Етан – отримання, властивості, застосування

Етан: загальна характеристика

Сполуки Карбону з Гідрогеном називаються вуглеводнями . В органічній хімії залежно від хімічної структури таких сполук розрізняють гомологічні ряди або родини хімічних сполук, що характеризуються спільною загальною формулою. Етан належить до гомологічного ряду алканів , або насичених вуглеводнів (також їх називають парафіновими вуглеводнями). Вони характеризуються тим, що всі зв’язки між атомами вуглецю і водню насичені. Молекулярна формула етану C ₂ H ₆ . Кожен з атомів вуглецю в молекулі приймає гібридизацію ^sp3 і є чотиривалентним. Окремі атоми з’єднані між собою ковалентними зв’язками. Два атоми вуглецю в молекулі етану безпосередньо з’єднуються один з одним одинарним зв’язком. Крім того, існує три зв’язки від кожного атома вуглецю, до якого приєднані атоми водню. На відміну від ненасичених аналогів етану, етену та етину (також відомих як етилен і ацетилен), молекули етану не виявляють цис-транс-ізомерії, яка є спільною для цих сполук, і включають різні просторові конфігурації замісників навколо вуглецевого кільця.

Приготування і властивості

Невеликі кількості етану містяться в природному газі. Однак слід зазначити, що порівняно з основною складовою природного газу, а саме метаном , етан становить лише близько 1%його. Етан також супроводжує нафтові поклади. Інші джерела етану включають продукти піролізу біомаси та біогаз, утворений у спеціально розроблених анаеробних варочних котлах. У промислових масштабах його також видобувають шляхом парового крекінгу , переробки та іншої обробки сирої нафти . У більших масштабах етан отримують як продукт термічної обробки сирої нафти і вугілля. У лабораторних масштабах сполуку можна отримати реакцією електролізу концентрованого розчину ацетату натрію. Крім етану, в результаті реакції також утворюється вуглекислий газ. Іншим часто використовуваним методом є каталітичне гідрування етену (представника алкенів ). У цьому процесі молекула водню приєднується до ненасиченого подвійного зв’язку, спільного для атомів вуглецю. У звичайних умовах реакція не надто ефективна, тому процеси гідрування етену проводять у присутності платинового каталізатора.

Фізичні та хімічні властивості етану:

• Газ без кольору і запаху (при кімнатній температурі).
• Нерозчинний у воді.
• Добре розчиняється в органічних розчинниках.
• Сильно горючий.
• Він вступає в реакції повного і неповного згоряння.
• Має низьку хімічну реакційну здатність.
• Його густина більша, ніж у повітря.
• нетоксичний.

Етан – важкореакційна хімічна сполука. Це тому, що всі атоми в молекулі мають спільні одинарні зв’язки, які важко розірвати. Однак похідні етану, представники алкенів і алкінів , такі як етен і етин, які також називають ацетиленом, демонструють іншу поведінку. Їх молекули містять ненасичені подвійні та потрійні зв’язки між атомами вуглецю відповідно. Оскільки такі зв’язки легко розірвати, вони роблять зазначені сполуки високореакційними, як, наприклад, у реакції заміщення. Основною хімічною реакцією етану є горіння. Залежно від умов горіння, тобто надходження повітря або кисню, продукти згоряння можуть відрізнятися:

• Повне згоряння відбувається при необмеженому доступі повітря. Він найбільш енергоефективний. Продукти реакції включають вуглекислий газ і молекули води.
• Неповне згоряння відбувається при обмеженій подачі повітря. Це неефективно через отримані продукти. При неповному згорянні утворюється отруйний чадний газ (II) і вода або вуглець і вода.

Застосування етану

Поряд з пропаном і бутаном в якості енергетичної сировини використовується етан . Етан є одним з основних компонентів палива для печей через його високу горючість, відсутність запаху та високу теплотворну здатність. Це менш важливо в опаленні будинків і квартир. Етан є важливою сировиною в хімічній промисловості . Він використовується не тільки для виробництва енергії, але і в ряді промислових процесів. Етан використовується, серед іншого, для виробництва етилового спирту, ацетилену або етиленгліколю. Це також важливий компонент у процесах виробництва пластмас . Етан є присадкою до бензину . Метою додавання етану в бензин є підвищення його октанового числа. Етан також входить до складу антифризів і миючих засобів . Завдяки своїм властивостям він може служити холодоагентом. У таких заявках він позначається як R-170. Призначений для використання, зокрема, у низькотемпературному охолодженні. Цікавим застосуванням етану є його використання в харчовій промисловості. Прискорює дозрівання деяких продуктів, особливо фруктів.

Основні похідні етану

Етилен

Етен є представником гомологічного ряду алкенів. Два атоми водню, які утворюють вуглеводневий ланцюг, мають спільний ненасичений подвійний зв’язок. Етен, який також зазвичай називають етиленом, є продуктом каталітичного дегідрування етану. Дегідрування зазвичай проводять з нікелевим каталізатором. Ненасичений зв’язок у молекулі етену робить сполуку високою реакційною здатністю. Він легко додається до подвійного зв’язку молекул, таких як хлор, бром, хлористий водень, бромистий водень, вода тощо. Етен також піддається полімеризації , яка включає з’єднання коротких фрагментів (мономерів) у довгі ланцюги ( полімери ). Продуктом цього каталітичного процесу є прозора речовина під назвою поліетилен . Поліетилен є основним продуктом, який широко використовується для виготовлення упаковки, пластикових пляшок , обгорткової плівки, фотоплівок та багато іншого. У промисловості етилен в основному використовується для виробництва пластмас. Крім того, він служить субстратом в процесах отримання таких сполук, як оцтова кислота , етиловий спирт і етиленгліколь.

Ацетилен

Іншим похідним етану є ацетилен. Це перший представник гомологічного ряду алкінів. Молекула ацетилену складається з двох атомів вуглецю і двох атомів водню. Така хімічна структура свідчить про наявність потрійного ненасиченого зв’язку між атомами вуглецю. Зв’язок значною мірою визначає властивості сполуки. Ацетилен є надзвичайно реактивним газом. Він вступає в реакції горіння та приєднання (зокрема з бромом, хлором , бромводнем). Як і етилен, він піддається реакції полімеризації з утворенням поліацетилену. Незважаючи на його цікаві функції (такі як електропровідність), сполуку важко отримати. У хімічній промисловості його також можна використовувати для синтезу органічних розчинників. Ацетилен має широкий спектр застосування в різних галузях промисловості. Одним з найважливіших застосувань є киснево-ацетиленові пальники. Використовуються для металообробки та різання, а також зварювання. Існують також ацетиленові лампи, в яких як освітлювач використовується газ. Історично його виробляли і випалювали в так званих карбідних лампах. Сьогодні цей метод більше не використовується. Ацетилен високої чистоти вводиться пацієнтам у вигляді наркозу.

Етанол

Етанол — безбарвна рідина з характерним запахом, терпким смаком і високою летючістю. Етиловий спирт — це похідне етану, що містить у своїй молекулі гідроксильну групу -OH. Етанол є високополярним і змішується з водою в будь-якому співвідношенні. Етанол також є розчинником для кількох органічних сполук. Хоча він є похідним етану, його отримують у промислових масштабах шляхом спиртового бродіння сировини, що містить цукор. Це може бути картопля, кукурудза або крупи. Готовий продукт відокремлюють і очищають дистиляцією. Максимально досяжна концентрація етанолу становить близько 96%(азеотропна суміш етанолу і води). Найбільше значення етанол має в харчовій промисловості. Використовується не тільки для виробництва алкогольних напоїв, а й оцту та харчових ароматизаторів. У фармацевтичній промисловості його використовують для виготовлення сиропів і місцевих дезінфікуючих засобів. Завдяки своїм властивостям етиловий спирт також використовується в косметичній промисловості для виготовлення парфумів.

Етиленгліколь

Як і етанол, етиленгліколь є ще одним спиртовим похідним етану. Ця сполука складається з двох атомів вуглецю, з’єднаних одинарним зв’язком, до якого приєднані дві гідроксильні групи -OH. Гліколь випускається у вигляді густої безбарвної рідини. Легко розчиняється у воді. Етиленгліколь є прикладом найпростішого багатоатомного спирту. Він відносно дешевий у виготовленні, але його основним недоліком є ​​те, що він кристалізується при низьких температурах. Етиленгліколь є одним із ключових інгредієнтів, що використовуються в антифризах для систем HVAC та автомобільних систем. Речовина також міститься в ряді побутових товарів, включаючи миючі засоби, косметику, фарби та розчинники. Інше використання етиленгліколю включає виробництво пластмас, чорнила та теплоносіїв.