Heptan C7H16: tính chất, ứng dụng và điều chế

Trả lời nhanh

C₇H₁₆ là công thức phân tử của heptan, một ankan có 7 nguyên tử cacbon (M = 100 g/mol). Heptan là chất lỏng không màu, nhẹ hơn nước, không tan trong nước, sôi khoảng 98 °C. Nó cháy toả nhiều nhiệt, tham gia phản ứng thế halogen, tách hiđro, crackinh và được điều chế chủ yếu bằng chưng cất phân đoạn dầu mỏ.

1. Heptan là gì? Công thức và đồng phân

Heptan thuộc dãy đồng đẳng ankan (hiđrocacbon no, mạch hở) có công thức chung C_nH_2n+2. Với n = 7 ta được C₇H₁₆.

Công thức cấu tạo thu gọn của n-heptan: CH₃–CH₂–CH₂–CH₂–CH₂–CH₂–CH₃.

Phân tử khối: 12×7 + 16 = 100.
Phần trăm khối lượng: C chiếm 84%, H chiếm 16%.
Số đồng phân cấu tạo ứng với C₇H₁₆: 9 (gồm n-heptan và 8 đồng phân mạch nhánh như 2-metylhexan, 3-metylhexan, 2,2-đimetylpentan, 2,3-đimetylpentan, 2,4-đimetylpentan, 3,3-đimetylpentan, 3-etylpentan, 2,2,3-trimetylbutan).

Khi nói “heptan” mà không nói gì thêm, người ta thường hiểu là n-heptan (mạch không phân nhánh).

2. Tính chất vật lí của heptan

Đại lượng	Giá trị gần đúng
Trạng thái, màu, mùi	Lỏng, không màu, mùi giống xăng nhẹ
Nhiệt độ sôi	≈ 98 °C
Nhiệt độ nóng chảy	≈ −91 °C
Khối lượng riêng	≈ 0,68 g/mL (nhẹ hơn nước)
Độ tan	Không tan trong nước; tan tốt trong dung môi hữu cơ không phân cực

Vì sao không tan trong nước? Phân tử heptan gần như không phân cực (liên kết C–C, C–H), trong khi nước là phân tử phân cực có liên kết hiđro. Theo quy tắc “giống tan trong giống”, heptan nổi lên trên mặt nước và tạo lớp riêng.

Lưu ý an toàn: heptan rất dễ bay hơi và dễ cháy (điểm chớp cháy thấp, dưới 0 °C), hơi của nó tạo hỗn hợp nổ với không khí nên phải để xa lửa.

3. Tính chất hoá học của heptan

Giống mọi ankan, heptan chỉ có liên kết σ bền nên khá trơ: không làm mất màu dung dịch brom, không phản ứng với axit, bazơ hay KMnO₄ ở điều kiện thường. Nó chỉ phản ứng khi có ánh sáng, nhiệt độ cao hoặc xúc tác.

3.1. Phản ứng cháy (oxi hoá hoàn toàn)

C₇H₁₆ + 11O₂ → 7CO₂ + 8H₂O (t°)

Phản ứng toả nhiều nhiệt, ngọn lửa sáng. Đây là lí do ankan lỏng được dùng làm nhiên liệu.

3.2. Phản ứng thế halogen

C₇H₁₆ + Cl₂ → C₇H₁₅Cl + HCl (ánh sáng khuếch tán)

Phản ứng cho hỗn hợp sản phẩm. Với n-heptan có 4 loại nguyên tử H không tương đương (ở C1, C2, C3, C4 – C5, C6, C7 đối xứng với C3, C2, C1), nên tạo tối đa 4 dẫn xuất monoclo. Với brom, sản phẩm thế ở cacbon bậc cao (bậc II) chiếm ưu thế rõ rệt hơn so với clo.

3.3. Phản ứng tách hiđro, reforming

Khi có xúc tác Pt và nhiệt độ cao, n-heptan bị đóng vòng và tách hiđro tạo hiđrocacbon thơm:

C₇H₁₆ → C₆H₅CH₃ + 4H₂ (xt Pt, t°)

Đây là nguyên lí của quá trình reforming xúc tác, giúp nâng chỉ số octan của xăng.

3.4. Phản ứng crackinh

Ở nhiệt độ cao (có hoặc không có xúc tác), mạch cacbon bị bẻ gãy thành ankan và anken nhỏ hơn, ví dụ:

C₇H₁₆ → C₃H₈ + C₄H₈ (t°, xt)

C₇H₁₆ → CH₄ + C₆H₁₂ (t°, xt)

Tổng số nguyên tử mỗi loại ở hai vế luôn bằng nhau; đây là cách kiểm tra nhanh khi viết sản phẩm crackinh.

4. Ứng dụng của heptan

Chất chuẩn chỉ số octan: n-heptan được quy ước có chỉ số octan = 0, iso-octan (2,2,4-trimetylpentan) = 100. Xăng có chỉ số octan 95 nghĩa là chống kích nổ tương đương hỗn hợp 95% iso-octan và 5% n-heptan.
Dung môi: hoà tan chất béo, nhựa, mực, keo; dùng trong sơn, chất tẩy rửa kĩ thuật.
Phòng thí nghiệm: dung môi chiết, pha động trong sắc kí, thay thế hexan vì độc tính thần kinh thấp hơn.
Nguyên liệu hoá dầu: thành phần của xăng, nguyên liệu cho reforming và crackinh.

5. Cách điều chế heptan

Chưng cất phân đoạn dầu mỏ: đây là nguồn chính. Heptan nằm trong phân đoạn xăng nhẹ/naphtha, được tách ra nhờ nhiệt độ sôi khác nhau của các hiđrocacbon.
Tổng hợp Fischer–Tropsch: 7CO + 15H₂ → C₇H₁₆ + 7H₂O (xt Fe hoặc Co, t°, p).
Hiđro hoá hiđrocacbon không no: C₇H₁₄ (hept-1-en) + H₂ → C₇H₁₆ (xt Ni, t°).

Heptan có độ tinh khiết rất cao còn có thể thu từ nhựa của một số cây thông, nhưng sản xuất công nghiệp vẫn dựa vào dầu mỏ.

6. Lỗi sai thường gặp và mẹo nhớ

Nhầm heptan có 8 đồng phân: thực tế C₇H₁₆ có tổng 9 đồng phân cấu tạo (tính cả mạch thẳng).
Cân bằng phản ứng cháy sai: dùng công thức tổng quát ankan C_nH_2n+2 cần (3n+1)/2 mol O₂; n = 7 cho 11 mol O₂, thu n = 7 mol CO₂ và (n+1) = 8 mol H₂O.
Cho rằng ankan làm mất màu nước brom: sai, chỉ phản ứng thế với brom khan khi chiếu sáng.
Mẹo: n(H₂O) − n(CO₂) = n(ankan) khi đốt cháy ankan.

7. Bài tập vận dụng (có đáp án)

Bài 1. Đốt cháy hoàn toàn 10 g heptan. Tính thể tích O₂ (đktc, lấy 22,4 L/mol) cần dùng và khối lượng nước tạo thành.

Đáp án: n(C₇H₁₆) = 10/100 = 0,1 mol. n(O₂) = 0,1 × 11 = 1,1 mol → V = 1,1 × 22,4 = 24,64 L. n(H₂O) = 0,8 mol → m = 0,8 × 18 = 14,4 g.

Bài 2. Một ankan khi đốt cháy cho n(CO₂) = 0,7 mol và n(H₂O) = 0,8 mol. Xác định công thức phân tử.

Đáp án: n(ankan) = 0,8 − 0,7 = 0,1 mol; số C = 0,7/0,1 = 7 → C₇H₁₆.

Bài 3. Viết phương trình crackinh heptan tạo propan và một anken, gọi tên anken.

Đáp án: C₇H₁₆ → C₃H₈ + C₄H₈; anken là but-1-en hoặc but-2-en (C₄H₈).

Câu hỏi thường gặp

C7H16 là chất gì?

C7H16 là công thức phân tử của heptan, ankan có 7 nguyên tử cacbon, phân tử khối 100. Chất này có 9 đồng phân cấu tạo, trong đó n-heptan là mạch thẳng.

Heptan có tan trong nước không?

Không. Heptan là chất không phân cực, nhẹ hơn nước nên nổi lên trên mặt nước; nó tan tốt trong dung môi hữu cơ như hexan, benzen, ete.

Vì sao n-heptan có chỉ số octan bằng 0?

Do quy ước: n-heptan dễ bị kích nổ trong động cơ nên được chọn làm mốc 0, còn iso-octan chống kích nổ tốt được chọn làm mốc 100 để đo chất lượng xăng.

Đốt cháy 1 mol heptan cần bao nhiêu mol O2?

Cần 11 mol O2, theo phương trình C7H16 + 11O2 → 7CO2 + 8H2O, tạo 7 mol CO2 và 8 mol H2O.