C2H2 ra C2H4 | Phương trình, điều kiện và bài tập có lời giải

C2H2 ra C2H4 là quá trình cho axetilen tác dụng với H2 trong điều kiện hydrogen hóa chọn lọc để tạo etilen. Trong chương trình Hóa học 11, học sinh cần viết đúng phương trình C2H2 + H2 → C2H4, xác định xúc tác và phân biệt với phản ứng C2H2 ra C2H6. Bài viết hướng dẫn cân bằng phương trình, lựa chọn điều kiện phản ứng và giải các bài tập tính số mol, hiệu suất có lời giải chi tiết.

Phương trình C2H2 ra C2H4 và điều kiện phản ứng

C2H2 cộng gì ra C2H4?

Để chuyển axetilen ra etilen, cho axetilen tác dụng với H2 trong điều kiện hydrogen hóa chọn lọc. Phương trình phân tử và công thức cấu tạo được viết lần lượt như sau:

C2H2 + H2 → C2H4

HC≡CH + H2 → CH2=CH2

Điều kiện thường ghi trong bài tập: xúc tác Pd/PbCO3, đun nóng.

Các hệ số trong phương trình đều bằng 1. Vì vậy, 1 mol C2H2 phản ứng với 1 mol H2 tạo 1 mol C2H4. Hai vế đều có 2 nguyên tử carbon và 4 nguyên tử hydrogen; xúc tác được ghi ở điều kiện, không đưa vào hệ số cân bằng.

Vai trò của xúc tác Pd/PbCO3 và nhiệt độ

Sản phẩm hydrogen hóa alkyne phụ thuộc vào xúc tác, nhiệt độ và áp suất. Chương trình Hóa học 11 Kết nối tri thức đề cập khả năng thu alkene hoặc alkane tùy điều kiện. Cần phân biệt hydrogen hóa chọn lọc với hydrogen hóa hoàn toàn. [1]

Ký hiệu C2H2 + H2, xúc tác Pd/PbCO3 thường gặp trong bài tập nhằm biểu thị quá trình ưu tiên dừng ở etilen. Không nên thay điều kiện này bằng một chữ “Pd” rồi mặc định sản phẩm luôn chỉ là C2H4: chẳng hạn, Pd/C có thể xúc tác hydrogen hóa tiếp đến alkane. [2]

Xúc tác Lindlar trong tài liệu chuyên ngành được mô tả là Pd trên chất mang CaCO3, làm giảm hoạt tính bằng hợp chất chì và quinoline. Vì vậy, bài viết không đồng nhất máy móc công thức Pd/PbCO3 với thành phần đầy đủ của mọi hệ xúc tác Lindlar. [2]

Không áp dụng nhiệt độ 1500°C của phản ứng nhiệt phân CH4 hoặc 170°C của phản ứng tách nước ethanol cho bước C2H2 ra C2H4. Nếu đề chỉ ghi t°, học sinh không tự bổ sung một nhiệt độ cố định.

Thuật ngữ hydrogen hóa có xúc tác chỉ quá trình cộng hydrogen với sự tham gia của xúc tác.

Bản chất phản ứng C2H2 + H2 và phân biệt C2H2 ra C2H6

Từ liên kết ba của axetilen đến liên kết đôi của etilen

Axetilen có công thức cấu tạo H–C≡C–H. Liên kết ba giữa hai nguyên tử carbon gồm một liên kết σ và hai liên kết π. Phân tử có dạng thẳng, góc H–C–C bằng 180°. Khi cộng một phân tử H2, liên kết giữa hai nguyên tử carbon chuyển từ liên kết ba thành liên kết đôi; mỗi carbon nhận thêm một hydrogen. [1]

Như vậy, axetilen thuộc nhóm alkyne (ankin), còn etilen thuộc nhóm alkene (anken). C2H2 + H2 là phản ứng cộng, cụ thể là hydrogen hóa; không phải phản ứng tách hydrogen.

C2H2 + H2 xúc tác Ni tạo sản phẩm nào?

Với Ni, nhiệt độ và áp suất thích hợp, phản ứng có thể diễn ra qua hai bước:

C2H2 + H2 → C2H4

C2H4 + H2 → C2H6

Phương trình tổng khi hydrogen hóa hoàn toàn:

C2H2 + 2H2 → C2H6 (Ni, t°, áp suất thích hợp).

Nếu H2 đủ và phản ứng hoàn toàn theo hướng tạo alkane, sản phẩm hydrocarbon cuối cùng là etan. Chỉ cho tỉ lệ ban đầu C2H2:H2 = 1:1 với Ni chưa đủ để khẳng định hỗn hợp cuối chỉ chứa etilen; cần đọc thêm dữ kiện về mức độ phản ứng và thành phần sản phẩm. [1] [2]

Cách nhận biết C2H2 và C2H4

Cả C2H2 và C2H4 đều có thể làm mất màu dung dịch bromine, nên dấu hiệu này không đủ phân biệt hai khí. Axetilen phản ứng với dung dịch AgNO3 trong NH3 tạo kết tủa bạc axetilua, còn etilen không cho phản ứng đặc trưng này. [1]

Phương trình được tách dòng để dễ đọc:

HC≡CH + 2AgNO3 + 2NH3 → AgC≡CAg↓ + 2NH4NO3

Kết tủa có màu vàng nhạt. Nếu hỗn hợp sau hydrogen hóa vẫn tạo kết tủa với thuốc thử trên, dữ kiện đó cho thấy còn C2H2 chưa phản ứng.

Chuỗi chuyển hóa và các phản ứng dễ nhầm với axetilen ra etilen

Chuỗi CH4 → C2H2 → C2H4 → C2H6

Phản ứng cộng H2 kết nối phần kiến thức điều chế axetilen với tính chất của hydrocarbon không no. Mỗi bước cần ghi riêng điều kiện:

• 2CH4 → C2H2 + 3H2 (khoảng 1500°C, làm lạnh nhanh).

• C2H2 + H2 → C2H4 (điều kiện hydrogen hóa chọn lọc).

• C2H4 + H2 → C2H6 (Ni, t°, áp suất thích hợp).

Bước đầu tạo liên kết không no bằng nhiệt phân; hai bước sau cộng hydrogen làm giảm mức độ không no. Điều kiện điều chế từ methane được trình bày trong Bài 16, Hóa học 11 Kết nối tri thức. [1]

Phần nhiệt phân được phân tích riêng trong bài CH4 ra C2H2; ở đây, trọng tâm là bước chuyển C2H2 thành C2H4.

C2H2 + H2O có tạo C2H4 không?

Không. Trong điều kiện xúc tác HgSO4/H2SO4 và đun nóng, phản ứng cộng nước vào axetilen cho sản phẩm cuối là ethanal (anđehit axetic), không phải etilen:

C2H2 + H2O → CH3CHO

Đây là phản ứng hydrate hóa, cần phân biệt với hydrogen hóa bằng H2. Sản phẩm cộng nước có thể chuyển hóa từ dạng enol trung gian sang hợp chất carbonyl. [1] [3]

C2H2 ra C2H3Cl khác gì C2H2 ra C2H4?

Axetilen cộng HCl tạo vinyl chloride (vinyl clorua) trong điều kiện thích hợp:

C2H2 + HCl → CH2=CHCl (HgCl2, 150–200°C).

C2H3Cl có nguyên tử chlorine trong phân tử, còn C2H4 chỉ gồm carbon và hydrogen. Vì vậy, không thay H2 bằng HCl khi hoàn thành bước axetilen ra etilen. Phản ứng cộng hydrogen halide và phản ứng cộng hydrogen là hai hướng khác nhau của liên kết bội. [1]

C2H4 ra C2H2 có dùng lại điều kiện cộng H2 không?

Không. Về cân bằng nguyên tử, chiều etilen ra axetilen tương ứng với quá trình loại H2, còn C2H2 ra C2H4 là cộng H2. Không đảo chiều mũi tên rồi giữ nguyên xúc tác và điều kiện; nếu bài yêu cầu chuyển hóa ngược, cần xác định phương pháp riêng theo dữ kiện đề.

Cũng cần phân biệt với phương pháp điều chế etilen trong phòng thí nghiệm: C2H5OH → C2H4 + H2O, dùng H2SO4 đặc và đun nóng. Đây là tách nước ethanol, không phải phản ứng C2H2 + H2. [1]

Bài tập C2H2 ra C2H4 có lời giải

Các bài dưới đây được biên soạn lại cho chủ đề hydrogen hóa axetilen. Phương pháp chung là xác định sản phẩm từ điều kiện, cân bằng phương trình, rồi tính số mol và kiểm tra chất dư.

Quy ước: tại 25°C và 1 bar, thể tích mol khí lấy bằng 24,79 L/mol. Cho H = 1; C = 12; Br = 80. Với bài hydrogen hóa chọn lọc, giả sử chỉ có phản ứng C2H2 + H2 → C2H4, không tạo C2H6 và không thất thoát khí.

Bài 1: Tính thể tích H2 cần dùng

Đề bài: Một mẫu C2H2 tinh khiết có khối lượng 3,9 gam được hydrogen hóa chọn lọc hoàn toàn thành C2H4. Tính thể tích H2 đã phản ứng tại 25°C, 1 bar và khối lượng etilen thu được.

Phân tích: Phản ứng tạo C2H4 nên số mol H2 phản ứng bằng số mol C2H2, không gấp đôi.

Lời giải:

n(C2H2) = 3,9 : 26 = 0,15 mol.

Theo C2H2 + H2 → C2H4:

n(H2 phản ứng) = n(C2H4) = 0,15 mol.

V(H2) = 0,15 × 24,79 = 3,7185 lít.

m(C2H4) = 0,15 × 28 = 4,2 gam.

Kiểm tra khối lượng: 3,9 + 0,15 × 2 = 4,2 gam.

Bài 2: Hoàn thành chuỗi chuyển hóa và chọn điều kiện

Đề bài: Hoàn thành chuỗi C2H2 → C2H4 → C2H6, ghi điều kiện của mỗi bước. Đồng thời viết một phương trình chuyển trực tiếp C2H2 thành C2H6 và giải thích vì sao hai hướng tiêu thụ tổng lượng H2 như nhau.

Phân tích: Bước thứ nhất cần chọn lọc sản phẩm etilen; bước thứ hai cộng tiếp H2 vào liên kết đôi.

Lời giải:

C2H2 + H2 → C2H4 (hydrogen hóa chọn lọc; bài tập thường ghi Pd/PbCO3, t°).

C2H4 + H2 → C2H6 (Ni, t°, áp suất thích hợp).

Phương trình trực tiếp: C2H2 + 2H2 → C2H6 (Ni, t°, áp suất thích hợp; H2 đủ, phản ứng hoàn toàn).

Mỗi mol C2H2 cần cộng tổng cộng 2 mol H2 để thành C2H6, dù xét qua hai bước hay phương trình tổng.

Bài 3: Nhận xét điều kiện tạo etilen

Đề bài: Trong một bài tập, học sinh cần chuyển C2H2 thành C2H4 bằng phản ứng cộng H2. Phát biểu nào phù hợp nhất?

1. Dùng Ni với H2 dư và cho phản ứng hoàn toàn để chỉ thu C2H4.

2. Chọn điều kiện hydrogen hóa chọn lọc để hạn chế cộng tiếp tạo C2H6.

3. Thay H2 bằng H2O vì hai chất đều chuyển C2H2 thành C2H4.

4. Nhiệt phân C2H2 ở 1500°C rồi làm lạnh nhanh để tạo C2H4.

Đáp án: B. Điều kiện chọn lọc giúp ưu tiên etilen. Phương án A có thể dẫn đến etan; C nhầm hydrogen hóa với hydrate hóa; D nhầm điều kiện điều chế axetilen từ methane.

Bài 4: Hiệu suất hydrogen hóa và hỗn hợp sau phản ứng

Đề bài: Cho 7,437 lít C2H2 và 9,916 lít H2, đều đo tại 25°C và 1 bar, vào hệ hydrogen hóa chọn lọc. Có 75% lượng C2H2 ban đầu phản ứng. Tính:

a) Khối lượng C2H4 tạo thành và thành phần số mol của hỗn hợp X sau phản ứng.

b) Tỉ khối của X so với H2.

c) Khối lượng bromine tối đa phản ứng với X khi dẫn X qua dung dịch bromine dư ở điều kiện thường, không chiếu sáng.

Phân tích: H2 đủ cho phản ứng chọn lọc. Hỗn hợp X gồm C2H2 dư, H2 dư và C2H4; khi tính bromine phải xét cả hai hydrocarbon không no.

Lời giải câu a:

n(C2H2 ban đầu) = 7,437 : 24,79 = 0,30 mol.

n(H2 ban đầu) = 9,916 : 24,79 = 0,40 mol.

n(C2H2 phản ứng) = 0,30 × 0,75 = 0,225 mol.

n(C2H4) = n(H2 phản ứng) = 0,225 mol.

m(C2H4) = 0,225 × 28 = 6,3 gam.

n(C2H2 dư) = 0,30 − 0,225 = 0,075 mol.

n(H2 dư) = 0,40 − 0,225 = 0,175 mol.

Lời giải câu b:

n(X) = 0,075 + 0,175 + 0,225 = 0,475 mol.

Bảo toàn khối lượng: m(X) = 0,30 × 26 + 0,40 × 2 = 8,6 gam.

M(X) = 8,6 : 0,475 ≈ 18,105 g/mol.

d(X/H2) = (8,6 : 0,475) : 2 ≈ 9,053.

Lời giải câu c:

C2H2 + 2Br2 → C2H2Br4.

C2H4 + Br2 → C2H4Br2.

Trong điều kiện đề bài, H2 không phản ứng với dung dịch bromine. Do đó:

n(Br2) = 2 × 0,075 + 0,225 = 0,375 mol.

m(Br2) = 0,375 × 160 = 60 gam.

Tự kiểm tra: Số mol hỗn hợp giảm từ 0,70 xuống 0,475 mol, đúng bằng 0,225 mol H2 đã phản ứng. Quy tắc tiêu thụ bromine dựa trên phản ứng cộng vào liên kết bội. [1]

Phản ứng C2H2 ra C2H4 được biểu diễn bằng phương trình C2H2 + H2 → C2H4, với tỉ lệ mol phản ứng 1:1 trong điều kiện hydrogen hóa chọn lọc. Khi chuyển axetilen ra etilen, học sinh cần xác định đúng xúc tác và phân biệt với phản ứng C2H2 ra C2H6 khi dùng Ni, H2 dư và hydrogen hóa hoàn toàn.

Để vận dụng kiến thức, học sinh nên luyện viết phương trình, xác định sản phẩm và tính số mol, hiệu suất phản ứng. Các nội dung liên quan được hệ thống trong chuyên đề Hóa học 11 tại ZIM Academy, hỗ trợ ôn tập và giải bài tập hydrocarbon không no.