Этан — производство, свойства, применение
Среди важнейших компонентов природного газа есть простейший углеводород этан. Молекула этого вещества, которое входит в гомологический ряд алканов, имеет всего одну углерод-углеродную связь. Причём, несмотря на то, что этан относится к малоактивным химическим соединениям, он применяется в разных сферах. В том числе, в качестве топлива и сырья для производства других материалов.Общие характеристики вещества
Все углеводороды, в составе которых есть атомы углерода и водорода, относятся к одному из гомологических рядов – семейству веществ, объединённых общей формулой. Этан относится к алканам – углеводородам, которые также называют предельными или парафиновыми.Формула вещества — C2H6. Все атомы углерода в его составе является четырёхвалентными, и подвергаются sp3-гибридизации. Они соединяются друг с другом с помощью простых ковалентных связей. У каждого атома углерода есть три связи для присоединения атомов водорода. Кроме того, в отличие от своих ненасыщенных эквивалентов (этин и этен), у этана отсутствует цис-транс изомерия, когда заместители располагаются по одну или обе стороны плоскости двойной связи.
Способы получения
Больше всего этана содержит природный газ. Однако даже там его количество примерно в 100 раз меньше, чем метана, который тоже является одной из составляющих природного газа. Кроме того, этан встречается в нефтяных месторождениях. Ещё одним источником газа может стать биогаз, который получается в анаэробном варочном котле. А в промышленности для получения этана используют различные процессы переработки сырой нефти, включая каталитический крекинг.Получить большой объём газа можно при термической переработке каменного угля и сырой нефти. При необходимости в небольшом количестве этан получают в лабораторных условиях, с помощью электролиза. Можно создать газ и путём каталитического гидрирования этилена – для нормального протекания этого процесса обычно используется платиновый катализатор.
Свойства этана
Газ обладает такими физико-химическими свойствами:- отсутствием запаха (правда, только при комнатной температуре);
- нерастворимостью в воде;
- растворимостью в органических растворителях;
- хорошей воспламеняемостью, возможностью вступать в реакцию неполного и полного сгорания;
- невысокой химической активностью;
- плотностью выше воздуха;
- отсутствием токсичности.
Невысокая химическая активность этана обусловлена наличием только простых связей между его молекулами. Их трудно разорвать, потому вещество плохо вступает в различные реакции. Однако производные этана, в молекулах которых есть ненасыщенные связи атомов, отличаются уже большей химической активностью и реакционной способностью. Основная реакция, в которую может вступить этан – горение, результат которого зависит от условий процесса. Неограниченный доступ воздуха приводит к полному сгоранию. После этого образуется вода и углекислый газ. Если доступ кислорода ограничен, сгорание будет неполным, а результатом реакции может стать образование опасного угарного газа и воды.
Применение этана
Этан может использоваться как энергетическое сырьё. В том числе, в качестве топлива для походной печи, для которой подходит за счёт отсутствия запаха и хорошей возгораемости. При отоплении жилья используется значительно реже – этан намного выгоднее перерабатывать, чем просто сжигать для получения тепла.Газ получил широкое распространение в химической промышленности, где может использоваться для получения других веществ – включая этиленгликоль, этанол и ацетилен. Этан применяют в производстве пластмасс и моющих средств, и для увеличения октанового числа в бензине. Входит газ и в состав антифризов. Свойства этана позволяют ему выступать в роли хладагента при низкотемпературном охлаждении – при этом соединение обозначается как R-170. А в пищевой промышленности газ повышает скорость созревания фруктов и приготовления ряда продуктов.
Самые распространенные производные
Широко используют в различных сферах не только этан, но и его производные. Важнейшими из них являются этилен, ацетилен, этанол и этиленгликоль.
Этилен
Этилен, также известный под названием этен, входит в гомологический ряд алкенов и получается из этана путём его дегидрирования с помощью катализатора – чаще всего никелевого. Он представляет собой соединение с ненасыщенной двойной связью между атомами водорода. И за счёт этого отличается высокой химической активностью. Поэтому может присоединяться к двойным связям воды, бромистого и хлористого водорода, брома, хлора и других молекул.При полимеризации этилена его короткие фрагменты объединяются в цепочки, образуя полиэтилен. Его применяют для производства упаковки, пластиковой тары, плёнки и фольги. А в промышленности – для изготовления пластика. Кроме того, полиэтилен используют в процессе получения этилового спирта, этиленгликоля и уксусной кислоты.
Ацетилен
Соединение, которое относится к гомологическому ряду алкинов. А ненасыщенная тройная связь между его атомами углерода обеспечивает ацетилену высокую химическую активность. Он хорошо горит, подвергается реакциям присоединения, при участии молекул бромистого водорода, хлора и брома, и полимеризации с образованием полиацетилена. Вещество обладает интересными свойствами, включая хорошую электрическую проводимость, но процесс его получения достаточно сложный и трудоёмкий.Ацетилен нашёл широкое применение в разных сферах. В химической промышленности его используют для получения органических растворителей. Смесь этого вещества и кислорода обеспечивает образование пламени в горелках, которые используют для сварки, резки и других видов обработки металла. Применяется оно и в ацетиленовых лампах – мощных автономных источников света, применяющихся в местах, где другие виды освещения невозможны – на маяках, кораблях, бакенах. А ещё может использоваться в качестве компонента для наркоза.
Этанол
Этиловый спирт, еще одна производная этана, отличается характерным запахом и вкусом, хорошо смешивается с водой и может выступать в роли растворителя для целого ряда химических веществ и соединений. Для его получения чаще всего используют спиртовое брожение сахаросодержащего сырья – например, зерна, картофеля и даже кукурузы. Для получения чистого продукта используют дистилляцию, позволяющую получить концентрацию этанола до 96%.Основная сфера применения этанола — пищевая промышленность, где с его помощью производят уксус, ароматизаторы и спиртные напитки. В фармацевтике этанол является сырьём для изготовления некоторых дезинфицирующих средств и сиропов. В косметологии его применяют для создания парфюмерной продукции.
Этиленгликоль
Многоатомный спирт, структура которого включает два атома углерода с простыми связями между ними и присоединёнными гидроксильными группами – OH. Выглядит как густая бесцветная жидкость, хорошо растворяется в воде. Отличается доступной себестоимостью, однако может кристаллизоваться при температуре минус 30°С.Этиленгликоль входит в состав антифризов, предназначенных для автомобильной вентиляции, систем отопления и кондиционирования авто. Используют его и при производстве моющих и косметических средств, красок и растворителей. А ещё этиленгликоль используют при изготовлении пластиков, некоторых видов теплоносителей и даже чернил.