Éthane – production, propriétés, utilisations

Éthane : caractéristiques générales

Les composés du carbone avec l’hydrogène sont appelés hydrocarbures . En chimie organique , selon la structure chimique de ces composés, on distingue des séries – ou familles – homologues de composés chimiques, caractérisées par une formule générale commune. L’éthane appartient à la série homologue des alcanes , ou hydrocarbures saturés (également appelés hydrocarbures paraffiniques). Ils se caractérisent par le fait que toutes les liaisons entre les atomes de carbone et d’hydrogène sont saturées. La formule moléculaire de l’éthane est C ₂ H ₆ . Chacun des atomes de carbone de la molécule adopte une hybridation sp ³ et est tétravalent. Les atomes individuels sont reliés les uns aux autres par des liaisons covalentes. Les deux atomes de carbone d’une molécule d’éthane se lient directement l’un à l’autre par une simple liaison. De plus, il existe trois liaisons à partir de chaque atome de carbone auxquelles sont attachés des atomes d’hydrogène. Contrairement à leurs homologues insaturés de l’éthane, de l’éthène et de l’éthyne (également appelés éthylène et acétylène), les molécules d’éthane ne présentent pas d’isomérie cis-trans commune à ces composés et impliquent différentes configurations spatiales de substituants autour du cycle carboné.

Préparation et propriétés

De petites quantités d’éthane se trouvent dans le gaz naturel. Il faut toutefois noter que par rapport au principal constituant du gaz naturel, à savoir le méthane , l’éthane n’en constitue qu’environ 1 %. L’éthane accompagne également les gisements de pétrole. D’autres sources d’éthane comprennent les produits de pyrolyse de la biomasse et le biogaz généré dans des digesteurs anaérobies spécialement conçus. À l’échelle industrielle, il est également extrait par vapocraquage , raffinage et autres traitements du pétrole brut . À plus grande échelle, l’éthane est obtenu comme produit du traitement thermique du pétrole brut et du charbon. À l’échelle du laboratoire, le composé peut être obtenu par réaction d’électrolyse d’une solution concentrée d’acétate de sodium. En plus de l’éthane, la réaction produit également du dioxyde de carbone. Une autre méthode fréquemment utilisée est l’hydrogénation catalytique de l’éthène (un représentant des alcènes ). Dans ce processus, une molécule d’hydrogène est attachée à la double liaison insaturée partagée par les atomes de carbone. Dans des conditions normales, la réaction n’est pas très efficace, c’est pourquoi les processus d’hydrogénation de l’éthène sont effectués en présence d’un catalyseur au platine.

Les propriétés physiques et chimiques de l’éthane :

• Gaz incolore et inodore (à température ambiante).
• Insoluble dans l’eau.
• Bien soluble dans les solvants organiques.
• Hautement inflammable.
• Il subit des réactions de combustion complètes et incomplètes.
• Il a une faible réactivité chimique.
• Sa densité est supérieure à celle de l’air.
• Non toxique.

L’éthane est un composé chimique peu réactif. En effet, tous les atomes de la molécule partagent des liaisons simples difficiles à rompre. Cependant, les dérivés de l’éthane, représentants des alcènes et des alcynes , comme l’éthène et l’éthyne, également appelé acétylène, présentent un comportement différent. Leurs molécules contiennent respectivement des doubles et triples liaisons insaturées entre les atomes de carbone. Étant donné que de telles liaisons sont faciles à rompre, elles rendent lesdits composés très réactifs, comme par exemple dans une réaction de substitution. La principale réaction chimique de l’éthane est la combustion. Selon les conditions de combustion, c’est-à-dire l’apport d’air ou d’oxygène, les produits de combustion peuvent différer :

• Une combustion complète se produit avec un accès illimité à l’air. C’est le plus efficace énergétiquement. Les produits de réaction comprennent du dioxyde de carbone et des molécules d’eau.
• Une combustion incomplète se produit avec un apport d’air limité. Ce n’est pas efficace à cause des produits qui en résultent. Une combustion incomplète produit du monoxyde de carbone (II) et de l’eau toxiques ou du carbone et de l’eau.

Applications de l’éthane

Avec le propane et le butane , l’éthane est utilisé comme matière première énergétique . L’éthane est l’un des principaux constituants des combustibles pour les réchauds de camping en raison de sa haute inflammabilité, de son absence d’odeur et de son pouvoir calorifique élevé. C’est moins important pour le chauffage des maisons et des appartements. L’éthane est une matière première importante dans l’ industrie chimique . Il est utilisé non seulement pour produire de l’énergie, mais également dans un certain nombre de processus industriels. L’éthane est utilisé, entre autres, pour la production d’alcool éthylique, d’acétylène ou d’éthylène glycol. C’est également un élément important dans les procédés de fabrication des matières plastiques . L’éthane est un additif pour l’essence . Le but de l’ajout d’éthane à l’essence est d’augmenter son indice d’octane. L’éthane est également un composant des agents antigels et des détergents . Grâce à ses propriétés, il peut servir de réfrigérant. Dans de telles applications, il est marqué R-170. Conçu pour une utilisation particulièrement en réfrigération à basse température. Une application intéressante de l’éthane est son utilisation dans l’industrie alimentaire. Il accélère la maturation de certains produits, notamment les fruits.

Principaux dérivés de l’éthane

Éthylène

L’éthylène est un représentant de la série homologue des alcènes. Deux atomes d’hydrogène qui composent la chaîne hydrocarbonée partagent une double liaison insaturée. L’éthylène, également communément appelé éthylène, est un produit de la déshydrogénation catalytique de l’éthane. La déshydrogénation est généralement réalisée avec un catalyseur au nickel. Une liaison insaturée dans la molécule d’éthène rend le composé très réactif. Il s’ajoute facilement à la double liaison de molécules telles que le chlore, le brome, le chlorure d’hydrogène, le bromure d’hydrogène, l’eau et bien plus encore. L’éthylène subit également une polymérisation , qui implique l’assemblage de fragments courts (monomères) en longues chaînes ( polymères ). Le produit de ce processus catalytique est une substance transparente appelée polyéthylène . Le polyéthylène est un produit de base largement utilisé pour fabriquer des emballages, des bouteilles en plastique , des films d’emballage, des films photographiques et bien plus encore. Dans l’industrie, l’éthylène est essentiellement utilisé pour la production de plastiques. De plus, il sert de substrat dans les processus d’obtention de composés tels que l’acide acétique , l’alcool éthylique et l’éthylène glycol.

Acétylène

Un autre dérivé de l’éthane est l’acétylène. C’est le premier représentant de la série homologue des alcynes. La molécule d’acétylène est composée de deux atomes de carbone et de deux atomes d’hydrogène. Une telle structure chimique suggère qu’il existe une triple liaison insaturée entre les atomes de carbone. La liaison détermine en grande partie les propriétés du composé. L’acétylène est un gaz extrêmement réactif. Il subit des réactions de combustion et d’addition (avec le brome, le chlore , le brome hydrogène, entre autres). Comme l’éthylène, il subit une réaction de polymérisation pour former du polyacétylène. Malgré ses fonctions intéressantes (comme la conductivité électrique), le composé est difficile à obtenir. Dans l’industrie chimique, il peut également être utilisé pour synthétiser des solvants organiques. L’acétylène a une large gamme d’applications dans divers secteurs de l’industrie. L’une des applications les plus importantes est celle des chalumeaux oxyacétylène. Ils sont utilisés pour le travail et la découpe des métaux, ainsi que pour le soudage. Il existe également des lampes à acétylène dans lesquelles le gaz est utilisé comme source d’éclairage. Historiquement, il était produit et brûlé dans des lampes dites au carbure. Aujourd’hui, cette méthode n’est plus utilisée. De l’acétylène de haute pureté est administré aux patients sous forme d’anesthésie.

Éthanol

L’éthanol est un liquide incolore doté d’une odeur caractéristique, d’un goût astringent et d’une forte volatilité. L’alcool éthylique est un dérivé de l’éthane contenant un groupe hydroxyle -OH dans sa molécule. L’éthanol est très polaire et se mélange à l’eau dans n’importe quelle proportion. L’éthanol est également un solvant pour plusieurs composés organiques. Bien qu’il s’agisse d’un dérivé de l’éthane, il est obtenu à l’échelle industrielle par fermentation alcoolique de matières premières contenant des sucres. Il peut s’agir de pommes de terre, de maïs ou de céréales. Le produit fini est séparé et purifié par distillation. La concentration maximale d’éthanol réalisable est d’environ 96 %(mélange azéotropique d’éthanol et d’eau). L’éthanol est de la plus haute importance dans l’industrie alimentaire. Il est utilisé non seulement pour la production de boissons alcoolisées, mais aussi de vinaigre et d’arômes alimentaires. Dans l’industrie pharmaceutique, il est utilisé pour fabriquer des sirops et des désinfectants topiques. En raison de ses propriétés, l’alcool éthylique est également utilisé dans l’industrie cosmétique pour fabriquer des parfums.

Éthylène glycol

Comme l’éthanol, l’éthylène glycol est un autre dérivé alcoolique de l’éthane. Ce composé est constitué de deux atomes de carbone reliés par une simple liaison, auxquels sont attachés deux groupes hydroxyle -OH. Le glycol se présente sous la forme d’un liquide épais et incolore. Il se dissout facilement dans l’eau. L’éthylène glycol est un exemple d’alcool polyhydroxylé le plus simple. Il est relativement peu coûteux à fabriquer mais son principal inconvénient est qu’il cristallise à basse température. L’éthylène glycol est l’un des ingrédients clés utilisés dans les produits antigel pour les systèmes CVC et automobiles. La substance est également présente dans un certain nombre de produits ménagers, notamment les détergents, les cosmétiques, les peintures et les solvants. D’autres utilisations de l’éthylène glycol incluent la production de plastiques, d’encres et de caloporteurs.