Main menu

Pages

تفاعلات الميثان - Reactions of methane

تفاعلات الميثان -  Reactions of methane




الكيمياء العضوية
القسم الأول
28- تفاعلات الميثان -  Reactions of methane

يمثل الميتان بخواصه الكيميائية، كما بخواصه الفيزيائية، نموذجا لطائفة الألكانات (الفقرة 18. 3 ). فهو لا يتفاعل إلا مع المواد الشديدة التفاعلية في شروط قاسية جدا، حيث، كما سنرى، تؤدي إلى ذات الشيء، أما الآن فسندرس فقط أكسدته: بالأكسجين، وبالهالوجينات وحتى الماء.

28- تفاعلات الميثان -  Reactions of methane



1-    الأكسدة. حرارة الاحتراق - Oxidation , Heat of combustion

إن احتراق المركبات العضوية متحولة إلى ثنائي أكسيد الكربون والماء، أمر مميز لها، ويستخدم، في شروط خاصة التعيين محتواها من الكربون والهيدروجين (الفقرة 28. 2. بعد احتراق الميثان التفاعل الرئيس الذي يحدث لدى حرق الغاز الطبيعي، وليس من الضروري الحديث عن فائدته في الأماكن التي يتوافر فيها فهي جلية واضحة ولا يكون ثنائي أكسيد الكربون والماء هما المرغوب بهما هنا، بل الحرارة الناتجة عن الاحتراق لكن المنتج الأكثر أهمية كما تبين فيما بعد هو ثنائي أكسيد الكربون.


إنه أهم غاز بین غازات الدفيئة الزجاجية حيث يسبب تراكمه في الغلاف الجوي ازدياد درجة حرارة الأرض باستمرار (الفقرة 31. 3. أما غازات الدفيئة الزجاجية المهمة الأخرى فهى الميتان ذاته ومركبات کلوروفلورو الكربون التي ستناقش في الفقرة25.2

تحدث عملية احتراق المركبات الهيدروكربونية في درجات حرارة عالية فقط توفرها مثلا شعلة أو شرارة.
ومتى بدأ الاحتراق، فإن التفاعل ينشر حرارة تكون، غالبا، كافية للمحافظة على درجة الحرارة العالية، فتسمح بذلك لعملية الاحتراق بالاستمرار، تدعى كمية الحرارة المنتشرة من احتراق مول واحد من الهيدروكربون متحولا إلى ثنائي أكسيد الكربون وماء، «حرارة الاحتراق»: إن قيمة هذه الحرارة في حالة الميتان تساوي 213 کیلو حريرة.

يمكن إخضاع الميتان إلى أكسدة جزئية متحكم بها أو إلى تفاعل محفز مع الماء في درجة حرارة عالية فيصبح الميتان أكثر أهمية لاعتباره مصدرا لمنتجات أخرى غير الحرارة فهو مصدر؛ للهيدروجين المستخدم في صناعة الامونيا ولمزيج الهيدروجين وأول أكسيد الكربون المستخدم في صناعة الميتانول و کحولات أخرى، وكذلك هو مصدر للأسيتيلين (الفقرة 5 .12، الذي هو بدوره نقطة الانطلاق لتحضير عدد كبير من المركبات العضوية على المستوى الصناعي.

إن أكسدته بالهالوجينات ذات أهمية خاصة لنا - جزئيا، بسبب معرفتنا الأفضل لهذه الأكسدة نسبة إلى تفاعلات الميتان الأخرى . وهي، بشكل أو بآخر، ستكون موضوع مناقشاتنا فيما تبقى من هذا الفصل.


2-    الكلورة: تفاعل الاستبدال – Chlorination : a substitution reaction

يتفاعل مزيج من الميتان والكلور، تحت تأثير الأشعة فوق البنفسجية أو في درجة حرارة (400-250°س)، بعنف، معطيا كلوريد الهيدروجين ومركبا آخر صيغته (CH3C1). نقول عندئذ إن الميتان خضع للكلورة ويسمى المنتج كلورو الميتان أو كلوريد المنيل CH3 تسمی متیل.

تعد الكلورة تفاعلا نموذجية لصف واسع من التفاعلات العضوية المعروفة باسم: تفاعلات الاستبدال .
لقد استبدلت ذرة كلور بذرة هيدروجين (حلت ذرة كلور محل ذرة هيدروجين) في الميتان، ونجد أن ذرة الهيدروجين المستبدلة قد ارتبطت بذرة الكلور الثانية في جزيء الكلور.



يستطيع كلوريد المتيل نفسه أن يخضع لتفاعلات استبدال ليشكل كلوريد هيدروجين آخر، ومركبا صيغته (CH2C12) يدعی: ثنائي كلورو الميتان أو كلوريد الميتيلين (CH2 تسمی میتیلین).



وقد تستمر الكلورة، بأسلوب مشابه، مؤدية إلى (3CHCI)، ثلاثي كلورو الميتان أو الكلوروفورم، ثم (CCl4)، رباعي كلورو الميتان أو رباعي كلوريد الكربون.

استخدم سابقا رباعي كلوريد الكربون، بشكل واسع، كأحد مواد التنظيف غير القابلة للاشتعال، وكذلك في حالته المائعة في مطافئ الحريق، ولكن حلت محله لاحقا إلى درجة كبيرة، مواد أخرى.




3-    التحكم بالكلورة -  Control of chlorination

يمكن أن تنتج كلورة الميتان أي مركب من المركبات الأربعة السابقة الذكر، وذلك حسب الخطوة التي يصل إليها التفاعل

هل نستطيع التحكم بالتفاعل بحيث يكون كلوريد المتيل المنتج العضوي الرئيس؟

أي، هل تستطيع وقف التفاعل عند المرحلة الأولى، الكلورة الأحادية. ربما نتوقع في البدء بسذاجة كما هو واضح أن تنجز ذلك باستخدام مول واحد من الكلور، فقط، لكل مول واحد من الميتان. لنرى ما يحدث إذا قمنا بذلك في بداية التفاعل، يتوافر فقط الميتان ليتفاعل مع الكلور، وبالمحصلة، فإن المرحلة الأولى من الكلورة تحدث وعلى كل حال يعطى هذا التفاعل كلوريد المنيل، وعليه كلما تقدم التفاعل، يختفي الميتان ويحل محله كلوريد المنيل.


وعندما تزداد نسبة كلوريد المتيل، فإنه يتنافس مع الميتان على الكلور المتوافر. ومع مرور الوقت فإن تركيز كلوريد المتيل يزيد عن الميتان، ويفضل الكلور مهاجمة كلوريد المتيل بدلا من مهاجمة الميتان، وتغدو المرحلة الثانية من الكلورة أكثر أهمية من الأولى. وتتشكل كمية كبيرة من كلوريد الميتيلين، والتي تستطيع بدورها، بشكل مشابه ، أن تعطي الكلوروفورم، الذي بدوره يعطي رباعي كلوريد الكربون وعندما نتحرى منتج التفاعل نجده مزيج من مشتقات الميتان المتكلورة الأربعة مع بعض الميتان غير المتفاعل.


ويمكن أن يقصر كلية تقريبا على مرحلة الكلورة الأحادية إذا استخدمنا زيادة كبيرة من الميتان وفي هذه الحال، فإن المكون الأخير من التفاعل، يكون فيه زيادة كبيرة من الميتان غير المتفاعل بالنسبة لكلوريد المتيل.


ويكون من المحتمل عندئذ أن يهاجم الكلور المينان وليس كلوريد المتيل، وهكذا تصبح المرحلة الأولى من الكلورة هي التفاعل الرئيس.

وبسبب الاختلاف الكبير في نقطتي الغليان هاتين يكون من السهل فصل الزيادة من الميتان (ق.غ 161°س) عن كلوريد المنيل (ن.24م )، حيث يمكن إعادة مزج الميتان مع المزيد من الكلور وتكرار العملية مرة ثانية.
وعلى الرغم من أن تحول الميتان إلى كلوريد المتيل يكون منخفضا في كل دورة إلا أن مردود كلوريد المتيل بالنسبة لكمية الكلور المستهلكة يكون كبيرة جدا.

إن استخدام زيادة كبيرة من أحد المواد المتفاعلة هو اسلوب شائع لدى الكيميائي العضوي الذي يرغب في جعل التفاعل مقصورة على موضع واحد من مواضع الجزيء الفعالة.


4-    التفاعل مع هالوجينات أخرى: الهلجنة  -  Reaction with other halogens

: halogenation يتفاعل الميتان مع البروم، أيضا تحت تأثير درجات الحرارة المرتفعة أو بتأثير الأشعة فوق البنفسجية، معطيا المشتقات البرومية الموافقة بروميد المتيل، وبروميد الميتيلين، والبروموفورم، ورباعي بروميد الكربون.



تحصل عملية البرومة بسهولة أقل إلى حد ما من الكلورة. |

لا يتفاعل الميتان مع اليود بتاتا، بينما يتفاعل مع الفلور بشدة، وحتى في الظلام يجب التحكم بالتفاعل بحذر في درجة الحرارة العادية حيث يجب أن تمدد المواد المتفاعلة بغاز خامل، وتمزج تحت ضغط منخفض.
وهكذا يمكننا ترتيب الهالوجينات حسب تسلسل تفاعليتها كما يلي:








Organic Chemistry 
Robert T. Morrison 
Robert N. Boyd
Translation copyright © 2000 by Arab Centre for Arabization, Translation, Authorship & Publication (ACATAP, branch of ALECSO).
Original English language title: Organic Chemistry, 6th edition by Robert T. Morrison and Robert N. Boyd. Copyright © 1992. All Rights Reserved. Published by arrangement with the Original publisher, Prentice Hall Inc, A Pearson Education Company.




Comments

contents title