CH4 + O2 → CO2 + H2O

1. Phương trình phản ứng hóa học:

CH4 + O2 → CO2 + H2O

2. Phân tích Phương trình phản ứng hóa học CH4 + O2 → CO2 + H2O:

2.1. Điều kiện phản ứng đốt cháy metan xảy ra:

Điều kiện phản ứng: nhiệt độ

2.2. Cách thực hiện phản ứng:

Khi tiến hành đốt cháy toàn bộ khí metan CH4 trong môi trường không khí, ta thu được khí cacbonic CO2 và nước H2O.

2.3. Hiện tượng nhận biết phản ứng:

Khi sản phẩm cháy được dẫn qua bình chứa nước vôi trong, ta có thể thấy xuất hiện một kết tủa trắng.

2.4. Bạn có biết:

‐ Phản ứng đã được đặt tên là phản ứng đốt cháy.

‐ Các dẫn xuất của metan (CH4) cũng tham gia phản ứng đốt cháy theo cách tương tự như metan.

- Nếu thiếu oxi, phản ứng đốt cháy của ankan sẽ không diễn ra hoàn toàn, sản phẩm cháy sẽ bao gồm CO2, H2O cùng với C và CO...

- Khi thiêu cháy ankan, lượng mol H2O thu được sau phản ứng luôn lớn hơn lượng mol CO2.

3. Bài tập vận dụng liên quan:

Câu 1: Phản ứng hóa học đặc trưng của metan là:

A. Phản ứng thế

B. Phản ứng cộng

C. Phản ứng oxi hóa – khử

D. Phản ứng phân hủy

Câu 2: Các tính chất vật lí cơ bản của metan là:

A. Chất khí, không màu, tan nhiều trong nước.

B. Chất khí, không màu, không mùi, nhẹ hơn không khí, tan ít trong nước.

C. Chất khí không màu, tan nhiều trong nước.

D. Chất khí không màu, không mùi, nặng hơn không khí, tan ít trong nước.

Câu 3: Trong phòng thí nghiệm có thể thu được khí CH4 bằng cách:

A. Đẩy không khí (ngửa bình)

B. Đẩy axit

C. Đẩy nước (úp bình)

D. Xác định khí cacbonic trong phản ứng cháy giữa metan và oxi, ta thêm hóa chất nào vào ống nghiệm?

A. Nước cất

B. Nước vôi trong

C. Nước muối

D. Thuốc tím

Câu 5: Điều kiện để phản ứng giữa Metan và Clo xảy ra là

A. Có bột sắt làm xúc tác 

B. Có axit làm xúc tác 

C. Có nhiệt độ

D. Có ánh sáng 

Câu 6: Những phát biểu nào sau đây không đúng?

1) Metan tác dụng với Clo khi có ánh sáng.

2) Metan là chất khí, không màu, không mùi, nặng hơn không khí.

3) Metan cháy nhiều nhiệt nên được sử dụng làm nhiên liệu trong đời sống và sản xuất.

4) Hỗn hợp giữa metan và Clo là Hỗn hợp nổ.

5) Trong phân tử metan có 4 liên kết đơn -CH.

6) Metan tác dụng với Clo ở điều kiện thường.

A. 1, 3, 5.

B. 1, 2, 6.

C. 2, 4, 6.

D. 2, 4, 5

Câu 7: Trong các phương trình hóa học sau, phương trình hóa học nào viết đúng? Phương trình hóa học nào viết sai?

A. CH4 + Cl2 → CH2Cl2 + H2 (ánh sáng)

B. CH4 + Cl2 → CH2 + 2HCl (ánh sáng)

C. 2CH4 + Cl2 → 2CH3Cl + H2 (ánh sáng)

D. CH4 + Cl2 → CH3Cl + HCl (hoạt động ánh sáng)

Câu 8: Đốt cháy triệt để 11,2 lít khí metan (đktc). Hãy tính thể tích khí Oxi cần sử dụng và thể tích khí cacbonic tạo thành. Biết rằng thể tích của các khí này ở đktc.

Câu 9: Có một hỗn hợp khí gồm CH4 và CO2. Hãy trình bày phương pháp hóa học để

a) Thu được khí CH4.

b) Thu được khí CO2.

4. Hướng dẫn lời giải:

Câu 1:

Đáp án: A. Phản ứng thế.

Câu 2: 

Đáp án: B. 

Các tính chất vật lí của cơ bản của metan là chất khí, không màu, không mùi, nhẹ hơn không khí, tan ít trong nước.

Câu 3:

Đáp án: C. Đẩy nước (úp bình)

Câu 4: 

Đáp án: B. Nước vôi trong 

Câu 5:

Đáp án: D. Có ánh sáng 

Câu 6:

Đáp án: C. 2,4,6

Các phát biểu không đúng là 2,4,6.

2) Metan là chất khí, không màu, không mùi, nặng hơn không khí →-Sai: khí metan nhẹ hơn không khí.

4) Hỗn hợp giữa metan và clo là Hỗn hợp nổ →-Sai

6) Metan tác dụng với Clo ở điều kiện thường. →-Sai, phải có chiếu sáng thì phản ứng mới xảy ra.

Câu 7: 

Đáp án: D. CH4 + Cl2 → CH3Cl + HCl (ánh sáng)

Phương trình hóa học D là đúng. Còn các phương trình còn lại đều sai.

Câu 8: 

nCH4 = 11,2/22,4 = 0,5 mol

Phương trình phản ứng:

CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O

Theo phương trình: nO2 = 2 x nCH4 = 2 x 0,5 = 1 mol.

nCO2 = nCH4 = 0,5 mol.

VO2 = 1 x 22,4 = 22,4 lít.

VCO2 = 0,5 x 22,4 = 11,2 lít.

Câu 9: 

Phương Pháp hóa học để

a) Thu được khí CH4.

Dẫn hỗn hợp khí qua dung dịch Ca(OH)2 dư, phản ứng tạo ra CaCO3 và giữ lại khí CO2, khí CH4 bay ra khỏi dung dịch lẫn hơi nước. Dùng CaO để làm khô và thu được CH4 tinh khiết. Phương trình hóa học như sau: CO2 + Ca(OH)2 → CaCO3↓ + H2O.

b) Thực hiện phản ứng giữa CaCO3 và dung dịch HCl loãng để thu khí CO2. Sau đó, làm lạnh và ngưng tụ nước để thu được CO2 tinh khiết. Phương trình hóa học tương ứng là:

CaCO3 + 2HCl → CaCl2 + CO2↑ + H2O

5. Tìm hiểu về metan (CH4):

5.1. Metan (CH4) là gì?

Khí metan hay còn gọi là khí bùn ao có ký hiệu CH4. 

Chúng là thành phần chính của hidrocarbon dầu mỏ, phong phú trong tự nhiên và được hình thành qua quá trình xử lý, chưng cất hoặc sản xuất dầu mỏ và được tìm thấy trong nhiều hộ gia đình (ví dụ như trong bình gas).

5.2. Tính chất vật lý của CH4:

Trạng thái	Khí độc, không màu, không mùi, không vị. Dễ bắt chất, tạo lửa xanh.
Khả năng hòa tan	Không hòa tan trong các dung môi phân cực vì không có sự liên kết giữa các hidro, chúng chỉ tan trong dung môi không phân cực.
Nhiệt độ hóa lỏng	-162⁰C
Nhiệt độ hóa rắn	-183⁰C
Điểm bốc cháy	537⁰C
Khối lượng riêng của metan	0.717 kg/m3
Tính dẫn diện	Không

5.3. Tính chất hóa học của CH4:

Trên thực tế, khí metan có nhiều tính chất hóa học khác nhau. Tuy nhiên, metan cũng có hai tính chất cơ bản và đặc trưng nhất, đó là khả năng phản ứng với oxi và clo ở những điều kiện phản ứng khác nhau.

Tác dụng với oxi

‐ Thí nghiệm: đốt metan với oxi.

‐ Hiện tượng: 

Sau khi đốt có các giọt nước nhỏ bám trên thành ống nghiệm.

Đổ dung dịch nước vôi trong vào ống nghiệm sau khi đốt dung dịch thấy xuất hiện vẩn đục màu trắng.

Ống nghiệm nóng lên.

‐ Kết luận:

Khí metan tạo thành khí cacbonic và hơi nước.

Phản ứng tỏa nhiều nhiệt 

Phương trình hóa học:   CH4(k) + 2O2(k) → CO2(k) + 2H2O(h) (điều kiện nhiệt độ)

Chú ý: Hỗn hợp 1 thể tích khí metan và 2 thể tích khí oxi là Hỗn hợp gây nổ mạnh.

Tác dụng với Clo

‐ Thí nghiệm: Cho hỗn hợp khí metan và clo phản ứng với nhau trong bình kín, điều kiện có chiếu sáng.

‐ Hiện tượng:

Ban đầu, khí clo trong hỗn hợp có màu vàng. Sau một thời gian, màu vàng nhạt của khí dần mất đi.

Sau đó, thêm nước vào hỗn hợp và đặt quỳ tím vào bình. Khi nhúng quỳ tím vào bình, quỳ tím sẽ chuyển sang màu đỏ.

- Kết luận:

Metan đã phản ứng với Clo khi gặp ánh sáng, dẫn đến việc thu được một sản phẩm axit. Khi thử nghiệm bằng việc đưa quỳ tím ẩm vào, quỳ tím đã chuyển sang màu đỏ.

Phản ứng hóa học: CH4 + Cl2 → HCl + CH3Cl (clo metan)

Trong phản ứng này, nguyên tử hidro của metan bị thay thế bởi nguyên tử Clo, do đó được gọi là phản ứng thế. Nếu sử dụng quá nhiều Clo, toàn bộ nguyên tử hidro trong phân tử metan có thể bị thay thế hoàn toàn bởi nguyên tử Clo.

5.4. Điều chế khí metan như thế nào?

Đồng thời, có nhiều phương pháp để sản xuất khí metan, nhưng thường thì loại khí này được sản xuất và sử dụng rộng rãi nhất trong hai môi trường phổ biến: phòng thí nghiệm và công nghiệp.

Điều chế khí metan trong phòng thí nghiệm

Cách phổ biến hơn để tạo ra CH4 trong phòng thí nghiệm bao gồm:

- Đun nóng natri axetat cùng với vôi xôi tút hoặc điều chế bằng cách cho nhôm cacbua phản ứng với nước, khi cần một lượng nhỏ khí mê-tan.

‐ Điều chế CH4 từ nhôm cacbua:

Al4C3 + 12H2O → 4Al(OH)3 + 3CH4

‐ Phản ứng muối natri axetat với xút tạo khí metan (nhiệt phân muối natri của axit cacboxylic):

CH3–COONa + NaOH →(CaO, nhiệt độ) Na2CO3 + CH4

‐ Cách điều chế metanol bằng phản ứng cộng hidro vào cacbon:

C + 2H2 →(nhiệt độ, Ni) CH4

‐ Cách điều chế CH4 từ khí CO:

CO + 3H2 →(nhiệt độ) H2O+CH4

Hoặc điều chế CH4 bằng cách khử các dẫn xuất methyl của các halogen, ancol hay carbonyl.

Điều chế metan trong công nghiệp

Trong ngành công nghiệp, metan và các dẫn xuất đồng đẳng được tách ra từ khí tự nhiên và dầu mỏ. Điều này là một quá trình nhanh chóng và dễ dàng để tạo ra CH4.

5.4. Ứng dụng của CH4:

Metan là một nguyên liệu vô cùng quan trọng cho cả sản xuất công nghiệp và cuộc sống hàng ngày của chúng ta.

Sử dụng trong lĩnh vực năng lượng

Với khả năng sinh nhiệt cao, mêtan đã trở thành một trong những loại nhiên liệu hàng đầu được con người ưa chuộng, được sử dụng cho động cơ điện, nhiệt hoặc ô tô.

Mêtan được sử dụng làm nhiên liệu cho các thiết bị như lò đốt, máy nước nóng, lò nung,... bằng cách cháy oxi để tạo ra nhiệt.

Trong quá trình đốt cháy, metan đóng vai trò quan trọng trong việc phát điện khi sử dụng làm nhiên liệu trong tua-bin khí. Tại các nhà máy nhiệt điện, khí metan được sử dụng kết hợp với than để đạt hiệu suất tốt và đồng thời giảm thiểu tác động ô nhiễm môi trường.

Với nồng độ metan lên tới 98%, khí metan có thể được sử dụng làm nhiên liệu cho động cơ ô tô.

Tuy nhiên, năng lượng thể tích của khí metan trong than đá và các nhiên liệu khí khác thấp hơn. Ở điều kiện thông thường, nhiệt lượng đốt cháy 1 lít khí metan từ than đá khoảng 33-36 kJ. Trong khi đó, nhiệt lượng thu được khi đốt cháy 1 lít xăng là 31.400 kJ, gấp 1000 lần so với khí metan từ than đá. Do đó, các nhà nghiên cứu có thể khẳng định rằng carbon metan có thể được sử dụng dưới dạng nén hoặc hóa lỏng làm nhiên liệu động cơ cho ô tô.

Một phân tích về nghiên cứu độc tính của ô tô hoạt động bằng khí đốt đã cho thấy rằng khi thay thế nhiên liệu xăng bằng khí mê-tan carbon, ta thu được kết quả tốt. Tỷ lệ khí thải độc hại tiến ra môi trường (được tính bằng g/km) giảm rõ rệt: carbon monoxide giảm từ 5-10 lần, hydrocarbon giảm 3 lần và nhóm oxit nitơ giảm 1,5-2,5 lần.

Thêm vào đó, cũng phải nhắc đến rằng khí mê-tan, được biết đến như là "khí đốt tự nhiên", được sử dụng rộng rãi trong việc sưởi ấm và nấu ăn tại nhiều gia đình thông qua việc lắp đặt hệ thống đường ống truyền khí.