CH4 + Cl2 → CH3Cl + HCl

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

– Điều kiện phản ứng: Ánh sáng hoặc nhiệt độ cao.

– Cách thực hiện phản ứng: Trong quá trình chiếu sáng, khí metan (CH4) tác động với khí clo tạo thành metyl clorua (CH3Cl) và hiđro clorua (HCl – khí).

Cách nhận biết phản ứng:

Khi hỗn hợp phản ứng được chiếu sáng hoặc đun nóng, nó sẽ có màu vàng (do khí clo). Tuy nhiên, sau phản ứng, hỗn hợp sản phẩm thu được sẽ mất đi màu sắc.

+ 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 thể 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.

- Sự oxi hoá và khử trong hóa học vô cơ: Sự oxi hoá và khử trong hóa học vô cơ luôn đi kèm với sự thay đổi số oxi hoá của các nguyên tố.

- Phản ứng thế là một loại phản ứng hóa học, trong đó một nguyên tố có tính chất hóa học mạnh hơn (ở những điều kiện cụ thể về nhiệt độ và áp suất) sẽ thay thế nguyên tố có tính chất hóa học yếu hơn trong hợp chất của nguyên tố đó, ví dụ như phản ứng dưới đây:

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 bao 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?

Ở vị trí tương tự, Clo là một nguyên tố hóa học trong bảng tuần hoàn nguyên tố, nằm ở chu kì 3 và có ký hiệu hóa học là Cl. Nó thuộc loại Halogen. Cấu hình electron của nó là [Ne] 3s2 3p5, với mỗi lớp chứa tổng cộng 2, 7, 8 e-. Khối lượng nguyên tử chuẩn của Clo là 35.453(2) g. Nguyên tử khối của Clo được xác định là 35.5. Công thức phân tử của Clo là Cl2. Đây là một nguyên tố phổ biến và có nhiều ứng dụng trong cuộc sống hàng ngày cũng như trong công nghiệp.

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

Tính chất vật lý của clo:

Clo tồn tại dưới dạng khí với màu sắc vàng lục và mùi rất hắc. Đây là một chất có tính độc hại vô cùng cao.

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

Vì clo có khối lượng bằng 71 khi ở dạng phân tử, nên clo nặng hơn không khí rất nhiều. Khí clo có thể tan tương đối tốt trong nước, tạo thành nước clo màu vàng nhạt và có khả năng tan nhiều trong các dung môi hữu cơ.

Khí Clo là một loại khí có khả năng phản ứng với hầu hết các nguyên tố một cách nhanh chóng. Dưới 10 °C, một lít nước có thể hòa tan được 3,10 lít clo, trong khi ở 30 °C chỉ còn 1,77 lít.

Khí Clo cũng nặng hơn không khí khoảng 2.5 lần.

Thứ hai, tính chất hóa học:

Clo là một nguyên tố không kim loại nên có khả năng oxi hóa mạnh. Trong các hợp chất, Clo thường có mức oxi hóa là -1, trong các hợp chất với Fluor hoặc Ôxy, mức oxi hóa của Clo có thể là +1, +3, +5 hoặc +7. Ngoài ra, trong một số trường hợp, Clo cũng có tính khử.

Khi clo tương tác với kim loại, nó sẽ tạo thành muối và được gọi là halogenua. Điều đặc biệt là clo có thể phản ứng với hầu hết các kim loại, trừ vàng và bạch kim.

     Phản ứng: 2 Fe + 3 Cl2 –> 2 FeCl3

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, nó có tính chất hóa học tương đồng với Flo và Brom. Tất cả đều là các chất halogen có tác dụng 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):

– Phương pháp tổng hợp khí Clo trong phòng thí nghiệm (Clo từ HCl), (Clo từ KCl) (Clo từ KMnO4) (Clo từ MnO2 + HCl đặc): Đun ấm dung dịch axit HCl đậm đặc cùng với một chất oxy hóa mạnh như MnO2. Phản ứng diễn ra như sau:

MnO2 + 4HCl → MnCl2 + Cl2 + 2H2O

Để thu được clo tinh khiết, hãy làm những bước sau: đưa khí clo qua axit sulfuric đặc để làm khô nước, thu khí clo bằng cách đẩy không khí vì clo nặng hơn không khí, và sử dụng bông tẩm xút để ngăn khí clo bay ra vì clo là chất độc.

Ngoài MNO2, còn có thể sử dụng một số chất oxy hóa khác như kali pemanganat (KMnO4), kali clorat (KClO3) và 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

– Trong công nghiệp, Clo được điều chế (Cl2) từ muối Natri Clorua (NaCl) thông qua quá trình điện phân nóng chảy. Quá trình này giúp sản xuất Clo với số lượng đủ lớn để phục vụ cho nhiều ứng dụng trong cuộc sống.

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 ngành công nghiệp thực phẩm: Clo được dùng làm chất làm trắng, chất khử trùng và chất bảo quản trong quá trình sản xuất và lưu trữ sản phẩm 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 lĩnh vực y tế: Clo được dùng để tiêm trực tiếp dưới dạng bột hoặc dung dịch để trị liệu các vấn đề về nhiễm trùng da, vi khuẩn và nấm.

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

- Trong ngành công nghiệp giấy, Clo được sử dụng để làm trắng bột giấy và tạo độ trắng trong quá trình sản xuất giấy.

- Trong lĩnh vực sản xuất hóa chất, Clo được sử dụng làm nguyên liệu để 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. Sự khác biệt giữa đơn chất và hợp chất là nguyên tử của đơn chất thay thế nguyên tử của một nguyên tố khác trong hợp chất.

B. Sự khác biệt giữa hợp chất và hợp chất là nguyên tử của đơn chất thay thế nguyên tử của một nguyên tố khác trong hợp chất.

C. Trong phản ứng giữa các đơn chất, nguyên tử của một nguyên tố trong hợp chất thay thế nguyên tử của một nguyên tố khác.

D. Trong phản ứng giữa đơn chất và hợp chất, nguyên tử của một nguyên tố trong đơn chất thay thế nguyên tử của một nguyên tố khác trong hợp chất.

Đáp án A

Phản ứng thế là một loại phản ứng hóa học xảy ra 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.