C2H4 + Br2 | Phương trình phản ứng, hiện tượng và cách nhận biết

Phản ứng C2H4 + Br2 làm màu vàng da cam của dung dịch bromine nhạt dần rồi mất khi Br₂ phản ứng hết. Hiện tượng này xảy ra do ethylene có liên kết đôi C=C tham gia phản ứng cộng bromine, trong khi ethane không làm mất màu dung dịch ở điều kiện thường, không chiếu sáng.

Bài viết hệ thống phương trình hóa học, điều kiện và hiện tượng C2H4 + Br2 trong chương trình Khoa học tự nhiên 9 Kết nối tri thức; giải thích cách dùng dung dịch bromine để phân biệt ethylene với ethane, loại ethylene khỏi hỗn hợp khí và giải bài tập theo tỉ lệ mol, kèm đáp án chi tiết.

C2H4 + Br2 là phản ứng gì? Ethylene và liên kết đôi trong alkene

Ethylene (còn gọi là ethene), công thức \(\text{C}_2\text{H}_4\), là alkene đơn giản nhất trong dãy đồng đẳng alkene. Alkene là hydrocarbon mạch hở, trong phân tử có một liên kết đôi C=C, công thức chung là \(\text{C}_n\text{H}_{2n}\) với n ≥ 2. Với ethylene, công thức cấu tạo được viết là CH2=CH2, trong đó hai nguyên tử carbon liên kết với nhau bằng một liên kết đôi, mỗi carbon còn liên kết với hai nguyên tử hydrogen.

Chính liên kết đôi C=C là điểm khác biệt quan trọng giữa alkene và alkane (hydrocarbon no, chỉ có liên kết đơn). Liên kết đôi gồm một liên kết σ bền và một liên kết π kém bền hơn; liên kết π này dễ bị phá vỡ khi có tác nhân thích hợp, khiến alkene dễ tham gia phản ứng cộng – đây là tính chất hóa học đặc trưng mà alkane không có.

Phản ứng C2H4 + Br2 là phản ứng cộng bromine vào liên kết đôi của ethylene. Phương trình thường dùng trong bài tập phổ thông:

\[\mathrm{CH_2{=}CH_2+Br_2\rightarrow CH_2Br{-}CH_2Br}\]

Viết gọn theo công thức phân tử: \[\mathrm{C_2H_4+Br_2\rightarrow C_2H_4Br_2}\]. Sản phẩm biểu diễn trong phương trình là 1,2-dibromoethane. Liên kết π trong liên kết đôi C=C bị phá vỡ, mỗi nguyên tử bromine gắn vào một carbon, còn liên kết giữa hai carbon trở thành liên kết đơn C–C. Đây là phản ứng cộng, khác với phản ứng thế của alkane. [1]

Điều kiện phản ứng và tỉ lệ mol

Ethylene cộng Br2 ở điều kiện thường, không cần xúc tác hay chiếu sáng. Theo phương trình, tỉ lệ mol \(\mathrm{C_2H_4:Br_2:C_2H_4Br_2}=1:1:1\). Cần phân biệt điều kiện cộng bromine với điều kiện đun nóng khi điều chế ethylene từ ethanol.

Lưu ý về dung môi: Phương trình trên là cách biểu diễn được sử dụng trong nội dung KNTT. Trong nước bromine, thực tế có thể tạo thêm 2-bromoethanol; vì vậy không nên khẳng định 1,2-dibromoethane là sản phẩm duy nhất trong mọi môi trường. Các bài tính bên dưới dùng mô hình phản ứng cộng 1 : 1 đã nêu. [2]

Hiện tượng C2H4 + Br2: vì sao nước bromine mất màu?

Trong Bài 24: Alkene – Khoa học tự nhiên 9 Kết nối tri thức, học sinh quan sát phản ứng làm mất màu nước bromine của ethylene. Khi mô tả thí nghiệm, cần tách giai đoạn điều chế ethylene bằng cách đun nóng ethanol với sulfuric acid đặc khỏi giai đoạn dẫn khí ethylene vào dung dịch bromine ở điều kiện thường. [1]

Hiện tượng C2H4 + Br2: Màu vàng da cam hoặc nâu đỏ của dung dịch bromine nhạt dần; dung dịch mất màu khi lượng Br2 có màu đã phản ứng hết. Nếu Br2 còn dư, dung dịch vẫn có màu. Phản ứng không sinh ra khí mới hoặc kết tủa; bọt quan sát được khi sục khí là do dòng khí đưa vào.

Bromine có màu bị tiêu thụ trong phản ứng nên màu dung dịch giảm dần. Trong phép thử so sánh ở điều kiện thường, tránh chiếu sáng mạnh, ethane \(\mathrm{C_2H_6}\) hầu như không làm đổi màu nước bromine. Không nên suy rộng thành kết luận alkane không phản ứng với bromine trong mọi điều kiện.

Ứng dụng C2H4 + Br2 để nhận biết và loại ethylene khỏi hỗn hợp

Phản ứng làm mất màu dung dịch bromine giúp phân biệt ethylene với một số alkane trong hỗn hợp đơn giản. Dấu hiệu này không riêng ethylene mới có, nên phải xét thành phần mẫu và điều kiện phản ứng.

Nhận biết ethylene với methane hoặc ethane

Để phân biệt ethylene với methane hoặc ethane trong các mẫu chỉ chứa những khí đã biết, cho từng mẫu tiếp xúc với nước bromine ở điều kiện thường, tránh chiếu sáng mạnh. Mẫu ethylene làm dung dịch nhạt màu; methane hoặc ethane không cho hiện tượng đó trong phép thử này. Chỉ dựa vào dấu hiệu mất màu thì chưa thể kết luận một khí bất kỳ là ethylene, vì acetylene và nhiều chất khác cũng có thể làm mất màu bromine. Có thể đối chiếu tính chất hai hydrocarbon không no trong bài C2H2 ra C2H4.

Loại ethylene khỏi hỗn hợp khí

Với hỗn hợp chỉ gồm methane và ethylene, cho hỗn hợp tiếp xúc đủ với dung dịch bromine dư thì ethylene phản ứng và bị giữ lại trong bình; methane đi qua. Đây là cách loại ethylene để thu phần khí methane, không phải thu hồi ethylene nguyên vẹn. Trong mô hình bài tập, bỏ qua thất thoát và hơi chất lỏng đi theo khí; trong thí nghiệm thực tế không thể mặc định khí ra khỏi bình đã tinh khiết hoàn toàn.

Tính theo phương trình hóa học với C2H4 + Br2

Để giải các bài tập liên quan đến phản ứng C2H4 + Br2, học sinh cần nhắc lại bốn bước tính theo phương trình hóa học đã học ở Khoa học tự nhiên 8: (1) đổi dữ kiện đề bài (khối lượng, thể tích khí...) về số mol; (2) viết phương trình hóa học và cân bằng; (3) lập tỉ lệ mol giữa chất cần tìm và chất đã biết theo hệ số trong phương trình; (4) tính ra kết quả theo đúng yêu cầu của đề bài. Với phản ứng C2H4 + Br2, tỉ lệ mol giữa hai chất tham gia luôn là 1 : 1, nên việc tính toán khá đơn giản.

Quy ước cho các bài tính: H = 1, C = 12, Br = 80; \(M_{\mathrm{C_2H_4}}=28\,\mathrm{g/mol}\), \(M_{\mathrm{Br_2}}=160\,\mathrm{g/mol}\), \(M_{\mathrm{C_2H_4Br_2}}=188\,\mathrm{g/mol}\). Tại 25 °C và 1 bar, lấy \(V_m=24{,}79\,\mathrm{L/mol}\). Không dùng 22,4 L/mol cho dữ kiện ở điều kiện này.

Với bài tăng khối lượng bình, giả sử ethylene được giữ lại hoàn toàn; methane không bị giữ lại đáng kể và bỏ qua sự bay hơi, khí ẩm, tạp chất cùng các thất thoát khác. Khi đó \(\Delta m_{\text{bình}}=m_{\mathrm{C_2H_4}}\).

Công thức tính nhanh và xác định chất dư

Ví dụ 1: Tính khối lượng Br2 phản ứng khi biết thể tích C2H4

Đề bài: Dẫn 2,479 lít khí ethylene (ở điều kiện chuẩn: 25 °C, 1 bar) qua dung dịch nước bromine dư. Tính khối lượng Br2 đã phản ứng.

Lời giải:

Số mol ethylene: \[n_{C_2H_4} = \dfrac{2,479}{24,79} = 0,1\] mol.

Phương trình: C2H4 + Br2 → \(\text{C}_2\text{H}_4\text{Br}_2\).

Theo phương trình, tỉ lệ mol C2H4 : Br2 = 1 : 1, nên \(n_{Br_2} = n_{C_2H_4} = 0,1\) mol.

Khối lượng Br2 đã phản ứng: \(m_{Br_2} = 0,1 \times 160 = 16\) gam.

Ví dụ 2: Tính phần trăm thể tích hỗn hợp từ độ tăng khối lượng bình

Đề bài: Dẫn hỗn hợp methane và ethylene qua bình nước bromine dư, thấy khối lượng bình tăng 2,8 gam; còn 4,958 lít methane thoát ra. Các thể tích khí đo tại 25 °C, 1 bar. Theo các giả thiết đã nêu, tính phần trăm thể tích mỗi khí trong hỗn hợp ban đầu.

Lời giải:

Vì methane không phản ứng với nước bromine, chỉ ethylene bị giữ lại trong bình, nên độ tăng khối lượng của bình chính bằng khối lượng ethylene đã bị hấp thụ: \(m_{C_2H_4} = 2,8\) gam.

Số mol ethylene: \[n_{C_2H_4} = \dfrac{2,8}{28} = 0,1\] mol, suy ra thể tích ethylene ở điều kiện chuẩn là \(V_{C_2H_4} = 0,1 \times 24,79 = 2,479\) lít.

Tổng thể tích hỗn hợp khí: \(V = 2,479 + 4,958 = 7,437\) lít.

Phần trăm thể tích: \[\%V_{C_2H_4} = \dfrac{2,479}{7,437} \times 100\% \approx 33,33\%\]; \(\%V_{CH_4} = 100\% - 33,33\% = 66,67\%\).

Bài tập vận dụng về phản ứng C2H4 + Br2 có đáp án

Dạng 1: Trắc nghiệm về hiện tượng

Đề bài: Dẫn ethylene vào nước bromine ở điều kiện thường cho đến khi Br2 phản ứng hết. Hiện tượng chính là gì?

A. Xuất hiện kết tủa trắng.

B. Phản ứng sinh ra nhiều khí mới.

C. Dung dịch nhạt màu rồi mất màu.

D. Dung dịch chuyển từ không màu sang màu xanh.

Đáp án: C. Br2 có màu bị tiêu thụ nên dung dịch nhạt màu rồi mất màu khi Br2 hết. Phản ứng cộng không sinh ra chất khí mới hay kết tủa; bọt khí do sục ethylene vào không phải dấu hiệu tạo sản phẩm khí.

Dạng 2: Tính khối lượng Br2 phản ứng và sản phẩm

Đề bài: Dẫn 1,9832 lít C2H4 tại 25 °C, 1 bar qua dung dịch bromine dư. Viết phương trình, tính khối lượng Br2 phản ứng và khối lượng sản phẩm theo mô hình cộng tạo C2H4Br2.

Lời giải:

Phương trình: \[\mathrm{C_2H_4+Br_2\rightarrow C_2H_4Br_2}\].

\[n_{\mathrm{C_2H_4}}=\frac{1{,}9832}{24{,}79}=0{,}08\,\mathrm{mol}\]Theo tỉ lệ 1 : 1 : 1, số mol Br2 phản ứng và C2H4Br2 tạo thành đều bằng 0,08 mol.

\[m_{\mathrm{Br_2}}=0{,}08\times160=12{,}8\,\mathrm{g}\]\[m_{\mathrm{C_2H_4Br_2}}=0{,}08\times188=15{,}04\,\mathrm{g}\]

Dạng 3: Xác định công thức phân tử của alkene

Đề bài: Một alkene X mạch hở có một liên kết đôi C=C. Cho 4,9 gam X phản ứng cộng hoàn toàn với bromine, tiêu thụ vừa đủ 11,2 gam Br2. Xác định công thức phân tử của X.

Phân tích: Alkene có một liên kết đôi phản ứng cộng với Br2 theo tỉ lệ mol 1 : 1. Từ khối lượng và số mol X, tính khối lượng mol rồi suy ra n trong \(\mathrm{C_nH_{2n}}\).

Lời giải:

\[n_{\mathrm{Br_2}}=\frac{11{,}2}{160}=0{,}07\,\mathrm{mol}\]

Theo tỉ lệ 1 : 1, \(n_X=0{,}07\,\mathrm{mol}\).

\[M_X=\frac{4{,}9}{0{,}07}=70\,\mathrm{g/mol}\]

Vì \(M_X=14n\) nên \[14n=70\Rightarrow n=5\]

Vậy X có công thức phân tử \(\mathrm{C_5H_{10}}\). Chưa đủ dữ kiện để xác định duy nhất công thức cấu tạo của X.

Dạng 4: Hỗn hợp khí (tổng hợp)

Đề bài: Hỗn hợp X gồm CH4 và C2H4, thể tích 7,437 lít tại 25 °C, 1 bar. Cho X tiếp xúc hoàn toàn với dung dịch bromine dư, khối lượng bình tăng 5,04 gam. Viết phương trình và tính phần trăm thể tích mỗi khí, theo các giả thiết chung của bài.

Phân tích: Trong điều kiện xét, chỉ ethylene phản ứng và được giữ lại. Độ tăng khối lượng bình bằng khối lượng ethylene hấp thụ; methane đi qua bình.

Lời giải:

Phương trình: \[\mathrm{C_2H_4+Br_2\rightarrow C_2H_4Br_2}\]. CH4 không phản ứng trong điều kiện xét.

\[n_X=\frac{7{,}437}{24{,}79}=0{,}30\,\mathrm{mol}\]\[n_{\mathrm{C_2H_4}}=\frac{5{,}04}{28}=0{,}18\,\mathrm{mol}\]\[n_{\mathrm{CH_4}}=0{,}30-0{,}18=0{,}12\,\mathrm{mol}\]Ở cùng nhiệt độ và áp suất, tỉ lệ thể tích bằng tỉ lệ số mol:

\[\%V_{\mathrm{C_2H_4}}=\frac{0{,}18}{0{,}30}\times100\%=60\%\]\[\%V_{\mathrm{CH_4}}=40\%\]

Dạng 5: Xác định chất dư khi biết lượng hai chất

Đề bài: Cho 4,2 gam C2H4 tác dụng với dung dịch chứa 16 gam Br2. Sau khi phản ứng hoàn toàn, xác định chất dư và tính khối lượng C2H4Br2 tạo thành theo mô hình cộng 1 : 1.

Lời giải:

\[n_{\mathrm{C_2H_4}}=\frac{4{,}2}{28}=0{,}15\,\mathrm{mol}\]\[n_{\mathrm{Br_2}}=\frac{16}{160}=0{,}10\,\mathrm{mol}\]

Vì tỉ lệ phản ứng là 1 : 1, Br2 hết, ethylene dư. Số mol sản phẩm bằng 0,10 mol.

\[m_{\mathrm{C_2H_4Br_2}}=0{,}10\times188=18{,}8\,\mathrm{g}\]\[m_{\mathrm{C_2H_4},\,\text{dư}}=(0{,}15-0{,}10)\times28=1{,}4\,\mathrm{g}\]

Những lỗi thường gặp

• Nhầm phản ứng cộng với phản ứng thế: Trong mô hình cộng Br2 tạo C2H4Br2 đang xét, hai nguyên tử Br gắn vào hai carbon của liên kết đôi; không thay nguyên tử H bằng Br như phản ứng thế của alkane.

• Quên đổi liên kết đôi thành liên kết đơn trong sản phẩm: học sinh thường viết sai công thức sản phẩm vẫn còn giữ liên kết đôi. Cách khắc phục là nhớ rằng sau phản ứng cộng, liên kết đôi C=C đã chuyển hoàn toàn thành liên kết đơn C–C, mỗi carbon nhận thêm một nguyên tử Br.

• Khái quát quá mức phép thử bromine: Trong hỗn hợp đã biết chỉ có ethylene và alkane, hiện tượng mất màu giúp nhận biết ethylene. Với mẫu chưa biết, cần thêm dữ kiện vì alkyne và nhiều chất khác cũng làm mất màu bromine. Alkane cũng có thể phản ứng thế với bromine khi có điều kiện thích hợp như chiếu sáng.

• Nhầm độ tăng khối lượng bình với khối lượng Br2: Br2 vốn đã có trong bình. Khi ethylene được giữ lại hoàn toàn và không có các thay đổi khối lượng khác, độ tăng khối lượng bình bằng khối lượng ethylene hấp thụ, không phải lượng Br2 phản ứng.

Phản ứng C2H4 + Br2 → C2H4Br2 là phản ứng cộng bromine vào liên kết đôi C=C của ethylene. Dung dịch bromine nhạt màu rồi mất màu khi Br₂ phản ứng hết. Ở điều kiện thường, tránh chiếu sáng mạnh, hiện tượng này giúp phân biệt ethylene với methane, ethane và loại ethylene khỏi hỗn hợp chứa các khí đó.

Khi giải bài tập C2H4 + Br2, học sinh cần nhớ tỉ lệ mol 1 : 1, xác định chất dư và dùng đúng điều kiện đo thể tích khí. Học sinh có thể củng cố phương pháp đổi số mol, cân bằng phương trình và tính lượng chất qua các chuyên đề Khoa học tự nhiên 8 theo chương trình Kết nối tri thức.