Химические свойства Метана

Горит в воздухе голубоватым пламенем, при этом выделяется энергия около 39 МДж на 1 м³. С воздухом образует взрывоопасные смеси при объёмных концентрациях от 5 до 15 процентов.
Вступает с галогенами в реакции замещения (например, CH4 + 3Cl2= CHCl3+ 3HCl), которые проходят по свободно радикальному механизму:
CH4 + ½Cl2 = CH3Cl (хлорметан)
CH3Cl + ½Cl2 = CH2Cl2 (дихлорметан)
CH2Cl2 + ½Cl2 = CHCl3 (трихлорметан)
CHCl3 + ½Cl2 = CCl4 (тетрахлорметан)
Выше 1400° С разлагается по реакции:
2CH4 = C2H2 + 3H2
Окисляется до муравьиной кислоты при 150—200 °C и давлении 30—90 атм по цепному радикальному механизму:
CH4 + 3[O] = HCOOH + H2O

2. Ме­ха­низм ре­ак­ции за­ме­ще­ния на при­ме­ре хло­ри­ро­ва­ния ме­та­на

При хло­ри­ро­ва­нии атом Н в мо­ле­ку­ле ме­та­на за­ме­ща­ет­ся на атом Cl. В из­быт­ке хлора про­ис­хо­дит даль­ней­шее за­ме­ще­ние:

СН4 + Сl2 CH3Cl + HCl;

CH3Cl + Сl2 CH2Cl2 + HCl;

CH2Cl2 + Сl2 CHCl3 + HCl;

CHCl3 + Сl2 CCl4 + HCl.

Ме­ха­низм ре­ак­ции – по­сле­до­ва­тель­ность ста­дий, через ко­то­рые про­хо­дит хи­ми­че­ская ре­ак­ция.

Ста­дия 1 – за­рож­де­ние цепи (ини­ци­а­ция)

Когда мо­ле­ку­лу хлора на­гре­ва­ют или об­лу­ча­ют, сла­бая связь между ато­ма­ми хлора рвет­ся, при этом каж­до­му из ато­мов при раз­ры­ве связи до­ста­ет­ся по од­но­му элек­тро­ну.

В ре­зуль­та­те об­ра­зу­ют­ся неза­ря­жен­ные ча­сти­цы с неспа­рен­ным элек­тро­ном – ра­ди­ка­лы. Атомы в ра­ди­ка­лах со­дер­жат на внеш­нем уровне нечет­ное число элек­тро­нов. По­это­му ра­ди­ка­лы – очень неустой­чи­вые и ре­ак­ци­он­но­спо­соб­ные ча­сти­цы.

Cl:Сl 2 Сl·.

Ста­дия 2 – раз­ви­тие (рост) цепи

Атом хлора при столк­но­ве­нии с мо­ле­ку­лой ал­ка­на от­ры­ва­ет от нее атом Н, и об­ра­зу­ет­ся мо­ле­ку­ла HCl. Воз­ни­ка­ет новый сво­бод­ный ра­ди­кал ·СН3. Он далее ре­а­ги­ру­ет с дру­гой мо­ле­ку­лой хлора. Такие вза­и­мо­дей­ствия могут по­вто­рять­ся много раз, об­ра­зуя длин­ную цепь.

Сl· + CH4¾® HCl + ·СН3;

·СН3 + Сl2¾® Сl· + CH3Сl…

Ста­дия 3 – обрыв цепи (ре­ком­би­на­ция)

Два ра­ди­ка­ла могут встре­тить­ся, и цепь пре­рвет­ся:

·СН3 + Сl· ¾® CH3Сl;

2 Сl· ¾® Сl2;

2 ·СН3¾® CH3–CH3.

Об­ра­ти­те вни­ма­ние: в по­след­нем слу­чае воз­ни­ка­ет ве­ще­ство, в мо­ле­ку­ле ко­то­ро­го боль­ше ато­мов уг­ле­ро­да, чем в ис­ход­ном ал­кане. По­это­му в смеси про­дук­тов ра­ди­каль­ных ре­ак­ций ал­ка­нов все­гда при­сут­ству­ют неболь­шие ко­ли­че­ства ве­ществ с более длин­ной уг­ле­род­ной цепью.

Осо­бен­но­сти ра­ди­каль­но­го за­ме­ще­ния

В ре­ак­цию ра­ди­каль­но­го за­ме­ще­ния легче всего всту­па­ют атомы во­до­ро­да при тре­тич­ном атоме С, затем при вто­рич­ном, а слож­нее всего разо­рвать связь С-Н при пер­вич­ном атоме уг­ле­ро­да. По­это­му при бро­ми­ро­ва­нии 2-ме­тил­бу­та­на пре­иму­ще­ствен­но об­ра­зу­ет­ся 2-бром-2-ме­тил­бу­тан:

Ре­ак­ция нит­ро­ва­ния

По ме­ха­низ­му ра­ди­каль­но­го за­ме­ще­ния про­те­ка­ет ре­ак­ция нит­ро­ва­ния ал­ка­нов в га­зо­вой фазе (ре­ак­ция Ко­но­ва­ло­ва). Усло­вия – по­вы­шен­ные тем­пе­ра­ту­ра и дав­ле­ние.

В па­ро­об­раз­ном со­сто­я­нии азот­ная кис­ло­та раз­ла­га­ет­ся:

2HNO3 2NO2 + ½ O2 + H2O.

Оксид азота (IV) яв­ля­ет­ся ра­ди­ка­лом ·NO2. Он ата­ку­ет мо­ле­ку­лу ал­ка­на.

Ито­го­вая ре­ак­ция:

СH4 + HNO3 = СН3NO2 + H2O.