C4H10 (butan): tính chất, ứng dụng và điều chế

Trả lời nhanh

C₄H₁₀ là butan, một ankan có phân tử khối 58, tồn tại ở dạng khí không màu, ít tan trong nước, dễ hoá lỏng khi nén. Butan có hai đồng phân (n-butan và isobutan), cháy toả nhiều nhiệt, tham gia phản ứng thế halogen và cracking. Butan là thành phần chính của khí gas (LPG) và được điều chế chủ yếu từ dầu mỏ, khí thiên nhiên.

1. Công thức và đồng phân của C₄H₁₀

Butan thuộc dãy ankan có công thức chung C_nH_2n+2 với n = 4. Phân tử chỉ gồm liên kết đơn C–C và C–H, mạch hở, nên butan là hiđrocacbon no. Khối lượng mol M = 4·12 + 10·1 = 58 g/mol.

C₄H₁₀ có 2 đồng phân cấu tạo (đồng phân mạch cacbon):

n-butan: CH₃–CH₂–CH₂–CH₃ (mạch không phân nhánh).
isobutan (2-metylpropan): CH₃–CH(CH₃)–CH₃ (mạch phân nhánh).

Sơ đồ mạch cacbon của n-butan và isobutan, hai đồng phân của C4H10 — Hai đồng phân cấu tạo của C4H10: n-butan (mạch thẳng) và isobutan (mạch nhánh).

Mẹo nhớ: ankan bắt đầu có đồng phân từ C₄. Metan, etan, propan đều chỉ có một cấu tạo duy nhất.

2. Tính chất vật lí

Đặc điểm	n-butan	isobutan
Trạng thái ở điều kiện thường	Khí, không màu	Khí, không màu
Nhiệt độ sôi (áp suất thường)	khoảng −0,5 °C	khoảng −11,7 °C
Tan trong nước	Rất ít	Rất ít
Tan trong dung môi hữu cơ	Tốt	Tốt

Butan nặng hơn không khí: d = 58/29 = 2, nên khi rò rỉ khí tích tụ ở nơi thấp như sàn nhà, hầm bếp. Do nhiệt độ sôi gần 0 °C, butan chỉ cần nén nhẹ là hoá lỏng, rất tiện đóng bình chứa. Đồng phân phân nhánh có nhiệt độ sôi thấp hơn vì các phân tử gọn hơn, lực hút giữa chúng yếu hơn.

3. Tính chất hoá học

Giống các ankan khác, butan khá trơ ở điều kiện thường: không phản ứng với axit, bazơ, không làm mất màu dung dịch brom hay thuốc tím. Phản ứng chỉ xảy ra khi đun nóng, chiếu sáng hoặc có xúc tác.

a) Phản ứng cháy (oxi hoá hoàn toàn)

2C₄H₁₀ + 13O₂ → 8CO₂ + 10H₂O (nhiệt độ cao, toả nhiều nhiệt)

Ngọn lửa xanh, không khói. Khi thiếu oxi, butan cháy không hoàn toàn tạo CO hoặc muội than, rất độc, vì vậy cần thông thoáng khi đun bằng gas:

2C₄H₁₀ + 9O₂ → 8CO + 10H₂O (thiếu oxi)

b) Phản ứng thế với halogen

Khi chiếu sáng, butan thế nguyên tử H bằng halogen. Với clo thu được hỗn hợp hai sản phẩm monoclo:

CH₃CH₂CH₂CH₃ + Cl₂ → CH₃CH₂CH₂CH₂Cl + HCl (as)

CH₃CH₂CH₂CH₃ + Cl₂ → CH₃CHClCH₂CH₃ + HCl (as)

Nguyên tử H ở cacbon bậc cao dễ bị thế hơn. Với brom (đun nóng hoặc chiếu sáng), sản phẩm chính là 2-brombutan, chọn lọc hơn clo rất nhiều.

c) Phản ứng tách hiđro và cracking

Ở nhiệt độ cao có xúc tác, liên kết C–C hoặc C–H bị bẻ gãy, tạo ankan nhỏ hơn và anken:

C₄H₁₀ → CH₄ + C₃H₆
C₄H₁₀ → C₂H₆ + C₂H₄
C₄H₁₀ → C₄H₈ + H₂ (tách hiđro)

Tách tiếp hai phân tử H₂ (xúc tác Cr₂O₃/Al₂O₃, khoảng 600 °C) sẽ thu được buta-1,3-đien: CH₃CH₂CH₂CH₃ → CH₂=CH–CH=CH₂ + 2H₂.

d) Phản ứng đồng phân hoá

n-butan chuyển thành isobutan khi có xúc tác AlCl₃ (kèm HCl), nhiệt độ thấp. Phản ứng thuận nghịch, được dùng trong công nghiệp lọc dầu.

4. Ứng dụng của butan

Nhiên liệu: hỗn hợp propan–butan hoá lỏng (LPG) dùng cho bếp gas, bình gas du lịch, bật lửa.
Pha chế xăng: butan và isobutan điều chỉnh áp suất hơi, tăng chỉ số octan.
Nguyên liệu hoá chất: sản xuất buta-1,3-đien (làm cao su tổng hợp), anhiđrit maleic, axit axetic.
Isobutan: làm chất làm lạnh trong tủ lạnh, chất đẩy trong bình xịt.

An toàn: hỗn hợp butan với không khí gây nổ trong khoảng nồng độ xấp xỉ 1,8–8,4% theo thể tích. Butan vốn gần như không mùi nên nhà sản xuất thêm chất có mùi đặc trưng (mercaptan) để dễ phát hiện rò rỉ. Khi nghi ngờ rò gas, hãy khoá van, mở cửa, tuyệt đối không bật công tắc điện hay châm lửa.

5. Cách điều chế butan

Trong công nghiệp

Butan được tách từ khí thiên nhiên, khí đồng hành của mỏ dầu và từ quá trình chưng cất phân đoạn, cracking dầu mỏ. Sau đó hoá lỏng và đóng bình.

Trong phòng thí nghiệm

Hiđro hoá but-1-en hoặc buta-1,3-đien:
CH₂=CH–CH₂–CH₃ + H₂ → CH₃CH₂CH₂CH₃ (Ni, t°)
CH₂=CH–CH=CH₂ + 2H₂ → C₄H₁₀ (Ni, t°)
Phản ứng Wurtz từ dẫn xuất halogen:
2CH₃CH₂Br + 2Na → CH₃CH₂CH₂CH₃ + 2NaBr (ete khan)

6. Lỗi sai thường gặp

Nhầm C₄H₁₀ chỉ có một cấu tạo; thực tế có 2 đồng phân.
Cân bằng sai phản ứng cháy: nhớ tỉ lệ C₄H₁₀ : O₂ = 2 : 13, hay 1 : 6,5.
Cho rằng butan làm mất màu nước brom; thực tế chỉ phản ứng thế khi có ánh sáng hoặc đun nóng.
Quên rằng một phân tử butan cracking cho hai phân tử sản phẩm, nên số mol khí tăng gấp đôi khi cracking hoàn toàn.

7. Bài tập luyện tập

Bài 1. Đốt cháy hoàn toàn 5,8 g C₄H₁₀. Tính thể tích CO₂, khối lượng H₂O và thể tích O₂ cần dùng (đktc).

Giải: n(C₄H₁₀) = 5,8/58 = 0,1 mol. Theo phương trình: n(CO₂) = 0,4 mol → V = 0,4·22,4 = 8,96 lít; n(H₂O) = 0,5 mol → m = 9 g; n(O₂) = 0,1·13/2 = 0,65 mol → V = 14,56 lít.

Bài 2. Có bao nhiêu dẫn xuất monoclo tạo ra khi cho n-butan phản ứng với Cl₂ (as, tỉ lệ 1 : 1)? Còn isobutan thì sao?

Giải: n-butan có 2 loại H (ở C đầu mạch và C giữa mạch) nên cho 2 sản phẩm: 1-clobutan và 2-clobutan. Isobutan cũng có 2 loại H nên cho 2 sản phẩm: 1-clo-2-metylpropan và 2-clo-2-metylpropan.

Bài 3. Cracking hoàn toàn 0,2 mol C₄H₁₀ theo một hướng bất kì tạo ankan và anken (hoặc anken và H₂). Hỗn hợp sau phản ứng có bao nhiêu mol?

Giải: mỗi mol C₄H₁₀ cho 2 mol sản phẩm nên thu được 0,2·2 = 0,4 mol.

Câu hỏi thường gặp

C4H10 là chất gì?

C4H10 là butan, ankan có 4 nguyên tử cacbon, phân tử khối 58. Chất này có hai đồng phân cấu tạo là n-butan và isobutan (2-metylpropan).

C4H10 có bao nhiêu đồng phân?

C4H10 có 2 đồng phân cấu tạo: CH3CH2CH2CH3 (n-butan) và CH3CH(CH3)CH3 (isobutan). Từ butan trở đi, các ankan mới bắt đầu có đồng phân mạch cacbon.

Phương trình đốt cháy C4H10 viết thế nào?

2C4H10 + 13O2 → 8CO2 + 10H2O khi đốt cháy hoàn toàn. Nếu thiếu oxi sẽ tạo CO hoặc muội than, gây độc.

Butan có làm mất màu nước brom không?

Không. Butan là hiđrocacbon no nên không làm mất màu nước brom ở điều kiện thường; chỉ phản ứng thế với brom khi chiếu sáng hoặc đun nóng.