Chào các em học sinh thân mến!
Hôm nay, chúng ta sẽ cùng nhau chinh phục một bài tập thú vị về phản ứng thế của ankan.
Cô sẽ hướng dẫn các em giải bài tập này một cách chi tiết và dễ hiểu nhất.
Chúng ta cùng bắt đầu nhé!

Phân tích đề bài:
Phản ứng thế giữa ankan X với khí clo có chiếu sáng, thu được hỗn hợp Y chỉ chứa hai chất sản phẩm.
Tỉ khối hơi của Y so với hiđro là 35,75.
Chúng ta cần tìm tên của ankan X.

Các bước giải:

Bước 1: Tính phân tử khối trung bình của hỗn hợp Y.
Chúng ta biết rằng tỉ khối hơi của một chất khí A so với khí B được tính bằng công thức: \(d_{A/B} = \frac{M_A}{M_B}\).
Trong trường hợp này, tỉ khối hơi của Y so với hiđro (\(H_2\)) là 35,75.
Do đó, phân tử khối trung bình của hỗn hợp Y là:
\(M_Y = d_{Y/H_2} \times M_{H_2}\)
Vì \(M_{H_2} = 2\) g/mol, ta có:
\(M_Y = 35,75 \times 2 = 71,5\) g/mol.

Bước 2: Xét phản ứng thế của ankan X với khí clo.
Phản ứng thế của ankan với clo chỉ xảy ra khi có chiếu sáng hoặc đun nóng, và sản phẩm thu được là một hỗn hợp các dẫn xuất halogen hóa của ankan và khí hiđro clorua (HCl).
Phương trình tổng quát:
\(C_nH_{2n+2} + Cl_2 \xrightarrow{askt} C_nH_{2n+1}Cl + HCl\) (phản ứng thế một nguyên tử hiđro)
\(C_nH_{2n+1}Cl + Cl_2 \xrightarrow{askt} C_nH_{2n}Cl_2 + HCl\) (phản ứng thế tiếp theo)
…
Đề bài cho biết hỗn hợp Y chỉ chứa hai chất sản phẩm. Điều này có nghĩa là phản ứng thế chỉ xảy ra theo một trong hai trường hợp sau:
Trường hợp 1: Phản ứng thế chỉ tạo ra một sản phẩm monohalogen hóa duy nhất (ví dụ: chỉ có một loại nguyên tử hiđro trong ankan bị thế).
Trường hợp 2: Phản ứng thế tạo ra hai sản phẩm khác nhau. Tuy nhiên, với một ankan đơn giản, phản ứng thế monohalogen hóa thường tạo ra nhiều hơn một sản phẩm nếu ankan đó có nhiều loại hiđro khác nhau.
Do đó, khả năng cao là hỗn hợp Y bao gồm sản phẩm thế monohalogen hóa và hiđro clorua (HCl) sinh ra từ phản ứng.
Phản ứng:
\(Ankan\;X + Cl_2 \rightarrow Sản\;phẩm\;thế\;monohalogen + HCl\)
Do đó, hỗn hợp Y sẽ chứa sản phẩm thế monohalogen và HCl.

Bước 3: Xác định công thức phân tử của ankan X dựa trên phân tử khối trung bình của Y.
Giả sử ankan X có công thức phân tử là \(C_nH_{2n+2}\).
Phản ứng thế một nguyên tử hiđro của ankan với clo tạo ra dẫn xuất halogen hóa có công thức \(C_nH_{2n+1}Cl\).
Phân tử khối của dẫn xuất halogen hóa này là: \(M_{C_nH_{2n+1}Cl} = 12n + (2n+1) \times 1 + 35,5 = 14n + 36,5\) g/mol.
Phân tử khối của HCl là: \(M_{HCl} = 1 + 35,5 = 36,5\) g/mol.
Hỗn hợp Y chứa sản phẩm thế monohalogen và HCl.
Nếu Y chỉ chứa hai chất sản phẩm, thì hai chất đó chính là sản phẩm thế monohalogen và HCl.

Tuy nhiên, đề bài cho biết Y chỉ chứa hai chất sản phẩm. Có hai khả năng:
Khả năng 1: Y chứa sản phẩm thế monohalogen và HCl. Trong trường hợp này, ankan ban đầu chỉ có một loại nguyên tử hiđro, nên chỉ tạo ra một sản phẩm monohalogen duy nhất.
Khả năng 2: Y chứa hai sản phẩm thế monohalogen khác nhau. Điều này xảy ra khi ankan ban đầu có nhiều loại nguyên tử hiđro.
Khả năng 3: Y chứa sản phẩm thế monohalogen và sản phẩm thế đihalogen. Nhưng nếu chỉ có 2 sản phẩm thì khả năng này ít xảy ra hơn.
Dựa vào đề bài “hỗn hợp Y chỉ chứa hai chất sản phẩm”, khả năng hợp lý nhất là hỗn hợp Y chứa sản phẩm thế monohalogen duy nhất và HCl. Điều này ngụ ý rằng ankan X chỉ có một loại nguyên tử hiđro.
Nếu Y chứa sản phẩm thế monohalogen và HCl, ta có:
Giả sử tỉ lệ mol của sản phẩm thế monohalogen và HCl trong hỗn hợp Y là 1:1 (do tỉ lệ phản ứng là 1:1).
\(M_Y = \frac{M_{C_nH_{2n+1}Cl} + M_{HCl}}{2} = \frac{(14n + 36,5) + 36,5}{2} = \frac{14n + 73}{2}\)
Ta có \(M_Y = 71,5\) g/mol.
\(\frac{14n + 73}{2} = 71,5\)
\(14n + 73 = 143\)
\(14n = 70\)
\(n = 5\)
Vậy công thức phân tử của ankan X là \(C_5H_{12}\).

Bước 4: Kiểm tra các đồng phân của \(C_5H_{12}\) và xác định ankan nào chỉ có một loại nguyên tử hiđro.
Ankan \(C_5H_{12}\) có ba đồng phân:
1. Pentan (n-pentan): \(CH_3-CH_2-CH_2-CH_2-CH_3\). Đồng phân này có 3 loại nguyên tử hiđro (hiđro ở \(C_1\), \(C_2\), \(C_3\)). Khi phản ứng thế với clo, sẽ tạo ra 3 sản phẩm monohalogen hóa khác nhau.
2. Isopentan (2-metylbutan): \(CH_3-CH(CH_3)-CH_2-CH_3\). Đồng phân này có 4 loại nguyên tử hiđro (hiđro ở \(C_1\) (hai nhóm \(CH_3\) tương đương), hiđro ở \(C_2\) (nhóm \(CH\)), hiđro ở \(C_3\) (nhóm \(CH_2\)), hiđro ở \(C_4\) (nhóm \(CH_3\) khác)). Sẽ tạo ra 4 sản phẩm monohalogen hóa.
3. Neopentan (2,2-đimetylpropan): \(C(CH_3)_4\). Đồng phân này chỉ có một loại nguyên tử hiđro (tất cả các nhóm \(CH_3\) đều tương đương). Khi phản ứng thế với clo, chỉ tạo ra một sản phẩm monohalogen hóa duy nhất là \(C(CH_3)_3CH_2Cl\).

Do đề bài cho biết hỗn hợp Y chỉ chứa hai chất sản phẩm, và theo phân tích ở bước 3, trường hợp ankan chỉ có một loại nguyên tử hiđro sẽ tạo ra một sản phẩm monohalogen duy nhất. Kết hợp với HCl, ta có hai sản phẩm trong hỗn hợp Y.
Vì vậy, ankan X phải là đồng phân chỉ có một loại nguyên tử hiđro, đó là 2,2-đimetylpropan.

Bước 5: Đối chiếu với các phương án.
A. 2,2-đimetylpropan (\(C(CH_3)_4\)) – Có 1 loại H.
B. 2-metylbutan (\(CH_3-CH(CH_3)-CH_2-CH_3\)) – Có 4 loại H.
C. pentan (\(CH_3-CH_2-CH_2-CH_2-CH_3\)) – Có 3 loại H.
D. etan (\(CH_3-CH_3\)) – Có 1 loại H. Nhưng etan là \(C_2H_6\), \(n=2\). \(M_Y = \frac{14(2) + 73}{2} = \frac{28+73}{2} = \frac{101}{2} = 50.5 \neq 71.5\).

Vậy ankan X là 2,2-đimetylpropan.

Kết luận:
Ankan X là 2,2-đimetylpropan. Khi phản ứng thế với clo có chiếu sáng, chỉ có một loại nguyên tử hiđro trong phân tử bị thế, tạo ra một sản phẩm monohalogen duy nhất. Hỗn hợp Y bao gồm sản phẩm monohalogen và HCl, thỏa mãn điều kiện chỉ có hai chất sản phẩm.

Đáp án: A

Chúc các em học tốt!
Nếu có bất kỳ thắc mắc nào, đừng ngần ngại hỏi cô nhé!