Escreva o mecanismo de formação do tetracloreto de carbono, CCl 4 , a partir da reação do metano com \mathrm{Cl} 2+\mathrm{hn}.

Passo 1

O enunciado pede: escrever o mecanismo (passo a passo) de formação do tetracloreto de carbono a partir da reação de \mathrm{CH_4} com \mathrm{Cl_2} sob luz ( h\nu). Informações dadas:
  • Reagentes: \mathrm{CH_4} e \mathrm{Cl_2}.
  • Condição: irradiação por luz, indicada por h\nu.
  • Objetivo: mostrar o mecanismo completo que leva a \mathrm{CCl_4}, incluindo iniciação, etapas de propagação (as quatro substituições sucessivas de H por Cl) e possíveis terminações.

Passo 2

Conceitos básicos (muito importantes antes de começar):
  • Radical livre é uma espécie com um elétron ímpar não pareado; indica-se por um ponto \cdot. Ex.: \mathrm{Cl}\cdot, \mathrm{CH_3}\cdot.
  • Homólise (ou clivagem homolítica) de uma ligação significa que cada átomo fica com um elétron da ligação, formando dois radicais.
  • Mecanismo em cadeia típico: iniciação (gera radicais), propagação (radicais reagem formando produto e regenerando radicais), terminação (radicais se combinam e a cadeia pára).
  • A luz h\nu fornece energia para quebrar \mathrm{Cl_2} homoliticamente, gerando radicais cloro que iniciam a cadeia.

Passo 3

Iniciação (a luz rompe a molécula de cloro em dois radicais cloro):
\mathrm{Cl_2} \xrightarrow{h\nu} 2\,\mathrm{Cl}\cdot
Explicação: a energia de um fóton é suficiente para quebrar a ligação \mathrm{Cl-Cl} homoliticamente, dando dois \mathrm{Cl}\cdot. Esses são os iniciadores do processo.

Passo 4

Primeiro ciclo de propagação — primeira substituição (formação de clorometano):
\mathrm{Cl}\cdot + \mathrm{CH_4} \rightarrow \mathrm{HCl} + \mathrm{CH_3}\cdot
\mathrm{CH_3}\cdot + \mathrm{Cl_2} \rightarrow \mathrm{CH_3Cl} + \mathrm{Cl}\cdot
Explicação: o radical cloro abstrata um átomo de hidrogênio de \mathrm{CH_4}, formando \mathrm{HCl} e o radical metila \mathrm{CH_3}\cdot. O radical metila reage com \mathrm{Cl_2} para formar \mathrm{CH_3Cl} e regenerar \mathrm{Cl}\cdot, permitindo que a cadeia continue.

Passo 5

Segundo ciclo de propagação — segunda substituição (formação de diclorometano):
\mathrm{Cl}\cdot + \mathrm{CH_3Cl} \rightarrow \mathrm{HCl} + \mathrm{CH_2Cl}\cdot
\mathrm{CH_2Cl}\cdot + \mathrm{Cl_2} \rightarrow \mathrm{CH_2Cl_2} + \mathrm{Cl}\cdot
Explicação: o mesmo padrão se repete agora com \mathrm{CH_3Cl}. O radical cloro abstrata um H formando \mathrm{CH_2Cl}\cdot, que então reage com \mathrm{Cl_2} produzindo \mathrm{CH_2Cl_2} e regenerando \mathrm{Cl}\cdot.

Passo 6

Terceiro ciclo de propagação — terceira substituição (formação de clorofórmio):
\mathrm{Cl}\cdot + \mathrm{CH_2Cl_2} \rightarrow \mathrm{HCl} + \mathrm{CHCl_2}\cdot
\mathrm{CHCl_2}\cdot + \mathrm{Cl_2} \rightarrow \mathrm{CHCl_3} + \mathrm{Cl}\cdot
Explicação: novamente o radical cloro remove um H de \mathrm{CH_2Cl_2}, gerando o radical \mathrm{CHCl_2}\cdot, que reage com \mathrm{Cl_2} para formar \mathrm{CHCl_3} e outro \mathrm{Cl}\cdot.

Passo 7

Quarto ciclo de propagação — quarta substituição (formação de tetracloreto de carbono):
\mathrm{Cl}\cdot + \mathrm{CHCl_3} \rightarrow \mathrm{HCl} + \mathrm{CCl_3}\cdot
\mathrm{CCl_3}\cdot + \mathrm{Cl_2} \rightarrow \mathrm{CCl_4} + \mathrm{Cl}\cdot
Explicação: o radical cloro remove o último H de \mathrm{CHCl_3}, formando \mathrm{CCl_3}\cdot, que reage com \mathrm{Cl_2} produzindo \mathrm{CCl_4} e regenerando \mathrm{Cl}\cdot. Assim completa-se a sequência para obter \mathrm{CCl_4}.

Passo 8

Terminação (como a cadeia pode parar — reações entre radicais que consomem-os):
Possíveis reações de terminação:
\mathrm{Cl}\cdot + \mathrm{Cl}\cdot \rightarrow \mathrm{Cl_2}
\mathrm{Cl}\cdot + \mathrm{CH_3}\cdot \rightarrow \mathrm{CH_3Cl}
\mathrm{CH_3}\cdot + \mathrm{CH_3}\cdot \rightarrow \mathrm{C_2H_6}
\mathrm{CCl_3}\cdot + \mathrm{Cl}\cdot \rightarrow \mathrm{CCl_4}
Explicação: quando dois radicais se encontram, formam um produto estável e a cadeia pode terminar. Essas etapas competem com as etapas de propagação e afetam rendimento e mistura de produtos.

Passo 9

Observações práticas e seletividade:
  • A cloração radicalar é pouco seletiva (comparada à bromação): radicais de hidrogênio terciário são preferencialmente abstraídos, mas no caso de \mathrm{CH_4} só há hidrogênios primários. Por isso, obtém-se mistura de produtos \mathrm{CH_3Cl}, \mathrm{CH_2Cl_2}, \mathrm{CHCl_3} e \mathrm{CCl_4} se as condições não forem controladas.
  • Para favorecer \mathrm{CCl_4} usa-se excesso de \mathrm{Cl_2} e irradiação prolongada para permitir as quatro substituições sucessivas.
  • A cada ciclo é formado \mathrm{HCl}, e a cadeia é autorregenerativa porque a etapa que forma o produto também regenera \mathrm{Cl}\cdot.

Passo 10

Equação global (balanço estequiométrico) do processo completo que transforma \mathrm{CH_4} em \mathrm{CCl_4}:
\mathrm{CH_4} + 4\,\mathrm{Cl_2} \xrightarrow{h\nu} \mathrm{CCl_4} + 4\,\mathrm{HCl}

Resposta

\mathrm{CH_4} + 4\,\mathrm{Cl_2} \xrightarrow{h\nu} \mathrm{CCl_4} + 4\,\mathrm{HCl}

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