Công thức cấu tạo của C2H4 là H2C=CH2
Lớp 11Hóa học

Công thức cấu tạo của C2H4 (ethylene): CH2=CH2, tính chất và bài tập

Trả lời nhanh

Công thức cấu tạo của C2H4 (ethylene, còn gọi là ethene) là CH2=CH2. Hai nguyên tử carbon nối với nhau bằng một liên kết đôi C=C (gồm 1 liên kết σ và 1 liên kết π), mỗi carbon còn liên kết với 2 nguyên tử hydrogen. Cả 6 nguyên tử nằm trong cùng một mặt phẳng, các góc liên kết khoảng 120°.

Công thức của C2H4 viết theo những cách nào?

Cùng một chất nhưng đề bài có thể yêu cầu nhiều kiểu biểu diễn. Em nên nhớ đủ bốn kiểu dưới đây.

Loại công thức Cách viết Cho biết điều gì?
Công thức phân tử C2H4 Thành phần nguyên tố, số nguyên tử
Công thức electron H:C::C:H (mỗi C còn 1 H nữa) Các cặp electron dùng chung; 2 cặp giữa hai C
Công thức cấu tạo đầy đủ H–C(=C)–H, mỗi C gắn 2 H (xem hình) Thứ tự và loại liên kết giữa mọi nguyên tử
Công thức cấu tạo thu gọn CH2=CH2 Dạng gọn, dùng khi viết phương trình

Ngoài ra, ở dạng công thức khung phân tử, ethylene chỉ là một đoạn thẳng có hai nét song song (liên kết đôi), vì các nguyên tử H gắn với C không được vẽ ra.

Công thức cấu tạo đầy đủ của C2H4 với liên kết đôi giữa hai nguyên tử carbon và bốn nguyên tử hydrogen
Công thức cấu tạo đầy đủ của ethylene (C2H4): hai carbon nối đôi, mỗi carbon gắn 2 hydrogen, phân tử phẳng.

Vì sao C2H4 có liên kết đôi?

Carbon có 4 electron hóa trị, hydrogen có 1. Tổng electron hóa trị của phân tử là 2×4 + 4×1 = 12, tức 6 cặp electron dùng chung. Bốn cặp dùng cho bốn liên kết C–H. Hai cặp còn lại phải nằm giữa hai nguyên tử carbon, nên giữa C và C có liên kết đôi.

Nếu chỉ nối đơn, mỗi carbon chỉ có 3 liên kết (1 với C, 2 với H) và còn thiếu 1 electron để đủ quy tắc octet. Liên kết đôi giúp mỗi carbon đạt đủ 4 liên kết.

Đặc điểm cấu trúc phân tử ethylene

  • Lai hóa sp2: mỗi nguyên tử C dùng 3 orbital lai hóa sp2 tạo 3 liên kết σ (1 với C, 2 với H) và còn 1 orbital p không lai hóa.
  • Liên kết đôi = 1 σ + 1 π: liên kết σ C–C hình thành do xen phủ trục; liên kết π do hai orbital p song song xen phủ bên. Toàn phân tử có 5 liên kết σ và 1 liên kết π.
  • Phân tử phẳng: 2 nguyên tử C và 4 nguyên tử H cùng nằm trong một mặt phẳng; các góc H–C–H, H–C=C xấp xỉ 120°.
  • Liên kết đôi ngắn hơn liên kết đơn: độ dài C=C khoảng 0,134 nm, còn C–C trong ethane khoảng 0,154 nm.
  • Liên kết π kém bền: dễ bị phá vỡ trong phản ứng, vì vậy ethylene hoạt động hóa học mạnh hơn ethane.

Mẹo nhớ: “đôi” trong C=C là một σ bền + một π yếu. Mọi phản ứng cộng, trùng hợp, oxi hóa của alkene đều bắt đầu từ việc “bẻ” liên kết π.

Ethylene có đồng phân không?

C2H4 chỉ có một cấu tạo duy nhất là CH2=CH2. Ethylene cũng không có đồng phân hình học cis–trans vì mỗi nguyên tử carbon ở liên kết đôi đều gắn hai nguyên tử H giống nhau. Đồng phân bắt đầu xuất hiện từ C3H6 (propene và cyclopropane) và C4H8.

Lưu ý lỗi hay gặp: nhiều bạn viết “CH2–CH2” hoặc “CH3=CH” – cả hai đều sai. Carbon luôn có hóa trị IV: CH2=CH2 mỗi C có 2 liên kết C–H + 2 liên kết (đôi) với C = 4.

Tính chất vật lí

  • Chất khí, không màu, có mùi hơi ngọt nhẹ, M = 28 g/mol.
  • Nhẹ hơn không khí một chút (d = 28/29 ≈ 0,97), ít tan trong nước.
  • Nhiệt độ sôi rất thấp, khoảng –104 °C.

Tính chất hóa học của C2H4

Các phản ứng đặc trưng đều xuất phát từ liên kết đôi.

  1. Cộng hydrogen (xúc tác Ni, t°):
    CH2=CH2 + H2 → CH3–CH3
  2. Cộng halogen (làm mất màu nước bromine, ở điều kiện thường):
    CH2=CH2 + Br2 → CH2Br–CH2Br (1,2-dibromoethane)
  3. Cộng hydrogen halide:
    CH2=CH2 + HBr → CH3–CH2Br
  4. Cộng nước (xúc tác H3PO4, nhiệt độ cao, áp suất cao):
    CH2=CH2 + H2O → CH3–CH2OH
  5. Trùng hợp (t°, p, xúc tác) tạo polyethylene (PE):
    nCH2=CH2 → (–CH2–CH2–)n
  6. Oxi hóa không hoàn toàn bằng dung dịch KMnO4 loãng: tím nhạt dần, xuất hiện kết tủa nâu đen MnO2:
    3CH2=CH2 + 2KMnO4 + 4H2O → 3HOCH2–CH2OH + 2MnO2↓ + 2KOH
  7. Cháy (cháy sáng, tỏa nhiều nhiệt):
    C2H4 + 3O2 → 2CO2 + 2H2O (t°)

Khi đốt alkene, số mol CO2 bằng số mol H2O (vì công thức chung CnH2n). Đây là cách nhận ra nhanh một hydrocarbon là alkene trong bài đốt cháy.

Cách nhận biết ethylene

Thuốc thử Hiện tượng với C2H4 Với CH4, C2H6
Nước bromine (màu nâu đỏ) Mất màu Không đổi màu
Dung dịch KMnO4 (màu tím) Mất màu tím, có kết tủa nâu đen Không phản ứng

Để tách C2H4 khỏi hỗn hợp khí với alkane, người ta thường dẫn hỗn hợp qua dung dịch bromine dư để loại ethylene (khối lượng bình tăng đúng bằng khối lượng C2H4 bị hấp thụ).

Điều chế ethylene

  • Trong phòng thí nghiệm: tách nước từ ethanol, dùng H2SO4 đặc ở khoảng 170 °C:
    CH3CH2OH → CH2=CH2 + H2O
  • Trong công nghiệp: cracking alkane hoặc tách hydrogen khỏi ethane:
    CH3–CH3 → CH2=CH2 + H2 (t°, xúc tác)

Ứng dụng của ethylene

  • Sản xuất nhựa polyethylene (PE) làm túi, màng bọc, ống dẫn.
  • Nguyên liệu điều chế ethanol, ethylene glycol, ethylene oxide, vinyl chloride…
  • Là hormone thực vật tự nhiên giúp trái cây mau chín; người ta dùng lượng nhỏ khí này để ủ chín chuối, xoài.

Bài tập vận dụng có đáp án

Bài 1. Dẫn 0,1 mol C2H4 vào dung dịch bromine dư. Tính khối lượng Br2 phản ứng và khối lượng sản phẩm tạo thành.

Giải: C2H4 + Br2 → C2H4Br2. Tỉ lệ 1 : 1 : 1 nên n(Br2) = 0,1 mol → m = 0,1 × 160 = 16 g. Sản phẩm M = 188 g/mol → m = 0,1 × 188 = 18,8 g. (Kiểm tra bảo toàn khối lượng: 2,8 + 16 = 18,8 g ✓.)

Bài 2. Đốt cháy hoàn toàn 2,8 g C2H4. Tính thể tích O2 cần dùng (điều kiện chuẩn, 1 mol khí chiếm 24,79 L) và khối lượng CO2, H2O tạo thành.

Giải: n(C2H4) = 2,8/28 = 0,1 mol. Theo phương trình, n(O2) = 0,3 mol → V = 0,3 × 24,79 ≈ 7,44 L. n(CO2) = 0,2 mol → 8,8 g; n(H2O) = 0,2 mol → 3,6 g.

Bài 3. Hỗn hợp X gồm C2H4 và CH4 có tổng 0,3 mol. Dẫn X qua dung dịch bromine dư thì có 8 g Br2 phản ứng. Tính phần trăm thể tích C2H4 trong X.

Giải: Chỉ C2H4 phản ứng: n(C2H4) = n(Br2) = 8/160 = 0,05 mol. %V = 0,05/0,3 × 100% ≈ 16,67%.

Bài 4 (tự luyện). Viết công thức cấu tạo thu gọn của sản phẩm khi cho ethylene cộng với nước, rồi cho biết tên sản phẩm. Đáp án: CH3CH2OH – ethanol.

Câu hỏi trắc nghiệm nhanh

  1. Số liên kết σ và π trong phân tử C2H4 lần lượt là? Đáp án: 5 và 1 (4 σ C–H + 1 σ C–C; 1 π).
  2. Trạng thái lai hóa của carbon trong C2H4? Đáp án: sp2.
  3. Chất nào làm mất màu nước bromine: CH4, C2H6, C2H4, CO2? Đáp án: C2H4, vì có liên kết π kém bền dễ cộng Br2.

Tóm tắt cần nhớ

  • C2H4 = CH2=CH2, M = 28, là alkene đơn giản nhất (CnH2n, n = 2).
  • Có 1 liên kết đôi = 1 σ + 1 π; carbon lai hóa sp2; phân tử phẳng, góc khoảng 120°.
  • Đặc trưng hóa học: phản ứng cộng, trùng hợp, oxi hóa; làm mất màu nước bromine và dung dịch KMnO4.

Câu hỏi thường gặp

Công thức cấu tạo của C2H4 là gì?

Công thức cấu tạo thu gọn của C2H4 là CH2=CH2. Hai nguyên tử carbon nối với nhau bằng liên kết đôi, mỗi nguyên tử carbon gắn với hai nguyên tử hydrogen.

C2H4 có bao nhiêu liên kết σ và liên kết π?

Phân tử C2H4 có 5 liên kết σ (4 liên kết C–H và 1 liên kết σ giữa hai C) và 1 liên kết π, nằm trong liên kết đôi C=C.

C2H4 có đồng phân không?

Không. C2H4 chỉ có một cấu tạo là CH2=CH2 và không có đồng phân hình học, vì mỗi carbon ở liên kết đôi đều gắn hai nguyên tử H giống nhau.

Làm sao nhận biết khí C2H4?

Dẫn khí qua nước bromine hoặc dung dịch KMnO4: nước bromine mất màu nâu đỏ; dung dịch KMnO4 mất màu tím và xuất hiện kết tủa nâu đen MnO2. Các alkane như CH4, C2H6 không có hiện tượng này.

Bài học liên quan