Phản ứng điều chế Etilen từ Rượu Etylic – C2H5OH ra C2H4

Etilen (C2H4) là một hợp chất hữu cơ quan trọng đóng vai trò thiết yếu trong nhiều ngành công nghiệp. Nó được sử dụng để sản xuất ra nhiều sản phẩm khác nhau, chẳng hạn như nhựa, cao su và xơ tổng hợp. Bài viết này sẽ cung cấp cho bạn thông tin chi tiết về phản ứng điều chế etilen từ rượu etylic (C2H5OH), bao gồm phương trình hóa học, điều kiện phản ứng, các ví dụ bài tập và ứng dụng.

Phương trình hóa học của phản ứng điều chế Etilen từ Rượu Etylic

Phản ứng điều chế etilen từ rượu etylic là một phản ứng tách nước. Điều này có nghĩa là một phân tử nước (H2O) được loại bỏ khỏi phân tử rượu etylic (C2H5OH) để tạo thành etilen (C2H4). Phương trình hóa học của phản ứng này được thể hiện như sau:

C2H5OH (đ) → C2H4 (k) + H2O (k)

Trong phương trình này:

• C2H5OH (đ): Rượu etylic là chất phản ứng, ở trạng thái lỏng (đ).
• C2H4 (k): Etilen là sản phẩm chính của phản ứng, ở trạng thái khí (k).
• H2O (k): Nước là sản phẩm phụ của phản ứng, ở trạng thái khí (k).
• →: Biểu tượng này chỉ ra chiều của phản ứng, từ rượu etylic sang etilen và nước.

Điều kiện phản ứng điều chế Etilen từ Rượu Etylic

Để phản ứng điều chế etilen từ rượu etylic xảy ra hiệu quả, cần phải đáp ứng đủ hai điều kiện:

• Nhiệt độ: Phản ứng cần được tiến hành ở nhiệt độ khoảng 170 – 180°C. Đây là nhiệt độ đủ cao để các phân tử rượu etylic va chạm mạnh với nhau và bị phá vỡ liên kết.
• Xúc tác: Axit sunfuric đặc (H2SO4) được sử dụng làm xúc tác cho phản ứng. Xúc tác có tác dụng làm tăng tốc độ phản ứng mà không bị biến đổi sau phản ứng.

Cơ chế phản ứng tách nước

Cơ chế phản ứng tách nước để điều chế etilen từ rượu etylic diễn ra theo nhiều bước. Về cơ bản, axit sunfuric làm proton hóa nhóm hydroxyl (OH) trong phân tử rượu etylic, tạo thành một ion水がC2H5+. Ion này sau đó bị phân hủy thành một phân tử nước (H2O) và một ion etyl (C2H5+). Cuối cùng, ion etyl mất đi một proton để tạo thành phân tử etilen (C2H4).

Ví dụ bài tập về phản ứng điều chế Etilen từ Rượu Etylic

Bài tập 1: Đun nóng 9,2 gam rượu etylic (C2H5OH) với axit sunfuric đặc (H2SO4) ở nhiệt độ 170-180°C, thể tích khí etilen (C2H4) thu được tối đa (đktc) là bao nhiêu?

Hướng dẫn giải:

1. Tính toán số mol rượu etylic:

   • Số mol C2H5OH = khối lượng / khối lượng mol = 9,2 gam / 46 g/mol = 0,2 mol

2. Dựa vào phương trình hóa học, tính số mol etilen:

   • Theo phương trình, 1 mol C2H5OH phản ứng sinh ra 1 mol C2H4.
   • Do đó, 0,2 mol C2H5OH phản ứng sẽ tạo thành 0,2 mol C2H4.

3. Tính thể tích khí etilen (đktc):

   • Ở điều kiện tiêu chuẩn (đktc), 1 mol khí bất kỳ sẽ chiếm thể tích 22,4 lít.
   • Thể tích khí etilen thu được: 0,2 mol * 22,4 lít/mol = 4,48 lít.

Trả lời: Thể tích khí etilen thu được tối đa là 4,48 lít.

Bài tập 2: Hỗn hợp X gồm rượu etylic (C2H5OH) và nước có tỷ lệ khối lượng mol là 3:2. Cho hỗn hợp X tác dụng với axit sunfuric đặc ở nhiệt độ 170°C, thu được 11,2 lít khí etilen (đktc).

a) Xác định thành phần phần trăm khối lượng của rượu etylic trong hỗn hợp X.

b) Tính khối lượng axit sunfuric đặc đã tham gia phản ứng.

Hướng dẫn giải:

a) Xác định thành phần phần trăm khối lượng của rượu etylic trong hỗn hợp X:

1. Tính số mol etilen:

   • Số mol C2H4 = thể tích / 22,4 lít/mol = 11,2 lít / 22,4 lít/mol = 0,5 mol

2. Dựa vào phương trình hóa học, tính số mol rượu etylic:

   • Theo phương trình, 1 mol C2H4 được tạo thành từ 1 mol C2H5OH.
   • Do đó, 0,5 mol C2H4 được tạo thành từ 0,5 mol C2H5OH.

3. Tính khối lượng rượu etylic:

   • Khối lượng C2H5OH = số mol * khối lượng mol = 0,5 mol * 46 g/mol = 23 g

4. Tính thành phần phần trăm khối lượng của rượu etylic:

   • Gọi x là thành phần phần trăm khối lượng của C2H5OH trong X.
   • Khối lượng hỗn hợp X = 23 g / x * 100% = 2300/x
   • Tỷ lệ khối lượng mol của C2H5OH và nước là 3:2, tương đương với tỷ lệ khối lượng là 3a:2a.
   • Khối lượng hỗn hợp X = 3a + 2a = 5a
   • Do đó, 2300/x = 5a
   • Giải phương trình ta được x = 46%.

Vậy thành phần phần trăm khối lượng của rượu etylic trong hỗn hợp X là 46%.

b) Tính khối lượng axit sunfuric đặc đã tham gia phản ứng:

1. Theo phương trình hóa học, 1 mol C2H5OH phản ứng với 1 mol H2SO4.

   • Do đó, 0,5 mol C2H5OH phản ứng với 0,5 mol H2SO4.

2. Tính khối lượng axit sunfuric đặc:

   • Khối lượng H2SO4 = số mol * khối lượng mol = 0,5 mol * 98 g/mol = 49 g.

Vậy khối lượng axit sunfuric đặc đã tham gia phản ứng là 49 g.

Kết luận

Phản ứng điều chế etilen từ rượu etylic là một phản ứng tách nước quan trọng trong hóa học hữu cơ. Phản ứng này diễn ra ở nhiệt độ 170 – 180°C với xúc tác là axit sunfuric đặc. Etilen được tạo thành từ rượu etylic thông qua một cơ chế phản ứng phức tạp, bao gồm nhiều bước. Phản ứng này có nhiều ứng dụng trong đời sống và công nghiệp, đặc biệt là trong sản xuất nhựa, cao su và xơ tổng hợp.

Tài liệu tham khảo

• Ethylen (Wikipedia): https://vi.wikipedia.org/wiki/Ethylen
• Ethylene preparation and its application to physiological experiments: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC2958598/