Алканы. Метан

Алканы. Метан

Алканы (предельные или насыщенные углеводороды, парафины) – углеводороды, атомы углерода в которых соединены простыми связями. Общая формула: C_nH_2n+2.

Соотношение числа атомов водорода и углерода в молекулах алканов максимально по сравнению с молекулами углеводородов других классов.

Поскольку все валентности углерода заняты либо углеродами, либо водородами, как правило, химические свойства алканов не очень ярко выражены, поэтому их еще называют предельными или насыщенными углеводородами. И существует еще более древнее название, лучше отражающее их относительную, конечно, химическую инертность – парафины, что переводится как «лишенные сродства».

Пространственное строение молекул

Атомы углерода в алканах находятся в состоянии sp³-гибридизации, и молекулу алканов можно представить как набор тетраэдрических структур углерода, связанных между собой и с водородом (рис. 1).

 s-связи между атомами Н и С прочные, практически неполярные (очень мало полярные).

Атомы вокруг простых связей постоянно вращаются. Поэтому молекулы алканов могут принимать разные формы. При этом длина связи и угол между связями остаются постоянными. Формы, переходящие друг в друга за счет вращения молекулы вокруг σ-связей, называют конформациями молекулы (рис. 2).

Рис. 2. Конформация молекулы

Номенклатура предельных углеводородов

Первые четыре члена ряда алканов имеют исторически сложившиеся названия (рис. 3).

Рис. 3. Названия неразветвленных алканов

Названия неразветвленных алканов с пятью и более атомами углерода в молекуле образованы от греческих числительных, отражающих это число атомов углерода.

Суффикс -ан показывает принадлежность вещества к насыщенным соединениям.

Составляя названия разветвленных алканов по номенклатуре ИЮПАК, в качестве основной цепи выбирают цепь, содержащую максимальное число атомов углерода. Основную цепь нумеруют таким образом, чтобы заместители получили наименьшие номера. Если цепей одинаковой длины несколько, то главной выбирают цепь, содержащую наибольшее число заместителей (см. рис. 4–6).

Физические свойства

Температуры плавления и кипения в целом увеличиваются с увеличением числа атомов С в молекуле. Первые представители ряда алканов – газы при н.у., алканы, содержащие от 5 до 15 атомов С – обычно жидкости, свыше 15 атомов С – твердые вещества.

Неразветвленные изомеры имеют более высокую температуру кипения, чем разветвленные (причина – разные силы межмолекулярного взаимодействия). Температуры плавления зависят, кроме того, от плотности упаковки молекул в кристалле (табл. 1).

Табл. 1. Физические свойства алканов

Газообразные и твердые алканы не пахнут, жидкие алканы обладают характерным «бензиновым» запахом.

Все алканы бесцветны, легче воды и нерастворимы в ней. Алканы хорошо растворяются в органических растворителях, жидкие алканы (пентан, гексан) сами широко используются как растворители.

Метан

·                     Метан (лат methanum), СН4 — простейший по составу предельный углеводород, бесцветный (при нормальных условиях) газ без запаха. Мало растворим в воде, легче воздуха. При использовании в быту, промышленности к метану обычно добавляют отдушки (обычно тиолы) со специфическим «газовым запахом».

Метан нетоксичен и безвреден для здоровья человека. Однако есть данные о том, что метан является ядовитым веществом, поражающим центральную нервную систему. Накапливаясь внутри, метан становится взрывоопасным. Обогащен отдушками, чтобы человек вовремя заметил утечку газа. В промышленном производстве утечки устраняют с помощью датчиков, и во многих случаях метан для лабораторий и промышленного производства подается без добавления одорантов. Взрывоопасен при концентрациях в воздухе от 4,4% до 17%. Наиболее взрывоопасная концентрация составляет 9,5%. Проявляет наркотические свойства; Наркотическое действие ослабляется малой растворимостью в воде и крови. Класс опасности – четвертый.
Метан является третьим по важности парниковым газом (4-9%) в атмосфере Земли (после водяного пара и углекислого газа).

История

В ноябре 1776 года итальянский физик Алессандро Вольта обнаружил метан в болотах озера Маджоре, на границе Италии и Швейцарии. На изучение болотного газа его вдохновила статья Бенджамина Франклина о «горючем воздухе». Вольта собрал газ, испускаемый со дна болота, и выделил чистый метан в 1778 году. Он также продемонстрировал воспламенение газа от электрической искры.

Сэр Хамфри Дэви в 1813 г исследовал рудничный газ и показал, что он представляет собой смесь метана с небольшими количествами азота N2 и углекислого газа СО2, т. е. качественно идентичен по составу болотному газу..

Современное название «метан» в 1866 году дал газу немецкий химик Август Вильгельм фон Гофман 1314, оно образовано от слова «метанол».

Основные характеристики метана

Метан — простейший представитель алканов. Эта группа органических соединений называется предельными, предельными или парафиновыми углеводородами. Они имеют одинарную связь между атомами углерода в молекуле, остальные валентности каждого атома углерода насыщены атомами водорода. Важнейшей реакцией алканов является горение. Алканы горят с образованием водяного пара и углекислого газа. В результате этой реакции в больших количествах выделяется химическая энергия, которая может быть преобразована в электрическую или тепловую энергию.

Строение

Молекула метана представляет собой тетраэдр, в середине которого находится углерод, соединенный одинарными (одинарными) σ-связями с атомами водорода. Строение и свойства молекулы метана важны для понимания всей органической химии, поскольку большинство органических соединений содержат метил-СН₂-группы.

Метан образует гомологический ряд алканов. Каждый последующий гомолог отличается от предыдущего группой - СН₂.

Рис. 1. Строение молекулы метана.

Из-за тетраэдрической конфигурации длинные молекулы алканов выглядят как изогнутые цепочки.

Физические качества

Метан — простейший углеводород. Считается, что он имеет специфический запах, но это распространенное заблуждение. Чистый газ не имеет запаха, характерный аромат он приобретает благодаря специальным добавкам, которые добавляют в вещество для предупреждения его утечки, ведь химическое соединение также бесцветно.

Кроме того, к физическим свойствам метана относятся:

·                     Горящее голубое пламя.

·                     Сгорание без выделения вредных продуктов.

·                     Малая растворимость в воде.

·                     Он легче воздуха.

·                     Основной компонент природных газов, связанных с нефтью, шахтами и болотами.

·                     Кипение при -161 °С.

·                     Замораживание при -183 °С.

·                     Молярная масса 16,044 г/моль.

·                     Плотность – 0,656 кг/м³.

·                     При соединении с воздухом образуются взрывоопасные смеси.

·                     В жидком виде это бесцветная жидкость без запаха.

Наиболее опасен метан, который выделяется при подземной добыче полезных ископаемых, а также на предприятиях, занимающихся переработкой и обогащением угля. Когда количество газа в воздухе достигает 5-6%, он начинает гореть рядом с источниками тепла.

При повышении уровня вещества до 14-16% может произойти взрыв. По мере увеличения концентрации вещество горит с постоянной подачей кислорода. Если в этот момент количество метана начнет уменьшаться, результатом может также стать взрыв. Во время взрыва огонь, подпитываемый газом, движется со скоростью от 500 до 700 м/с. Давление вещества в этот момент в замкнутом пространстве равно 1 МН/м2.

При контакте с источником тепла метан воспламеняется с небольшой задержкой. Это свойство вещества используется при изготовлении предохранительных взрывчатых веществ и электрооборудования, безопасных в случае взрыва. На всех объектах, где есть риск выброса метана, действуют нормы безопасности «газовый режим».

Химические свойства

В химии формула метана – CH4. Соединение не легко вступает в химические связи.

В нормальных условиях не реагирует со следующими веществами:

·                     концентрированные кислоты;

·                     расплавленные и концентрированные щелочи;

·                     реагенты на щелочные металлы;

·                     галогены;

·                     перманганат калия;

·                     бихромата калия в кислой среде.

При температуре около 200 °С и давлении от 30 до 90 атмосфер болотный газ окисляется, превращаясь в муравьиную кислоту. Вещество образует соединения, называемые газогидратами, которые часто встречаются в природе.

По своим химическим свойствам метан подобен другим реагентам, относящимся к алканам. Поэтому он вступает в такие химические реакции, как:

·                     Преобразование в синтез-газ. Синтез-газ, который образуется в результате этой реакции, используется для получения метанола, углеводородов и др.

·                     Галогенирование. Такая реакция является цепной. При нем молекула брома или йода подвергается воздействию света и распадается на радикалы, которые затем атакуют молекулы метана. В результате из соединения удаляется атом водорода, а газ превращается в свободный метил СН₃. Образовавшееся вещество сталкивается с молекулами брома или йода, которые разрушаются, образуя новые радикалы этих реагентов.

·                     Нитрование.

·                     Окисление или горение. Эта реакция протекает при избытке кислорода и описывается следующим уравнением: CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O. В данном случае пламя синее. Если кислорода не хватает, то в результате реакции образуется не углекислый газ, а окись углерода. Если кислорода еще меньше, взаимодействие веществ приведет к выделению мелкодисперсного углерода.

·                     Сульфохлорирование.

·                     Сульфоксидирование.

·                     Разложение.

·                     Дегидрирование.

·                     Каталитическое окисление. В таких реакциях из болотного газа образуются карбоновые кислоты, спирты и альдегиды.

Откуда берется метан и почему он опасен?

В 2018 году на метан (CH₄) приходилось около 9,5% всех выбросов парниковых газов в США в результате деятельности человека. Деятельность человека в вопросе выбросов метана включает утечки из систем добычи природного газа и животноводства. Метан также выделяется из природных источников, таких как естественные водно-болотные угодья. Кроме того, естественные процессы в почве и химические реакции в атмосфере способствуют удалению CH₄ из атмосферы. Метан имеет гораздо более короткое время жизни в атмосфере, чем углекислый газ (CO₂), но CH₄ более эффективно улавливает радиацию. Сравнительное воздействие CH₄ в 25 раз больше, чем CO₂ за 100-летний период.

Во всем мире 50-65% общих выбросов CH₄ приходится на деятельность человека.

·                     Сельское хозяйство. Крупный рогатый скот, свиньи, овцы и козы производят метан как часть нормального процесса пищеварения. Кроме того, этот газ образуется при хранении или переработке навоза. Поскольку люди разводят этих животных для еды и других продуктов, считается, что выбросы связаны с деятельностью человека. Если объединить выбросы скота и навоза, сельскохозяйственный сектор является крупнейшим источником выбросов метана.

·                     Энергетика и промышленность. Нефтяные и газовые системы являются вторым по величине источником выбросов метана. Этот газ является основным компонентом природного газа в США. Метан выбрасывается в атмосферу при добыче, переработке, хранении, транспортировке и распределении природного газа, а также при добыче, переработке, транспортировке и хранении сырой нефти. Добыча угля также является источником выбросов CH₄.

·                     Бытовые и коммерческие отходы. Метан образуется на свалках в результате разложения отходов и очистки сточных вод. Свалки являются третьим по величине источником выбросов CH4 в США. Метан также образуется при очистке и компостировании бытовых и промышленных сточных вод.

Метан также выделяется из ряда природных источников. Естественные водно-болотные угодья являются крупнейшим источником выбросов CH4 от бактерий, которые разлагают органические материалы в отсутствие кислорода. Меньшие источники включают термиты, океаны, отложения, вулканы и лесные пожары.

Метан в природе

В природных условиях метан имеет несколько источников:

·                     природный газ и попутные нефтяные газы, в которых метан является основным компонентом;

·                     шахтный газ, поступающий из угольных пластов и образующий с воздухом взрывоопасную смесь;

·                     вулканические газы;

·                     продукты метаболизма некоторых анаэробных микроорганизмов, перерабатывающих клетчатку и обитающих в болотах, стоячих водоемах, в пищеварительном тракте жвачных животных.

Метан может накапливаться в больших количествах в виде гидрата газа в вечной мерзлоте и на дне океана. В составе гидрата метана молекула внедряется в полости внутри кристаллической решетки водяного льда. Соединения с такой структурой называются клатратами. По мере таяния льда газ выделяется и выбрасывается в атмосферу.

За пределами Земли метан содержится в больших количествах на Титане, спутнике Сатурна, в атмосферах планет-гигантов и на Марсе.

Метан и парниковый эффект

Метан является парниковым газом. Если степень воздействия углекислого газа на климат условно принять за единицу, то парниковая активность метана составит 23 единицы. Содержание метана в атмосфере очень быстро росло за последние два столетия.

Сейчас среднее содержание метана CH4 в современной атмосфере оценивается в 1,8 ppm (частей на миллион, частей на миллион). И, хотя это в 200 раз меньше содержания в нем углекислого газа (СО2), приходящегося на молекулу газа, парниковый эффект метана, то есть его вклад в рассеивание и удержание тепла, излучаемого нагретой солнцем Землей, значительно выше, чем СО2. Кроме того, метан поглощает земное излучение в тех «окнах» спектра, которые прозрачны для других парниковых газов. Без парниковых газов — CO2, водяного пара, метана и некоторых других примесей средняя температура на поверхности Земли была бы всего -23°C, а сейчас составляет около +15°C.

Метан просачивается на дно океана через трещины в земной коре и выделяется в значительных количествах при добыче полезных ископаемых и при сжигании лесов. Недавно был обнаружен совершенно неожиданный новый источник метана — высшие растения, но механизмы образования и значение этого процесса для самих растений до сих пор не выяснены.                  Формула метана и способы его получения

Метан содержится в больших количествах в атмосфере. На присутствие этого газа в воздухе мы не обращаем внимания, потому что он никак не влияет на наш организм, а вот канарейки очень чувствительны к метану.

Однажды они даже помогли шахтерам уйти под землю. Когда процентное содержание метана изменилось, птицы перестали петь. Это служило сигналом человеку, что он опустился слишком низко и ему нужно подняться.

Метан образуется в результате разложения остатков живых организмов. Не случайно метан переводится с английского как болотный газ, ведь его можно найти в болотистых отложениях и угольных шахтах.

Основным источником газа в агропромышленном комплексе является крупный рогатый скот. Да, они выводят метан из организма вместе с другими продуктами жизнедеятельности. Кстати, увеличение поголовья скота на планете может привести к разрушению озонового слоя, ведь метан и кислород образуют взрывоопасную смесь.

Метан в промышленности можно получить при нагревании угля и водорода или путем синтеза водяного газа, все реакции проводят в присутствии катализатора, чаще всего никеля.

В США разработана целая система добычи метана, она способна извлекать до 80% газа из природного угля. На сегодняшний день мировые запасы метана эксперты оценивают в 260 триллионов кубометров! Даже запасы природного газа намного меньше.

В лаборатории метан получают путем взаимодействия карбида алюминия (неорганического соединения алюминия с углеродом) и воды. Также с помощью гидроксида натрия, вступающего в реакцию с ацетатом натрия, более известного как пищевая добавка Е262.

Применение метана

Метан, как и другие предельные углеводороды, широко используется в быту. Используется в производстве бензина, авиационного и дизельного топлива.

Используется как основа для получения различного органического сырья на предприятиях. Метан также широко используется в медицине и косметологии.

Метан используется для производства синтетического каучука, красок и шин.

Спортсмены используют так называемый жидкий метан, чтобы быстро набрать массу за короткий промежуток времени.

А при хлорировании метан образует вещество, которое затем используют для обезжиривания поверхностей или в качестве компонента жидкости для снятия лака. Некоторое время продукт взаимодействия метана и хлора использовался как обезболивающее.

Метан с кислородом: реакция горения

Процесс горения метана представляет собой взаимодействие метана с кислородом. В результате реакции образуется вода, углекислый газ и много энергии. Уравнение реакции горения метана:

CH₄газ + 2O₂газ → CO₂газ + 2H₂Oпар + 891 кДж

Описание реакции

1 молекула метана при взаимодействии с 2 молекулами кислорода образует 1 молекулу углекислого газа и 2 молекулы воды. В ходе реакции выделяется тепловая энергия, равная 891 кДж.

Природный газ является самым чистым ископаемым для сжигания, он имеет простой состав и не выделяет в воздух вредных химических веществ. Поскольку природный газ на 95% состоит из метана, побочных продуктов сжигания природного газа почти нет или гораздо меньше, чем при сжигании других ископаемых видов топлива.

Природный газ сгорает практически без копоти Flickr

Если фарфоровую крышку тигля опустить в пламя метана, то он не будет дымить, так как углерод, входящий в состав метана, сгорает полностью. Бездымное пламя – это качественная реакция на насыщенные углеводороды.

Особенности сгорания метана

Метан может выделяться из горных пород непрерывно или кратковременно. Кратковременным явлением является выброс из зоны аккумуляции при появлении в пласте трещин и разломов. Кроме газовыделения происходит выброс углерода и обломков горных пород.

Кратковременный выброс газа опасен для жизни человека из-за быстрого увеличения его количества, что при достижении концентрации метана в метановоздушной смеси 5% вызывает взрыв.

Для полного сгорания каждого 1 м3 газа в топке потребуется около 2 м3 кислорода. Взаимодействие с окислителем допускается в условиях атмосферного воздуха. Если объем кислорода составляет 21%, то для полного сгорания необходимо в 4,76 раза больше атмосферного воздуха, чем чистого кислорода. Процесс сжигания метана требует постоянного контроля подачи кислорода в топку. Для этого берут пробы продуктов сгорания для определения их состава в процентах.

При какой температуре горит метан?

Сжигание метана используется для получения тепловой энергии. Это химическое соединение взрывоопасно. При попадании в зону открытого пламени взрывается, но при нормальных температурных условиях даже при достаточной концентрации газа в воздухе возгорания не происходит. Температура горения метана 537 ⁰С при самовоспламенении, 187 ⁰С при вспышке. Возгорание со взрывом возможно, если его концентрация достигает не менее 5%. Горение метана происходит при его концентрации 14%, взрыва не происходит. Температура плавления этого химического соединения 182 ⁰С.

Интересный факт! Ученые выявили наличие залежей гидрата метана на шельфе Карского моря в районах вечной мерзлоты. Это вещество похоже на утрамбованный снег. Это смесь воды и метана. Гидрат метана абсолютно инертен при постоянной температуре, но может воспламеняться при ее повышении. При изменении давления химическое соединение распадается на воду и метан. Из 1 см3 гидрата метана образуется 180 см3 чистого газа.

Разложение метана

Разложение метана (также называемое пиролизом метана или крекингом метана) представляет собой химический процесс, который разделяет метан или углеводороды в целом на их элементарные компоненты водород и твердый углерод (уравнение (1)). Основная реакция эндотермическая; необходимая энергия может поступать из различных источников энергии.

В этот процесс разложения входит метан, а выходит водород как в газообразном состоянии, так и углерод в твердом состоянии. Кислород в этом процессе вообще не участвует (т.е не образуется ни СО, ни СО2). Следовательно, нет необходимости в дополнительном отделении СО или СО2 для повышения качества получаемого газа. Поэтому этот процесс менее сложен, чем, например, «классический» процесс паровой конверсии метана (ПМР) 27, 28. В зависимости от требуемой чистоты водорода и степени его превращения такие процессы могут осуществляться без дополнительной очистки или улучшения качества газа.

Если целевым продуктом является только водород без углерода, теоретическая эффективность процесса составляет 59% (уравнение (2)). Оставшаяся энергия, первоначально содержащаяся в природном газе, запасается в виде углерода. В реальных приложениях КПД ниже, например, из-за тепловых потерь. Стехиометрически 21 кг твердого углерода производится на 1 ГДж водорода (в этой статье для справки используется более высокая теплотворная способность (HHV)).

На рис. 2 показаны три категории систем непрерывного разложения метана, которые различаются в зависимости от типа реактора, использования катализатора и источника энергии, связанного с процессом. Большинство возможных комбинаций типа реактора, катализатора и источника энергии можно найти в литературе. Состояние технологического развития охватывает все этапы, от передовых исследований и разработок до коммерчески доступных процессов. Однако ни один из этих коммерчески доступных процессов не дает углерода и водорода высокой чистоты в качестве источника энергии (таблица 2).

Как получить ацетилен

Получить ацетилен из метана в домашних условиях очень сложно. Самый простой способ выделения этого газа — реакция воды с карбидом кальция. Многие из вас наверняка помнят, как кусочки этого вещества бросали в лужи и какая реакция происходила. При этом раздался сильный шипящий звук. Что касается карбида кальция, то он постепенно плавился, образуя большое количество пены. Такую реакцию можно записать следующим образом:

СаС₂ + 2Н₂О = С₂Н₂ + Са(ОН)2.

Многие используют технический карбид кальция, который содержит большое количество примесей. В результате, реагируя с водой, вещество издает неприятный запах. Возникает из-за образования вместе с ацетиленом небольшого количества паров ядовитых газов. Чаще всего это фосфин, сероводород и др. Этот способ считается самым распространенным, так как получить ацетилен из метана можно только с помощью специального оборудования.

Получение в промышленности

Как получают ацетилен из метана в промышленных условиях? В настоящее время используется только один метод: взлом. В процессе получения ацетилена связи - СС разрываются. Это происходит в присутствии катализаторов и при воздействии достаточно высоких температур. Метан используется для производства природного газа. Это недорогое и легкодоступное сырье. По этой причине крекинг является наиболее разумным методом как с экономической, так и с технической точки зрения.

Как осуществляется крекинг

Существует несколько способов осуществления «метан-ацетиленовых» превращений. В первом случае природный газ пропускают через предварительно нагретые электроды. При этом температура может достигать 1600 °С. После нагревания происходит быстрое охлаждение. Второй способ основан на использовании тепла, которое образуется в результате частичного сгорания ацетилена.

Уравнения реакции «метан – ацетилен» записываются следующим образом:

1.       В случае I: 2CH₄ = C₂H₂ + 3H₂.

2.       В случае II: 6CH₄ + 4O₂ = C₂H₂ + 8H₂ + 3CO + CO₂ + 3H₂O.

Специалисты не рекомендуют использовать для хранения ацетилена баллоны, оснащенные бронзовыми вентилями. Ведь медь входит в состав этого сплава. Поскольку ацетилен реакционноспособен, он может реагировать с металлом. В результате образуются взрывоопасные соли.

Радикальный механизм хлорирования метана

Хлорирование алканов при нагревании, облучении и в присутствии радикалообразующих инициаторов происходит по радикально-цепному механизму $SR$ (Семенова) и состоит из трех основных стадий:

1.       цепочка инициации (инициация)

Рисунок 3. Хлорирование метана

2.       рост цепи

Рисунок 4. Хлорирование метана

3.       обрыв цепи (рекомбинация)

Рисунок 5. Хлорирование метана

Так, молекула хлора Cl₂ под действием света или при нагревании получает избыток энергии, возбуждается и распадается на два атома, которые по своей природе являются радикалами. Атом-радикал хлора в процессе столкновения или взаимодействия с другими молекулами отделяет атом водорода от молекулы метана CH₄ с образованием метильного радикала CH₃. Радикал-вытеснитель, в свою очередь, удаляет атом хлора из следующей молекулы Cl₂ и так далее, так что один образовавшийся радикал инициирует множество итераций стадии роста цепи. Количество таких повторов определяет длину кинетической цепи всей реакции, для хлорирования она может достигать 10 000 долларов и более.

На рис. 6 представлена ​​энергетическая диаграмма хлорирования метана.

Рис. 6. Диаграмма свободной энтальпии взаимодействия атома хлора и молекулы метана

Закономерности радикального хлорирования метана

Исходя из общетеоретических соображений, атом хлора и молекула метана будут взаимодействовать друг с другом только тогда, когда их свободная энтальпия будет равна барьерной энергии (и энергии активации) 16,7 кДж/моль, что всегда немного больше разности (-6 кДж/моль) энергии разрыва старой связи CH (+425 кДж/моль) и образования новой связи — связи H-Cl (-431 кДж/моль). Поэтому не все столкновения реагирующих частиц вызывают их взаимодействие, а только те, которые достаточны для преодоления этого барьера.

Дополнительная энергия активации возникает за счет облучения или нагревания молекул. Возбужденные молекулы проявляют достаточно высокие скорости движения, кинетическая энергия которых при столкновениях переходит в потенциальную. В верхней части кривой в переходном состоянии PS_1 между реагирующими компонентами образуется активированный комплекс, в котором разрыв старой связи CH и образование новой {rm H}-Cl происходят примерно одновременно. Образовавшийся ракетный радикал обладает достаточной потенциальной энергией и относительно легко взаимодействует с последующей молекулой Cl_2. Энергия активации этой стадии составляет всего 2 кДж/моль. Образование конечного соединения CH_3Cl проходит стадию второго активированного комплекса с переходным состоянием PS_2.

Хлорирование метана и других алканов при таких температурах является плохо контролируемым процессом, который, как правило, не останавливается на стадии образования хлористого метила $CH_3C1$ и может продолжаться:

Ионный механизм хлорирования метана

В присутствии катализаторов (кислоты Льюиса A1C1_3, SbF_5), способствующих ионному механизму реакции, процесс хлорирования в кислой среде носит электрофильный характер (Se). Химия взаимодействия электроноакцепторного хлорида алюминия с молекулой хлора заключается в значительной поляризации неполярной связи CC, вызывающей ее диссоциацию с образованием электрофильного агента. Без таких катализаторов реакция ионного хлорирования почти не протекает, так как гетеролитическое расщепление молекулы хлора на катион и анион требует значительной энергии (1130 кДж/моль).

Хлорирование предельных углеводородов в присутствии катализаторов происходит по ионно-цепному электрофильному механизму (Se):

Рисунок 8. Хлорирование метана

Молекула хлора под действием катализатора гетеролизируется с образованием сложной ионной пары A1Cl_4-Cl, так как алюминий связан с электроотрицательными атомами хлора и нуждается в электронах. В этом смысле он отделяет атом хлора с парой электронов от молекулы Cl_2. При этом одновременно образуется катион хлора, который затем взаимодействует с молекулой метана и гетеролитически разрывает связь CH. Это взаимодействие приводит к образованию метилкарбокатиона. Последний далее реагирует с молекулой хлора с образованием хлористого метила, а катион хлора реагирует с другой молекулой метана. Такие ионные реакции, в которых промежуточными частицами являются положительно заряженные ионы, называются электрофильными.

Хлорирование предельных углеводородов в присутствии катализаторов проводят при нагревании реакционной смеси, так как диссоциация молекулы хлора на ионы требует значительных затрат энергии.

Особенности хлорирования метана

Характерным свойством алканов является взаимодействие с представителем группы галогенов, таким как хлор. Метан не исключение.

Хлорирование метана имеет свои особенности:

·                     ультрафиолет используется для расщепления молекулы хлора на атомы;

·                     в процессе хлорирования метана выделяется тепло в количестве 108,8 кДж/моль;

·                     хлорирование алканов происходит при рассеянном свете, т.к при прямом освещении возможен взрыв;

·                     хлорирование метана происходит при нагревании до 200 градусов Цельсия или под действием ультрафиолета.

В ходе реакции хлорирования атомы водорода замещаются атомами хлора в формуле алкана. В результате получают хлорированные предельные углеводороды.

В зависимости от мольного соотношения хлора и метана получают:

·                     при взаимодействии 2 молей хлора с 1 молем метана преимущественно хлористый метил, хлористый метилен и хлороформ;

·                     при соотношении хлор/метан от двух до четырех основными продуктами являются хлороформ и четыреххлористый углерод.

Где используется процесс

Хлорпроизводные предельных углей, получаемые в процессе хлорирования метана, находят применение в различных областях человеческой деятельности.

Прежде всего, продукты хлорирования метана являются хорошими растворителями. Примером такого растворителя является (CH₂ Cl₂), дихлорметан.

Хлористый метил используется в производстве метилцеллюлозы, в качестве хладагента для холодильных установок. Он также используется в качестве производного для производства пластмасс и каучуков.

Четыреххлористый углерод (CСl_{4}) используется для тушения пожаров. Хлороформ (CHCl₃) — в медицине как обезболивающее.

Скачано с www.znanio.ru