Cân bằng phản ứng sau: CH4 → C2H2 + H2 và bài tập vận dụng

Cân bằng phản ứng sau: CH4 → C2H2 + H2 và bài tập vận dụng
1. Tính chất vật lý, hoá học của CH4
CH4 là công thức hóa học của khí methane, một hợp chất hữu cơ đơn giản nhất trong nhóm
các hydrocacbon alkanes. Dưới đây là một số tính chất vật lý và hóa học quan trọng của CH4:
Tính chất vật lý:
 Khối lượng phân tử: Khối lượng phân tử của CH4 là khoảng 16.04 g/mol, do
đó, nó rất nhẹ và bay hơi dễ dàng ở điều kiện tiêu chuẩn.
 Tính chất tỏa sáng: Methane có khả năng tỏa sáng khi đốt cháy trong không khí,
tạo ra ngọn lửa xanh dương đặc trưng.
 Tính chất khí: Ở điều kiện tiêu chuẩn (0°C và áp suất 1 atm), CH4 tồn tại ở dạng khí.
 Mùi: Methane không có mùi tự nhiên, nhưng trong các ứng dụng như đốt gas
tự nhiên, nó thường được "nhuộm" với các hợp chất có mùi để phát hiện rò rỉ.
Tính chất hóa học:
 Đốt cháy: Methane là một chất cháy tốt. Khi đốt cháy trong không khí, nó tạo
ra nước (H2O) và khí cacbonic (CO2). Phản ứng cơ bản là:  CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O
 Phản ứng trùng hợp: Methane có thể trùng hợp với itself để tạo ra các hợp chất
dầu mỏ và khí đá (như etylen C2H4) trong điều kiện nhiệt độ và áp suất cao.
 Phản ứng với halogen: Methane có thể phản ứng với halogen (F2, Cl2, Br2, I2)
để tạo ra các hợp chất halogenated methane, như chloromethane (CH3Cl) hoặc bromomethane (CH3Br).
 Phản ứng với halogenura kim loại: Methane cũng có thể phản ứng với các hợp
chất halogenura của kim loại để tạo ra các hợp chất hữu cơ, như làmethan (CH3Li).
Methane là một khí quan trọng trong ngành công nghiệp và năng lượng, được sử dụng
rộng rãi như một nguồn nhiên liệu. Nó cũng là một khí nhà kính mạnh mẽ và góp phần vào
hiện tượng biến đổi khí hậu khi được thải ra môi trường một cách không kiểm soát từ các hoạt
động con người như sản xuất và sử dụng năng lượng hoá thạch.
2. Tính chất vật lý, hoá học của C2H2
C2H2 là công thức hóa học của etin, còn được gọi là acetylen. Đây là một hydrocarbon
hữu cơ đặc biệt, có một số tính chất vật lý và hóa học quan trọng:
Tính chất vật lý:
 Khối lượng phân tử: Khối lượng phân tử của C2H2 là khoảng 26.04 g/mol.
 Tính chất tỏa sáng: Etin có khả năng tỏa sáng khi đốt cháy trong không khí, tạo
ra ngọn lửa màu xanh dương sáng.
 Tính chất khí: Ở điều kiện tiêu chuẩn (0°C và áp suất 1 atm), C2H2 tồn tại ở
dạng khí. Tuy nhiên, nó có khả năng tự bắt lửa và cháy dễ dàng, nên thường được lưu
trữ và sử dụng dưới áp suất cao hoặc dưới dạng dung dịch trong dung môi không hoàn
hảo để giảm nguy cơ nổ.
Tính chất hóa học:
 Đốt cháy: Etin là một chất cháy rất mạnh. Khi đốt cháy trong không khí, nó tạo
ra nước (H2O) và khí cacbonic (CO2). Phản ứng cơ bản là:
 2C2H2 + 5O2 → 4CO2 + 2H2O
 Phản ứng trùng hợp: Etin có thể trùng hợp với chính nó trong điều kiện nhiệt độ
và áp suất cao để tạo ra các hợp chất hữu cơ phức tạp hơn.
 Phản ứng thủy phân: Etin có thể phản ứng với nước để tạo ra axetilen và
hydroxit natri hoặc hydroxit kali, tùy thuộc vào điều kiện phản ứng:
 C2H2 + 2H2O → C2H2(OH)2 (axetilen) + Ca(OH)2 (hydroxit canxi) hoặc
2NaOH (hydroxit natri) hoặc 2KOH (hydroxit kali)
 Phản ứng với halogen: Etin có thể phản ứng với các halogen (F2, Cl2, Br2, I2)
để tạo ra các hợp chất halogenated etin, như vinyl chloride (C2H3Cl) hoặc vinyl bromide (C2H3Br).
Etin là một hợp chất quan trọng trong việc tổng hợp hóa học và trong một số ứng dụng
công nghiệp, nhưng cần được xử lý cẩn thận do tính chất nổ và dễ cháy của nó.
3. Cách cân bằng phản ứng CH4 → C2H2 + H2 chi tiết nhất
Phản ứng phân hủy khí metan (CH4) ở nhiệt độ cao là một quá trình hóa học vô cùng quan
trọng và đa dạng ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Phương trình hóa học của quá trình
này được biểu diễn như sau:
2CH4 → C2H2↑ + H2↑
Trong quá trình này, khí metan (CH4) phân hủy thành khí etin (C2H2) và khí hiđro (H2).
Để đảm bảo phản ứng CH4 tạo ra C2H2 diễn ra hiệu quả, cần tuân thủ một số điều kiện quan trọng:
Nhiệt độ: Nhiệt độ đóng vai trò quan trọng nhất trong quá trình phân hủy khí metan. Nhiệt
độ khoảng 1500°C là nhiệt độ cần thiết để quá trình này diễn ra nhanh chóng và hiệu quả.
Chất xúc tác: Sử dụng chất xúc tác có thể tăng tốc quá trình phân hủy, giảm nhiệt độ cần
thiết và tăng độ chọn lọc của sản phẩm thu được. Ví dụ về các chất xúc tác thường được sử
dụng bao gồm Ni, Fe, Co, Cu, Cr, MgO, Al2O3 và ZnO.
Điều kiện khác: Trong quá trình phản ứng, cần phải làm lạnh nhanh để ngăn chặn sự phản ứng tiếp diễn.
Để tiến hành phản ứng CH4 tạo ra C2H2, ta có thể thực hiện các bước sau:
 Chuẩn bị lò phản ứng: Bắt đầu bằng việc chuẩn bị một lò phản ứng với nhiệt độ
khoảng 1500°C, trang bị chất xúc tác và các thiết bị đo nhiệt độ và áp suất.
 Cho khí metan và chất xúc tác vào lò: Đưa khí metan và chất xúc tác vào lò phản ứng.
 Tăng nhiệt độ của lò phản ứng: Tăng nhiệt độ của lò lên khoảng 1500°C để khí
metan phân hủy và tạo ra khí C2H2 và H2.
 Chờ đợi phản ứng diễn ra: Sau khi nhiệt độ đạt đủ, chờ đợi để phản ứng diễn ra
trong một khoảng thời gian nhất định.
 Làm lạnh nhanh: Cuối cùng, khi phản ứng kết thúc, làm lạnh nhanh để ngăn
chặn sự phản ứng tiếp diễn.
Phản ứng CH4 tạo ra C2H2 có ứng dụng đa dạng trong nhiều lĩnh vực, bao gồm sản xuất
hợp chất hữu cơ, sản xuất nhựa, và nghiên cứu khoa học. Đây là một quá trình quan trọng giúp
tạo ra các sản phẩm có giá trị và đóng góp vào sự phát triển của nhiều ngành công nghiệp.
4. Ứng dụng thực tế của phản ứng 2CH4 → C2H2↑ + H2↑
Phản ứng 2CH4 → C2H2↑ + H2↑ là một phản ứng quan trọng trong hóa học và có nhiều
ứng dụng thực tế quan trọng trong nhiều lĩnh vực khác nhau:
 Sản xuất etin (acetylen): Phản ứng này là cách chính để sản xuất khí etin, còn
được gọi là acetylen. Khí etin có nhiều ứng dụng quan trọng trong hóa học và công
nghiệp, bao gồm việc sử dụng trong quá trình hàn, cắt kim loại, và hợp chất hữu cơ tổng hợp.
 Công nghiệp hàn và cắt kim loại: Khí etin được sử dụng rộng rãi trong công
nghiệp hàn kim loại và cắt kim loại. Khi đốt khí etin với oxy, nhiệt độ cao được tạo ra
trong một ngọn lửa, và ngọn lửa này có khả năng nung chảy và cắt qua kim loại như thép.
 Sản xuất nhựa PVC: Etin cũng được sử dụng trong việc sản xuất polyvinyl
chloride (PVC), một loại nhựa phổ biến được sử dụng trong ống cống, vật liệu cách
nhiệt, và nhiều sản phẩm khác.
 Sản xuất hợp chất hữu cơ: Etin là một tác nhân tổng hợp quan trọng trong hóa
học hữu cơ. Nó được sử dụng để tạo ra các hợp chất hữu cơ phức tạp, bao gồm một số
hợp chất được sử dụng trong dược phẩm và sản phẩm hóa học.
 Nghiên cứu khoa học: Etin được sử dụng trong nghiên cứu khoa học và phân
tích hóa học, đặc biệt trong các phản ứng hóa học và phân tích khí. Nó có thể được sử
dụng để tạo ra điều kiện nhiệt độ cao cho các phản ứng phức tạp hoặc để kiểm tra các
tính chất của các hợp chất khác.
 Dùng làm nhiên liệu: Mặc dù không phải là một nguồn nhiên liệu phổ biến, etin
đã được sử dụng làm nhiên liệu trong một số trường hợp đặc biệt, chẳng hạn như động
cơ động cơ tên lửa và một số ứng dụng công nghiệp đặc biệt.
Như vậy, phản ứng 2CH4 → C2H2↑ + H2↑ không chỉ là một phản ứng hóa học quan trọng
mà còn có nhiều ứng dụng thực tế rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, từ công nghiệp đến nghiên
cứu khoa học và công nghệ.
5. Một số bài tập áp dụng phản ứng 2CH4 → C2H2↑ + H2↑ có đáp án chi tiết
Bài tập 1: Tính toán số mol của etin (C2H2) và khí hiđro (H2) được tạo ra từ 5 mol
khí metan (CH4) trong phản ứng 2CH4 → C2H2 + H2. Đáp án 1: Theo phản ứng: 2CH4 → C2H2 + H2
Tỷ lệ số mol giữa CH4, C2H2 và H2 là 2:1:1.
 Số mol C2H2 = 5 mol CH4 / 2 = 2.5 mol
 Số mol H2 = 5 mol CH4 / 2 = 2.5 mol
Vậy, từ 5 mol CH4, ta tạo ra 2.5 mol C2H2 và 2.5 mol H2.
Bài tập 2: Nếu bạn có 10 mol khí metan (CH4) và bạn muốn biết số mol của khí etin
(C2H2) và khí hiđro (H2) tạo ra trong phản ứng 2CH4 → C2H2 + H2, hãy tính toán chúng. Đáp án 2:
Sử dụng tỷ lệ số mol giữa CH4, C2H2 và H2 từ phản ứng ở bài tập trước:
 Số mol C2H2 = 10 mol CH4 / 2 = 5 mol
 Số mol H2 = 10 mol CH4 / 2 = 5 mol
Vậy, từ 10 mol CH4, ta tạo ra 5 mol C2H2 và 5 mol H2.
Bài tập 3: Nếu bạn biết rằng phản ứng 2CH4 → C2H2 + H2 diễn ra hoàn toàn, tỷ lệ
khối lượng (gram) giữa khí etin (C2H2) và khí hiđro (H2) trong sản phẩm là bao nhiêu? Đáp án 3:
 Molar mass của C2H2 (etin) = 2 * (12.01 g/mol) + 2 * 1.01 g/mol = 26.02 g/mol
 Molar mass của H2 (hiđro) = 2 * 1.01 g/mol = 2.02 g/mol
Tỷ lệ khối lượng giữa C2H2 và H2 là tỷ lệ molar mass của chúng:
 Tỷ lệ khối lượng C2H2/H2 = (26.02 g/mol) / (2.02 g/mol) ≈ 12.89
Vậy, tỷ lệ khối lượng giữa C2H2 và H2 trong sản phẩm là khoảng 12.89:1.
Hy vọng rằng những ví dụ trên sẽ giúp bạn hiểu hơn về cách áp dụng phản ứng 2CH4 →
C2H2 + H2 và tính toán liên quan đến nó.