = 2n · Viết alkane thành alkene · Alkane: 2n + 2.
Cân O trước · Hệ số phải sửa nhiều lần · Cân C, rồi H, cuối cùng O.
Nhầm mol với gam · Đáp số thiếu M · Dùng n = m/M trước.
Không kiểm nguyên tử · Phương trình lệch O · Đếm C, H, O hai vế.
□ Chất chỉ gồm C và H
□ Mạch hở, chỉ liên kết đơn
□ Công thức thỏa C_nH_{2n+2}
□ Phương trình đã cân bằng
□ Khối lượng mol và đơn vị đúng
□ Đã kiểm bảo toàn khối lượng
Kiểm định thêm bằng hai đường: với 5,8 g butane C_{4}H_{10}, n = 0,10 mol. Phương trình 2C_{4}H_{10} + 13O_{2} → 8CO_{2} + 10H_{2}O cho n(O_{2}) = 0,65 mol, n(CO_{2}) = 0,40 mol, n(H_{2}O) = 0,50 mol. Khối lượng tương ứng là 20,8 g; 17,6 g; 9,0 g. Bảo toàn khối lượng: 5,8 + 20,8 = 17,6 + 9,0 = 26,6 g. Kiểm tra nguyên tử độc lập trên 0,10 mol butane: 0,40 mol C đi hết vào 0,40 mol CO_{2}; 1,00 mol nguyên tử H đi hết vào 0,50 mol H_{2}O. Hai cách đều khóa cùng đáp án.
Câu phân loại mở rộng: C_{7}H_{16} thỏa C_nH_{2n+2} với n = 7; C_{7}H_{14} không thỏa công thức alkane mạch hở. Tuy nhiên, một công thức phân tử đúng vẫn chưa cho biết cách các carbon nối với nhau; trong bài này ta chỉ kết luận họ alkane khi điều kiện mạch hở, liên kết đơn đã được bảo đảm.
Bài dữ liệu nhiên liệu — 1 kg gas propane–butane theo tỉ lệ thể tích 1:1:
Ở cùng điều kiện nhiệt độ và áp suất, tỉ lệ thể tích khí bằng tỉ lệ mol. Vì vậy có thể chọn một “gói” gồm 1 mol C_{3}H_{8} và 1 mol C_{4}H_{10}. Gói này có khối lượng 44 + 58 = 102 g và tỏa nhiệt 2 220 + 2 878 = 5 098 kJ khi cháy hoàn toàn.
Q cho 1 kg = (1 000/102)·5 098 \approx 49 980 kJ \approx 50,0 MJ.
Không được chia 1 kg thành 0,5 kg propane và 0,5 kg butane: đề cho tỉ lệ thể tích , không phải tỉ lệ khối lượng. Với số mol hai khí bằng nhau, propane chiếm 44/102 khối lượng hỗn hợp còn butane chiếm 58/102.
Hai phép kiểm độc lập
- Nhiệt riêng của hỗn hợp là 5 098/102 \approx 49,98 kJ/g; nhân 1 000 g cho cùng kết quả 49 980 kJ.
- Kết quả phải nằm giữa 49,62 kJ/g của butane và 50,45 kJ/g của propane khi tính theo khối lượng. Giá trị 49,98 kJ/g thỏa điều kiện cỡ lớn.
Phân biệt hai trung bình: trung bình theo mol của 2 220 và 2 878 là 2 549 kJ/mol hỗn hợp, còn câu hỏi 1 kg cần đổi qua tổng khối lượng mol 51 g cho mỗi mol phân tử trung bình. Hai cách viết đều dẫn tới 2 549/51 \approx 49,98 kJ/g.
Exit ticket: Với hỗn hợp khí có tỉ lệ thể tích 1:1, hãy giải thích trong một câu vì sao số mol bằng nhau nhưng khối lượng hai thành phần không bằng nhau. Câu trả lời phải nêu M(C_{3}H_{8}) = 44 g/mol và M(C_{4}H_{10}) = 58 g/mol, không chỉ viết “vì hai chất khác nhau”.
Năng lực đích: nhận diện alkane từ cấu tạo và công thức, cân bằng phản ứng cháy, giải bài toán mol–khối lượng và đọc dữ liệu nhiên liệu đúng đại lượng.