Bạn có biết khí gas (LPG) dùng để đun nấu trong bếp hay xăng cung cấp năng lượng cho xe máy có thành phần chính là gì không? Đó chính là Ankan. Ankan là một trong những loại hợp chất hữu cơ đơn giản nhưng lại có vai trò nền tảng và ứng dụng vô cùng rộng rãi trong đời sống cũng như công nghiệp.

Hãy cùng VIETCHEM tìm hiểu tất tần tật về loại hợp chất quan trọng này nhé!

1. Ankan là gì và Công thức tổng quát của Ankan?

Trong hóa học hữu cơ, Ankan là những hidrocacbon no, mạch hở. Điều này có nghĩa là:

• Hidrocacbon: Phân tử chỉ được cấu tạo từ 2 nguyên tố là Cacbon (C) và Hidro (H).
• No: Trong phân tử chỉ chứa các liên kết đơn (liên kết sigma σ) bền vững, không có liên kết đôi hay liên kết ba.
• Mạch hở: Các nguyên tử Cacbon liên kết với nhau tạo thành một chuỗi thẳng hoặc chuỗi có nhánh, không khép kín thành vòng.

Tất cả các Ankan đều có chung một công thức tổng quát là Cn​H2n+2​ (với điều kiện n≥1). Trong đó 'n' là số nguyên tử Cacbon. Các hợp chất có cùng công thức tổng quát và có tính chất hóa học tương tự nhau như Ankan được xếp vào cùng một dãy đồng đẳng.

Ankan còn có một tên gọi cũ khá phổ biến là Parafin, xuất phát từ tiếng Latin parum affinis, nghĩa là "ít ái lực hóa học". Tên gọi này bắt nguồn từ việc Ankan khá trơ về mặt hóa học, chúng khó tham gia vào các phản ứng ở điều kiện thường do chỉ chứa các liên kết đơn rất bền.

2. Cách gọi tên Ankan (Danh pháp IUPAC) và các Gốc Ankyl thường gặp

Việc gọi tên chính xác một hợp chất hữu cơ là kỹ năng cơ bản và cực kỳ quan trọng. Đối với Ankan, chúng ta tuân theo quy tắc của Liên minh Quốc tế về Hóa học Thuần túy và Ứng dụng (IUPAC).

Bảng tên 10 Ankan đầu tiên và Gốc Ankyl tương ứng

Để gọi tên Ankan, ta dùng phần tiền tố chỉ số lượng Cacbon và ghép với đuôi "-an". Gốc Ankyl tương ứng được tạo ra bằng cách thay đuôi "-an" bằng đuôi "-yl". Dưới đây là bảng tham chiếu nhanh bạn cần ghi nhớ:

Hướng dẫn 4 bước gọi tên Ankan mạch nhánh 

Với các Ankan có nhánh phức tạp hơn, ta thực hiện theo 4 bước sau:

1. Chọn mạch chính: Là mạch Cacbon dài nhất và có nhiều nhánh nhất.
2. Đánh số thứ tự: Bắt đầu đánh số từ đầu mạch gần nhánh hơn, sao cho tổng số chỉ vị trí các nhánh là nhỏ nhất.
3. Gọi tên nhánh: Tên nhánh bao gồm: [Số chỉ vị trí nhánh]-[Tên gốc Ankyl]. Nếu có nhiều nhánh giống nhau thì thêm các tiền tố đi- (2), tri- (3), tetra- (4)...
4. Ghép tên hoàn chỉnh: Tên Ankan = [Tên nhánh] + [Tên Ankan của mạch chính].

Ví dụ: Gọi tên hợp chất sau:

1. Mạch chính: Dài nhất là 5 Cacbon (Pentan).
2. Đánh số: Bắt đầu từ phải qua trái để vị trí nhánh là 2, 2, 4 (tổng là 8), nhỏ hơn so với chiều từ trái qua phải là 2, 4, 4 (tổng là 10).
3. Tên nhánh: Có 3 nhánh Metyl ở các vị trí 2, 2, và 4. Tên nhánh là: 2,2,4-trimetyl.
4. Tên đầy đủ: 2,2,4-trimetylpentan.

Phân biệt Akan và Aken bằng thuốc tím

3. Khám phá các tính chất hóa học đặc trưng của Ankan

Do chỉ có liên kết đơn bền vững, Ankan tương đối trơ về mặt hóa học. Các phản ứng của chúng thường cần điều kiện khắc nghiệt (nhiệt độ, áp suất, xúc tác). Phản ứng đặc trưng nhất là phản ứng thế.

Phản ứng thế Halogen – "Dấu ấn" riêng của Ankan

Khi có ánh sáng khuếch tán (as) hoặc nhiệt độ cao, Ankan có thể tham gia phản ứng thế với các Halogen (thường là Clo, Brom). Trong phản ứng này, nguyên tử Hidro sẽ được thay thế bởi nguyên tử Halogen.

• Quy tắc thế: Nguyên tử Halogen ưu tiên thế vào nguyên tử Hidro ở Cacbon có bậc cao hơn (Bậc III > Bậc II > Bậc I).

Ví dụ: Propan tác dụng với Clo theo tỉ lệ mol 1:1.

CH3​−CH2​−CH3​+Cl2​as​CH3​−CH(Cl)−CH3​+HCl (Sản phẩm chính, thế vào C bậc II)

CH3​−CH2​−CH3​+Cl2​as​CH3​−CH2​−CH2​Cl+HCl (Sản phẩm phụ, thế vào C bậc I)

Phản ứng tách (Cracking và Đehidro hóa) tạo ra sản phẩm gì?

Dưới tác dụng của nhiệt độ cao và xúc tác, Ankan có thể bị "bẻ gãy" mạch Cacbon (cracking) hoặc tách Hidro (đehidro hóa) để tạo ra các Hidrocacbon có mạch ngắn hơn, thường là các Ankan và Anken nhỏ hơn. Đây là một quá trình cực kỳ quan trọng trong công nghiệp lọc dầu để sản xuất xăng và các nguyên liệu khác.

• Cracking: Cn​H2n+2​t°,xt​Ca​H2a+2​+Cb​H2b​ (với a+b = n)
• Đehidro hóa: Cn​H2n+2​t°,xt​Cn​H2n​+H2​

Phản ứng cháy của Ankan (Oxi hóa hoàn toàn)

Tất cả Ankan đều dễ cháy và tỏa ra một lượng nhiệt lớn, đây là lý do chúng được dùng làm nhiên liệu. Khi cháy hoàn toàn trong Oxi, sản phẩm luôn là khí Cacbonic (CO2​) và nước (H2​O).

Phương trình tổng quát:

Cn​H2n+2​+23n+1​O2​t°​nCO2​+(n+1)H2​O

Lưu ý: Trong phản ứng đốt cháy Ankan, số mol nước (H2​O) sinh ra luôn lớn hơn số mol CO2​.

Ankan có làm mất màu dung dịch thuốc tím (KMnO4​) không?

Câu trả lời là KHÔNG.

Dung dịch thuốc tím (KMnO4​) là một chất oxi hóa mạnh và thường được dùng để nhận biết các hợp chất có liên kết đôi hoặc ba (như Anken, Ankin). Các liên kết này kém bền và dễ bị tấn công bởi tác nhân oxi hóa. Ngược lại, Ankan chỉ chứa liên kết đơn sigma (σ) rất bền vững, không phản ứng với KMnO4​ ở điều kiện thường. Đây là một trong những cách phổ biến nhất để phân biệt Ankan với các hidrocacbon không no khác.

4. Tính chất vật lý và ứng dụng của Ankan trong đời sống, công nghiệp

Tính chất vật lý của Ankan thay đổi một cách có quy luật khi số lượng nguyên tử Cacbon tăng lên.

Nhờ các tính chất đa dạng, Ankan có vô vàn ứng dụng quan trọng:

• Nhiên liệu: Metan trong khí thiên nhiên, Propan và Butan trong khí hóa lỏng (LPG), các Ankan lỏng là thành phần chính của xăng, dầu hỏa, dầu diesel.
• Dung môi: Các Ankan lỏng như Hexan, Heptan được dùng làm dung môi để hòa tan các chất béo, dầu mỡ.
• Dầu bôi trơn: Các Ankan có phân tử khối lớn được dùng làm dầu nhớt bôi trơn máy móc.
• Nguyên liệu sản xuất: Từ Ankan, người ta có thể điều chế ra Anken, Hidro, và nhiều dẫn xuất Halogen, làm tiền đề cho ngành công nghiệp Polime, chất dẻo, và hóa chất khác.
• Sáp Parafin: Dùng làm nến, giấy sáp, chất chống thấm, mỹ phẩm...

Ứng dụng của Ankan trong đời sống

5. Các dạng bài tập Ankan nâng cao và cơ bản (kèm lời giải chi tiết)

Dạng 1: Bài toán đốt cháy

Đốt cháy hoàn toàn 4,48 lít khí Butan (C4​H10​) ở đktc. Tính thể tích khí Oxi cần dùng và khối lượng nước thu được.

• Lời giải:
  Số mol Butan: nC4​H10​​=22,44,48​=0,2 (mol)
  Phương trình phản ứng: C4​H10​+213​O2​t°​4CO2​+5H2​O
  Theo PTHH:
  nO2​​=213​×nC4​H10​​=213​×0,2=1,3 (mol)
  ⟹VO2​​=1,3×22,4=29,12 (lít)
  nH2​O​=5×nC4​H10​​=5×0,2=1 (mol)
  ⟹mH2​O​=1×18=18 (gam)

Dạng 2: Bài toán phản ứng thế

Cho 11,6 gam Butan tác dụng với Clo (chiếu sáng) theo tỉ lệ mol 1:1. Tính khối lượng sản phẩm hữu cơ chính thu được.

• Lời giải:
  MC4​H10​​=58 g/mol. nC4​H10​​=5811,6​=0,2 (mol)
  Butan có công thức: CH3​−CH2​−CH2​−CH3​. Cacbon bậc II ở vị trí 2 và 3 là nơi ưu tiên thế.
  PTHH: CH3​−CH2​−CH2​−CH3​+Cl2​as​CH3​−CH(Cl)−CH2​−CH3​+HCl
  Sản phẩm chính là 2-clobutan (C4​H9​Cl).
  Theo PTHH, nC4​H9​Cl​=nC4​H10​​=0,2 (mol).
  MC4​H9​Cl​=12×4+9+35,5=92,5 g/mol.
  Khối lượng sản phẩm chính: m=0,2×92,5=18,5 (gam).

Dạng 3: Tìm công thức phân tử Ankan

Đốt cháy hoàn toàn một Ankan X, thu được 17,6 gam CO2​ và 9 gam H2​O. Tìm CTPT của X.

• Lời giải:
  nCO2​​=4417,6​=0,4 (mol)
  nH2​O​=189​=0,5 (mol)
  Vì nH2​O​>nCO2​​ nên X là Ankan.
  Gọi CTPT của X là Cn​H2n+2​.
  Ta có tỉ lệ: n+1n​=nH2​O​nCO2​​​=0,50,4​=54​
  ⟹5n=4(n+1)⟹5n=4n+4⟹n=4
  Vậy CTPT của X là C4​H10​.

6. FAQs - Giải đáp nhanh các câu hỏi thường gặp về Ankan

1. Ankan và Parafin có phải là một không?

Vâng, "Parafin" là tên gọi cũ của Ankan. Cả hai đều dùng để chỉ các hidrocacbon no, mạch hở có công thức chung Cn​H2n+2​.

2. Bậc của Cacbon trong Ankan là gì?

Bậc của một nguyên tử Cacbon được tính bằng số nguyên tử Cacbon khác liên kết trực tiếp với nó. Có 4 bậc: Bậc I, II, III, và IV.

3. Đồng phân của Ankan là gì? Cho ví dụ về đồng phân của C4​H10​.

Đồng phân là những hợp chất khác nhau nhưng có cùng công thức phân tử. Từ C4​ trở đi, Ankan có đồng phân mạch cacbon.

C4​H10​ có 2 đồng phân:

• Butan (mạch thẳng): CH3​−CH2​−CH2​−CH3​
• Isobutan (2-metylpropan, mạch nhánh): CH3​−CH(CH3​)−CH3​

Bài viết được biên soạn bởi đội ngũ chuyên gia về hóa chất của VIETCHEM và có tham vấn từ các tài liệu Hóa học chuyên ngành, đảm bảo tính chính xác và cập nhật.

Nguồn tham khảo:

1. Sách giáo khoa Hóa học 11, Nhà xuất bản Giáo dục Việt Nam.
2. IUPAC. Compendium of Chemical Terminology, 2nd ed. (the "Gold Book"). (1997).
3. Morrison, R. T., & Boyd, R. N. (1992). Organic Chemistry (6th ed.). Prentice-Hall.