学而思试讲

大家好，今天我要试讲的题目是第四题：甲烷的氯代反应。

首先，让我们来关注一下甲烷的结构：甲烷，按照价键理论的分析，我们可知它是正四面体构型，其中碳原子以sp3杂化处于四面体中心，每个杂化轨道上的一个电子分别与位于四面体四个顶点上的四个氢原子形成共价键。

这个结构是完美符合lewis八隅体规则的，可以说这是一个高度稳定的结构。

为什么这么说？首先，碳氢键的键能极大，在415kJ/mol左右，什么概念？我们知道氧气中氧氧双键的键能为495kJ/mol左右，也就是说一个碳氢单键的键能已经接近一个双键的键能了，而有机分子中一个普通的单键大约是200-300kJ/mol，可见想破坏碳氢单键是很困难的事。

另外，我们可以看到甲烷分子高度对称，那么这就意味着活性分子想从任何一个角度攻击它都是很不容易的。

从这两个角度看，甲烷的反应性很差，利用甲烷进行反应是很困难的，这在科学界至今仍然是一个焦点课题：甲烷的重整化。

在这种极为困难的情况下，氯气告诉你：给我一点阳光，我还你一个奇迹。

要与这种极其稳定的分子反应，就要有一种极其不稳定的活性物质，通常就是不满足八隅体规则的七个价电子的原子或分子。

这种物质被称为自由基，它参与的反应被称为自由基反应。

它们极其渴望与其他分子或原子成键，因为一旦其他原子拿来一个电子与他共享，就满足了八隅体规则，就成为了稳定分子。

在本反应中，氯原子就是这样的活性物质。

氯是第七主族的元素，因此氯原子有七个价电子因此正好可以做这种活性自由基。

要想产生氯原子，首先要破坏氯气分子中的氯氯单键。

这并不像破坏碳氢单键那样困难，因为氯氯单键的键长很大，键能只有243kJ/mol，要打破它只需用相应能量的紫外光照射，当分子吸收光子的能量后，单键断裂，产生了氯自由基。

之后我们会看到，氯自由基的产生会引发一系列的链式自由基反应，因此这一过程被称为链引发过程。

接下来，氯自由基会疯狂的迅速的与体系中的其他分子碰撞，当他与甲烷分子碰撞时，他会与其中的一个氢原子成键，同时由于氢原子被抢走了，碳氢单键此事此时发生均裂，碳留下一个电子，就形成了新的甲基自由基。

同理，甲基自由基也不稳定，因为此时碳周围是七电子。

当它与氯分子发生碰撞时，会抢走其中的一个氯原子，形成一氯甲烷和新的氯自由基，新的氯自由基可以再和另外的甲烷碰撞，产生氯化氢和甲基自由基，以此类推，形成链式的自由基反应，这一过程被称为链转移反应。

此外，我们看到，体系中不止有自由基与稳定分子的碰撞，还可能发生自由基与自由基之间的碰撞，例如氯自由基与氯自由基之间、甲基自由基与甲基自由基之间、氯自由基与甲基自由基之间。

这一过程导致了自由基数量的减少，使得链式反应发生了终止，因此我们称它为链终止反应。

需要注意的是，一旦反应经过光照引发，体系中就会同时发生链引发、链传递、链终止的过程，也就是说，在任一时刻，氯自由基既可以和甲烷分子发生链传递反应，也可以和其它自由基发生链终止过程，这是不难理解的。

关于反应的产物，我们看到反应中首先生成了一氯甲烷和氯化氢，然而生成的一氯甲烷仍处在存有自由基的体系中，它并不能避免氯自由基与他碰撞生成氯甲基自由基，进而生成二氯甲烷。

同理，生成的还会有三氯甲烷、四氯化碳。

因此，我们会看到，无论反应体系的氯气和甲烷出于何种比例，得到的都会是一氯甲烷、二氯甲烷、三氯甲烷、四氯化碳的混合物，产物的比例也是无法确定的。

因此要想分离这些产物得到纯物质，还要进行蒸馏、萃取等后续的步骤，在这里不加赘述。

总而言之，甲烷的氯代反应属于链式自由基反应，通过以上的讲解，我们可以看到它的引发是困难的，需要外界的光照，而传递过程是迅速的、剧烈的、甚至是不可控的，因此得到的产物是多种的、混合的氯代物。

关于这道题的讲解就是这样，谢谢大家。