Đồng phân C4H10: công thức cấu tạo và gọi tên

Trả lời nhanh

C₄H₁₀ là alkane, phân tử không có liên kết π và không có vòng, nên chỉ có đồng phân mạch carbon. Chất này có 2 đồng phân cấu tạo: CH₃–CH₂–CH₂–CH₃ tên là butane (n-butane) và CH₃–CH(CH₃)–CH₃ tên là 2-methylpropane (isobutane).

1. Vì sao C₄H₁₀ chỉ có đồng phân mạch carbon?

Trước khi viết đồng phân của bất kì công thức phân tử nào, các em nên tính độ bất bão hoà (tổng số liên kết π và số vòng) để biết chất đó thuộc loại nào. Với hydrocarbon C_xH_y:

k = (2x + 2 − y) : 2

Thay x = 4, y = 10 ta được k = (2·4 + 2 − 10) : 2 = 0. Như vậy phân tử không có liên kết đôi, liên kết ba hay vòng nào, tức C₄H₁₀ là alkane (công thức chung C_nH_2n+2).

Từ đó suy ra:

Không có đồng phân vị trí liên kết bội vì không có liên kết bội.
Không có đồng phân hình học (cis–trans) vì không có liên kết đôi C=C.
Không có đồng phân vòng: cyclobutane có công thức C₄H₈, không phải C₄H₁₀.
Chỉ còn một kiểu là đồng phân mạch carbon, tức mạch thẳng hoặc mạch nhánh.

2. Cách viết các đồng phân của C₄H₁₀ từng bước

Thầy cô thường dạy cách “rút ngắn mạch chính”. Các bước như sau:

Bước 1, mạch thẳng: nối cả 4 nguyên tử carbon thành một hàng: C–C–C–C.
Bước 2, rút 1 carbon làm nhánh: mạch chính còn 3 carbon (C–C–C), carbon thứ tư thành nhánh –CH₃. Nhánh không được gắn vào carbon đầu mạch, vì làm vậy mạch lại thành 4 carbon thẳng. Vậy nhánh chỉ có thể nằm ở carbon giữa.
Bước 3, rút tiếp: mạch chính còn 2 carbon thì không thể gắn 2 nhánh –CH₃ mà không tạo lại mạch dài hơn. Ta dừng ở đây.
Bước 4, điền hydrogen: mỗi carbon có hoá trị IV, nên thêm H cho đủ 4 liên kết ở mỗi nguyên tử C.

Ta thu được đúng 2 khung carbon, tương ứng với 2 đồng phân.

3. Bảng công thức cấu tạo và tên gọi các đồng phân C₄H₁₀

STT	Công thức cấu tạo thu gọn	Tên IUPAC	Tên thông thường	Loại mạch
1	CH₃–CH₂–CH₂–CH₃	butane	n-butane	Mạch thẳng (không nhánh)
2	CH₃–CH(CH₃)–CH₃	2-methylpropane	isobutane	Mạch nhánh

Hai chất trên có cùng công thức phân tử và cùng phân tử khối (58), nhưng thứ tự liên kết giữa các nguyên tử carbon khác nhau. Vì vậy chúng là hai chất khác nhau, gọi là đồng phân cấu tạo của nhau.

4. Cách gọi tên từng đồng phân theo IUPAC

4.1. Butane (mạch thẳng)

Với alkane mạch thẳng, tên gồm tiền tố chỉ số carbon cộng đuôi -ane. Bốn carbon ứng với tiền tố “but”, nên chất này có tên butane. Tên thông thường n-butane có chữ “n” (normal) để chỉ mạch không phân nhánh.

4.2. 2-methylpropane (mạch nhánh)

Quy tắc gọi tên alkane mạch nhánh: Số chỉ vị trí nhánh – tên nhánh + tên mạch chính + ane.

Chọn mạch chính là mạch carbon dài nhất, ở đây có 3 carbon nên gọi là “prop”.
Đánh số mạch chính từ đầu gần nhánh hơn. Nhánh –CH₃ nằm ở carbon số 2, đánh số từ đầu nào cũng ra 2.
Nhánh –CH₃ có tên là “methyl”.
Ghép lại được 2-methylpropane.

Tên thông thường isobutane dùng tiền tố “iso” cho alkane có nhóm (CH₃)₂CH– ở đầu mạch. Khi làm bài, các em nên ghi tên IUPAC, có thể ghi thêm tên thông thường trong ngoặc.

5. Lỗi sai thường gặp khi viết đồng phân C₄H₁₀

Đếm cùng một chất hai lần: nhiều bạn uốn cong mạch C–C–C–C thành hình chữ L hay chữ U rồi coi là đồng phân mới. Mạch uốn cong vẫn là 4 carbon nối liên tiếp, vẫn là butane.
Gắn nhánh methyl vào carbon đầu mạch: CH₂(CH₃)–CH₂–CH₃ thực chất là CH₃–CH₂–CH₂–CH₃, tức vẫn là butane.
Gọi sai tên thành “1-methylpropane” hoặc “2-methylbutane”: tên thứ nhất sai vì nhánh ở C1 làm mạch dài ra, tên thứ hai sai vì 2-methylbutane là C₅H₁₂.
Kể thêm cyclobutane: cyclobutane là C₄H₈ (k = 1), không phải đồng phân của C₄H₁₀.
Thiếu hydrogen ở carbon nhánh: carbon giữa của isobutane chỉ còn 1 H (CH), không phải CH₂.

6. Bậc carbon trong hai đồng phân

Bậc của một nguyên tử carbon bằng số nguyên tử carbon liên kết trực tiếp với nó. Đây là kiến thức hay được hỏi kèm khi học đồng phân:

Chất	C bậc I	C bậc II	C bậc III
Butane	2 (hai CH₃ đầu mạch)	2 (hai CH₂ ở giữa)	0
2-methylpropane	3 (ba nhóm CH₃)	0	1 (nhóm CH ở giữa)

7. So sánh tính chất của butane và isobutane

7.1. Tính chất vật lí

Ở điều kiện thường, cả hai đều là chất khí, không màu, không tan trong nước. Nhiệt độ sôi của chúng khác nhau rõ rệt: butane sôi ở khoảng −0,5 °C, còn isobutane sôi ở khoảng −12 °C.

Vì sao isobutane sôi thấp hơn? Phân tử có nhánh thì gọn hơn, gần với dạng hình cầu, nên diện tích tiếp xúc giữa các phân tử nhỏ hơn. Lực tương tác van der Waals vì thế yếu hơn và chất sôi ở nhiệt độ thấp hơn. Quy luật này áp dụng chung: với các alkane đồng phân, mạch càng phân nhánh thì nhiệt độ sôi càng thấp.

7.2. Tính chất hoá học

Hai đồng phân có tính chất hoá học tương tự nhau, đều là tính chất đặc trưng của alkane.

a) Phản ứng cháy, toả nhiều nhiệt, ngọn lửa xanh nhạt:

2C₄H₁₀ + 13O₂ → 8CO₂ + 10H₂O (điều kiện: t°)

b) Phản ứng thế với chlorine (chiếu sáng, tỉ lệ 1 : 1). Mỗi chất tạo được 2 dẫn xuất monochloro:

Butane cho 1-chlorobutane và 2-chlorobutane:
CH₃CH₂CH₂CH₃ + Cl₂ → C₄H₉Cl + HCl (ánh sáng)
Isobutane cho 1-chloro-2-methylpropane và 2-chloro-2-methylpropane.

Số dẫn xuất monochloro bằng số loại nguyên tử H khác nhau trong phân tử. Butane có 2 loại H (ở CH₃ và ở CH₂). Isobutane cũng có 2 loại H (ở 3 nhóm CH₃ tương đương và ở nhóm CH).

c) Phản ứng cracking và tách hydrogen (t°, xúc tác) của butane:

C₄H₁₀ → CH₄ + C₃H₆
C₄H₁₀ → C₂H₆ + C₂H₄
C₄H₁₀ → C₄H₈ + H₂

8. Ứng dụng trong đời sống

Butane và isobutane cùng với propane là thành phần chính của khí hoá lỏng (LPG), tức gas trong bình dùng để đun nấu.
Butane được nén trong bật lửa gas và bình gas mini của bếp du lịch.
Isobutane (kí hiệu R600a) được dùng làm môi chất làm lạnh trong một số loại tủ lạnh, vì ít ảnh hưởng đến tầng ozone hơn các chất CFC.
Trong công nghiệp, butane là nguyên liệu để điều chế buta-1,3-diene và butene.

Lưu ý an toàn: các khí này rất dễ cháy và nặng hơn không khí (M = 58 > 29), nên khi rò rỉ chúng tích tụ ở sát sàn nhà. Nếu ngửi thấy mùi gas, phải khoá van, mở cửa cho thoáng và tuyệt đối không bật công tắc điện.

9. Mẹo nhớ nhanh số đồng phân alkane

Các em có thể nhớ dãy số đồng phân cấu tạo của alkane theo số carbon:

Công thức	CH₄	C₂H₆	C₃H₈	C₄H₁₀	C₅H₁₂	C₆H₁₄	C₇H₁₆
Số đồng phân	1	1	1	2	3	5	9

Câu nhớ vui: “Một, một, một, hai, ba, năm, chín”. Alkane bắt đầu có đồng phân từ 4 carbon trở lên, và C₄H₁₀ là alkane nhỏ nhất có đồng phân.

10. Bài tập vận dụng có đáp án

Bài 1. Viết công thức cấu tạo và gọi tên các đồng phân của C₅H₁₂.

Đáp án: Có 3 đồng phân:

CH₃–CH₂–CH₂–CH₂–CH₃: pentane.
CH₃–CH(CH₃)–CH₂–CH₃: 2-methylbutane (isopentane).
C(CH₃)₄: 2,2-dimethylpropane (neopentane).

Bài 2. Từ hai đồng phân của C₄H₁₀, hãy cho biết C₄H₉Cl có tổng cộng bao nhiêu đồng phân cấu tạo.

Đáp án: 4 đồng phân, gồm 2 chất từ butane (1-chlorobutane, 2-chlorobutane) và 2 chất từ isobutane (1-chloro-2-methylpropane, 2-chloro-2-methylpropane).

Bài 3. Đốt cháy hoàn toàn 5,8 gam hỗn hợp butane và isobutane. Tính thể tích khí CO₂ thu được ở điều kiện chuẩn (25 °C, 1 bar) và khối lượng nước tạo thành.

Hướng dẫn: Hai chất có cùng công thức phân tử, nên ta coi chung là C₄H₁₀ với M = 58.

n(C₄H₁₀) = 5,8 : 58 = 0,1 mol.
Theo phương trình, n(CO₂) = 4 × 0,1 = 0,4 mol, suy ra V = 0,4 × 24,79 = 9,916 L.
n(H₂O) = 5 × 0,1 = 0,5 mol, suy ra m = 0,5 × 18 = 9 gam.

Nhận xét: trong bài này không cần biết tỉ lệ của từng đồng phân, vì chúng có cùng công thức phân tử.

Bài 4. Chất X có công thức phân tử C₄H₁₀. Khi phản ứng với Cl₂ (tỉ lệ 1 : 1, ánh sáng), X tạo ra một dẫn xuất có nguyên tử Cl gắn vào carbon bậc III. Xác định X.

Đáp án: Chỉ isobutane có carbon bậc III, nên X là 2-methylpropane. Dẫn xuất được nhắc đến là 2-chloro-2-methylpropane, (CH₃)₃CCl.

Câu hỏi thường gặp

C4H10 có bao nhiêu đồng phân?

C4H10 có 2 đồng phân cấu tạo: butane CH3–CH2–CH2–CH3 (mạch thẳng) và 2-methylpropane CH3–CH(CH3)–CH3 (isobutane, mạch nhánh).

Vì sao C4H10 không có đồng phân hình học hay đồng phân vòng?

Độ bất bão hoà của C4H10 bằng 0, tức phân tử không có liên kết đôi và không có vòng. Vì vậy nó không có đồng phân cis–trans, cũng không có đồng phân vòng. Cyclobutane có công thức C4H8.

Butane và isobutane, chất nào có nhiệt độ sôi cao hơn?

Butane sôi cao hơn (khoảng −0,5 °C) so với isobutane (khoảng −12 °C). Lí do là phân tử mạch nhánh gọn hơn nên lực van der Waals giữa các phân tử yếu hơn.

Tên IUPAC của isobutane là gì?

Tên IUPAC của isobutane là 2-methylpropane: mạch chính có 3 carbon (propane) và nhánh methyl gắn ở carbon số 2.