Номер 123, страница 42 - гдз по химии 10 класс сборник задач Матулис, Матулис

123. *В смеси продуктов хлорирования этана наряду с хлорпроизводными и хлороводородом присутствует небольшое количество $n$-бутана. Объясните наблюдаемое явление, напишите уравнения реакций, приводящих к образованию $n$-бутана.

Решение

Присутствие небольшого количества н-бутана в продуктах хлорирования этана объясняется цепным свободнорадикальным механизмом этой реакции. Реакция протекает в три основные стадии: инициирование, развитие (рост) цепи и обрыв цепи.

Образование н-бутана ($C_4H_{10}$) происходит на заключительной стадии — обрыве цепи. В ходе реакции в качестве промежуточных частиц образуются свободные этильные радикалы ($C_2H_5•$). Обрыв цепи происходит, когда два радикала сталкиваются и соединяются (рекомбинируют), образуя стабильную молекулу. Одним из возможных путей обрыва цепи является рекомбинация двух этильных радикалов, что и приводит к удлинению углеродной цепи и образованию н-бутана.

Рассмотрим стадии механизма, приводящие к появлению н-бутана:

1. Инициирование цепи

Под действием света (квант энергии $h\nu$) или нагревания молекула хлора подвергается гомолитическому разрыву связи с образованием двух атомарных радикалов хлора:

$Cl_2 \xrightarrow{h\nu} Cl• + Cl•$

2. Развитие цепи

Активный радикал хлора атакует молекулу этана, отрывая от нее атом водорода. Это приводит к образованию молекулы хлороводорода и, что ключевое, этильного радикала:

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

Далее этильный радикал может реагировать с молекулой хлора, продолжая цепь и образуя основной продукт (хлорэтан):

$CH_3-CH_2• + Cl_2 \rightarrow CH_3-CH_2Cl + Cl•$

3. Обрыв цепи (с образованием н-бутана)

Цепь обрывается, когда два радикала взаимодействуют друг с другом. В реакционной смеси присутствуют радикалы $Cl•$ и $C_2H_5•$. Образование н-бутана происходит в результате столкновения и рекомбинации двух этильных радикалов:

$CH_3-CH_2• + •CH_2-CH_3 \rightarrow CH_3-CH_2-CH_2-CH_3$

Поскольку концентрация радикалов в системе обычно очень низка, вероятность их взаимного столкновения (обрыв цепи) гораздо меньше вероятности их столкновения с молекулами реагентов (развитие цепи). Именно поэтому н-бутан является побочным продуктом и образуется в небольшом количестве.

Ответ:

Наблюдаемое явление — образование н-бутана при хлорировании этана — объясняется свободнорадикальным цепным механизмом реакции. н-Бутан является продуктом побочной реакции, протекающей на стадии обрыва цепи, а именно — рекомбинации (соединения) двух этильных радикалов ($C_2H_5•$), которые являются активными промежуточными частицами в основном процессе.
Уравнения реакций, приводящих к образованию н-бутана:

1. Образование этильного радикала (стадия развития цепи): $C_2H_6 + Cl• \rightarrow C_2H_5• + HCl$

2. Образование н-бутана (стадия обрыва цепи): $C_2H_5• + C_2H_5• \rightarrow C_4H_{10}$