Phương trình phản ứng hóa học: CH4 + Cl2 → CH3Cl + HCl

1. Phương trình CH4 + Cl2 → CH3Cl + HCl:

– Điều kiện phản ứng: Chiếu sáng hoặc đun nóng.

– Cách thực hiện phản ứng: Khi có ánh sáng, khí metan (CH₄) phản ứng với khí clo thu được metyl clorua (CH₃Cl) và hiđro clorua (HCl – khí).

– Hiện tượng nhận biết phản ứng:

+ Trước khi chiếu sáng hoặc đun nóng hỗn hợp phản ứng có màu vàng (của khí clo). Sau khi phản ứng xảy ra hỗn hợp sản phẩm thu được không có màu.

+ Phản ứng trên được gọi là phản ứng thế.

+ Tương tự 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.

2. Tìm hiểu về phản ứng thế:

Phản ứng thế là phản ứng hóa học giữa đơn chất và hợp chất, trong đó nguyên tử của đơn chất thay thế nguyên tử của một nguyên tố khác trong hợp chất

– Phản ứng thế trong vô cơ: Phản ứng thế trong hóa học vô cơ bao giờ cũng có sự thay đổi số oxi hoá của các nguyên tố.

Phản ứng thế về bản chất là phản ứng hóa học mà trong đó một nguyên tố có độ hoạt động hóa học mạnh hơn (ở các điều kiện cụ thể về nhiệt độ và áp suất) sẽ thay thế cho nguyên tố có độ hoạt động hóa học yếu hơn trong hợp chất của nguyên tố này, như phản ứng sau:

Phương trình tổng quát

A + BY → AY + B

– Phản ứng thế trong hóa học hữu cơ: Các loại phản ứng thế ở các hợp chất hữu cơ gồm: Phản ứng thế ái lực hạt nhân; Phản ứng thế ái lực điện tử; Phản ứng thế gốc.

3. Tìm hiểu về Clo (Cl):

3.1. Clo là gì?

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. Phân loại là Halogen. Cấu hình electron [Ne] 3s2 3p5, mỗi lớp chứa 2 7 8 e. Khối lượng nguyên tử chuẩn 35.453(2) g. Nguyên tử khối của Clo là 35.5. Công thức phân tử là Cl2. Đây là nguyên tố rất phổ biến và có nhiều ứng dụng trong cuộc sống cũng như trong công nghiệp.

3.2. Tính chất vật lí và tính chất hóa học của Clo (Cl):

Thứ nhất, tính chất vật lý:

Clo có trạng thái khí, có màu vàng lục và mùi của clo vô cùng hắc trong điều kiện thường. Đây là một chất vô cùng độc hại.

Điểm đun của clo là -34,6 độ C và điểm sôi là -101,5 độ C.

Khi Clo ở dạng phân tử, Clo có khối lượng = 71, chính vì vậy, Cl nặng hơn nhiều so với không khí. Khí clo tan vừa phải trong nước tạo thành nước clo có màu vàng nhạt và tan nhiều trong các dung môi hữu cơ.

Khí Clo là một khí có khả năng phản ứng ngay lập tức gần như với mọi nguyên tố. Ở 10 °C một lít nước hòa tan 3,10 lít clo và ở 30 °C chỉ là 1,77 lít.

Nặng hơn không khí khoảng 2.5 lần.

Thứ hai, tính chất hóa học:

Clo là một phi kim nên có khả năng oxi hóa vô cùng mạnh. Trong các hợp chất, Clo thường có mức oxi hóa -1, trong hợp chất với F hoặc O các mức oxi hóa của Clo thường là +1, +3, +5 hay +7. Ngoài ra, trong một số trường hợp Clo có tính khử.

Khi Clo tác dụng với kim loại chúng sẽ tạo ra muối và tên muối này là halogenua. Đặc biệt, clo có thể tác dụng hầu hết với toàn bộ kim loại, ngoại trừ Au và Pt.

     2Fe +3Cl2 –> 2FeCl3

Khi Clo tác dụng với Hidro chúng sẽ tạo ra một hợp chất khí (Nếu tỉ lệ số mol H2 và Cl2 là 1:1 → hỗn hợp nổ).

    H2 + Cl2 –> 2HCl

Khi Clo tác dụng với nước sẽ tạo ra HCl và HCLO, đây được gọi là phản ứng 2 chiều.

   H2O + Cl2 –> HCl + HClO

Khi Clo tác dụng với các hợp chất có tính khử. Tính chất hóa học của clo cũng có nhiều điểm tương đồng với tính chất hóa học của flo và tính chất hóa học của brom. Bởi đây cũng là những chất halogen hoạt động mạnh.

     2FeCl2 + 2 NaBr –> 2 NaCl + Br2

Tác dụng với dung dịch Natri Hiđroxit NaOH tạo dung dịch nước Giaven

    Cl2  + 2NaOH → NaCl  + NaClO + H2O

3.4. Điều chế Clo (Cl):

– Điều chế khí Clo trong phòng thí nghiệm (HCl ra Cl2), (KCl ra Cl2) (KMnO4 ra Cl2) (MnO2 + HCl đặc): Đun nóng nhẹ dung dịch axit HCl đậm đặc với chất có khả năng oxy hóa mạnh như mangan dioxit (MnO₂). Phương trình phản ứng xảy ra như sau:

MnO₂ + 4HCl → MnCl₂ + Cl₂ + 2H₂O

Nếu muốn thu được khí Clo tinh khiết, cần tiếp tục thực hiện các bước sau: Cho khí Clo qua bình axit sulfuric đặc, nó sẽ được làm khô nước; Thu khí Clo bằng phương pháp đẩy không khí do khí Clo nặng hơn không khí; Sử dụng bông tẩm xút, tránh khí Clo bay ra bên ngoài vì Clo là khí độc

Ngoài MNO2 có thể dùng một số chất oxy hóa khác như Kali Pemanganat (KMnO₄), Kali Clorat (KClO₃), Clorua vôi (CaOCl₂): 2KMnO₄ + 16HCl → 2KCl + 2MnCl₂ + 8H₂O + 5Cl₂

Điều chế Clo trong phòng thí nghiệm bằng Kali pemanganat

KClO₃ + 6HCl → KCl + 3H₂O + 3Cl₂

CaOCl₂ + 2HCl → Cl₂ + CaCl₂ + H₂O

– Điều chế khí Clo trong công nghiệp (NaCl ra Cl2): Điều chế Clo trong phòng thí nghiệm chỉ thu được một lượng nhỏ, không đủ phục vụ cho nhiều ứng dụng trong cuộc sống. Do đó, điều chế công nghiệp là việc rất cần thiết. Các nhà sản xuất tiến hành điện phân muối Natri Clorua bằng điện phân nóng chảy theo phương trình phản ứng:

2NaCl → 2Na + Cl₂

Hoặc điện phân có màng ngăn dung dịch muối halogenua (natri clorua)

2NaCl + 2H₂O → H₂ + 2NaOH + Cl₂

3.5. Ứng dụng của Clo (Cl):

Clo có nhiều ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Dưới đây là một số ứng dụng phổ biến của Clo:

– Trong công nghiệp thực phẩm: 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.

– Trong xử lý nước: Clo được sử dụng để khử trùng nước uống và nước thải, loại bỏ vi khuẩn, virus và các chất ô nhiễm khác.

– Trong y tế: Clo được sử dụng trong việc tiêm trực tiếp vào các dạng bột hoặc dung dịch để điều trị nhiễm trùng da, vi khuẩn hoặc nấm.

– Trong hồ bơi: Clo được sử dụng làm chất diệt khuẩn và tẩy trắng trong quá trình xử lý nước hồ bơi.

– Trong công nghiệp giấy: Clo được sử dụng để tẩy trắng bột giấy và tạo màu trắng trong quá trình sản xuất giấy.

– Trong sản xuất hóa chất: Clo được sử dụng làm nguyên liệu trong việc sản xuất các hợp chất hữu cơ và vô cơ khác.

4. Bài tập vận dụng và hướng dẫn lời giải:

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.

Đáp án A

Phản ứng hóa học đặc trưng của metan là Phản ứng thế.

Câu 2: 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

Đáp án D

Điều kiện để phản ứng giữa Metan và Clo xảy ra là Có ánh sáng

CH₄ + Cl2 → CH₃Cl + HCl

CH₃Cl + Cl₂ → CH₂Cl₂ + HCl

Câu 3: 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

Đáp án C

Các phát biểu không đúng: 2, 4, 6

2) Metan là chất khí, không màu, không mùi, nặng hơn không khí => Sai, khí metan nhẹ hơn không khí.

4) Hỗn hợp giữa Metan và Clo là hỗn hợp nổ => Sai.

6) Metan tác dụng với Clo ở điều kiện thường => Sai, phải có chiếu sáng thì phản ứng mới xảy ra

Câu 4: Phản ứng nào sau đây là phản ứng thế?

A. FeO + 2HCl → FeCl₂ + H₂O

B. Zn + 2HCl → ZnCl₂ + H₂

C. 3Zn + 8HNO₃ → 3Zn(NO₃)₂ + 2NO + 4H₂O

D. Fe(NO₃)₂ + AgNO₃ → Fe(NO₃)₃ + Ag

Đáp án B

Câu 5: Phản ứng thế là phản ứng hóa học

A. Giữa đơn chất và hợp chất, trong đó nguyên tử của đơn chất thay thế nguyên tử của một nguyên tố khác trong hợp chất.

B. Giữa hợp chất và hợp chất, trong đó nguyên tử của đơn chất thay thế nguyên tử của một nguyên tố khác trong hợp chất.

C. Giữa đơn chất và đơn chất, trong đó nguyên tử của đơn chất thay thế nguyên tử của một nguyên tố khác trong hợp chất.

D. Giữa đơn chất và hợp chất, trong đó nguyên tử của hợp chất thay thế nguyên tử của một nguyên tố khác trong đơn chất.

Đáp án A

Phản ứng thế là phản ứng hóa học Giữa đơn chất và hợp chất, trong đó nguyên tử của đơn chất thay thế nguyên tử của một nguyên tố khác trong hợp chất.