Этан
Эта́н (от лат. ethanum, химическая формула — C2H6 или H3C—CH3) — органическое соединение, относящееся к классу предельных углеводородов — алканов.
При стандартных условиях этан — это газ без цвета и запаха.
Строение
Молекула этана имеет тетраэдрическое строение: атомы углерода являются sp3-гибридными. Связь C-C образована перекрыванием sp3-гибридных орбиталей, а связь C-H — перекрыванием sp3-гибридной орбитали углерода и s-орбитали водорода. Длина связи C-C равна Шаблон:Nobr а длина связи C-H равна Шаблон:Nobr<ref name="Reutov">Шаблон:Публикация</ref>.
Поскольку С-С-связь в этане одинарная, вокруг неё возможно свободное вращение атомов водорода метильных групп. При вращении возникают различные пространственные формы молекулы этана, которые называются конформациями. Конформации принято изображать в виде перспективного изображения (такие изображения иногда называют «лесопильными козлами») либо в виде проекций Ньюмена<ref name="Reutov"/>.
Число конформаций для этана бесконечно для всевозможных углов скручивания, однако обычно принято рассматривать две крайние конформации:
- заслонённую, в которой атомы водорода максимально сближены в пространстве;
- и заторможенную, в которой атомы водорода максимально удалены<ref name="Reutov"/>.
Заслонённая конформация имеет наибольшую энергию из всех конформаций, а заторможенная — наименьшую, то есть является наиболее энергетически выгодной и, следовательно, более устойчивой. Разница энергии между этими конформациями равна Шаблон:Nobr Шаблон:Nobr Считается, что это число отражает торсионное напряжение в менее выгодной заслонённой конформации. Если разделить эту энергию на три взаимодействия между парами атомов водорода, то энергия торсионного взаимодействия двух атомов водорода составит примерно Шаблон:Nobr<ref name="Reutov"/>.
По значению Шаблон:Nobr из уравнения Гиббса можно вычислить константу равновесия между двумя конформациями этана. При температуре Шаблон:Nobr значительно преобладает заторможенная конформация: Шаблон:Nobr молекул этана находятся в этой конформации и лишь Шаблон:Nobr — в заслонённой<ref name="Reutov"/>.
Энергии крайних и промежуточных конформаций принято представлять в виде циклических графиков, где по оси абсцисс отложен торсионный угол, а по оси ординат — энергия.
Физические свойства
Этан при н. у. — бесцветный газ, без запаха и вкуса<ref name="Викитека МСЭ2">«Этан» — статья в Малой советской энциклопедии; 2 издание; 1937—1947 гг.</ref>. Молярная масса 30,07. Температура плавления Шаблон:Nobr температура кипения Шаблон:Nobr Плотность ρгаз. Шаблон:Nobr или Шаблон:Nobr (при нормальных условиях), ρжидк. Шаблон:Nobr (при температуре Шаблон:Nobr Давление паров при Шаблон:Nobr Шаблон:Nobr Растворимость в воде Шаблон:Nobr в Шаблон:Nobr (при Шаблон:Nobr в этаноле Шаблон:Nobr в Шаблон:Nobr (при Шаблон:Nobr хорошо растворяется в углеводородах. Точка вспышки этана Шаблон:Nobr температура самовоспламенения Шаблон:Nobr Этан образует с воздухом взрывоопасные смеси при содержании Шаблон:Nobr (при Шаблон:Nobr Октановое число 120,3Шаблон:SfnШаблон:Sfn<ref>Шаблон:Публикация</ref>.
Химические свойства
Этан вступает в типичные реакции алканов, прежде всего реакции замещения, проходящие по свободнорадикальному механизму. Среди основных химических свойств этана можно выделить:
- 1. Термическое дегидрирование при Шаблон:Nobr с образованием этилена:
- <math>\mathrm{C_2H_6~\xrightarrow[] {t}~C_2H_4 + H_2\uparrow}.</math>
- Дальнейшее дегидрирование выше Шаблон:Nobr приводящее к ацетилену (в этой реакции также получаются бензол и сажа);
- 2. Хлорирование при Шаблон:Nobr с образованием этилхлорида:
- <math>\mathrm{C_2H_6 + Cl_2~\xrightarrow[] {hv}~C_2H_5Cl + HCl}.</math>
- 3. Нитрование в газовой фазе с образованием смеси нитроэтана и нитрометана (3:1)Шаблон:Sfn:
- <math>\mathrm{C_2H_6 + HNO_3~\xrightarrow[] {t}~C_2H_5NO_2 + H_2O}.</math>
- 4. Галогенирование этана происходит по свободнорадикальному механизму. Например реакция с элементарным хлором:
- <chem>C2H5. +\ Cl2 -> C2H5Cl\ +\ Cl.</chem>,
- <chem>Cl. +\ C2H6 -> C2H5.\ + HCl</chem>.
Получение
В промышленности
В промышленности получают из нефтяных и природных газов, где он составляет до Шаблон:Nobr по объёму. Концентрация этана в ископаемых углеводородах существенно зависит от месторождения. В России содержание этана в нефтяных газах очень низкое. В США и Канаде (где его содержание в нефтяных и природных газах высоко) служит основным сырьём для получения этиленаШаблон:Sfn.
Также этан получают при гидрокрекинге углеводородов и ожижении углейШаблон:Sfn.
В лабораторных условиях
В 1848 году Кольбе и Франкленд впервые синтетически получили этан, обработав пропионитрил металлическим калием. В 1849 году они получили этот газ электролизом ацетата калия и действием цинка и воды на иодэтанШаблон:Sfn.
В лабораторных условиях, этан получают следующими способами:
- 1. Взаимодействием металлического натрия и иодметана (реакция Вюрца):
- <math>\mathrm{2CH_3I + 2Na~\rightarrow~C_2H_6 + 2NaI}.</math>
- 2. Электролизом раствора ацетата натрия:
- <math>\mathrm{CH_3COO^- - e^-~\rightarrow~CH_3COO\cdot~\rightarrow~CH_3\cdot + CO_2};</math>
- <math>\mathrm{2CH_3\cdot \rightarrow C_2H_6}.</math>
- 3. Взаимодействием пропионата натрия с щёлочью:
- <math>\mathrm{C_2H_5COONa + NaOH~\rightarrow~C_2H_6 + Na_2CO_3}.</math>
- 4. Взаимодействием этилбромида с металлическим магнием, и последующим гидролизом образовавшегося реактива Гриньяра:
- <math>\mathrm{C_2H_5Br + Mg~\rightarrow~C_2H_5MgBr};</math>
- <math>\mathrm{C_2H_5MgBr + H_2O~\rightarrow~C_2H_6 + MgOHBr}.</math>
- 5. Гидрированием этилена (катализатор — палладий (Pd)) или ацетилена (в присутствии никеля Ренея)Шаблон:Sfn:
- <math>\mathrm{C_2H_4 + H_2~\rightarrow~C_2H_6};</math>
- <math>\mathrm{HC \equiv CH + 2H_2~\rightarrow~C_2H_6}.</math>
Применение
Основное использование этана в промышленности — получение этилена методом парового крекинга. Именно из этилена далее получают важные промышленные продукты, однако в целях экономии разрабатываются методы превращения в них самого этана. Однако ни один из проектов пока не прошёл пилотную стадию. Проблемы в этой области связаны с низкой селективностью реакций. Одним из перспективных направлений является синтез винилхлорида напрямую из этана. Также применяется превращение этана в уксусную кислоту. Термическим хлорированием этана в различных условиях получают хлорэтан, 1,1-дихлорэтан и 1,1,1-трихлорэтанШаблон:Sfn.
Физиологическое действие
Этан обладает слабым наркотическим действием (наркотическое действие ослаблено низкой растворимостью в жидкостях организма). Класс опасности — четвёртый<ref>Газохроматографическое измерение массовых концентраций углеводородов: метана, этана, этилена, пропана, пропилена, н-бутана, альфа-бутилена, изопентана в воздухе рабочей зоны. Методические указания. МУК 4.1.1306-03Шаблон:Недоступная ссылка</ref>. В концентрациях Шаблон:Nobr он вызывает одышку, в умеренных концентрациях — головные боли, сонливость, головокружение, повышенное слюноотделение, рвоту и потерю сознания из-за недостатка кислорода. В высоких концентрациях этан может вызвать сердечную аритмию, остановку сердца и остановку дыхания. При постоянном контакте может возникнуть дерматит. Сообщается, что при Шаблон:Nobr этан вызывает повышение чувствительности миокарда к катехоламинамШаблон:Sfn.
Интересные факты
Предположительно, на поверхности Титана (спутник Сатурна) в условиях низких температур (Шаблон:Nobr существуют целые озёра и реки из жидкой метано-этановой смеси<ref name="cryo">Шаблон:Статья</ref>.