Obraz2 (132)

40

Reakcje te tłumaczą, w jaki sposób dochodzi do utworzenia chlorometanu i chlorowodoru, a jednocześnie pokazują, że rodniki metylowe i atomy chloru ciągle są obecne w mieszaninie reakcyjnej, bo wprawdzie są zużywane ale są też odtwarzane w kolejnych reakcjach. Atomy chloru, zużywane w reakcji 2, powstają w reakcji 3 a rodniki metylowe, zużywane w reakcji 3, powstają w reakcji 2. Dlatego reakcje 2 i 3 mogą się powtarzać aż do wyczerpania substratów lub do zużycia wolnych rodników w reakcjach ubocznych, których nie musimy omawiać. Musimy jednak dokonać pewnego uogólnienia, które jest istotne dla rozumienia chemii.

Chlorowanie alkanów jest reakcją łańcuchową. Tak nazywamy procesy, przebiegające poprzez produkty pośrednie, które powstają, zużywają się i są ponownie odtwarzane w powtarzających się etapach procesu.

Łańcuchowy charakter reakcji tłumaczy, dlaczego niewielka liczba atomów chloru, powstających w etapie zapoczątkowania, wystarczy aby spowodować przereagowanie dużych ilości substratów.

Ćwiczenie 2.10. Przy okazji uczenia się o energii atomowej na fizyce na pewno spotkałeś termin „reakcja łańcuchowa”. Czy pamiętasz jeszcze, o co tam chodziło? Jeśli nie, to przeczytaj jeszcze raz rozdział podręcznika fizyki, traktujący o rozszczepieniu atomów uranu.

Szczegółowy opis reakcji chemicznej z uwzględnieniem wszystkich kolejnych etapów i produktów pośrednich jest nazywany mechanizmem reakcji.

Opis mechanizmu chlorowania metanu posłużył nam do zapoznania się z wolnymi rodnikami. Było to konieczne dla lepszego zrozumienia chemii, bo reakcje rodnikowe często występują w chemii organicznej i biochemii. Uczniowie pytają jednak, do czego wiedza o rodnikach może im się przydać w codziennym życiu.

Zapewne nikt, oprócz zawodowych chemików, nie potrzebowałby wiedzy o rodnikach, gdyby nie weszły one do codziennego słownictwa. Z reklam kosmetyków i z popularnych publikacji można się dowiedzieć, że wolne rodniki występują w żywych organizmach. Na ogół w publikacjach tych podkreśla się szkodliwy wpływ rodników i zaleca ich „wyłapywanie” za pomocą odpowiednich kosmetyków czy leków. Trochę wiedzy o rodnikach przyda się więc, żeby ze zrozumieniem czytać o tym, co nas najbardziej interesuje, czyli o naszym zdrowiu i urodzie.

2.11. Rodnikowy mechanizm reakcji wiązań C-H z tlenem

Wynik utleniania alkanów tlenem zależy od warunków w jakich reakcja ta jest wykonywana. Przy nadmiarze tlenu w wysokich temperaturach następuje całkowite spalenie substratu organicznego i jedynymi produktami są dwutlenek węgla i woda. Spalanie jest bardzo złożoną reakcją. Nie może być inaczej, bo przecież w wyniku spalenia jednej cząsteczki np. dekanu powstaje 10 cząsteczek CO2 i 11 cząsteczek wody a jednocześnie ulega zerwaniu 9 wiązań C-C i 22 wiązania C-H.

C,₀H₂2 + 15,5 O2

IOCO2 + U H2O

Wynika stąd, że podczas spalania węglowodorów o niedużych nawet cząsteczkach musi jednocześnie przebiegać kilkadziesiąt reakcji chemicznych, a więc nie jest to proces łatwy do szczegółowego opisania. Dla naszych celów wystarczy jednak uproszczony opis, w którym ograniczymy się do omówienia rozpadu wiązań C-H i powstawania wiązań C-O i O-H. Zdobyta przy tym wiedza wystarczy do zrozumienia pewnych zjawisk o dużym znaczeniu praktycznym.

Reakcje alkanów i innych związków organicznych z tlenem są rodnikowymi reakcjami łańcuchowymi. Są one przyspieszane przez wysokie temperatury, światło i przez tzw. inicjatory. Są to substancje łatwo wytwarzające wolne rodniki.

Pierwszymi uchwytnymi produktami utlenienia są tzw. wodoronadtlenkL Są to reaktywne związki, łatwo ulegające dalszym przemianom. Powstawanie wodoronadtlenków można wyrazić prostym równaniem stechiometrycz-nym:

R-H + 0₂ -15 R-O-O-H

alkan    wodoro nadtlenek

alkilu

(symbol R oznacza dowolną grupę alkilową)

Równanie to nic jednak nie mówi o mechanizmie tej reakcji. W rzeczywistości, gdy reakcja z tlenem odbywa się w podwyższonej temperaturze, powstawanie wodoronadtlenków jest wynikiem trzech następujących po sobie reakcji: