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):
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):
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):
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):
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):
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:
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}: