Номер 44, страница 31 - гдз по химии 10-11 класс задачник Еремин, Дроздов

2.44. Почему практически не применяются реакции прямого фторирования алканов?

Реакции прямого фторирования алканов практически не применяются по нескольким ключевым причинам, связанным с уникальными свойствами фтора и характером его взаимодействия с органическими соединениями.

1. Чрезвычайно высокая реакционная способность фтора и экзотермичность реакции.

Фтор является самым электроотрицательным и химически активным элементом. Реакция фтора с алканами является цепной свободнорадикальной реакцией, которая протекает с выделением огромного количества теплоты (сильно экзотермична). Это обусловлено тем, что в ходе реакции разрывается относительно слабая связь $F-F$ (энергия диссоциации $159$ кДж/моль) и образуются очень прочные связи $C-F$ (около $485$ кДж/моль) и $H-F$ ($567$ кДж/моль). Суммарный тепловой эффект реакции настолько велик, что она протекает со взрывом. Например, для реакции метана с фтором:

$CH_4 + F_2 \rightarrow CH_3F + HF$

Изменение энтальпии ($\Delta H$) составляет приблизительно $-430$ кДж/моль. Такое большое тепловыделение приводит к резкому повышению температуры в реакционной смеси, что еще больше ускоряет реакцию и делает ее неуправляемой.

2. Низкая селективность.

Свободнорадикальное фторирование, в отличие от хлорирования или бромирования, практически неселективно. Атом фтора ($F\cdot$) настолько активен, что реагирует с любым C-H-связями в молекуле алкана (первичными, вторичными, третичными) почти с одинаковой скоростью. Энергия активации для стадии отрыва атома водорода фтором близка к нулю. Это приводит к образованию сложной смеси продуктов моно- и полифторирования, включая различные изомеры, которую очень трудно разделить и которая не имеет практической ценности.

3. Деструкция углеродного скелета.

Колоссальное количество энергии, выделяющейся в ходе реакции, достаточно не только для разрыва связей $C-H$, но и для разрыва более прочных связей $C-C$ в молекуле алкана. В результате происходит разрушение (деструкция) углеродного скелета исходного соединения. Процесс сопровождается образованием смеси более коротких фторуглеродов, перфторалканов (например, $CF_4$) и даже элементарного углерода (сажи). Этот процесс называют деструктивным фторированием.

Из-за этих факторов (взрывной характер, неселективность и деструкция) прямое фторирование алканов в обычных условиях невозможно контролировать. Для его проведения требуются специальные, труднореализуемые условия: очень низкие температуры (до $-78^\circ C$ и ниже), сильное разбавление реагентов инертным газом (азотом, гелием), использование специальных реакторов с высокой теплоотдачей. В промышленных и лабораторных условиях для получения фторалканов используют другие, более безопасные и селективные методы, например, реакции галогенного обмена (реакция Свартса) или действие более мягких фторирующих реагентов (например, $CoF_3$).

Ответ: Реакции прямого фторирования алканов практически не применяются из-за их чрезвычайно высокой экзотермичности, приводящей к взрыву, а также из-за низкой селективности и склонности к разрушению углеродного скелета молекул алканов, что делает процесс неуправляемым и непрактичным для получения целевых продуктов.