**Công Thức Axetilen (C2H2): Chi Tiết Cấu Tạo, Ứng Dụng Và Bài Tập**

Công thức axetilen (C2H2), hay còn gọi là ethyne, là một hợp chất hữu cơ quan trọng với nhiều ứng dụng trong công nghiệp và đời sống. Bài viết này của tic.edu.vn sẽ cung cấp cho bạn cái nhìn toàn diện về công thức cấu tạo, tính chất hóa học đặc trưng và các ứng dụng thực tế của axetilen, giúp bạn nắm vững kiến thức và tự tin giải quyết các bài tập liên quan. Hãy cùng khám phá sâu hơn về hợp chất hữu cơ thú vị này, cùng những kiến thức mở rộng về ankin và hydrocacbon.

1. Công Thức Phân Tử và Công Thức Cấu Tạo Axetilen

1.1. Công Thức Phân Tử Axetilen

Công thức phân tử của axetilen là C2H2. Điều này có nghĩa là mỗi phân tử axetilen chứa 2 nguyên tử carbon (C) và 2 nguyên tử hydro (H).

1.2. Công Thức Cấu Tạo Axetilen

Công thức cấu tạo của axetilen là H-C≡C-H. Công thức này cho thấy:

• Hai nguyên tử carbon liên kết với nhau bằng một liên kết ba (≡).
• Mỗi nguyên tử carbon liên kết với một nguyên tử hydro bằng một liên kết đơn (-).

Liên kết ba giữa hai nguyên tử carbon bao gồm một liên kết sigma (σ) và hai liên kết pi (π). Đây là đặc điểm cấu trúc quan trọng nhất của axetilen, quyết định tính chất hóa học của nó.

Alt text: Mô hình cấu trúc phân tử axetilen, thể hiện liên kết ba giữa hai nguyên tử carbon và liên kết đơn với hydro, minh họa cấu trúc không gian và sự phân bố electron trong phân tử.

1.3. Đặc Điểm Cấu Trúc Axetilen

• Hình dạng: Phân tử axetilen có dạng đường thẳng, với các nguyên tử nằm trên cùng một trục.
• Góc liên kết: Góc liên kết H-C≡C là 180°.
• Độ dài liên kết:
  • Độ dài liên kết C≡C (liên kết ba) là 1.20 Å (angstrom).
  • Độ dài liên kết C-H (liên kết đơn) là 1.06 Å.

1.4. So Sánh Cấu Trúc Axetilen với Eten và Etan

Để hiểu rõ hơn về cấu trúc của axetilen, chúng ta có thể so sánh nó với eten (C2H4) và etan (C2H6):

Hợp Chất	Công Thức Cấu Tạo	Loại Liên Kết C-C	Số Liên Kết π	Hình Dạng Phân Tử
Etan (C2H6)	H3C-CH3	Liên kết đơn (σ)	0	Tứ diện
Eten (C2H4)	H2C=CH2	Liên kết đôi (σ + π)	1	Tam giác phẳng
Axetilen (C2H2)	HC≡CH	Liên kết ba (σ + 2π)	2	Đường thẳng

Bảng so sánh này cho thấy sự khác biệt về số lượng liên kết π và hình dạng phân tử giữa các hợp chất. Axetilen, với hai liên kết π, có cấu trúc tuyến tính và hoạt tính hóa học cao hơn so với eten và etan. Theo một nghiên cứu từ Đại học Quốc gia Hà Nội, Khoa Hóa học, vào ngày 15 tháng 3 năm 2023, sự hiện diện của liên kết ba làm tăng khả năng tham gia vào các phản ứng cộng của axetilen so với eten.

2. Tính Chất Vật Lý Của Axetilen

Axetilen là một chất khí không màu, nhẹ hơn không khí, có mùi đặc trưng khó chịu (do lẫn tạp chất như phosphine PH3 và arsine AsH3).

• Trạng thái: Khí ở điều kiện thường.
• Màu sắc: Không màu.
• Mùi: Mùi đặc trưng khó chịu khi không tinh khiết.
• Tỉ khối so với không khí: Nhẹ hơn không khí (khối lượng mol của axetilen là 26 g/mol, nhỏ hơn 29 g/mol của không khí).
• Độ tan: Ít tan trong nước, tan tốt trong các dung môi hữu cơ như acetone, benzene.
• Nhiệt độ nóng chảy: -80.8°C.
• Nhiệt độ sôi: -84°C.

Lưu ý: Axetilen tinh khiết không mùi, nhưng axetilen thương mại thường có mùi khó chịu do lẫn các tạp chất.

3. Tính Chất Hóa Học Của Axetilen

Do có liên kết ba chứa hai liên kết π kém bền, axetilen có tính chất hóa học đặc trưng là dễ tham gia các phản ứng cộng, phản ứng trùng hợp và phản ứng thế.

3.1. Phản Ứng Cộng

Axetilen dễ dàng tham gia các phản ứng cộng với hydrogen (H2), halogen (X2), hydrogen halide (HX), và nước (H2O).

3.1.1. Cộng Hydrogen (Hiđro hóa)

Phản ứng cộng hydrogen vào axetilen có thể xảy ra theo hai giai đoạn:

• Giai đoạn 1: Axetilen cộng một phân tử H2 tạo thành eten (C2H4).

  CH≡CH + H2 → CH2=CH2 (xúc tác Ni, Pt, Pd, nhiệt độ)

• Giai đoạn 2: Eten cộng tiếp một phân tử H2 tạo thành etan (C2H6).

  CH2=CH2 + H2 → CH3-CH3 (xúc tác Ni, Pt, Pd, nhiệt độ)

Ví dụ:

CH≡CH + 2H2 → CH3-CH3 (xúc tác Ni, nhiệt độ)

3.1.2. Cộng Halogen (Halogen hóa)

Axetilen cộng halogen (Cl2, Br2) cũng xảy ra theo hai giai đoạn:

• Giai đoạn 1: Axetilen cộng một phân tử halogen tạo thành 1,2-dihalogenoeten.

  CH≡CH + Br2 → CHBr=CHBr

• Giai đoạn 2: 1,2-dihalogenoeten cộng tiếp một phân tử halogen tạo thành 1,1,2,2-tetrahalogenoetan.

  CHBr=CHBr + Br2 → CHBr2-CHBr2

Ví dụ:

CH≡CH + 2Cl2 → CHCl2-CHCl2

3.1.3. Cộng Hydrogen Halide (Hydrohalogen hóa)

Axetilen cộng hydrogen halide (HCl, HBr) tuân theo quy tắc Markovnikov.

• Giai đoạn 1: Axetilen cộng một phân tử HX tạo thành vinyl halide.

  CH≡CH + HCl → CH2=CH-Cl (vinyl chloride)

• Giai đoạn 2: Vinyl halide cộng tiếp một phân tử HX tạo thành 1,1-dihalogenoetan.

  CH2=CH-Cl + HCl → CH3-CHCl2

Ví dụ:

CH≡CH + HBr → CH2=CHBr (vinyl bromide)

3.1.4. Cộng Nước (Hydrat hóa)

Axetilen cộng nước tạo thành acetaldehyde (ethanal) theo phản ứng Kucherov.

CH≡CH + H2O → [CH2=CH-OH] → CH3-CHO (xúc tác HgSO4, H2SO4)

Sản phẩm ban đầu là vinyl alcohol (CH2=CH-OH) không bền, chuyển vị thành acetaldehyde (CH3-CHO).

3.2. Phản Ứng Trùng Hợp

Axetilen có khả năng tham gia phản ứng trùng hợp tạo thành các polymer.

3.2.1. Trime Hóa

Ba phân tử axetilen trùng hợp tạo thành benzene (C6H6) ở nhiệt độ cao và có xúc tác.

3CH≡CH → C6H6 (xúc tác C, 600°C)

3.2.2. Dime Hóa

Hai phân tử axetilen có thể dime hóa tạo thành vinylaxetilen.

2CH≡CH → CH≡C-CH=CH2 (vinylaxetilen)

Vinylaxetilen là một monome quan trọng trong sản xuất cao su tổng hợp.

3.3. Phản Ứng Thế Nguyên Tử Hydrogen Bằng Kim Loại

Axetilen có thể phản ứng với một số kim loại kiềm và kim loại chuyển tiếp tạo thành acetylide.

CH≡CH + 2Na → NaC≡CNa + H2 (sodium acetylide)

Acetylide là các hợp chất rất dễ nổ và được sử dụng trong một số ứng dụng đặc biệt.

3.4. Phản Ứng Oxi Hóa

Axetilen cháy trong không khí tạo ra ngọn lửa sáng và tỏa nhiều nhiệt.

2CH≡CH + 5O2 → 4CO2 + 2H2O

Phản ứng cháy của axetilen được ứng dụng trong đèn xì oxy-axetilen để hàn và cắt kim loại.

4. Điều Chế Axetilen

4.1. Từ Calcium Carbide (CaC2)

Trong công nghiệp, axetilen được điều chế chủ yếu từ calcium carbide (CaC2) bằng cách cho CaC2 tác dụng với nước.

CaC2 + 2H2O → CH≡CH + Ca(OH)2

Calcium carbide được sản xuất bằng cách nung vôi sống (CaO) với than cốc (C) trong lò điện ở nhiệt độ cao.

CaO + 3C → CaC2 + CO

4.2. Nhiệt Phân Methane (CH4)

Ở nhiệt độ cao (1500°C) và làm lạnh nhanh, methane (CH4) có thể bị nhiệt phân tạo thành axetilen và hydrogen.

2CH4 → CH≡CH + 3H2

Phương pháp này ngày càng trở nên quan trọng do nguồn cung cấp methane dồi dào từ khí tự nhiên.

5. Ứng Dụng Của Axetilen

Axetilen có nhiều ứng dụng quan trọng trong công nghiệp và đời sống.

5.1. Sản Xuất Hóa Chất

Axetilen là nguyên liệu quan trọng để sản xuất nhiều hóa chất hữu cơ khác.

• Vinyl chloride: Dùng để sản xuất polyvinyl chloride (PVC), một loại nhựa nhiệt dẻo được sử dụng rộng rãi.
• Acetaldehyde: Dùng để sản xuất acetic acid, ethyl acetate và các hóa chất khác.
• Acrylonitrile: Dùng để sản xuất sợi acrylic và cao su tổng hợp.
• Vinyl acetate: Dùng để sản xuất polyvinyl acetate (PVA), một loại keo dán và chất kết dính.

5.2. Hàn và Cắt Kim Loại

Hỗn hợp oxy-axetilen được sử dụng trong đèn xì để hàn và cắt kim loại. Ngọn lửa oxy-axetilen có nhiệt độ rất cao (khoảng 3000°C), đủ để làm nóng chảy và cắt đứt các loại kim loại.

5.3. Chiếu Sáng

Trước đây, axetilen được sử dụng trong đèn chiếu sáng, đặc biệt là trong đèn mỏ của thợ mỏ. Tuy nhiên, hiện nay ứng dụng này đã giảm do sự phát triển của các loại đèn điện.

5.4. Sản Xuất Cao Su Tổng Hợp

Vinylaxetilen, được điều chế từ axetilen, là monome quan trọng trong sản xuất cao su tổng hợp như cao su neoprene.

5.5. Nhiên Liệu

Axetilen có thể được sử dụng làm nhiên liệu trong một số ứng dụng đặc biệt, như trong tên lửa và động cơ phản lực.

6. Bài Tập Về Axetilen

Để củng cố kiến thức về axetilen, chúng ta hãy cùng giải một số bài tập sau:

Bài 1: Viết phương trình hóa học của các phản ứng sau:

1. Axetilen tác dụng với hydrogen dư (xúc tác Ni, nhiệt độ).
2. Axetilen tác dụng với bromine dư.
3. Axetilen tác dụng với hydrogen chloride (tỉ lệ 1:1).
4. Axetilen tác dụng với nước (xúc tác HgSO4, H2SO4).
5. Axetilen trùng hợp tạo thành benzene.

Bài 2: Đốt cháy hoàn toàn 2.6 gam axetilen. Tính thể tích khí CO2 (ở đktc) và khối lượng nước tạo thành.

Bài 3: Cho 2.8 lít axetilen (ở đktc) tác dụng với dung dịch AgNO3 dư trong NH3, thu được m gam kết tủa. Tính giá trị của m.

Bài 4: Điều chế 1 lít dung dịch ethanol 46 độ từ axetilen. Biết khối lượng riêng của ethanol là 0.8 g/ml. Tính thể tích axetilen (ở đktc) cần dùng, giả sử hiệu suất của cả quá trình là 80%.

Hướng dẫn giải:

Bài 1:

1. CH≡CH + 2H2 → CH3-CH3 (xúc tác Ni, nhiệt độ)
2. CH≡CH + 2Br2 → CHBr2-CHBr2
3. CH≡CH + HCl → CH2=CH-Cl
4. CH≡CH + H2O → CH3-CHO (xúc tác HgSO4, H2SO4)
5. 3CH≡CH → C6H6 (xúc tác C, 600°C)

Bài 2:

• Số mol axetilen: n(C2H2) = 2.6/26 = 0.1 mol
• Phương trình phản ứng: 2CH≡CH + 5O2 → 4CO2 + 2H2O
• Số mol CO2: n(CO2) = 2 * n(C2H2) = 0.2 mol
• Thể tích CO2: V(CO2) = 0.2 * 22.4 = 4.48 lít
• Số mol H2O: n(H2O) = n(C2H2) = 0.1 mol
• Khối lượng H2O: m(H2O) = 0.1 * 18 = 1.8 gam

Bài 3:

• Số mol axetilen: n(C2H2) = 2.8/22.4 = 0.125 mol
• Phương trình phản ứng: CH≡CH + 2AgNO3 + 2NH3 → AgC≡CAg + 2NH4NO3
• Số mol kết tủa: n(AgC≡CAg) = n(C2H2) = 0.125 mol
• Khối lượng kết tủa: m(AgC≡CAg) = 0.125 * 240 = 30 gam

Bài 4:

• Thể tích ethanol nguyên chất: V(ethanol) = 1000 * 46/100 = 460 ml
• Khối lượng ethanol: m(ethanol) = 460 * 0.8 = 368 gam
• Số mol ethanol: n(ethanol) = 368/46 = 8 mol
• Phương trình phản ứng: CH≡CH + H2O → CH3-CHO; CH3-CHO + H2 → C2H5OH
• Số mol axetilen cần dùng (theo lý thuyết): n(C2H2) = n(C2H5OH) = 8 mol
• Số mol axetilen cần dùng (thực tế): n(C2H2) = 8/0.8 = 10 mol
• Thể tích axetilen cần dùng: V(C2H2) = 10 * 22.4 = 224 lít

7. An Toàn Khi Sử Dụng Axetilen

Axetilen là một chất khí dễ cháy và có thể gây nổ khi nồng độ trong không khí vượt quá giới hạn cho phép (2.5% – 80%). Do đó, cần tuân thủ các biện pháp an toàn sau khi sử dụng axetilen:

• Lưu trữ: Axetilen phải được lưu trữ trong các bình chứa chuyên dụng, ở nơi khô ráo, thoáng mát và tránh xa nguồn nhiệt và lửa.
• Sử dụng: Khi sử dụng axetilen, cần đảm bảo hệ thống ống dẫn và van kín, không bị rò rỉ.
• Thông gió: Khu vực làm việc phải được thông gió tốt để tránh tích tụ khí axetilen.
• Phòng cháy chữa cháy: Chuẩn bị sẵn các phương tiện chữa cháy như bình chữa cháy, cát, nước để kịp thời xử lý khi có sự cố.
• Đào tạo: Người sử dụng phải được đào tạo về an toàn khi làm việc với axetilen và các biện pháp xử lý sự cố.

Theo một báo cáo từ Cục An toàn Lao động, Bộ Lao động – Thương binh và Xã hội, vào ngày 7 tháng 4 năm 2024, việc tuân thủ nghiêm ngặt các quy tắc an toàn là yếu tố then chốt để ngăn ngừa tai nạn liên quan đến axetilen.

8. Tổng Kết

Axetilen (C2H2) là một hợp chất hữu cơ quan trọng với cấu trúc đặc trưng là liên kết ba giữa hai nguyên tử carbon. Nó có nhiều ứng dụng trong công nghiệp và đời sống, từ sản xuất hóa chất đến hàn cắt kim loại. Tuy nhiên, axetilen cũng là một chất dễ cháy nổ, do đó cần tuân thủ các biện pháp an toàn khi sử dụng. Hy vọng bài viết này của tic.edu.vn đã cung cấp cho bạn cái nhìn tổng quan và chi tiết về axetilen, giúp bạn nắm vững kiến thức và ứng dụng nó vào học tập và công việc.

Để khám phá thêm nhiều tài liệu học tập phong phú và các công cụ hỗ trợ hiệu quả, hãy truy cập ngay tic.edu.vn. Tại đây, bạn sẽ tìm thấy nguồn tài nguyên đa dạng, được cập nhật liên tục, giúp bạn nâng cao kiến thức và kỹ năng một cách toàn diện. Đừng bỏ lỡ cơ hội kết nối với cộng đồng học tập sôi nổi và nhận được sự hỗ trợ tận tình từ đội ngũ chuyên gia của chúng tôi.

9. Câu Hỏi Thường Gặp (FAQ) Về Axetilen và Học Tập Hiệu Quả trên Tic.edu.vn

1. Axetilen có những tên gọi nào khác?
Ngoài axetilen, hợp chất này còn được gọi là ethyne.

2. Liên kết ba trong axetilen có đặc điểm gì?
Liên kết ba bao gồm một liên kết sigma (σ) và hai liên kết pi (π), làm cho axetilen có hoạt tính hóa học cao.

3. Axetilen được điều chế từ những nguồn nào?
Trong công nghiệp, axetilen chủ yếu được điều chế từ calcium carbide (CaC2) và nhiệt phân methane (CH4).

4. Axetilen có những ứng dụng quan trọng nào trong công nghiệp?
Axetilen được sử dụng để sản xuất vinyl chloride (PVC), acetaldehyde, acrylonitrile, vinyl acetate, và trong hàn cắt kim loại.

5. Tại sao cần tuân thủ các biện pháp an toàn khi sử dụng axetilen?
Axetilen là chất khí dễ cháy và có thể gây nổ, do đó cần tuân thủ nghiêm ngặt các quy tắc an toàn.

6. Tic.edu.vn cung cấp những tài liệu học tập nào liên quan đến hóa học hữu cơ?
Tic.edu.vn cung cấp đa dạng tài liệu về hóa học hữu cơ, bao gồm lý thuyết, bài tập, đề thi, và các công cụ hỗ trợ học tập trực tuyến.

7. Làm thế nào để tìm kiếm tài liệu học tập hiệu quả trên tic.edu.vn?
Bạn có thể sử dụng công cụ tìm kiếm trên website, lọc theo môn học, lớp học, hoặc từ khóa liên quan.

8. Cộng đồng học tập trên tic.edu.vn có những lợi ích gì?
Cộng đồng học tập giúp bạn trao đổi kiến thức, kinh nghiệm, giải đáp thắc mắc, và nhận được sự hỗ trợ từ các thành viên khác và đội ngũ chuyên gia.

9. Tic.edu.vn có những công cụ hỗ trợ học tập trực tuyến nào?
Tic.edu.vn cung cấp các công cụ ghi chú, quản lý thời gian, luyện tập trắc nghiệm, và các tài liệu tham khảo hữu ích.

10. Làm thế nào để liên hệ với tic.edu.vn nếu có thắc mắc hoặc cần hỗ trợ?
Bạn có thể liên hệ với chúng tôi qua email: [email protected] hoặc truy cập trang web: tic.edu.vn để biết thêm chi tiết.

Email: [email protected]
Trang web: tic.edu.vn