CH4 + Cl2 → CH3Cl + HCl | Phản ứng hóa học CH4 ra CH3Cl

CH4 + Cl2 → CH3Cl + HCl | Phản ứng hóa học CH4 ra CH3Cl
1. Thông tin chi tiết về các chất tham gia phản ứng
1.1. Thông tin về CH4 (metan)
CH4 hay còn được gọi là metan, là một hợp chất hóa học với công thức hóa học CH4, bao gồm
một nguyên tử carbon và bốn nguyên tử hydrogen. Thuộc nhóm 14 và là alkan đơn giản nhất.
Metan là thành phần chủ yếu của khí tự nhiên, tồn tại trong nhiều các mỏ khí như khí tự nhiên,
khí dầu mỏ, khí mỏ than, cũng như trong khí sinh học như khí biogas. Đây là một khí không
màu, không mùi và không độc hại, nó đóng vai trò quan trọng trong ngành năng lượng và là
nguồn nhiên liệu sạch, góp phần vào việc giảm phát thải và bảo vệ môi trường.
Khí metan là một trong những chất tạo nên hiệu ứng nhà kính, đóng vai trò quan trọng trong
việc làm nóng toàn cầu. Dù tồn tại trong khí quyển trái đất, nhưng metan không đều và không
đáng kể, với mật độ thay đổi tùy thuộc vào mùa vụ. Sự gia tăng của metan trong không khí có
liên quan đến hoạt động sản xuất như nông nghiệp, quá trình tự nhiên như phân hủy hữu cơ và mỏ dầu.
*Về tính chất vật lý và tính chất hóa học của metan:
Thứ nhất, về tính chất vật lý: CH4 hay metan, là một loại khí không màu, không mùi và không vị,
nó cũng rất độc và dễ cháy, khi cháy tạo ra lửa màu xanh. Khí metan trở nên nguy hiểm khi kết
hợp với các hóa chất khác, thường dẫn đến tình trạng nổ ở nồng độ cao, thậm chí có thể gây tử
vong nếu tiếp xúc trực tiếp.
Metan không có tính dẫn điện, hòa tan tốt trong dung môi không phân cực. Có khối lượng riêng
là 0.717 kg/m3, hóa lỏng khi ở -162ºC và hóa rắn ở -183ºC.
Thứ hai, về tính chất hóa học của metan.
Metan tác dụng với oxi: CH4 +2O2 → CO2 + 2H2O. Khi CH4 cháy hoàn toàn tạo thành cacbon
dioxit và hơi nước. Hỗn hợp gồm một thể tích metan và hai thể tích oxi là hỗn hợp nổ mạnh.
Tác dụng với Clo khi có ánh sáng: CH4 + Cl2 → CH3Cl + HCl
Trong phản ứng trên, nguyên tử hydro của metan được thay thế bởi nguyên tử clo (Cl), do đó
phản ứng trên được gọi là phản ứng thế
Phản ứng nhiệt phân ở 1500ºC: 2CH4 → C2H2 + H2
* Điều chế metan trong công nghiệp:
Metan là chất dùng để điều chế andehit axetic, axetilen từ metan
Ngoài ra, CH4 có thể làm nguyên liệu sản xuất hydro metanol, anhidrit axetic, axit acetic... Bên
cạnh đó, metan tồn tại dưới dạng khí tự nhiên, được dùng làm nhiên liệu cho các phương tiện
giao thông, đồng thời được đánh giá cao là một nguồn năng lượng thân thiện với môi trường.
* Một số phương trình điều chế CH4
12H2O + Al4C3 → 4AL(OH)3 + 3CH4
12HCL + AL4C3 → 4ALCL3 + 3CH4
CH3COONa + NaOH → CH4 + Na2CO3 (xúc tác là CaO)
1.2. Thông tin về Cl2 (clo)
Clo là nguyên tố hóa học, nằm ở ô số 17, chu kì 3 trong bảng tuần hoàn nguyên tố có ký hiệu
hóa học là Cl với nguyên tử khối là 35.5, công thức phân tử CL2. Clo là nguyên tử phổ biến được
ứng dụng nhiều trong công nghiệp.
* Về tính chất vật lí, tính chất hóa học của Clo:
- Thứ nhất, tính chất vật lí nổi bật của Clo bao gồm:
Clo là chất khí, màu vàng lục, mùi hắc, nặng gấp 2.5 lần không khí.
Clo có thể tan trong nước và có tính độc. Đây là một chất vô cùng độc hại.
Điểm đun của clo là -34,6 độ và điểm sôi là -101,5 độ C.
- Thứ hai, về tính chất hóa học của Clo:
Clo là một phi kim nên có khả năng oxi hóa mạnh. Trong các hợp chất như NaCl, KCl thì Clo
thường có mức oxi hóa là -1. Tuy nhiên, clo cũng là một chất có tính khử. Tính khử của clo được
thể hiện trong trường hợp tác dụng với Oxi. Các mức oxi hóa của clo thường là +1, +3, +5 hay +7...
Như những phi kim khác, clo tác dụng với kim loại để tạo ra muối (hay còn được gọi là
halogenua), chỉ trừ Au và Pt. Ví dụ: 2Na + Cl2 → 2NaCl
Clo cũng tác dụng với hydro để tạo ra hợp chất khí H2 + Cl2 → 2HCl
Cl (clorua) phản ứng với nước sẽ xảy ra 2 chiều ngược nhau Cl2 + H2O ⇔ HCl + HClO
* Về điều chế trong công nghiệp:
- Trong công nghiệp, khí Clo được điều chế bằng phương pháp điện phân dung dịch natri clorua
(NaCl) bão hòa có màng ngăn xốp. Quá trình điện phân này tạo ra khí Clo ở cực dương và khí
hydro ở cực âm, trong khi dung dịch NaOH được sản xuất.
2NaCl + 2H2O → H2 + 2NaOH + Cl2
- Clo được sử dụng làm chất tẩy trắng, chất khử trùng và chất bảo quản trong quá trình sản xuất
và lưu trữ thực phẩm. Ngoài ra clo còn được sử dụng để khử trùng nước uống, nước thải để
loại bỏ vi khuẩn. Trong y tế clo được sử dụng trong việc tiêm trực tiếp vào dung dịch để điều trị
nhiễm trùng da, vi khuẩn hoặc nấm.
* Một số phương trình điều chế Clo 2AgCl → 2Ag + Cl2 CaCl →Ca + Cl2
2H2O +CaCl2 → Ca(OH)2 + Cl2 + 2H2
2. Thông tin về điều kiện, hiện tượng của phản ứng khi cho tác dụng CH4 + Cl2 - Điều kiện: Ánh sáng
- Quá trình thực hiện: Đưa bình đựng hỗn hợp khí metan và clo ra ánh sáng. Sau một thời gian,
cho nước vào bình, lắc nhẹ rồi thêm vào một mẩu giấy quỳ tím.
- Hiện tượng: Khi đưa ra ánh sáng, màu vàng nhạt của clo mất đi, giấy quỳ tím chuyển sang màu đỏ.
- Khi metan đã tác dụng với clo khi có ánh sáng, clo có thể thay thế lần lượt từng nguyên tử H
trong phân tử metan. Khi có ánh sáng, khí metan phản ứng với khí clo thu được metyl clorua
(CH3Cl) và hydro clorua (HCl - khí)
Đây là một phản ứng thế, các đồng đẳng của metan cũng tham gia phản ứng thế này, clo không
chỉ thế một nguyên tử H trong phân tử metan mà nó cũng thế lần lượt từng nguyên tử H trong phân tử metan.
3. Phương trình CH4 + Cl2 → CH3Cl + HCl
- Điều kiện phản ứng: Chiếu sáng hoặc đun nóng.
- Cách thực hiện phản ứng: Khi có ánh sáng, CH4 phản ứng với Cl2 thu được metyl clorua
(CH3Cl) và hydro clorua (HCl - khí).
- Đối với phản ứng thế clo, trước khi chiếu sáng hoặc đun nóng hỗn hợp, khí clo có màu vàng.
Sau khi phản ứng xảy ra hỗn hợp thu được không có màu. Tương tự như metan (CH4), các đồng
đẳng của metan cũng tham gia phản ứng thế tương tự. Clo không chỉ thế một nguyên tử H
trong phân tử metan mà có thể thế lần lượt từng nguyên tử H trong phân tử metan.
- Ở nhiệt độ thường, các ankan không tác dụng với axit, dung dịch kiềm và các chất oxi hóa như
dung dịch KMnO4 (thuốc tím)
- Khi chiếu sáng hoặc đun nóng, các ankan dễ dàng tham gia các phản ứng thế, phản ứng tách hydro và phản ứng cháy.
- Khi bị đốt, các ankan đều cháy, tỏa nhiều nhiệt (hay còn được gọi là phản ứng oxi hóa)
* Thông tin các chất sau phản ứng:
Về CH3CL (metyl clorua): nguyên tử khối: 50.4875, không màu, trạng thái khí, thuộc nhóm hợp
chất hữu cơ, được sử dụng rộng rãi như một chất làm lạnh, cực kỳ dễ cháy, có thể không mùi hoặc có mùi.
Về HCl (axit clohidric): nguyên tử khối 36.4609, trong suốt, trạng thái lỏng. HCl là một chất khí
không màu đến hơi vàng, có tính ăn mòn, không cháy, nặng hơn không khí và có mùi khó chịu ở
nhiệt độ và áp suất thường. HCl thường được bán trên thị trường dưới dạng dung dịch.
4. Bài tập vận dụng
Câu 1:Phản ứng hóa học đặc trưng của metan là: A. Phản ứng thế B. Phản ứng cộng
C. Phản ứng oxi hóa - khử D. Phản ứng phân hủy.
Câu 2: Cho các phát biểu sau:
1) Metan tác dụng với clo khi có ánh sáng
2) Metan là chất khí, không màu, không mùi, nặng hơn không khí.
3) Metan cháy tỏa nhiều nhiệt nên được dùng làm nhiên liệu trong đời sống và trong sản xuất
4) Hỗn hợp giữa metan và clo là hỗn hợp nổ
5) Trong phân tử metan có bốn liên kết đơn C - H
6) Metan tác dụng với clo ở điều kiện thường
Những phát biểu nào không đúng? A. 1,3,5 B. 1,2,6 C. 2,4,6 D. 2,4,5
Câu 3: Điều kiện để phản ứng giữa Metan và Clo xảy ra là:
A. Có bột sắt làm xúc tác B. Có axit làm xúc tác C. Có nhiệt độ D. Có ánh sáng
Câu 4: Phản ứng nào sau đây là phản ứng thế? A. FeO + 2HCl → FeCl2 + H2O B. Zn + 2HCl → ZnCl + H2
C. 3Zn + 8HNO3 → 3Zn(NO33)2 +2NO + 4H2O
D. Fe(NO3)2 + AgNO3 → Fe(NO3)3 + Ag