Hoàn thành chuỗi phản ứng CH4 → C2H2 → C2H4 → C2H6 → C2H5Cl

1. Viết phương trình hóa học của các phản ứng thực hiện sơ đồ chuyển hóa:

 CH4 → C2H2 → C2H4 → C2H6 → C2H5Cl:

Phương trình phản ứng hóa học

2CH4 -> (1500 độ) C2H2 + 3H2

C2H2+ H2 -> (t*, Pd) C2H4

C2H4 + H2 -> (t*, Ni) C2H6

C2H6 + Cl2 → C2H5Cl + HCl

2. Phương trình phản ứng hóa học 2CH4 -> (1500 độ) C2H2 + 3H2:

Phương trình phản ứng hóa học 2CH4 -> (1500 độ) C2H2 + 3H2 cho biết quá trình chuyển đổi của metan (CH4) thành axetilen (C2H2) và hidro (H2) khi nung nóng ở nhiệt độ cao (1500 độ). Đây là một phản ứng hóa học thuộc loại phản ứng phân hủy, trong đó một chất phân huỷ thành hai hay nhiều chất khác. Phản ứng này có thể được giải thích bằng cách xem xét cấu trúc phân tử của các chất tham gia và sản phẩm.

Metan là một hidrocacbon no, có bốn nguyên tử hidro liên kết với một nguyên tử cacbon trung tâm bằng các liên kết đơn. Khi nung nóng ở nhiệt độ cao, các liên kết đơn này bị phá vỡ, giải phóng các nguyên tử hidro và tạo ra các gốc tự do cacbon. Các gốc tự do cacbon này sau đó liên kết với nhau bằng các liên kết ba để tạo thành axetilen, một hidrocacbon không no có công thức C2H2. Axetilen là một khí có màu vàng nhạt, có khả năng cháy với ngọn lửa cao và nóng. Hidro là một khí không màu, không mùi, không vị, có công thức H2. Hidro là nguyên tố nhẹ nhất và phổ biến nhất trong vũ trụ. Hidro cũng có khả năng cháy với ngọn lửa xanh và nóng.

* Dấu hiệu nhận biết phản ứng hóa học 2CH4 -> (1500 độ) C2H2 + 3H2

Để nhận biết phản ứng này, ta có thể dựa vào các dấu hiệu sau:

– Phản ứng xảy ra khi nhiệt độ đạt đến 1500 độ C, cần có một nguồn nhiệt cao để kích hoạt phản ứng.

– Phản ứng thuận nghịch, tức là khi nhiệt độ giảm xuống, khí axetilen và khí hydro có thể phản ứng lại với nhau để tạo ra khí metan. Ta cần duy trì nhiệt độ cao để duy trì phản ứng theo chiều thuận.

– Phản ứng là một phản ứng oxi hóa – khử, trong đó khí metan bị oxi hóa thành khí axetilen và khí hydro, còn oxi bị khử thành nước. Do đó, ta có thể dùng chỉ thị quỳ tím để kiểm tra sự thay đổi của oxi hóa số của các chất trong phản ứng. Quỳ tím sẽ chuyển từ màu xanh sang màu đỏ khi tiếp xúc với các chất bị oxi hóa và ngược lại.

– Phản ứng là một phản ứng tỏa nhiệt, tức là phản ứng sẽ giải phóng nhiệt lượng ra môi trường. Có thể dùng nhiệt kế để đo nhiệt độ của dung dịch trước và sau phản ứng và so sánh sự chênh lệch.

– Phản ứng là một phản ứng thay đổi thể tích, tức là số mol của các chất trong phản ứng không bằng nhau. Theo phương trình phản ứng, ta có thể thấy rằng hai mol khí metan sẽ tạo ra một mol khí axetilen và ba mol khí hydro. Ta dùng bình đong để đo thể tích của các chất khí trước và sau phản ứng và so sánh sự chênh lệch.

3. Phương trình phản ứng hóa học C2H2+ H2 -> (t*, Pd) C2H4:

Phản ứng hóa học C2H2+ H2 -> (t*, Pd) C2H4 biểu thị quá trình tổng hợp etylen từ axetilen và hidro. Trong phương trình này, t* là nhiệt độ và Pd là chất xúc tác. Chất xúc tác Pd giúp tăng tốc độ phản ứng và giảm nhiệt độ cần thiết. Nhiệt độ ảnh hưởng đến hiệu suất và chất lượng của sản phẩm. Nếu nhiệt độ quá cao, axetilen có thể phản ứng với chính nó, tạo thành các sản phẩm không mong muốn như benzen hay cacbon đen. Nếu nhiệt độ quá thấp, phản ứng sẽ diễn ra chậm và không hiệu quả.

Phản ứng này thuộc loại phản ứng cộng, trong đó hai nguyên tử hidro được cộng vào hai nguyên tử cacbon của axetilen, tạo thành etylen. Phản ứng có ý nghĩa quan trọng trong công nghiệp hóa dầu, vì etylen là nguyên liệu cho nhiều sản phẩm khác nhau như nhựa, cao su tổng hợp, etanol và ethylene glycol. Có nhiều phương pháp khác để tổng hợp etylen, nhưng phương pháp này được ưa chuộng vì đơn giản, rẻ tiền và ít gây ô nhiễm môi trường.

* Dấu hiệu nhận biết phản ứng hóa học C2H2+ H2 -> (t*, Pd) C2H4:

Dấu hiệu nhận biết phản ứng này là có sự thay đổi màu sắc, khối lượng và nhiệt lượng của chất tham gia và chất sản phẩm. Một số dấu hiệu cụ thể như sau:

– Màu sắc: Chất tham gia là axetilen và hiđrô đều không màu, trong khi chất sản phẩm là etilen cũng không màu. Tuy nhiên, khi phản ứng xảy ra, có thể quan sát thấy màu xanh lá cây của xúc tác Pd bị biến đổi do bị bám bởi các phân tử axetilen và etilen.

– Khối lượng: Chất tham gia là khí, trong khi chất sản phẩm cũng là khí. Do đó, khối lượng của hệ không thay đổi trước và sau phản ứng. Tuy nhiên, có thể đo được áp suất của hệ tăng lên do số mol khí giảm đi (theo định luật Avogadro).

– Nhiệt lượng: Phản ứng này là một phản ứng thu nhiệt, tức là tiêu tốn nhiệt từ môi trường để xảy ra. Do đó, nhiệt độ của hệ giảm đi sau phản ứng. Có thể dùng nhiệt kế để đo nhiệt độ trước và sau phản ứng để so sánh.

4. Phương trình phản ứng hóa học C2H4 + H2 -> (t*, Ni) C2H6:

Phương trình phản ứng hóa học C2H4 + H2 -> (t*, Ni) C2H6 biểu thị quá trình tổng hợp etan từ etilen và hidro. Trong phương trình này, t* là nhiệt độ cao, còn Ni là chất xúc tác kim loại niken. Phản ứng thuộc loại phản ứng cộng, trong đó hai nguyên tử hidro được cộng vào hai nguyên tử cacbon của etilen, tạo thành etan. Phản ứng này có ý nghĩa quan trọng trong công nghiệp hóa dầu, vì etan là nguyên liệu để sản xuất các chất hữu cơ khác như etylen, axetilen, cloetan, etanol và axit axetic.

* Dấu hiệu nhận biết phản ứng hóa học C2H4 + H2 -> (t*, Ni) C2H6

Dấu hiệu nhận biết phản ứng hóa học này là có sự giảm thể tích khí, do số mol khí giảm từ 4 xuống còn 2, và có sự thay đổi màu sắc của dung dịch niken, do kim loại này bị oxy hóa.

5. Phương trình phản ứng hóa học C2H6 + Cl2 → C2H5Cl + HCl:

Phương trình phản ứng hóa học C2H6 + Cl2 → C2H5Cl + HCl là một phương trình phản ứng thế đơn của hiđrocacbon no. Phản ứng này xảy ra theo cơ chế sau: Trước tiên, phân tử clo (Cl2) bị phân li thành hai gốc tự do clo (Cl) do tác dụng của nhiệt hoặc ánh sáng. Sau đó, một gốc tự do clo tấn công vào một nguyên tử hiđro của etan (C2H6), tạo ra một gốc tự do etyl (C2H5) và một phân tử axit clohiđric (HCl). Cuối cùng, gốc tự do etyl kết hợp với một gốc tự do clo còn lại, tạo ra cloroetan (C2H5Cl).

Để xảy ra phản ứng, cần có sự hiện diện của một nguồn năng lượng để kích thích phản ứng, chẳng hạn như nhiệt độ cao hoặc ánh sáng mạnh. Nguồn năng lượng này giúp phá vỡ liên kết trong C2H6 và Cl2, tạo ra các gốc tự do để tạo thành sản phẩm mới.

Quá trình này lặp lại liên tục, tạo ra nhiều sản phẩm. Phản ứng thuộc loại phản ứng cộng hợp, vì hai chất phản ứng cộng vào nhau để tạo ra hai chất mới. Phản ứng này cũng là một ví dụ về phản ứng chuỗi tự do, vì các gốc tự do được tạo ra trong quá trình phản ứng và tham gia vào các bước tiếp theo. Phản ứng có ý nghĩa trong việc tổng hợp cloroetan, một hợp chất có nhiều ứng dụng trong công nghiệp như làm dung môi, chất tẩy rửa, chất khử trùng, chất gây tê hay chất điều chế các hợp chất khác.

* Dấu hiệu nhận biết phản ứng hóa học C2H6 + Cl2 → C2H5Cl + HCl

Dấu hiệu nhận biết phản ứng là sự biến mất của C2H6 và Cl2 (không màu) và sự xuất hiện của C2H5Cl (không màu) và HCl (không màu). Tuy nhiên, do các chất này đều không có màu, nên khó quan sát được hiện tượng. Một cách khác để nhận biết phản ứng là dùng quỳ tím để kiểm tra độ axit của dung dịch. Nếu có HCl được tạo ra, dung dịch sẽ có tính axit và quỳ tím sẽ chuyển sang màu đỏ.