Giáo án Bài 15. Alkane

Huy động kiến thức về hydrocarbon đã biết; giúp HS nhận ra đặc điểm chung của các phân tử alkane qua mô hình và xác định nhiệm vụ học tập của bài.

GV mở mô phỏng 'Mô hình alkane $\mathrm{C_nH_{2n+2}}$ (n = 1 … 8) trên giá' trên NeoEdu. HS quan sát dãy mô hình từ methane đến octane và trả lời hai câu hỏi: (1) Các phân tử này có những liên kết nào giữa các nguyên tử? (2) Khi n tăng thêm 1, số nguyên tử C và H thay đổi như thế nào?

Dự kiến HS trả lời: Các phân tử chỉ có liên kết đơn C–C và C–H; khi n tăng thêm 1 thì có thêm 1 nguyên tử C và 2 nguyên tử H, tức là thêm một nhóm $\mathrm{CH_2}$. Từ đó HS rút ra: alkane là hydrocarbon no, mạch hở, có công thức chung $\mathrm{C_nH_{2n+2}}$ (n ≥ 1), là nội dung cần tìm hiểu trong bài.

Nêu được đặc điểm cấu tạo của alkane (carbon gần tứ diện, công thức mạch thẳng không phải thanh thẳng); nhận biết đồng phân mạch carbon từ C₄; gọi tên được alkane theo IUPAC.

HS hoạt động nhóm 4 người theo kĩ thuật khăn trải bàn, làm Phiếu học tập số 1. Nhóm đọc mục 'Alkane: cấu trúc, danh pháp' trong SGK, quan sát mô hình 2-methylbutane rồi trả lời: (1) Vì sao công thức mạch thẳng không có nghĩa phân tử là một đường thẳng? (2) Từ số C nào bắt đầu có đồng phân mạch carbon? (3) Nêu quy tắc gọi tên 4 bước. (4) Gọi tên $\mathrm{CH_3CH(CH_3)CH_2CH_3}$.

Kiến thức HS rút ra: Các nguyên tử C trong alkane có cấu trúc gần tứ diện nên mạch carbon thường có dạng zigzag, không thẳng hoàn toàn. Từ C₄ (butane) trở đi có đồng phân mạch carbon. Quy tắc gọi tên: (1) chọn mạch carbon dài nhất làm mạch chính; (2) đánh số sao cho bộ chỉ số nhánh nhỏ nhất; (3) gọi theo thứ tự vị trí–tên nhánh–tên mạch chính. Đáp án: $\mathrm{CH_3CH(CH_3)CH_2CH_3}$ là 2-methylbutane (mạch chính 4 C, nhánh methyl ở C số 2).

Giải thích được tính không phân cực, ít tan trong nước, nhẹ hơn nước và quy luật nhiệt độ sôi theo phân tử khối; nhận biết ảnh hưởng của phân nhánh đến nhiệt độ sôi.

HS làm việc theo cặp đôi, đọc mục tính chất vật lí trong SGK và dùng mô phỏng 'Mô hình alkane' trên NeoEdu để đổi n từ 1 đến 8. Hai bạn trả lời: (1) Vì sao alkane ít tan trong nước? (2) Nhiệt độ sôi biến đổi thế nào khi n tăng? (3) Vì sao đồng phân phân nhánh thường có nhiệt độ sôi thấp hơn đồng phân mạch thẳng? (4) Vì sao không phải mọi alkane đều là chất khí ở điều kiện thường?

Kiến thức HS rút ra: Alkane không phân cực nên ít tan trong nước; thường nhẹ hơn nước. Nhiệt độ sôi nhìn chung tăng khi phân tử khối tăng trong dãy đồng đẳng. Đồng phân phân nhánh có diện tích tiếp xúc giữa các phân tử nhỏ hơn nên nhiệt độ sôi thường thấp hơn. Methane là khí ở điều kiện thường; các alkane có nhiều carbon hơn có thể là chất lỏng hoặc rắn, nên không thể kết luận mọi alkane đều là khí.

Viết được phương trình cháy hoàn toàn, phản ứng thế halogen và cracking; nêu được đặc trưng của reforming; nhận biết điều kiện phản ứng (ánh sáng, nhiệt độ) qua thí nghiệm mô phỏng hexane với bromine.

HS hoạt động theo nhóm trạm: 4 trạm, mỗi nhóm luân phiên 2 trạm trong khoảng 22 phút, sau đó ghi kết quả vào Phiếu học tập số 2. Trạm 1 (cháy): viết phương trình cháy tổng quát và giải thích vì sao thiếu oxygen sinh CO. Trạm 2 (thế halogen): viết phương trình $\mathrm{CH_4 + Cl_2}$ và nêu điều kiện; xem mô phỏng 'Ống nghiệm hexane + nước bromine bọc ống đen' và 'dưới đèn', ghi màu pha hữu cơ và viết phương trình $\mathrm{C_6H_{14} + Br_2}$. Trạm 3 (cracking và reforming): viết sơ đồ $\mathrm{C_8H_{18} \rightarrow C_4H_{10} + C_4H_8}$ và nêu mục đích của reforming. Trạm 4 (phê phán mô hình): giải thích vì sao không kết luận sản phẩm duy nhất từ màu sắc và cần có mẫu đối chứng.

Kiến thức HS rút ra: (1) Cháy hoàn toàn: $\mathrm{C_nH_{2n+2}+\dfrac{3n+1}{2}O_2\rightarrow nCO_2+(n+1)H_2O}$; thiếu O₂ có thể sinh CO độc và muội. (2) Thế halogen: $\mathrm{CH_4 + Cl_2 \rightarrow CH_3Cl + HCl}$ (cần chiếu sáng hoặc đun nóng); phản ứng có thể thế tiếp, tạo nhiều sản phẩm. Thí nghiệm mô phỏng: trong tối màu cam của bromine không đổi (alkane hầu như trơ); dưới đèn màu nhạt dần do $\mathrm{C_6H_{14} + Br_2 \rightarrow C_6H_{13}Br + HBr}$; có thể có nhiều sản phẩm thế, không kết luận chỉ một sản phẩm từ màu. (3) Cracking: bẻ mạch dài thành phân tử ngắn hơn; $\mathrm{C_8H_{18} \rightarrow C_4H_{10} + C_4H_8}$ chỉ là một sơ đồ khả dĩ, không phải sản phẩm duy nhất. (4) Reforming: thay đổi cấu trúc mạch thành nhánh hoặc vòng, arene, nhằm cải thiện chỉ số octane.

Củng cố nhanh khái niệm alkane, cách gọi tên, sản phẩm thế và đặc trưng quá trình chế biến dầu mỏ; phát hiện kịp thời quan niệm sai.

Trò chơi 'Giơ bảng nhanh': GV chiếu lần lượt 5 câu (đề bài tập 1, 2, 4, 5, 6 của bài). (1) Chất nào là alkane mạch hở? A. $\mathrm{C_3H_6}$; B. $\mathrm{C_3H_8}$; C. $\mathrm{C_3H_4}$; D. $\mathrm{C_6H_6}$. (2) Tên $\mathrm{CH_3CH(CH_3)CH_2CH_3}$? A. 2-methylbutane; B. 3-methylbutane; C. Pentane mạch thẳng; D. 2-ethylpropane. (3) Xét alkane: a) Methane có dạng tứ diện; b) Methane làm mất màu bromine nhanh trong bóng tối; c) Cháy thiếu oxygen có thể sinh CO; d) Cracking luôn chỉ tạo một sản phẩm. (4) Chọn các sản phẩm có thể có khi methane thế chlorine nhiều lần: A. $\mathrm{CH_3Cl}$; B. $\mathrm{CH_2Cl_2}$; C. $\mathrm{CHCl_3}$; D. $\mathrm{C_2H_5OH}$. (5) Ghép: Cracking – bẻ mạch dài; Reforming – biến đổi cấu trúc mạch; Cháy hoàn toàn – tạo CO₂ và H₂O.

Đáp án: (1) B, vì $\mathrm{C_nH_{2n+2}}$ với n = 3 cho $\mathrm{C_3H_8}$. (2) A, mạch dài nhất 4 C, nhánh methyl ở số 2. (3) a) Đ; b) S, alkane không làm mất màu bromine nhanh trong bóng tối; c) Đ; d) S, cracking tạo hỗn hợp sản phẩm. (4) A, B, C; không có D vì chất đầu không chứa oxygen. (5) Cracking – bẻ mạch dài; Reforming – biến đổi cấu trúc mạch; Cháy hoàn toàn – tạo CO₂ và H₂O. HS tự chấm và sửa câu sai.

Vận dụng công thức cháy để tính số mol O₂ cần dùng và xác định số carbon của alkane từ số mol CO₂ và H₂O.

HS làm việc cá nhân, sau đó đối chiếu theo cặp đôi. (1) Đốt hoàn toàn 0,20 mol propane $\mathrm{C_3H_8}$ cần bao nhiêu mol O₂? (2) Đốt một alkane thu được 0,30 mol CO₂ và 0,40 mol H₂O. Xác định số carbon n trong một phân tử alkane.

Đáp án câu 1: $\mathrm{C_3H_8 + 5O_2 \rightarrow 3CO_2 + 4H_2O}$; $n_{O_2} = 5 \times 0{,}20 = 1{,}00$ mol. Đáp án câu 2: $n_{alkane} = n_{H_2O} - n_{CO_2} = 0{,}40 - 0{,}30 = 0{,}10$ mol; số C = $\dfrac{0{,}30}{0{,}10} = 3$, alkane là $\mathrm{C_3H_8}$ (propane).

Vận dụng kiến thức về phản ứng cháy và cracking để giải thích tình huống an toàn khi dùng bếp gas và đánh giá ảnh hưởng của nhiên liệu alkane tới môi trường; đề xuất hành vi sử dụng nhiên liệu có trách nhiệm.

Tình huống: Trong một căn bếp kín gió, gia đình bạn Lan đang nấu ăn bằng bếp gas (thành phần chính là butane $\mathrm{C_4H_{10}}$). (1) Cân bằng phương trình cháy hoàn toàn của $\mathrm{C_4H_{10}}$. (2) Giải thích vì sao không nên dùng bếp gas trong phòng kín và nêu việc cần làm để đảm bảo an toàn. (3) Nêu ba ứng dụng của alkane trong đời sống. (4) Đề xuất một biện pháp giảm ô nhiễm khi sử dụng nhiên liệu alkane.

Câu 1: $\mathrm{2C_4H_{10} + 13O_2 \rightarrow 8CO_2 + 10H_2O}$ (đếm 8 C và 20 H, cần 26 nguyên tử O, tức 13 phân tử O₂). Câu 2: trong phòng kín lượng oxygen giảm, cháy không hoàn toàn sinh CO rất độc và muội; có nguy cơ ngạt và cháy nổ; cần thông gió và sử dụng theo hướng dẫn; không thử rò gas bằng lửa. Câu 3: khí thiên nhiên, LPG làm nhiên liệu; xăng, dầu diesel từ chưng cất và cracking dầu mỏ; paraffin làm nến, chất bôi trơn. Câu 4: đốt đủ không khí để cháy hoàn toàn, bảo trì thiết bị đốt, sử dụng nhiên liệu đúng cách; GV định hướng vào việc hạn chế cháy không hoàn toàn và phát thải.