Chào các em, cô là giáo viên Hóa học. Hôm nay chúng ta sẽ cùng nhau phân tích và giải một bài tập rất hay liên quan đến tính chất hóa học đặc trưng của ankan. Bài tập này không chỉ kiểm tra kiến thức về phản ứng thế mà còn yêu cầu kỹ năng tư duy và biện luận sắc bén.

Chúng ta hãy bắt đầu nhé!

Lời giải chi tiết

Bước 1: Phân tích dữ kiện và tính khối lượng mol trung bình của hỗn hợp Y
Đề bài cho biết tỉ khối hơi của hỗn hợp sản phẩm Y so với khí hiđro là 35,75.
Dựa vào công thức tính tỉ khối hơi, ta có thể tìm được khối lượng mol trung bình của hỗn hợp Y (ký hiệu là \(M_Y\)).
Công thức: \(d_{Y/H_2} = \frac{M_Y}{M_{H_2}}\)
Từ đó suy ra:
\(M_Y = d_{Y/H_2} \times M_{H_2} = 35,75 \times 2 = 71,5\) (g/mol).

Bước 2: Biện luận về thành phần của hỗn hợp sản phẩm Y
Phản ứng thế giữa ankan X (công thức tổng quát là \(C_nH_{2n+2}\)) với khí clo (Cl₂) khi có chiếu sáng xảy ra theo phương trình tổng quát:
\(C_nH_{2n+2} + Cl_2 \xrightarrow{Ánh sáng} C_nH_{2n+1}Cl + HCl\)
Đề bài cho một dữ kiện rất quan trọng: “hỗn hợp Y chỉ chứa hai chất sản phẩm”.
Theo phương trình trên, hai sản phẩm luôn được tạo thành là dẫn xuất monoclo (\(C_nH_{2n+1}Cl\)) và hiđro clorua (HCl).
Điều này có nghĩa là:

• Phản ứng chỉ tạo ra một loại dẫn xuất monoclo duy nhất.
• Phản ứng xảy ra vừa đủ hoặc clo dư, nhưng ankan đã phản ứng hết và chỉ tạo sản phẩm thế 1 lần.

Việc chỉ tạo ra MỘT dẫn xuất monoclo duy nhất chứng tỏ rằng tất cả các nguyên tử hiđro trong phân tử ankan X là tương đương nhau về mặt hóa học. Khi thế một nguyên tử H bất kỳ trong X bằng một nguyên tử Cl, ta đều thu được cùng một sản phẩm.

Bước 3: Xác định khối lượng mol của dẫn xuất clo và ankan X
Hỗn hợp Y gồm hai sản phẩm là \(C_nH_{2n+1}Cl\) và HCl.
Từ phương trình phản ứng, ta thấy tỉ lệ mol của hai sản phẩm này luôn là 1:1.
\(n_{C_nH_{2n+1}Cl} = n_{HCl}\)
Khi một hỗn hợp có hai chất với tỉ lệ mol 1:1, khối lượng mol trung bình của hỗn hợp sẽ bằng trung bình cộng khối lượng mol của hai chất đó.
Ta có công thức:
\(M_Y = \frac{M_{C_nH_{2n+1}Cl} + M_{HCl}}{2}\)
Thay các giá trị đã biết vào:
\(71,5 = \frac{M_{C_nH_{2n+1}Cl} + 36,5}{2}\)
Giải phương trình này để tìm khối lượng mol của dẫn xuất clo:
\(M_{C_nH_{2n+1}Cl} = (71,5 \times 2) – 36,5 = 143 – 36,5 = 106,5\) (g/mol).

Bây giờ, ta sẽ tìm công thức phân tử của ankan X từ khối lượng mol của dẫn xuất.
Ta có: \(M_{C_nH_{2n+1}Cl} = 12n + (2n+1) \times 1 + 35,5 = 106,5\)
\(\Rightarrow 14n + 36,5 = 106,5\)
\(\Rightarrow 14n = 106,5 – 36,5\)
\(\Rightarrow 14n = 70\)
\(\Rightarrow n = \frac{70}{14} = 5\)
Vậy, công thức phân tử của ankan X là \(C_5H_{12}\).

Bước 4: Xác định công thức cấu tạo và tên của X
Bây giờ chúng ta cần tìm xem trong các đồng phân của \(C_5H_{12}\), chất nào chỉ cho ra một sản phẩm thế monoclo duy nhất. Điều này, như đã biện luận ở Bước 2, có nghĩa là chất đó phải có cấu trúc đối xứng cao, tất cả các nguyên tử hiđro đều tương đương nhau.
Các đồng phân của \(C_5H_{12}\) bao gồm:

• Pentan (n-pentan): \(CH_3-CH_2-CH_2-CH_2-CH_3\). Chất này có 3 vị trí thế khác nhau, tạo ra 3 sản phẩm thế.
• 2-metylbutan (isopentan): \(CH_3-CH(CH_3)-CH_2-CH_3\). Chất này có 4 vị trí thế khác nhau, tạo ra 4 sản phẩm thế.
• 2,2-đimetylpropan (neopentan):
  
  \(CH_3\)
  \(|\)
  \(CH_3-C-CH_3\)
  \(|\)
  \(CH_3\)
  
  Trong cấu trúc này, 4 nhóm metyl (\(-CH_3\)) đều liên kết với cùng một nguyên tử cacbon bậc IV ở trung tâm. Do đó, tất cả 12 nguyên tử hiđro trong phân tử này đều hoàn toàn tương đương nhau. Khi tham gia phản ứng thế với clo (tỉ lệ 1:1), nó chỉ tạo ra một sản phẩm duy nhất là 1-clo-2,2-đimetylpropan.

Dựa trên lập luận này, ankan X phải là 2,2-đimetylpropan.

Kết luận
Ankan X là 2,2-đimetylpropan. So sánh với các đáp án, ta chọn đáp án A.

Đáp án đúng: A. 2,2-đimetylpropan.

Hy vọng với lời giải chi tiết này, các em đã hiểu rõ cách tư duy và giải quyết bài toán. Chìa khóa của bài này nằm ở việc nhận ra ý nghĩa của dữ kiện “thu được hỗn hợp Y chỉ chứa hai chất sản phẩm”. Chúc các em học tốt