Chuyên đề: Hydrocarbon — Lý thuyết và Phương pháp giải

a) Gọi tên thay thế:

Mạch chính dài nhất gồm $4$ nguyên tử carbon (butane). Đánh số mạch chính từ đầu gần nhánh hơn (từ trái sang phải): vị trí C số 2 mang nhóm methyl ($-\mathrm{CH_3}$).

$$\overset{1}{\mathrm{C}}\mathrm{H_3}-\overset{2}{\mathrm{C}}\mathrm{H}(\mathrm{CH_3})-\overset{3}{\mathrm{C}}\mathrm{H_2}-\overset{4}{\mathrm{C}}\mathrm{H_3}$$

$\Rightarrow$ Tên thay thế: 2-methylbutane.

b) Phản ứng thế monochloro hoá:

Trong phân tử 2-methylbutane có các bậc carbon khác nhau: C1, C4 và C đính nhánh là bậc I; C3 là bậc II; C2 là bậc III (bậc cao nhất).

Theo quy tắc thế halogen, nguyên tử chlorine ưu tiên thế nguyên tử $\mathrm{H}$ đính vào carbon bậc cao nhất (C số 2):

$$\mathrm{(CH_3)_2CH-CH_2-CH_3 + Cl_2 \xrightarrow{\text{askt}} (CH_3)_2C(Cl)-CH_2-CH_3 + HCl}$$

Tên sản phẩm chính: 2-chloro-2-methylbutane.

Kết luận: Tên gọi $A$ là 2-methylbutane và sản phẩm chính là 2-chloro-2-methylbutane.

Bước 1: Dẫn lần lượt từng mẫu khí qua dung dịch $\mathrm{AgNO_3}$ trong $\mathrm{NH_3}$ dư:

• Mẫu khí xuất hiện kết tủa vàng nhạt là propyne ($\mathrm{CH_3-C\equiv CH}$): $$\mathrm{CH_3-C\equiv CH + AgNO_3 + NH_3 \rightarrow CH_3-C\equiv CAg\downarrow + NH_4NO_3}$$
• Hai mẫu khí còn lại ($\mathrm{CH_4, C_2H_4}$) không có hiện tượng gì.

Bước 2: Dẫn hai mẫu khí chưa nhận biết qua dung dịch nước bromine ($\mathrm{Br_2}$) dư:

• Mẫu khí làm mất màu nâu đỏ của dung dịch nước bromine là ethylene ($\mathrm{CH_2=CH_2}$): $$\mathrm{CH_2=CH_2 + Br_2 \rightarrow CH_2Br-CH_2Br}$$
• Mẫu khí không làm đổi màu nước bromine là methane ($\mathrm{CH_4}$).

Kết luận: Dùng lần lượt dung dịch $\mathrm{AgNO_3/NH_3}$ và dung dịch nước bromine để phân biệt thành công 3 khí.

a) Phương trình hoá học tạo 2 sản phẩm mononitro chính:

$$\mathrm{C_6H_5CH_3 + HNO_3 \xrightarrow{H_2SO_4\,\text{đặc},\,50^\circ\mathrm{C}} \mathit{o}\text{-}\mathrm{NO_2C_6H_4CH_3} + \mathrm{H_2O}}$$

(Sản phẩm o-nitrotoluene)

$$\mathrm{C_6H_5CH_3 + HNO_3 \xrightarrow{H_2SO_4\,\text{đặc},\,50^\circ\mathrm{C}} \mathit{p}\text{-}\mathrm{NO_2C_6H_4CH_3} + \mathrm{H_2O}}$$

(Sản phẩm p-nitrotoluene)

b) Giải thích: Nhóm methyl ($-\mathrm{CH_3}$) là nhóm đẩy electron (hiệu ứng cảm ứng dương $+I$ và siêu liên hợp), làm tăng mật độ điện tích âm ở các vị trí ortho (vị trí số 2, 6) và para (vị trí số 4) trên vòng thơm nhiều hơn so với vị trí meta, do đó tác nhân electrophile $\mathrm{NO_2^+}$ ưu tiên tấn công vào hai vị trí này.

Kết luận: Sản phẩm thế mononitro chính là o-nitrotoluene và p-nitrotoluene.

Bước 1: Tính khối lượng và số mol từng chất trong bình gas $12\text{ kg}$ ($12000\text{ g}$)

$$m_{\mathrm{C_3H_8}} = 12000 \cdot 40\% = 4800\text{ gam} \quad \Longrightarrow \quad n_{\mathrm{C_3H_8}} = \frac{4800}{44} \approx 109{,}09\text{ mol}$$

$$m_{\mathrm{C_4H_{10}}} = 12000 \cdot 60\% = 7200\text{ gam} \quad \Longrightarrow \quad n_{\mathrm{C_4H_{10}}} = \frac{7200}{58} \approx 124{,}14\text{ mol}$$

Bước 2: Tính nhiệt lượng toả ra khi đốt cháy hoàn toàn hỗn hợp

$$Q_{\mathrm{C_3H_8}} = 109{,}09\text{ mol} \cdot 2220\text{ kJ/mol} \approx 242\,179{,}8\text{ kJ}$$

$$Q_{\mathrm{C_4H_{10}}} = 124{,}14\text{ mol} \cdot 2878\text{ kJ/mol} \approx 357\,274{,}9\text{ kJ}$$

Tổng nhiệt lượng toả ra:

$$Q_{\text{tổng}} = Q_{\mathrm{C_3H_8}} + Q_{\mathrm{C_4H_{10}}} = 242\,179{,}8 + 357\,274{,}9 = 599\,454{,}7\text{ kJ} \approx 5{,}99 \cdot 10^5\text{ kJ}$$

Kết luận: Tổng nhiệt lượng toả ra khi đốt cháy hết bình gas $12\text{ kg}$ là xấp xỉ $599\,455\text{ kJ}$ (hay $5{,}99 \cdot 10^5\text{ kJ}$).