Особенности хлорирования метана

Что такое метан

Метан в переводе с латинского обозначает «болотный газ». В обычных условиях это бесцветный газ без запаха, в два раза легче воздуха, малорастворим в воде, для человека не ядовит, хотя обладает небольшим наркотическим действием. Относится к простейшим предельным углеводородам.

Является третьим по значимости парниковым газом, его вклад в парниковый эффект оценивается специалистами в 4–9 %. Химическая формула — \(CH_{4}\).

Применение метана: используется в качестве топлива как в промышленности, так и в быту. В случае использования в быту его специально одорируют, т. е. добавляют запах, с помощью тиолов, чтобы можно было почувствовать утечку. В промышленности для отслеживания утечек используют датчики.

Для человека является опасным не избыток метана в помещении, а недостаток кислорода. При 20–30 % содержания метана в воздухе человек испытывает одышку, а более высокая концентрация метана вызывает симптомы, характерные для горной болезни.

При накоплении в закрытом помещении в концентрации от 4,4 до 17 % взрывоопасен. Класс опасности метана — четвертый.

Формула и молекула метана:

Химические свойства метана

Метан довольно устойчив к химическим реакциям, как первый член гомологического ряда алканов (насыщенных углеводородов).
Доступные ему химические реакции разнообразны.

Горение — метан горит голубоватым пламенем с образованием углекислого газа и воды, реакция имеет необратимый характер:

\(CH_{4} + 2O_{2} → СO_{2}↑ + 2Н_{2}O\)

Замещение — реакция с галогенами, такими как хлор или бром:

\(CH_{4} + Cl_{2} → CH_{3}Cl + НСl\)

\(CH_{4} + Br_{2} → CH_{3}Br + НBr\)

Разложение бывает двух типов:

1. Полное: \(СН_{4} → С + 2H_{2}.\)
2. Неполное: \(2СН_{4} → С_{2}Н_{2} + 3Н_{2}.\)

Реакция с кислотами:

\(2CH_{4} + Н_{2}SО_{4} → СН_{3}SО_{3}Н + Н_{2}О\)

Окисление:

1. Полное: \(2СН_{4} + 3O_{2} → 2CO + 4Н_{2}O.\)
2. Неполное: \(СН_{4} + О_{2} → С + 2Н_{2}O.\)

Также у метана присутствует каталитическое окисление, т. е. происходящее в присутствии катализатора. При этом можно получить разный конечный результат, зависящий от количества молей веществ:

1. Спирты: \(2СН_{4} + O_{2} → 2СO_{3}OН.\)
2. Альдегиды: \(СН_{4} + O_{2} → НСОН + Н_{2}O.\)
3. Карбоновые кислоты: \(2СН_{4} + 3O_{2} → 2НСОOН + 2Н_{2}O.\)

Нитрирование метана или реакция Коновалова с образованием нитросоединений:

\(CH_{4} + НNО_{3} → СН_{3}NO_{2} + H_{2}O\)

Дегидрирование, т. е. разложение метана с образованием ацетилена:

\(2CН_{4} → C_{2}H_{2} + 3Н_{2}\)

Особенности хлорирования метана

Характерное свойство алканов — вступать в реакцию с таким представителем группы галогенов, как хлор. Метан не является исключением.
В хлорировании метана есть свои особенности:

• для распада хлорной молекулы на атомы используют ультрафиолет;
• в процессе хлорирования метана выделяется теплота в количестве 108,8 кДж/моль;
• хлорирование алканов происходит при рассеянном свете, потому что при прямом освещении возможен взрыв;
• хлорирование метана происходит либо с подогревом до 200 градусов Цельсия, либо при ультрафиолетовом свете.

В ходе реакции хлорирования происходит замещение в формуле алканов атомов водорода атомами хлора. В результате получаются хлорпроизводные насыщенные углеводороды. В зависимости от мольного соотношения хлора и метана получают:

• при реакции 2 молей хлора с 1 молем метана — в основном хлористый метил, хлористый метилен и хлороформ;
• при соотношении хлор/метан два к четырем главными продуктами являются хлороформ и четыреххлористый углерод.

Где используется процесс

Хлорпроизводные насыщенные углероды, получаемые в процессе хлорирования метана, используются в различных сферах человеческой деятельности.
Прежде всего продукты хлорирования метана являются хорошими растворителями. Пример такого растворителя — \(CH_{2}Cl_{2}\), дихлорметан.

Хлористый метил применяют при производстве метилцеллюлозы, в качестве хладагента для холодильных установок. Также он используется как производное для получения пластмасс и каучуков.

Тетрахлорметан \(CСl_{4}\) применяется для тушения пожаров. Хлороформ \(CHCl_{3}\) — в медицине в качестве анестетика.

Радикальный механизм хлорирования метана

Механизм радикально-цепного типа \(S_{R}\) способствует осуществлению реакции хлорирования метана с участием в ней инициаторов, способствующих образованию радикалов, при нагреве и облучении светом.
Процесс состоит из трех этапов:

• инициирование цепи — под воздействием света или тепла молекула хлора возбуждается и распадается на два атома (радикала);
• рост цепи — радикал хлора при столкновении с молекулой метана замещает один атом водорода;
• обрыв цепи — атом водорода соединяется с атомом хлора, отщепляя его от молекулы хлора.

Потом цикл повторяется.

Процесс наглядно показан на нижеприведенной схеме:

Закономерности радикального хлорирования метана

Процесс радикального хлорирования метана имеет характерные закономерности:

• взаимодействие атомов хлора и водорода будет происходить, только если их свободная энергия равна энергии активации;
• возникновение дополнительной активационной энергии происходит из-за нагревания или светового облучения;
• хлорирование метана при температуре 200 градусов Цельсия — это плохо управляемый химический процесс, который идет и после образования хлористого метила \(СН_{3}Сl\).

Ионный механизм хлорирования метана

Если хлорирование метана будет протекать в кислой среде в присутствии катализаторов (кислот Льюиса \(SbF_{5}, AlCl_{3}\)), то хлорирование пойдет по ионному механизму. Без катализаторов такой механизм практически не осуществляется, потому что для процесса необходимо много энергии.

Катализатор запускает гетеролитический распад молекул хлора, что сопровождается образованием ионной комплексной пары \([AlCl_{4}]^{-} Cl^{+}\), так как алюминий нуждается в электронах из-за соединения с отрицательно заряженными атомами хлора.

Из-за этого же атом алюминия отрывает от атома хлора два электрона, что приводит к образованию катиона хлора, который впоследствии гетеролитично разрывает связь \(С—Н\). В результате получается метильный карбокатион. При взаимодействии с хлорной молекулой он образует хлористый метил и катион хлора, который начинает взаимодействие со следующей молекулой.

Поскольку для распада хлорных молекул необходима энергия, то реакция хлорирования метана в присутствии катализатора сопровождается нагревом смеси.