Этан - Ethane

Этан
Скелетная формула этана со всеми показанными неявными атомами водорода
Скелетная формула этана со всеми показанными неявными атомами углерода и добавлением всех явных атомов водорода
Шариковая и клюшечная модель из этана
Модель заполнения пространства этана
Имена
Предпочтительное название IUPAC
Этан
Систематическое название ИЮПАК
Дикарбан (никогда не рекомендуется)
Идентификаторы
3D модель ( JSmol )
1730716
ЧЭБИ
ЧЭМБЛ
ChemSpider
ECHA InfoCard 100.000.741 Отредактируйте это в Викиданных
Номер ЕС
212
MeSH Этан
Номер RTECS
UNII
Номер ООН 1035
  • InChI = 1S / C2H6 / c1-2 / h1-2H3 проверитьY
    Ключ: OTMSDBZUPAUEDD-UHFFFAOYSA-N проверитьY
Характеристики
С 2 Н 6
Молярная масса 30,070  г · моль -1
Появление Бесцветный газ
Запах Без запаха
Плотность

544,0 кг / м 3 (жидкость при -88,5 ° C)
206 кг / м 3 (при критической точке 305,322 K)

Температура плавления -182,8 ° С; -296,9 ° F; 90,4 тыс.
Точка кипения -88,5 ° С; -127,4 ° F; 184,6 тыс.
56.8 мг л -1
Давление газа 3,8453 МПа (при 21,1 ° C)
19 нмоль Па -1 кг -1
Кислотность (p K a ) 50
Основность (p K b ) -36
Конъюгированная кислота Этан
-37,37 · 10 −6 см 3 / моль
Термохимия
52.49 Дж -1 моль -1
−84 кДж моль −1
−1561,0–−1560,4 кДж моль −1
Опасности
Паспорт безопасности См .: страницу данных
inchem.org
Пиктограммы GHS GHS02: Легковоспламеняющийся
Сигнальное слово GHS Опасность
H220 , H280
P210 , P410 + 403
NFPA 704 (огненный алмаз)
1
4
0
точка возгорания -135 ° С (-211 ° F, 138 К)
472 ° С (882 ° F, 745 К)
Пределы взрываемости 2,9–13%
Родственные соединения
Родственные алканы
Родственные соединения
Страница дополнительных данных
Показатель преломления ( n ),
диэлектрическая проницаемостьr ) и т. Д.
Термодинамические
данные
Фазовое поведение
твердое тело – жидкость – газ
УФ , ИК , ЯМР , МС
Если не указано иное, данные приведены для материалов в их стандартном состоянии (при 25 ° C [77 ° F], 100 кПа).
проверитьY проверить  ( что есть   ?) проверитьY☒N
Ссылки на инфобоксы

Этан ( / ɛ & thetas ; п / или / я & thetas ; п / ) представляет собой органическое химическое соединение с химической формулой C
2
ЧАС
6
. При стандартной температуре и давлении этан представляет собой бесцветный газ без запаха . Как и многие углеводороды , этан , изолированный в промышленном масштабе из природного газа и , как нефтехимическая побочным продуктом переработки нефти . Его основное использование - сырье для производства этилена .

Родственные соединения могут быть образованы заменой атома водорода другой функциональной группой ; этановый фрагмент называется этильной группой . Например, этильная группа, связанная с гидроксильной группой, дает этанол , спирт в напитках.

История

Этан был впервые синтезирован в 1834 году Майкл Фарадей , применяя электролиз в виде ацетата калия раствора. Он принял углеводородный продукт этой реакции за метан и не стал его исследовать. В течение периода 1847-1849, в попытке оправдать радикальную теорию о органической химии , Кольба и Эдвард Франкленд производства этана путем сокращений пропионитрили ( этил цианид ) и этил иодид с калием металлом, и, как это делали Фарадей, на электролиз водных ацетатов. Они приняли продукт реакций за метильный радикал, а не за димер метила, этан. Эта ошибка была исправлена ​​в 1864 году Карлом Шорлеммером , который показал, что продуктом всех этих реакций на самом деле был этан. Этан был обнаружен растворяли в пенсильванско легкой сырой нефти путем Эдмунд Ronalds в 1864 году.

Название этан происходит от номенклатуры органической химии ИЮПАК . «Eth-» происходит от немецкого слова «питьевой спирт (этанол)», «е» означает наличие одинарной связи между атомами углерода.

Характеристики

При стандартной температуре и давлении этан представляет собой бесцветный газ без запаха. Он имеет температуру кипения -88,5 ° C (-127,3 ° F) и точку плавления -182,8 ° C (-297,0 ° F). Твердый этан существует в нескольких модификациях. При охлаждении при нормальном давлении первой появляется модификация - это пластичный кристалл , кристаллизующийся в кубической системе. В этой форме положения атомов водорода не фиксированы; молекулы могут свободно вращаться вокруг длинной оси. Охлаждение этого этана ниже прибл. 89,9 К (-183,2 ° C; -297,8 ° F) превращает его в моноклинный метастабильный этан II ( пространственная группа P 21 / n). Этан очень плохо растворяется в воде.

]

Параметры связи этана были измерены с высокой точностью методами микроволновой спектроскопии и электронной дифракции: r C – C = 1,528 (3) Å, r C – H = 1,088 (5) Å и ∠CCH = 111,6 (5) ° по микроволнового излучения и r C – C = 1,524 (3) Å, r C – H = 1,089 (5) Å и ∠CCH = 111,9 (5) ° по дифракции электронов (числа в скобках представляют погрешности в последних цифрах).

Химия

Этан можно рассматривать как две соединенные метильные группы , то есть димер метильных групп. В лаборатории этан можно легко синтезировать электролизом Кольбе . В этом методе электролизуют водный раствор ацетатной соли . На аноде ацетат окисляется с образованием диоксида углерода и метильных радикалов, а высокореакционные метильные радикалы объединяются с образованием этана:

CH 3 COO - → CH 3 • + CO 2 + e -
CH 3 • + • CH 3 → C 2 H 6

Синтез окисления уксусного ангидрида с помощью пероксидов , концептуально аналогичен.

Химия этана включает в себя в основном реакции свободных радикалов . Этан может реагировать с галогенами , особенно с хлором и бромом , путем свободнорадикального галогенирования . Эта реакция протекает через распространение этильного радикала:

C 2 H 5 • + Cl 2C 2 H 5 Cl + Cl •
Cl • + C 2 H 6 → C 2 H 5 • + HCl

Поскольку галогенированные этаны могут подвергаться дальнейшему свободнорадикальному галогенированию, в результате этого процесса образуется смесь нескольких галогенированных продуктов. В химической промышленности для производства любого конкретного двухуглеродного галогеналкана используются более селективные химические реакции.

Горение

При полном сгорании этана выделяется 1559,7 кДж / моль, или 51,9 кДж / г тепла, и образуется диоксид углерода и вода в соответствии с химическим уравнением

2 C 2 H 6 + 7 O 2 → 4 CO 2 + 6 H 2 O + 3120 кДж

Горение также может происходить без избытка кислорода, образуя смесь аморфного углерода и монооксида углерода .

2 C 2 H 6 + 3 O 2 → 4 C + 6 H 2 O + энергия
2 C 2 H 6 + 5 O 2 → 4 CO + 6 H 2 O + энергия
2 C 2 H 6 + 4 O 2 → 2 C + 2 CO + 6 H 2 O + энергия и т. Д.

Горение происходит в результате сложной серии свободнорадикальных реакций. Компьютерное моделирование этого химической кинетики этана горения включало сотни реакций. Важной серией реакций при горении этана является сочетание этильного радикала с кислородом и последующее расщепление образующегося пероксида на этокси и гидроксильный радикалы.

C 2 H 5 • + O 2 → C 2 H 5 OO •
C 2 H 5 OO • + HR → C 2 H 5 OOH + • R
C 2 H 5 OOH → C 2 H 5 O • + • OH

Основными углеродсодержащими продуктами неполного сгорания этана являются одноуглеродные соединения, такие как монооксид углерода и формальдегид . Одним из важных путей разрыва углерод-углеродной связи в этане с образованием этих одноуглеродных продуктов является разложение этоксильного радикала на метильный радикал и формальдегид, которые, в свою очередь, могут подвергаться дальнейшему окислению.

C 2 H 5 O • → CH 3 • + CH 2 O

Некоторые второстепенные продукты неполного сгорания этана включают ацетальдегид , метан , метанол и этанол . При более высоких температурах, особенно в диапазоне 600–900 ° C (1112–1 652 ° F), этилен является важным продуктом. Он возникает из-за таких реакций:

C 2 H 5 • + O 2C 2 H 4 + • OOH

Подобные реакции (с другими агентами, кроме кислорода в качестве отводящего водород) участвуют в производстве этилена из этана при паровом крекинге .

Этановый барьер

Этан (показан в проекции Ньюмана ) препятствует вращению вокруг углерод-углеродной связи. Кривая представляет собой потенциальную энергию как функцию угла поворота. Энергетический барьер составляет 12 кДж / моль или около 2,9 ккал / моль .

Вращение молекулярной субструктуры вокруг скручивающейся связи обычно требует энергии. Минимальная энергия для вращения связи на 360 ° называется барьером вращения .

Этан представляет собой классический и простой пример такого барьера вращения, который иногда называют «этановым барьером». Одно из первых экспериментальных свидетельств существования этого барьера (см. Диаграмму слева) было получено путем моделирования энтропии этана. Три атома водорода на каждом конце могут свободно вращаться вокруг центральной углерод-углеродной связи при наличии энергии, достаточной для преодоления барьера. Физическое происхождение барьера до сих пор полностью не установлено, хотя перекрывающееся (обменное) отталкивание между атомами водорода на противоположных концах молекулы, возможно, является самым сильным кандидатом, со стабилизирующим эффектом гиперконъюгации на ступенчатую конформацию, способствующую этому явлению. Однако теоретические методы, использующие подходящую начальную точку (ортогональные орбитали), обнаруживают, что сверхсопряжение является наиболее важным фактором в возникновении барьера вращения этана.

Еще в 1890–1891 гг. Химики предположили, что молекулы этана предпочитают шахматную конформацию, при которой два конца молекулы наклонены друг относительно друга.

Производство

После метана этан является вторым по величине компонентом природного газа . Содержание этана в природном газе из различных газовых месторождений варьируется от менее 1% до более 6% по объему. До 1960-х годов этан и более крупные молекулы обычно не отделялись от метанового компонента природного газа, а просто сжигались вместе с метаном в качестве топлива. Сегодня этан является важным сырьем для нефтехимии и отделен от других компонентов природного газа на большинстве хорошо разработанных газовых месторождений. Этан также можно отделить от нефтяного газа , смеси газообразных углеводородов, получаемой как побочный продукт переработки нефти . Однако экономика строительства и эксплуатации перерабатывающих предприятий может измениться. Если относительная ценность отправки необработанного природного газа потребителю превышает ценность извлечения этана, извлечение этана может не начаться, что может вызвать эксплуатационные проблемы, связанные с изменением качества газа в последующих системах.

Этан наиболее эффективно отделяется от метана путем его сжижения при криогенных температурах. Существуют различные стратегии охлаждения: наиболее экономичный процесс, широко используемый в настоящее время, включает турбодетандер и может восстановить более 90% этана в природном газе. В этом процессе охлажденный газ расширяется через турбину , снижая температуру примерно до -100 ° C (-148 ° F). При такой низкой температуре газообразный метан можно отделить от сжиженного этана и более тяжелых углеводородов путем дистилляции . Дальнейшая перегонка отделяет этан от пропана и более тяжелых углеводородов.

Этан может быть образован из электролиза из ацетатных солей:

2 CH 3 COONa + 2 H 2 O → C 2 H 6 + 2 CO 2 + H 2 + 2 NaOH

Использует

Основное применение этана - производство этена (этилена) путем парового крекинга . При разбавлении паром и кратковременном нагревании до очень высоких температур (900 ° C или более) тяжелые углеводороды распадаются на более легкие углеводороды, а насыщенные углеводороды становятся ненасыщенными . Этан предпочтителен для производства этена, потому что паровой крекинг этана довольно селективен для этена, в то время как паровой крекинг более тяжелых углеводородов дает смесь продуктов, более бедную этеном и более богатую более тяжелыми алкенами (олефинами) , такими как пропен (пропилен) и бутадиен , и в ароматических углеводородах .

Экспериментально этан исследуется как сырье для других товарных химикатов. Окислительное хлорирование этана долгое время казалось потенциально более экономичным способом получения винилхлорида, чем хлорирование этена. Многие способы проведения этой реакции были запатентованы , но низкая селективность по винилхлориду и коррозионные условия реакции (в частности, реакционная смесь, содержащая соляную кислоту при температурах выше 500 ° C) препятствовали коммерциализации большинства из них. В настоящее время INEOS управляет пилотной установкой производства этана в винилхлорид производительностью 1000 т / год ( тонн в год ) в Вильгельмсхафене в Германии .

Точно так же саудовская фирма SABIC объявила о строительстве завода мощностью 30 000 тонн в год для производства уксусной кислоты путем окисления этана в Янбу . Экономическая жизнеспособность этого процесса может зависеть от низкой стоимости этана вблизи нефтяных месторождений Саудовской Аравии, и он может не конкурировать с карбонилированием метанола в других странах мира.

Этан можно использовать в качестве хладагента в криогенных холодильных системах. В гораздо меньших масштабах в научных исследованиях жидкий этан используется для стеклования богатых водой образцов для электронной микроскопии ( криоэлектронная микроскопия ). Тонкая пленка воды, быстро погруженная в жидкий этан при температуре -150 ° C или ниже, замерзает слишком быстро, чтобы вода кристаллизовалась. Методы более медленного замораживания могут привести к образованию кубических кристаллов льда, которые могут разрушить мягкие структуры , повредив образцы, и снизить качество изображения из-за рассеивания электронного луча до того, как он достигнет детектора.

Здоровье и безопасность

При комнатной температуре этан является чрезвычайно легковоспламеняющимся газом. При смешивании с воздухом в количестве 3,0–12,5% по объему образует взрывоопасную смесь.

При хранении этана в виде криогенной жидкости необходимы некоторые дополнительные меры предосторожности. Прямой контакт с жидким этаном может привести к сильному обморожению . Пока они не нагреются до комнатной температуры, пары жидкого этана тяжелее воздуха и могут течь по полу или земле, собираясь в низких местах; если пары сталкиваются с источником воспламенения, химическая реакция может вернуться к источнику этана, из которого они испарились.

Этан может вытеснять кислород и стать причиной удушья . Этан не представляет известного острого или хронического токсикологического риска. Это не канцероген .

Атмосферный и внеземной этан

Фотография северных широт Титана . Темные элементы - это углеводородные озера, содержащие этан.

Этан встречается в атмосфере Земли в виде газовых примесей , в настоящее время его концентрация на уровне моря составляет 0,5 частей на миллиард , хотя его доиндустриальная концентрация, вероятно, составляла всего около 0,25 части на миллиард, поскольку значительная часть этана в сегодняшней атмосфере могла образоваться. как ископаемое топливо . Мировые количества этана менялись с течением времени, вероятно, из-за факельного сжигания на месторождениях природного газа . Глобальные темпы выбросов этана снизились с 1984 по 2010 год, хотя увеличение добычи сланцевого газа на формации Баккен в США остановило снижение вдвое.

Хотя этан является парниковым газом , он гораздо менее распространен, чем метан, имеет срок службы всего несколько месяцев по сравнению с более чем десятилетием, а также менее эффективно поглощает излучение по сравнению с массой. Фактически, потенциал глобального потепления этана во многом обусловлен его преобразованием в атмосфере в метан. Было обнаружено в качестве компонента следа в атмосфере всех четырех гигантских планет , и в атмосфере Сатурн «с луны Титан .

Атмосферный этан является результатом фотохимического воздействия Солнца на газообразный метан, также присутствующий в этих атмосферах: ультрафиолетовые фотоны с более короткой длиной волны, чем 160 нм, могут фотодиссоциировать молекулу метана на метильный радикал и атом водорода . Когда два метильных радикала рекомбинируют, получается этан:

Канал 4 → Канал 3 • + • H
CH 3 • + • CH 3 → C 2 H 6

В атмосфере Земли гидроксильные радикалы превращают этан в пары метанола с периодом полураспада около трех месяцев.

Предполагается, что этан, произведенный таким образом на Титане, снова выпадает на поверхность Луны и со временем накапливается в углеводородных морях, покрывающих большую часть полярных регионов Луны. В декабре 2007 года зонд «Кассини» обнаружил по крайней мере одно озеро на южном полюсе Титана, которое теперь называется Онтарио Лакус из-за того, что площадь озера аналогична озеру Онтарио на Земле (примерно 20 000 км 2 ). Дальнейший анализ данных инфракрасной спектроскопии, представленный в июле 2008 года, предоставил дополнительные доказательства присутствия жидкого этана в озере Онтарио. Несколько значительно более крупных углеводородных озер, Лигейя-Маре и Кракен-Маре, являющиеся двумя крупнейшими, были обнаружены недалеко от северного полюса Титана с помощью радиолокационных данных, собранных Кассини. Считается, что эти озера заполнены в основном смесью жидкого этана и метана.

В 1996 году этан был обнаружен в комете Хиякутаке , и с тех пор он был обнаружен в некоторых других кометах . Наличие этана в этих далеких телах Солнечной системы может указывать на этан как на изначальный компонент солнечной туманности, из которой, как полагают, образовались Солнце и планеты.

В 2006 году Дейл Круикшанк из Исследовательского центра НАСА / Эймса (один из исследователей New Horizons ) и его коллеги объявили о спектроскопическом открытии этана на поверхности Плутона .

Смотрите также

использованная литература

внешние ссылки