Substytucja rodnikowa alkanów (chlorowanie)

Alkany są mało reaktywne, ale reagują z chlorem przez substytucję rodnikową: pod wpływem światła atom H zostaje podstawiony atomem Cl (CH₄ → CH₃Cl + HCl). W ciemności reakcja nie zachodzi — światło jest potrzebne do inicjacji (rozbicia Cl₂ na rodniki). Włącz/wyłącz światło i obserwuj.

Chemia · Węglowodory · Substytucja alkanów (CHE.WEGL)

Oświetlenie kolbyOFF

Temperatura20 °C

Metan (CH₄) i chlor (Cl₂) w zamkniętej kolbie, w całkowitej ciemności — co się dzieje?

światło

OFF

temperatura

20 °C

reakcja

brak

produkt

—

Co się właśnie stało?

W ciemności metan i chlor są obojętne — nic się nie dzieje. Po oświetleniu kolby światło rozbija cząsteczkę $\mathrm{Cl_2}$ na dwa rodniki chloru, które uruchamiają reakcję łańcuchową. Jeden atom wodoru w metanie zostaje wymieniony na atom chloru.

Substytucja rodnikowa (sumarycznie):

\mathrm{CH_4 + Cl_2 \xrightarrow{\;h\nu\;} CH_3Cl + HCl}

Substytucja to podstawienie — wymiana atomu (tu: H na Cl) w cząsteczce. „Rodnikowa" znaczy, że biegnie z udziałem rodników, czyli cząstek z niesparowanym elektronem (Cl•, CH₃•).

Trzy etapy reakcji łańcuchowej:

\text{inicjacja:}\quad \mathrm{Cl_2 \xrightarrow{\;h\nu\;} 2\,Cl^{\bullet}}

\text{propagacja:}\quad \mathrm{Cl^{\bullet} + CH_4 \rightarrow CH_3^{\bullet} + HCl}

\mathrm{CH_3^{\bullet} + Cl_2 \rightarrow CH_3Cl + Cl^{\bullet}}

\text{terminacja:}\quad \mathrm{Cl^{\bullet} + Cl^{\bullet} \rightarrow Cl_2}

W inicjacji światło rozrywa $\mathrm{Cl_2}$ na rodniki — to warunek konieczny. W propagacji rodniki się odtwarzają, więc reakcja podtrzymuje sama siebie. W terminacji rodniki łączą się i łańcuch wygasa.

Po co światło?

Rozerwanie wiązania Cl–Cl wymaga energii. Kwant światła ( $h\nu$ ) dostarcza jej dokładnie tyle, by rozbić $\mathrm{Cl_2}$ na dwa rodniki. Bez tej energii nie ma inicjacji — dlatego w ciemności reakcja nie startuje. (Podobnie działa silne ogrzewanie.)

Substytucja czy addycja?

To substytucja: alkan jest nasycony (same wiązania pojedyncze), więc chlor nie ma się gdzie „przyłączyć" — może tylko wymienić atom wodoru. Szkielet pozostaje nasycony. Addycja to co innego: wymaga wiązania wielokrotnego (alken, alkin), które się rozrywa i przyłącza cały odczynnik — bez odrywania żadnego atomu.

Po co Ci to na maturze:

Klasyk pytań o węglowodory: „alkan + $\mathrm{Cl_2}$ na świetle" to substytucja rodnikowa, „alken + $\mathrm{Br_2}$ " to addycja. Chwyt: sprawdź, czy związek jest nasycony (→ substytucja) czy ma wiązanie wielokrotne (→ addycja), i wypisz produkt oraz warunek (hν).

Zapamiętaj: alkany reagują z chlorowcami przez substytucję rodnikową— pod wpływem światła jeden H zostaje wymieniony na Cl: CH₄ + Cl₂ --hν--> CH₃Cl + HCl. Bez światła (bez inicjacji) reakcja nie zachodzi.

Model poglądowy · Wirtualne laboratorium NexTutor

Najczęstsze pytania

›

Co to substytucja rodnikowa?

Reakcja podstawienia atomu (np. H przez Cl) przebiegająca z udziałem rodników, w etapach: inicjacja, propagacja, terminacja.

›

Po co światło?

Dostarcza energii do rozbicia cząsteczki Cl₂ na rodniki (inicjacja). Bez światła reakcja nie rusza.

›

Czym różni się od addycji?

Substytucja wymienia atom w związku nasyconym (szkielet zostaje), addycja przyłącza atomy, rozrywając wiązanie podwójne.

Teoria (klasa): CHE.3.2.1 → Lekcja maturalna: CHE.M.6.1 →