Copyright © Võ Ngọc Bình, Dạy và học Hóa học 1 1 PHƯƠNG PHÁP GIẢI NHANH BÀI TOÁN ĐỐT CHÁY HIĐROCACBON I. Một số lưu ý về phương pháp Hiđrocacbon C x H y hoặc C n H 2n +2 -2k ( n ≥ 1; k ≥ 0) Với k là độ bất bão hòa (tổng số liên kết  và vòng no) C x H y + ( + ) 4 y x O 2 xCO 2 + 2 y H 2 O Hay C n H 2n + 2 - 2k + 3n + 1 - k 2 O 2 nCO 2 + (n + 1 – k)H 2 O  Dựa vào sản phẩm của phản ứng đốt cháy hiđrocacbon + 2 2 H O CO n n suy ra chất đó là ankan C n H 2n +2 và 2 2 ankan H O CO n n n  + 2 2 H O CO n = n suy ra chất đó là anken (hoặc xicloankan) C n H 2n + 2 2 H O CO n < n suy ra chất đó là ankin (hoặc ankađien) C n H 2n - 2 và 2 2 ankin CO H O n n n  + Đốt cháy ankylbenzen và dẫn xuất C n H 2n-6 (n ≥ 6) cho: 2 2 H O CO n < n và 2 2 ankylbenzen CO H O 1 n (n n ) 3    Thường áp dụng định luật bảo toàn nguyên tố và bảo toàn khối lượng BTKL: + = + BTNT: C H 2 C( ) C(CO ) n n x y  ; C H 2 H( ) H(H O) n n x y  => = m C + m H = 12 2 CO n + 2 2 H O n = 2 2 CO H O 1 n n 2   Một số công thức cần nhớ + Khối lượng mol trung bình: hh hh m M n  + Số nguyên tử C = 2 CO C H n n x y + Số nguyên tử 2 CO hh n C n  C x H y (phản ứng) m O 2 (phản ứng) m CO 2 m H 2 O m C x H y (phản ứng) m O 2 (pư) n Copyright © Võ Ngọc Bình, Dạy và học Hóa học 2 2 + 1 2 n .a + n .b n a + b  trong đó, n 1 , n 2 là số nguyên tử C của chất 1, chất 2. a, b là số mol của chất 1, chất 2. Khi số nguyên tử C trung bình bằng trung bình cộng của 2 số nguyên tử C thì 2 chất có số mol bằng nhau. Tức là, 1 2 n + n n => a = b 2   Thường cho sản phẩm cháy thu được dẫn qua bình (1) đựng chất hấp thụ H 2 O: P 2 O 5 , H 2 SO 4 đặc , CaCl 2 khan ,… bình (2) đựng chất hấp thụ CO 2 như: NaOH, KOH, Ca(OH) 2 , Ba(OH) 2 ,… Khi đó, khối lượng bình (1) tăng = 2 H O m , khối lượng bình (2) tăng = 2 CO m Nếu cho ‘toàn bộ’ sản phẩm cháy qua dung dịch Ca(OH) 2 , Ba(OH) 2 thì khối lượng bình tăng = 2 2 CO H O m + m . Khi đó, khối lượng dung dịch tăng hoặc giảm so với khối lượng dung dịch ban đầu. + Khối lượng dung dịch tăng: 2 2 dd CO H O m = (m + m ) m    + Khối lượng dung dịch giảm: 2 2 dd CO H O m = m (m + m )    + Lọc bỏ kết tủa, đun nóng lại có kết tủa => trong dung dịch có muối hiđrocacbonat 0 3 2 3 2 2 M(HCO ) MCO + CO + H O t   II. Một số bài toán Bài toán 1: Bài toán đốt cháy cho từng loại hiđrocacbon Ví dụ 1: Đốt cháy hoàn toàn 0,15 mol hỗn hợp 2 ankan thu được 9,45 gam H 2 O. Cho sản phẩm cháy vào dung dịch Ca(OH) 2 dư thì khối lượng kết tủa thu được là A. 37,5 B. 52,5 C. 15 D. 42,5 Suy luận: 2 2 2 2 ankan H O CO CO H O ankan n n n n n n     2 CO 9,45 n 0,15 0,375 mol 18    3 2 CaCO CO n n 0,375 mol  3 CaCO => m 0,375.100 37,5 gam  → Đáp án A. Copyright © Võ Ngọc Bình, Dạy và học Hóa học 3 3 Ví dụ 2: Đốt cháy hoàn toàn hỗn hợp 2 hirđrocacbon liên tiếp trong dãy đồng đẳng thu được 22,4 lít CO 2 (đktc) và 25,2 gam H 2 O. Hai hiđrocacbon đó là A. C 2 H 6 và C 3 H 8 B. C 3 H 8 và C 4 H 10 C. C 4 H 10 và C 5 H 12 D. C 5 H 12 và C 6 H 14 Suy luận: 2 H O 25,2 n 1,4 mol 18   ; 2 CO n 1 mol 2 2 H O CO n n => 2 chất thuộc dãy ankan. Gọi n là số nguyên tử C trung bình. 2 2 2 n 2n 2 3n 1 C H + O nCO + (n 1)H O 2     Ta có: 3 6 3 8 n 1 => n 2,5 C H à C H 4 n 1 v    Hoặc 2 2 ankan H O CO n n n 1,4 1 0,4 mol     → 2 CO 3 6 3 8 hh n 1 n 2,5 C H à C H n 0,4 v    → Đáp án A. Ví dụ 3: Đốt cháy hoàn toàn V lít (đktc) một ankin thể tích khí thu được CO 2 và H 2 O có tổng khối lượng 25,2 gam. Nếu cho sản phâm cháy đi qua dd Ca(OH) 2 dư thu được 4,5 gam kết tủa. a) V có giá trị là: A. 6,72 lít B. 2,24 lít C. 4,48 lít D. 3,36 lít Suy luận: 2 3 CO CaCO 45 n n 0,45 mol 100    → 2 H O 25,2 0,45.44 n 0,3 mol 18    2 2 ankin CO H O n n n 0,45 0,3 0,15 mol      Vậy V ankin = 0,15.22,4 = 3,36 lít → Đáp án D. b) Công thức phân tử ankin là A. C 2 H 2 B. C 3 H 4 C. C 4 H 6 D. C 5 H 8 Suy luận: Số nguyên tử C = 2 CO 3 4 ankin n 0,45 3 C H n 0,15    → Đáp án B. Copyright © Võ Ngọc Bình, Dạy và học Hóa học 4 4 Ví dụ 4: Đốt cháy hoàn toàn một lượng hiđrocacbon X. Hấp thụ toàn bộ sản phẩm cháy vào dung dịch Ba(OH) 2 dư tạo ra 29,55 gam kết tủa, dung dịch sau phản ứng có khối lượng giảm 19,35 gam so với dung dịch Ba(OH) 2 ban đầu. Công thức phân tử của X là A. C 3 H 4 B. C 2 H 6 C. C 3 H 6 D. C 3 H 8 (Trích ĐTTS vào các trường Đại học khối A, 2010) Suy luận: 2 3 CO BaCO 29,55 n n 0,15 mol 197    Khối lượng dung dịch giảm = 3 2 2 BaCO CO H O m (m m ) 19,35   => 2 H O m 19,35 0,15.44 29,55 3,6 gam    => 2 H O n 0,2 mol 2 2 H O CO n n => X là ankan và 2 2 X H O CO n n n 0,2 0,15 0,05 mol     => Số nguyên tử C (X) = 2 CO X n 3 n  => X là: C 3 H 8 → Đáp án D. Ví dụ 5: Hỗn hợp hiđrocacbon X và oxi có tỉ lệ số mol tương ứng là 1 : 10. Đốt cháy hoàn toàn hỗn hợp trên thu được hỗn hợp khí Y. Cho Y qua dung dịch H 2 SO 4 đặc, thu được hỗn hợp khí Z có tỉ khối so với H 2 bằng 19. Công thức phân tử của X là A. C 3 H 8 B. C 3 H 6 C. C 4 H 8 D. C 3 H 4 (Trích ĐTTS vào các trường Đại học, Cao đẳng khối A, 2007) Suy luận: Chọn số mol các chất theo đúng hệ số phản ứng 2 2 2 C H + (x + )O xCO + H O 4 2 x y y y  1 mol (x + ) 4 y mol x mol 2 y mol Hỗn hợp khí Z gồm: CO 2 (x mol) và O 2 dư [10 - (x + )] mol 4 y 2 2 CO O n 1 x = 10 - x - 8x + y = 40 n 1 4 y    CO 2 44 6 O 2 32 6 38 Copyright © Võ Ngọc Bình, Dạy và học Hóa học 5 5 Chỉ có giá trị x = 4, y = 8 là thỏa mãn => Công thức phân tử của X là C 4 H 8 . → Đáp án C. Bài toán 2: Đốt cháy hỗn hợp hiđrocacbon Ví dụ 6: Đốt cháy hoàn toàn một thể tích khí thiên nhiên gồm metan, etan, propan bằng oxi không khí (trong không khí oxi chiếm 20% về thể tích), thu được 7,84 lít khí CO 2 (ở đktc) và 9,9 gam H 2 O. Thể tích không khí (đktc) nhỏ nhất cần dùng để đốt cháy hoàn toàn lượng khí thiên nhiên trên là A. 70,0 lít B. 78,4 lít C. 84,0 lít D. 56,0 lít (Trích ĐTTS vào các trường Cao đẳng, 2007) Suy luận: 2 2 2 O CO H O 1 7,84 1 9,9 n n n . 0,625 mol 2 22,4 2 18      kk 100 => V 0,625.22,4. 70 lít 20   ( Vì oxi chiếm 20% thể tích không khí). → Đáp án A. Ví dụ 7: Đốt cháy hoàn toàn m gam hỗn hợp X gồm: C 3 H 8 , C 4 H 6 , C 5 H 10 và C 6 H 6 thu được 7,92 gam CO 2 và 2,7 gam H 2 O. m có giá trị là: A. 2,82 B. 2,67 C. 2,46 D. 2,31 Suy luận: Sơ đồ phản ứng: X { C 3 H 8 , C 4 H 6 , C 5 H 10 , C 6 H 6 } 7,92g CO 2 + 2,7g H 2 O Theo bảo toàn nguyên tố C và H (C và H trong X chuyển hết thành C trong CO 2 và H trong H 2 O) nên ta có: X C H 7,92 2,7 m m + m .12 .2 2,46 gam 44 18     → Đáp án C. Ví dụ 8: Hỗn hợp X có tỉ khối so với H 2 là 21,2 gồm propan, propen và propin. Khi đốt cháy hoàn toàn 0,1 mol X, tổng khối lượng của CO 2 và H 2 O thu được là A. 20,40 gam B. 18,60 gam C. 18,96 gam D. 16,80 gam (Trích ĐTTS vào các trường Đại học, Cao đẳng khối A, 2008) Suy luận: Cách 1: Sử dụng phương pháp trung bình * Chú ý: Khi đốt cháy hỗn hợp các chất hữu cơ có cùng số nguyên tử H nhưng khác số nguyên tử C và ngược lại. Ta đặt một công thức chung cho cả hỗn hợp các chất đó, trong O 2 , t 0 Copyright © Võ Ngọc Bình, Dạy và học Hóa học 6 6 đó giá trị trung bình là số nguyên tử của nguyên tố khác nhau giữa các chất trong hỗn hợp (quy bài toán về 1 chất). Công thức phân tử chung của propan, propen và propin là 3 y C H M 42,4 => 36 + 42,4 => 6,4y y   0 3 6,4 2 2 C H 3CO + 3,2H O t  0,1 → 0,3 0,32 m = 44.0,3 + 18.0,32 = 18,96 gam → Đáp án C. Cách 2: Sử dụng phương pháp quy đổi Ta thấy hỗn hợp X chỉ gồm 2 nguyên tố C và H, ta quy 0,1mol hỗn hợp X về 0,3 mol C ( cả 3 chất đều có 3 nguyên tử C) và y mol H → n H = 4,24 – 0,3.12 = 0,64 mol. 0,3 mol C → 0,3 mol CO 2 0,64 mol H → 0,32 mol H 2 O => Khối lượng (CO 2 , H 2 O) = 44.0,3 + 18.0,32 = 18,96 gam. → Đáp án C. Cách 3: Gọi công thức chung của propan, propen và propin là C 3 H y C 3 H y → 3CO 2 0,1 mol 0,3 mol => n C = 0,3 mol => m C = 0,3.12 = 3,6 gam. => m H(X) = 4,42 – 3,6 = 0,64 gam => 2 H H O 0,64 0,64 n 0,64 => n 0,32 mol 1 2     Vậy khối lượng (CO 2 , H 2 O) = 44.0,3 + 18.0,32 = 18,96 gam. Ví dụ 9: Đốt cháy hoàn toàn 2,24 lít (đktc) hỗn hợp khí X gồm CH 4 , C 2 H 4 , C 2 H 6 , C 3 H 8 và C 4 H 10 thu được 6,16 gam CO 2 và 4,14 gam H 2 O. Số mol C 2 H 4 trong hỗn hợp X là A. 0,09 B. 0,01 C. 0,08 D. 0,02 Suy luận: Hỗn hợp X gồm anken C 2 H 4 và các ankan Với ankan, 2 2 H O CO n n và 2 2 ankan H O CO n n n  Với anken, 2 2 H O CO n = n 2 2 ankan H O CO 4,14 6,16 n n n = 0,09 mol 18 44       anken X ankan 2,24 n n – n 0,09 0,01 mol 22,4      → Đáp án B. Đốt cháy hỗn hợp ankan và anken thì 2 2 H O CO n n , 2 2 ankan H O CO n n n     Copyright © Võ Ngọc Bình, Dạy và học Hóa học 7 7 Ví dụ 10: Hỗn hợp X gồm một ankan và một anken. Tỉ khối của X so với H 2 bằng 11,25. Đốt cháy hoàn toàn 4,48 lít X, thu được 6,72 lít CO 2 (đktc). Công thức của ankan và anken lần lượt là: A. CH 4 và C 2 H 4 B. C 2 H 6 và C 2 H 4 C. CH 4 và C 3 H 6 D. CH 4 và C 4 H 8 Suy luận: X 4,48 n 0,2 mol 22,4   X M 11,25.2 22,5  => Ankan là CH 4 (Vì chỉ có hiđrocacbon duy nhất có M < 22,5 là CH 4 ) Áp dụng BTKL: H X C 6,72 m m m 22,5.0,2 .44 0,9 gam 22,4      2 H O H 1 1 n n .0,9 0,45 mol 2 2    => 4 2 2 CH H O CO n n n 0,45 0,3 0,15 mol       => n anken = 0,2 – 0,15 = 0,05 mol Gọi công thức tổng quát của anken là C n H 2n (n ≥ 2) Ta có: 0,15 mol CH 4 → 0,15mol CO 2 0,15 mol C n H 2n → 0,15n mol CO 2 => Số mol CO 2 = 0,15 + 0,15n = 0,3 => n = 3 → Anken là C 3 H 6 . → Đáp án C. Ví dụ 11: Đốt cháy hoàn toàn 1 lít hỗn hợp khí gồm C 2 H 2 và hiđrocacbon X, sinh ra 2 lít khí CO 2 và 2 lít hơi H 2 O ( các thể tích khí và hơi đo ở cùng điều kiện nhiệt độ và áp suất). Công thức phân tử của X là: A. C 2 H 6 B. C 2 H 4 C. CH 4 D. C 3 H 8 (Trích ĐTTS vào các trường Đại học, Cao đẳng khối B, 2008) Suy luận: C 2 H 2 là ankin nên 2 2 H O CO n < n , đốt cháy hỗn hợp khí cho 2 2 CO H O V V => X phải là ankan. 2 CO hh V 2 C 2 V 1    => X có 2 nguyên tử C => X là C 2 H 6 . → Đáp án A. Copyright © Võ Ngọc Bình, Dạy và học Hóa học 8 8 Ví dụ 12: Đốt cháy hoàn toàn hỗn hợp M gồm một ankan X và một ankin Y thu được số mol CO 2 bằng số mol H 2 O. Thành phần % về số mol của X và Y trong hỗn hợp M lần lượt là A. 75% và 25% B. 20% và 80% C. 35% và 65% D. 50% và 50% (Trích ĐTTS vào các trường Cao đẳng, 2008) Suy luận: 2 2 ankan H O CO n n n  ; 2 2 ankin CO H O n n n  Khi đốt cháy hoàn toàn hỗn hợp M cho 2 2 H O CO n = n => n ankan = n ankin → Đáp án D. Bài toán 3: Ta có sơ đồ sau: Theo BTNT, (C, H) trong (X) chuyển thành (C, H) trong (Y) chuyển thành (C, H) trong (CO 2 , H 2 O) => Đốt cháy hoàn toàn hỗn hợp (Y) giống như đốt cháy hoàn toàn (X) ban đầu => nên tính toán theo (X) sẽ đơn giản hơn. Phản ứng hiđro hóa không làm thay đổi mạch C, nên đốt cháy hỗn hợp (Y) hay (X) cho cùng số mol CO 2 . Ví dụ 13: Chia hỗn hợp gồm C 3 H 6 , C 2 H 4 thành 2 phân đều nhau: - Đốt cháy phần 1 thu được 2,24 lít CO 2 (đktc) - Hiđro hóa phần 2 rồi đốt cháy hết sản phẩm thì thể tích CO 2 (đktc) thu được là A. 2,24 lít B. 1,12 lít C. 3,36 lít D. 4,48 lít → Đáp án A. Dễ quá! Bài toán 4: Sau khi hiđro hóa hoàn toàn hiđrocacbon không no rồi đốt cháy thì thu được số mol H 2 O nhiều hơn so với khi đốt lúc chưa hiđro hóa. Số mol nước trội hơn chính là số mol H 2 đã tham gia phản ứng hiđro hóa Ta thấy, hiệu [(n + 1) – (n + 1 – k)] = k (chính là số mol nước trội hơn của ankan do H 2 tạo ra) (X) Hiđrocacbon chưa no H 2 Các hiđrocacbon H 2 (có thể dư) Ni, t 0 (Y) CO 2 H 2 O O 2 , t 0 C n H 2n+2-2k + kH 2 → C n H 2n+2 (n + 1 – k) H 2 O + kH 2 O = (n + 1) H 2 O + O 2 + O 2 + O 2 Copyright © Võ Ngọc Bình, Dạy và học Hóa học 9 9 Ví dụ 14: Đốt cháy hoàn toàn 0,1 mol ankin được 0,2 mol H 2 O. Nếu hiđro hóa hoàn toàn 0,1 mol ankin này rồi đốt cháy thì số mol H 2 O thu được là A. 0,3 B. 0,4 C. 0,5 D. 0,6 Suy luận: Ankin cộng hợp với H 2 theo tỉ lệ mol 1 : 2. Khi cộng hợp có 0,2 mol H 2 phản ứng nên số mol H 2 O thu được cũng thêm là 0,2 mol, do đó số mol H 2 O thu được là 0,2 + 0,2 = 0,4 mol → Đáp án B. Bài toán 5: Sau khi Crackinh ankan rồi đem đốt cháy hỗn hợp hiđrocacbon thu được: Theo BTNT, đốt cháy hỗn hợp (Y) giống như đốt cháy hoàn toàn (X) ban đầu. Ví dụ 15: Tiến hành Crackinh ở nhiệt độ cao 5,8 gam butan. Sau một thời gian thu được hỗn hợp khí X gồm CH 4 , C 2 H 6 , C 2 H 4 và C 4 H 10 . Đốt cháy hoàn toàn X trong khí O 2 dư, rồi dẫn toàn bộ sản phẩm sinh ra qua bình đựng H 2 SO 4 đặc. Độ tăng khối lượng của bình đựng H 2 SO 4 đặc là: A. 9,0 gam B. 4,5 gam C. 18,0 gam D. 13,5 gam Suy luận: Sơ đồ phản ứng: C 4 H 10 (X) H 2 O Đốt cháy hoàn toàn X giống như đốt cháy hoàn toàn 5,8 gam butan ban đầu C 4 H 10 4CO 2 + 5H 2 O 0,1 mol 0,5 mol Độ tăng khối lượng bình đựng H 2 SO 4 đặc chính là khối lượng H 2 O = 0,5.18 = 9 gam. → Đáp án A. (X) Ankan: C n H 2n+2 (n ≥ 3) Anken Anken H 2 … Crackinh (Y) CO 2 H 2 O O 2 , t 0 Hoặc tách H 2 Crackinh O 2 , t 0 Copyright © Võ Ngọc Bình, Dạy và học Hóa học 10 10 III. Bài tập tự luyện Câu 1: Đốt cháy hoàn toàn 0,01 mol hỗn hợp hai ankan thu được 0,72 gam nước. Cho sản phẩm đốt cháy đi qua bình đựng dung dịch nước vôi trong dư thì khối lượng kết tủa thu được là A. 0,3 gam B. 3,0 gam C. 0,6 gam D. 6,0 gam Câu 2: Để đốt cháy hoàn toàn một lượng hiđrocacbon X cần tối thiều 7,68 gam O 2 . Toàn bộ sản phẩm cháy được dẫn qua bình (1) đựng H 2 SO 4 đặc, dư, sau đó qua bình (2) đựng dung dịch Ca(OH) 2 dư. Kết thúc thí nghiệm thấy bình (1) tăng 4,32 gam, bình (2) thu được m gam kết tủa. Công thức phân tử của X và giá trị m lần lượt là A. C 2 H 6 và 10 B. C 2 H 4 và 11 C. C 3 H 8 và 9 D. CH 4 và 12 Câu 3: Một hỗn hợp X gồm hai hiđrocacbon kế tiếp nhau trong dãy đồng đẳng. Đốt cháy hoàn toàn hỗn hợp, sau đó dẫn sản phẩm cháy qua bình (1) đựng H 2 SO 4 đặc, sau đó qua bình (2) đựng Ba(OH) 2 dư thấy khối lượng các bình tăng lần lượt là: 16,2 gam và 30,8 gam. Công thức phân tử của hai hiđrocacbon và % về thể tích là A. C 3 H 8 : 50% và C 4 H 10 : 50% B. CH 4 : 50% và C 2 H 6 : 50% C. C 2 H 6 : 50% và C 3 H 8 : 50% D. C 3 H 8 : 40% và C 4 H 10 : 60% Câu 4: Đốt cháy hoàn toàn hỗn hợp hai hiđrocacbon có khối lượng phân tử hơn kém nhau 28 đvc thu được 4,48 lít CO 2 (đktc) và 5,4 gam H 2 O. Công thức phân tử của hai hiđrocacbon đó lần lượt là A. C 2 H 4 và C 4 H 8 B. CH 4 và C 3 H 8 C. C 2 H 6 và C 4 H 10 D. C 2 H 2 và C 4 H 6 Câu 5: Đốt cháy hoàn toàn 7,0 mg hợp chất X thu được 11,2 ml khí CO 2 (đktc) và 9,0 mg H 2 O. Tỉ khối hơi của X so với nitơ bằng 2,5. Khi clo hóa X với tỉ lệ số mol 1 : 1 chỉ thu được một dẫn xuất monoclo duy nhất. X có tên gọi là A. metylxiclobutan B. xiclopentan C. 1,2-đimetylxiclopropan D. xiclohexan Câu 6: Đốt cháy hoàn toàn 0,1 mol hỗn hợp X hồm propan và xiclopropan thì thu được 0,35 mol H 2 O. Thành phần % theo thể tích propan trong hỗn hợp X là A. 50% B. 40% C. 30% D. 25% Câu 7: Đốt cháy hoàn toàn 6,72 lít (đktc) hỗn hợp gồm hia hiđrocacbon X và Y (M X > M Y ), thì thu được 11,2 lít CO 2 (đktc) và 10,8 gam H 2 O. Công thức của X là A. C 2 H 6 B. C 2 H 4 C. CH 4 D. C 2 H 2 (Trích ĐTTS vào các trường Cao đẳng, 2010)