Номер 54, страница 31 - гдз по химии 10-11 класс задачник Еремин, Дроздов

2.54. На основании представлений о механизме радикального замещения объясните, каким образом при хлорировании метана может образоваться небольшое количество 1,2-дихлорэтана.

Хлорирование метана протекает по цепному свободнорадикальному механизму, который включает три основные стадии: инициирование цепи, рост (развитие) цепи и обрыв цепи.

1. Инициирование цепи

Под действием ультрафиолетового света или нагревания молекула хлора гомолитически распадается на два радикала хлора:

$Cl_2 \xrightarrow{h\nu} 2Cl\cdot$

2. Рост цепи

Радикал хлора атакует молекулу метана, отрывая атом водорода, что приводит к образованию соляной кислоты и метильного радикала. Затем метильный радикал реагирует с молекулой хлора, образуя основной продукт реакции — хлорметан, и регенерируя радикал хлора, который продолжает цепь.

$Cl\cdot + CH_4 \rightarrow HCl + \cdot CH_3$

$\cdot CH_3 + Cl_2 \rightarrow CH_3Cl + Cl\cdot$

3. Обрыв цепи

Цепная реакция прекращается, когда два радикала рекомбинируют (соединяются) друг с другом. Именно на этой стадии могут образовываться побочные продукты. Образование небольшого количества 1,2-дихлорэтана можно объяснить двумя основными путями, которые являются следствием побочных процессов в рамках этого механизма.

Путь А: Через образование этана и его последующее хлорирование

В ходе реакции в системе присутствуют метильные радикалы ($\cdot CH_3$). Их рекомбинация является одной из возможных реакций обрыва цепи и приводит к образованию этана:

$\cdot CH_3 + \cdot CH_3 \rightarrow CH_3-CH_3$ (этан)

Образовавшийся в качестве побочного продукта этан, в свою очередь, может вступать в реакцию радикального хлорирования по аналогии с метаном. В результате многостадийного хлорирования этана может образоваться 1,2-дихлорэтан:

$Cl\cdot + CH_3-CH_3 \rightarrow HCl + \cdot CH_2-CH_3$

$\cdot CH_2-CH_3 + Cl_2 \rightarrow CH_3-CH_2Cl + Cl\cdot$ (хлорэтан)

$Cl\cdot + CH_3-CH_2Cl \rightarrow HCl + \cdot CH_2-CH_2Cl$

$\cdot CH_2-CH_2Cl + Cl_2 \rightarrow Cl-CH_2-CH_2Cl + Cl\cdot$ (1,2-дихлорэтан)

Путь Б: Через рекомбинацию хлорметильных радикалов

Этот путь является более прямым. При хлорировании метана образуется не только хлорметан ($CH_3Cl$), но и продукты его дальнейшего замещения, например, дихлорметан ($CH_2Cl_2$). Промежуточной частицей на пути к дихлорметану является хлорметильный радикал ($\cdot CH_2Cl$):

$Cl\cdot + CH_3Cl \rightarrow HCl + \cdot CH_2Cl$ (хлорметильный радикал)

Два таких хлорметильных радикала могут рекомбинировать друг с другом на стадии обрыва цепи, образуя непосредственно молекулу 1,2-дихлорэтана:

$\cdot CH_2Cl + \cdot CH_2Cl \rightarrow Cl-CH_2-CH_2Cl$ (1,2-дихлорэтан)

Поскольку концентрация радикалов в реакционной смеси мала, реакции их рекомбинации (обрыв цепи) происходят значительно реже, чем реакции роста цепи. Поэтому продукты, образующиеся на стадии обрыва цепи, такие как 1,2-дихлорэтан, получаются лишь в небольших количествах.

Ответ: Небольшое количество 1,2-дихлорэтана при хлорировании метана образуется в результате побочных реакций, протекающих в рамках свободнорадикального механизма. Основной путь его образования — это рекомбинация (соединение) двух хлорметильных радикалов ($\cdot CH_2Cl$), которые являются промежуточными частицами при дальнейшем хлорировании продукта реакции — хлорметана ($CH_3Cl$). Альтернативный путь включает образование этана (в результате рекомбинации двух метильных радикалов $\cdot CH_3$) и его последующее хлорирование до 1,2-дихлорэтана.