10 класс (8)

Ответ: 1. 32% < φ(Cl₂) < 74%.

В смеси не осталось свободного хлора, так как иначе за счет реакции

2FeCl₂ + Cl₂ = 2FeCl₃

происходило бы изменение окраски раствора.

При взаимодействии метана с хлором на рассеянном свету происходит реакция замещения, в результате которой образуются хлороводород и смесь хлорпроизводных общей формулы CH_{4 - x}Cl_x:

CH₄ + xCl₂ = CH_{4 - x}Cl_x + xHCl.

Три из этих галогенопроизводных — CH₂Cl₂, CHCl₃ и CCl₄ — при 20 °С представляют собой жидкости. Уменьшение объема соответствует количеству этих производных. Образование полихлорированных соединений протекает ступенчато:

CH₄ + Cl₂ = CH₃Cl + HCl,
CH₃Cl + Cl₂ = CH₂Cl₂ + HCl,
CH₂Cl₂ + Cl₂ = CHCl₃ + HCl,
CHCl₃ + Cl₂ = CCl₄ + HCl,

но все они образуются в смеси одновременно, так как атомы хлора могут атаковать связи С-Н как в исходном метане, так и в любом из уже образовавшихся продуктов реакции, причем вторичное и последующее замещение может происходить быстрее, чем первичное.

Соотношение между количествами образующихся веществ неизвестно, но для оценки минимального и максимального содержания хлора и метана можно воспользоваться суммарными уравнениями материального баланса. Из сравнения уравнений реакций (1)—(4) видно, что наименьшее количество хлора вступит в реакцию с образованием CH₃Cl, но при этом не будет происходить изменение объема смеси. Если предположить, что для проведения реакции был использован 1 моль газовой смеси и единственным жидким продуктом является CH₂Cl₂, то изменение объема смеси, пропорциональное изменению числа молей газообразных веществ, соответствует формальному уравнению "реакции"

CH₄ + 2Cl₂ = CH₂Cl₂ + 2HCl

По этому уравнению изменение количества веществ в газовой смеси в 0,16 моля (16% исходного) равно количеству образовавшегося CH₂Cl₂. На образование 0,16 моля его требуется 0,32 моля Cl₂, и если допустить, что метан реагировал только по этому уравнению, то эта величина и соответствует минимальному содержанию Cl₂ в исходной смеси.

Максимальное количество хлора будет истрачено не только при протекании реакции по формальному уравнению процесса

CH₄ + 4Cl₂ = CCl₄ + 4HCl

(изменению объема на 16% при этом соответствует реакции 0,64 моля Cl₂ с 0,16 моля CH₄), но и при полном превращении остающихся 20% смеси в CH₃Cl и HCl по уравнению реакции (1), то есть при реакции 0,1 моля Cl₂ с 0,1 моль СH₄; всего в 1 моль исходной смеси при этом содержится до 0,74 моля, или 74% Сl₂.

Следовательно, уменьшение объема смеси на 16% может произойти при мольном содержании Cl₂ от 32 до 74%.