Khí metan là gì? Phản ứng hóa học đặc trưng của metan?

1. Khí metan là gì? 

Khí metan là một hợp chất hóa học có công thức hóa học CH₄. Nó là một loại hydrocarbon, cụ thể là alkane đơn giản nhất và là thành phần chính của khí tự nhiên.

Tính chất vật lí của CH4 là:

– CH4 là chất khí không màu, không mùi, không vị, rất độc và dễ bắt cháy, khi cháy tạo ra lửa màu xanh.

– CH4 hóa lỏng ở -162°C, hóa rắn ở -183°C.

– Điểm bốc cháy của CH4 là 537°C .

– Khối lượng riêng của CH4 là 0.717 kg/m3.

– CH4 không có tính dẫn điện.

– CH4 hòa tan tốt trong dung môi không phân cực, nhưng không hòa tan trong dung môi phân cực do không có sự liên kết giữa các hidro.

Khí metan có tính chất hóa học như sau: rất dễ cháy trong không khí tạo ra khí cacbonic và nước, tác dụng với clo trong ánh sáng tạo ra các dẫn xuất halogen, tác dụng với hơi nước tạo ra khí CO và H2, bị nhiệt phân tạo ra than và H2.

Metan xuất hiện tự nhiên và được tìm thấy dưới mặt đất, dưới đáy biển và được hình thành bởi cả quá trình địa chất và sinh học. Nó có ứng dụng quan trọng trong lĩnh vực nhiên liệu, nhờ khả năng sinh nhiệt cao. Metan được sử dụng để sản xuất nhiều sản phẩm và dịch vụ, bao gồm sưởi ấm, nấu ăn và sản xuất điện.

Tuy nhiên, metan cũng có tác động tiêu cực đến môi trường khi được thải ra vào không khí. Nó là một trong những khí gây hiệu ứng nhà kính mạnh nhất và đóng góp vào sự biến đổi khí hậu toàn cầu.

2. Phản ứng hóa học đặc trưng của metan:

Phản ứng thế của metan với halogen clo, brom là phản ứng hóa học đặc trưng của metan, trong đó metan tương tác với halogen như clo và brom để tạo ra dẫn xuất halogen. Điều này cho thấy tính chất linh hoạt và phối hợp của metan trong các phản ứng hóa học. Điển hình là phản ứng thế của metan, khi nguyên tử hidro trong metan được thay thế bởi nguyên tử clo, từ đó tạo ra các sản phẩm từ halogen và hidro halogennua, mang lại nhiều ứng dụng và tiềm năng trong lĩnh vực hóa học và công nghệ.

Phản ứng thế của metan với halogen có tính chất như sau:

– Đầu tiên, halogen (như clo hoặc brom) tấn công vào metan, gắn kết với nguyên tử cacbon trong phân tử metan.

– Nguyên tử hidro của metan bị thay thế bởi nguyên tử halogen, tạo thành dẫn xuất halogen của metan.

– Phản ứng này là một phản ứng thế, nghĩa là một nguyên tử hoặc nhóm nguyên tử thay thế một nguyên tử hoặc nhóm nguyên tử khác trong một hợp chất hữu cơ.

– Kết quả của phản ứng thế này là ta thu được dẫn xuất halogen của metan, trong đó một hoặc nhiều nguyên tử hidro trong metan đã được thay thế bởi halogen.

– Phản ứng thế của metan với halogen cũng có thể tạo ra hidro halogennua, là một hợp chất chứa cả khí halogen và hidro, ví dụ như hidroclođua trong trường hợp phản ứng của metan với clo.

– Ngoài ra, metan cũng có thể phản ứng với hơi nước, tạo ra khí CO và hidro.

Cụ thể, phản ứng diễn ra như sau:

– Với clo: trong môi trường ánh sáng hoặc nhiệt độ cao, clo sẽ tách thành hai nguyên tử clo tự do. Nguyên tử clo sau đó sẽ tấn công phân tử metan, thay thế nguyên tử hidro và tạo thành dẫn xuất clo metan và hidro clorua. CH4 + Cl2 → CH3Cl + HCl

– Với brom: phản ứng giữa metan và brom cũng tạo ra dẫn xuất brom metan và hidro bromua, tương tự như phản ứng với clo. CH4 + Br2 → CH3Br + HBr

3. Các dạng bài tập về phản ứng hóa học khí metan và lời giải chi tiết:

Dạng 1: Tính khối lượng, thể tích và nồng độ mol của khí metan

Bài 1: Cho biết khối lượng của 0,5 mol khí metan (CH4).

Lời giải:

– Ta có công thức tính khối lượng của một chất là: m = n.M

– Trong đó: m là khối lượng của chất (g), n là số mol của chất, M là khối lượng phân tử của chất (g/mol).

– Khối lượng phân tử của CH4 là: M(CH4) = 12 + 4.1 = 16 (g/mol)

– Vậy khối lượng của 0,5 mol khí metan là: m(CH4) = 0,5.16 = 8 (g)

Bài 2: Cho biết thể tích của 0,5 mol khí metan (CH4) ở điều kiện tiêu chuẩn (đktc).

Lời giải:

– Công thức tính thể tích của một chất khí ở đktc là: V = n.22,4

– Trong đó: V là thể tích của chất khí (lít), n là số mol của chất khí, 22,4 là thể tích riêng của các chất khí ở đktc (lít/mol).

– Vậy thể tích của 0,5 mol khí metan ở đktc là: V(CH4) = 0,5.22,4 = 11,2 (lít)

Bài 3: Cho biết nồng độ mol của dung dịch metan (CH4) trong nước biết rằng trong 100 ml dung dịch có chứa 0,2 g CH4.

Lời giải:

– Công thức tính nồng độ mol của dung dịch là: Cm = n/V

– Trong đó: Cm là nồng độ mol của dung dịch (mol/lít), n là số mol của chất tan trong dung dịch, V là thể tích của dung dịch (lít).

– Số mol của CH4 trong dung dịch là: n(CH4) = m(CH4)/M(CH4) = 0,2/16 = 0,0125 (mol)

– Thể tích của dung dịch là: V(dung dịch) = 100/1000 = 0,1 (lít)

– Vậy nồng độ mol của dung dịch metan trong nước là: Cm(CH4) = n(CH4)/V(dung dịch) = 0,0125/0,1 = 0,125 (mol/lít)

Dạng 2: Tính phần trăm thể tích và phần trăm khối lượng của khí metan trong hỗn hợp khí

Để tính phần trăm thể tích và phần trăm khối lượng của khí metan trong hỗn hợp khí, ta cần biết tỉ số mol của các thành phần trong hỗn hợp và khối lượng riêng của mỗi khí. Ta có công thức sau:

– Phần trăm thể tích của khí metan = (số mol khí metan / tổng số mol các khí trong hỗn hợp) x 100%

– Phần trăm khối lượng của khí metan = (khối lượng riêng của khí metan x số mol khí metan / tổng khối lượng của hỗn hợp) x 100%

Bài 1: Cho hỗn hợp khí gồm 0,4 mol metan, 0,6 mol hiđrô và 0,2 mol oxi. Biết rằng khối lượng riêng của metan là 0,72 g/l, của hiđrô là 0,09 g/l và của oxi là 1,43 g/l. Tính phần trăm thể tích và phần trăm khối lượng của metan trong hỗn hợp.

Giải:

– Tổng số mol các khí trong hỗn hợp là: 0,4 + 0,6 + 0,2 = 1,2 mol

– Tổng khối lượng của hỗn hợp là: (0,72 x 0,4 + 0,09 x 0,6 + 1,43 x 0,2) x 22,4 = 7,97 g

– Phần trăm thể tích của metan trong hỗn hợp là: (0,4 / 1,2) x 100% = 33,33%

– Phần trăm khối lượng của metan trong hỗn hợp là: (0,72 x 0,4 / 7,97) x 100% = 3,64%

Hai bài tập về Tính phần trăm thể tích và phần trăm khối lượng của khí metan trong hỗn hợp khí và lời giải chi tiết:

Bài 2: Cho hỗn hợp khí gồm 4,48 lít khí metan (CH4) và 5,6 lít khí oxi (O2) ở cùng điều kiện nhiệt độ và áp suất. Tính phần trăm thể tích của khí metan trong hỗn hợp.

Lời giải:

– Phần trăm thể tích của khí metan trong hỗn hợp là:

%V(CH4) = (V(CH4) / (V(CH4) + V(O2))) x 100%

= (4,48 / (4,48 + 5,6)) x 100%

= 44,44%

Bài 3: Cho hỗn hợp khí gồm 16 gam khí metan (CH4) và 32 gam khí oxi (O2). Tính phần trăm khối lượng của khí metan trong hỗn hợp.

Lời giải:

– Phần trăm khối lượng của khí metan trong hỗn hợp là:

%m(CH4) = (m(CH4) / (m(CH4) + m(O2))) x 100%

= (16 / (16 + 32)) x 100%

= 33,33%

Dạng 3: Tính nhiệt lượng phát ra khi đốt cháy hoàn toàn một lượng khí metan

Bài 1: Tính nhiệt lượng phát ra khi đốt cháy hoàn toàn 0,5 mol khí metan. Biết phương trình phản ứng là: CH4 + 2O2 -> CO2 + 2H2O. Biết nhiệt động học của phản ứng là -802 kJ/mol.

Lời giải: Theo định luật bảo toàn năng lượng, ta có:

– Q = n * ΔH

– Trong đó Q là nhiệt lượng phát ra, n là số mol của chất phản ứng, ΔH là nhiệt động học của phản ứng.

– Thay số liệu vào công thức, ta được:

Q = 0,5 * (-802) = -401 kJ

Vậy nhiệt lượng phát ra khi đốt cháy hoàn toàn 0,5 mol khí metan là -401 kJ.

Bài 2: Tính nhiệt lượng phát ra khi đốt cháy hoàn toàn 16 g khí metan. Biết khối lượng mol của khí metan là 16 g/mol và nhiệt động học của phản ứng như bài trên.

Lời giải: Để tính nhiệt lượng phát ra, ta cần biết số mol của khí metan.

– Ta có công thức:

n = m / M

Trong đó n là số mol, m là khối lượng, M là khối lượng mol.

– Thay số liệu vào công thức, ta được:

n = 16 / 16 = 1 mol

Vậy số mol của khí metan là 1 mol.

– Tiếp theo, ta dùng công thức Q = n * ΔH như bài trên để tính nhiệt lượng phát ra. Ta được:

Q = 1 * (-802) = -802 kJ

Vậy nhiệt lượng phát ra khi đốt cháy hoàn toàn 16 g khí metan là -802 kJ.

Bài 3: Tính nhiệt lượng phát ra khi đốt cháy hoàn toàn một thể tích khí metan bằng với thể tích không khí cần thiết để duy trì phản ứng. Biết áp suất và nhiệt độ không đổi và bằng với điều kiện tiêu chuẩn (đktc). Biết thể tích mol của các khí ở đktc là 22,4 lít/mol và nhiệt động học của phản ứng như bài trên.

Lời giải: Để tính nhiệt lượng phát ra, ta cần biết số mol của khí metan.

– Ta có công thức:

n = V / Vm

Trong đó n là số mol, V là thể tích, Vm là thể tích mol.

– Theo đề bài, ta có V = V0 / 2

Trong đó V0 là thể tích không khí cần thiết để duy trì phản ứng.

– Theo phương trình phản ứng, ta có tỉ lệ mol giữa không khí và khí metan là 2:1. Do đó, ta có:

V0 = 2 * Vm * n

– Thay vào công thức V, ta được:

V = Vm * n

– Thay số liệu vào công thức n = V / Vm, ta được:

n = (Vm * n) / Vm

=> n = 1 mol

Vậy số mol của khí metan là 1 mol.

– Tiếp theo, ta dùng công thức Q = n * ΔH như bài trên để tính nhiệt lượng phát ra. Ta được:

Q = 1 * (-802) = -802 kJ

Vậy nhiệt lượng phát ra khi đốt cháy hoàn toàn một thể tích khí metan bằng với thể tích không khí cần thiết để duy trì phản ứng là -802 kJ.

* Dạng 4: Tính số mol và số nguyên tử cacbon trong một lượng khí metan

Bài 1: Cho biết số mol và số nguyên tử cacbon trong 8,96 lít khí metan (đktc).

Lời giải:

– Theo định luật Avogadro, ở cùng điều kiện nhiệt độ và áp suất, thể tích của các khí đồng đẳng nhau. Do đó, ở đktc, 1 mol khí bất kỳ chiếm 22,4 lít. Vậy số mol khí metan trong 8,96 lít là:

n(CH4) = V/22,4 = 8,96/22,4 = 0,4 (mol)

– Mỗi phân tử metan có một nguyên tử cacbon, do đó số nguyên tử cacbon trong một mol metan bằng hệ số Avogadro là 6,02.10^23. Vậy số nguyên tử cacbon trong 0,4 mol metan là:

N(C) = n(CH4).NA = 0,4.6,02.10^23 = 2,408.10^23 (nguyên tử)

Bài 2: Tính khối lượng của 3,01.10^23 nguyên tử cacbon trong khí metan.

Lời giải:

– Mỗi phân tử metan có một nguyên tử cacbon, do đó số phân tử metan bằng số nguyên tử cacbon. Vậy số mol metan bằng:

n(CH4) = N(C)/NA = 3,01.10^23/6,02.10^23 = 0,5 (mol)

– Khối lượng của một mol metan bằng khối lượng phân tử của nó là 16 g/mol. Vậy khối lượng của 0,5 mol metan là:

m(CH4) = n(CH4).M(CH4) = 0,5.16 = 8 (g)

Dạng 5: Viết phương trình hóa học của các phản ứng của khí metan với các chất khác

Bài 1: Viết phương trình hóa học của phản ứng đốt cháy hoàn toàn khí metan trong không khí.

Lời giải: Phản ứng đốt cháy hoàn toàn khí metan trong không khí là phản ứng oxi hóa khử, trong đó khí metan bị oxi hóa thành CO2 và H2O, còn oxi bị khử thành O2. Phương trình hóa học của phản ứng là:

CH4 + 2O2 -> CO2 + 2H2O

Bài 2: Viết phương trình hóa học của phản ứng giữa khí metan và clo (Cl2) trong điều kiện nhiệt độ cao.

Lời giải: Phản ứng giữa khí metan và clo (Cl2) trong điều kiện nhiệt độ cao là phản ứng thế, trong đó các nguyên tử hydro của khí metan bị thay thế dần bởi các nguyên tử clo, tạo ra các sản phẩm là các đồng phân của clorometan. Phương trình hóa học của phản ứng là:

CH4 + Cl2 -> CH3Cl + HCl

CH3Cl + Cl2 -> CH2Cl2 + HCl

CH2Cl2 + Cl2 -> CHCl3 + HCl

CHCl3 + Cl2 -> CCl4 + HCl