Этан — производство, свойства, применение

Этан — общая характеристика

Соединения углерода и водорода называются углеводородами. В органической химии в зависимости от химической структуры этих соединений выделяют гомологические ряды, т. е. семейства химических соединений, имеющих совместную общую формулу. Этан принадлежит к гомологическому ряду алканов, т.е. предельных углеводородов (также называемых парафиновыми углеводородами). Их характерной особенностью является то, что все связи между атомами углерода и водорода являются насыщенными. Молекулярная формула етана: C₂H₆. Каждый с атомов углерода в молекуле подвергается гибридизации sp³ и он четырехвалентен. Отдельные атомы связаны друг с другом ковалентными связями. Два атома углерода в молекуле этана соединены непосредственно друг с другом простой связью. Кроме того, каждый атом углерода имеет три связи, к которым присоединены атомы водорода. В отличие от ненасыщенных эквивалентов этана, т.е. этена и этина (также известных как этилен и ацетилен), молекулы этана не содержат общей для этих соединений цис-транс-изомерии, т.е. различных пространственных конфигураций заместителей вокруг карбоциклического кольцо.

Получение и свойства

Самое большое количество этана находится в природном газе.  Однако следует помнить, что его содержание составляет всего около 1% по сравнению с основным компонентом природного газа – метаном. Этан также присутствует в месторождениях нефти. Другими его источника являются продукты пиролиза биомассы и биогаз, получаемый в специальных анаэробных варочных котлах. Промышленным путем его также получают в процессах каталитического крекинга, нефтепереработки и других процессах переработки сырой нефти.

В более крупных масштабах этан получают как продукт термической переработки сырой нефти и каменного угля. В лабораторных условиях это соединение можно получить путем электролиза концентрированного раствора ацетата натрия. В результате этой реакции кроме этана, также получается углекислый газ. Другим часто используемым методом является каталитическое гидрирование этилена (представителя алкенов). В этом процессе к ненасыщенной двойной связи между атомами углерода присоединяется молекула водорода. В обычных условиях эта реакция протекает не с удовлетворительной эффективностью, поэтому процессы гидрирования этилена проводят в присутствии платинового катализатора.

Физико-химические свойства этана

• Бесцветный газ без запаха (при комнатной температуре).
• Он не растворяется в воде.
• Хорошо растворяется в органических растворителях.
• Он является легковоспламеняющимся веществом.
• Он подвергается реакциям полного и неполного сгорания.
• Химически малоактивен.
• Его плотность выше плотности воздуха.
• Он нетоксичен.

Этан является малоактивным химическим соединением. Это происходит потому, что между всеми атомами в молекуле существуют простые связи, которые трудно разорвать. По-разному ведут себя производные этана, представители алкенов и алкинов, т. е. этилен и этин, также называемый ацетиленом. Их молекулы содержат ненасыщенные связи, соответственно двойные и тройные связи между атомами углерода. Легкость их разрушения приводит к высокой реакционной способности вышеуказанных соединений, например, в реакции замещения.

Основная химическая реакция, которой подвергается этан, — это горение. В зависимости от условий, в которых оно проводится, т. е. наличия воздуха или кислорода, продукты сгорания различаются:

• Полное сгорание происходит при неограниченном доступе воздуха. Это наиболее энергетически выгодно. Продуктами являются углекислый газ и молекулы воды.
• Неполное сгорание происходит при ограниченном доступе воздуха. Это вредно с учетом его продуктов сгорания. В результате неполного сгорания образуются оксид углерода (II) (ядовитый угарный газ) и вода или элементарный углерод и вода.

Этан — использование

Этан, наряду с пропаном и бутаном, используется в качестве энергетического сырья. Этан является одним из основных ингредиентов топлива, предназначенного для походных печей, из-за его высокой возгораемости, отсутствия запаха и высокой теплотворной способности. Меньшее энергетическое значение он имеет при отоплении домов и квартир.

Этот газ является важным сырьем для химической промышленности. Он используется не только для получения энергии, но также и в ряде других промышленных процессах. Этан используется, в частности, для производства этилового спирта, ацетилена и этиленгликоля. Он также является важным составляющим в процессах производства пластмасс.

Этан есть одной из добавок к бензину. Целью добавления этого газа к бензину есть увеличение его октанового числа.

Этан также является одним из компонентов антифризов и моющих средств. Благодаря своим свойствам он может действовать как хладагент. При таком использовании его обозначают как R — 170. Предназначен для использования особенно при низкотемпературном охлаждении. Интересным применением является его использование в пищевой промышленности. Это способствует более быстрому созреванию некоторых продуктов, особенно фруктов.

Важнейшие производные этана

Этилен

Этен является представителем гомологического ряда алкенов. Между двумя атомами водорода, образующими углеводородную цепь, существует ненасыщенная двойная связь. Этен, называемый обычно этиленом, является продуктом каталитического дегидрирования этана. Дегидрирование обычно проводят с использованием никелевого катализатора. Ненасыщенная связь в молекуле этилена делает это соединение очень реакционноспособным. Он легко присоединяется к двойной связи таких молекул, как хлор, бром, хлористый водород, бромистый водород, вода и другие. Этен также подвергается полимеризации, т.е. короткие фрагменты (мономеры) объединяются в длинные цепи (полимеры). Продуктом этого каталитического процесса является прозрачное вещество – полиэтилен.

Полиэтилен – основной продукт, широко используемый для производства упаковки, пластиковых бутылок, фольги, фотопленок и многих других. Промышленное использование этена неразрывно связано с производством пластмасс. Более того, он является одним из субстратов в процессах получения таких соединений, как уксусная кислота, этиловый спирт или этиленгликоль.

Ацетилен

Ацетилен – еще одно производное этана. Это первый из представителей гомологического ряда алкинов. Молекула этого соединения состоит из двух атомов углерода и двух атомов водорода. Такая химическая структура предполагает наличие ненасыщенной тройной связи между атомами углерода. Это во многом определяет свойства, которыми обладает это соединение. Ацетилен — чрезвычайно химически активный газ. Он подвергается реакциям горения и присоединения (с участием брома, хлора, бромистого водорода и других). Как и этилен, он подвергается реакции полимеризации, в результате чего образуется полиацетилен. Несмотря на свои интересные функции (например, способность проводить электричество), это соединение трудно получить. В химической промышленности его также можно использовать для получения органических растворителей.

Ацетилен – соединение, имеющее широкий спектр применения в различных отраслях промышленности. Одним из наиболее важных является его использование в кислородно-ацетиленовых горелках. Эти горелки используются для обработки и резания метала, а также его сварки. Известны также ацетиленовые лампы, в которых в качестве освещающего вещества служит этот газ. Раньше его производили в лампах, так называемых карбидных фонарях. В наше время этот способ уже не используется. Ацетилен высокой чистоты вводят пациентам под наркозом.

Этанол

Этанол — это бесцветная жидкость с характерным запахом, едким вкусом и высокой летучестью. Этиловый спирт — это производная этану, содержащая в своей структуре гидроксильную группу -ОН. Он имеет полярный характер. Смешивается с водой в любых пропорциях.  Этанол также является растворителем ряда органических соединений. Хоть он и является производным этана, в промышленных масштабах его получают в процессе спиртового брожения сырья, содержащего сахара. Ими могут быть, среди прочего, картофель, кукуруза или зерно. Готовый продукт отделяют и очищают в процессе дистилляции. Максимально достижимая концентрация этилового спирта составляет примерно 96% (азеотропная смесь этанола и воды).

Этанол – продукт, имеющий огромное значение в пищевой промышленности. Его используют не только для производства алкогольных напитков, но также уксуса и кондитерских ароматизаторов. В фармацевтической промышленности его используют для производства сиропов и дезинфицирующих средств местного действия. Благодаря своим свойствам этиловый спирт также используется в косметической промышленности для производства парфюмерии.

Этиленгликоль

Помимо этанола, еще одним спиртовым производным этана является этиленгликоль. Это соединение состоит из двух атомов углерода, соединенных простой связью, к которой присоединены две гидроксильные группы – ОН. Гликоль выступает в форме густой бесцветной жидкости. Он очень хорошо растворяется в воде. Этиленгликоль является примером простейшего многоатомного спирта. Он сравнительно дешев в производстве, но его главный недостаток – кристаллизация при низких температурах.

Этиленгликоль — это одна из основных составляющих, которые используются в антифризах для систем отопления, вентиляции и кондиционирования и автомобильных системах. Это вещество содержится в ряде бытовых товаров, включая моющие средства, косметике, красках и растворителях. Другие области применения этиленгликоля включают производство пластмасс, чернил и теплоносителей.