Αιθάνιο

Το αιθάνιο (αγγλικά ethane) είναι οργανική χημική ένωση, που περιέχει άνθρακα και υδρογόνο, με μοριακό τύπο C₂H_6, αλλά παριστάνεται επίσης με τον ημισυντακό τύπο CH₃CΗ₃, καθώς και με τις συντομογραφίες EtH και Me₂. Με βάση το σύστημα κωδικής ονομασίας που ξεκίνησε με τους φθοροχλωράνθρακες έχει τον κωδικό R-170. Είναι το δεύτερο απλούστερο αλκάνιο, δηλαδή άκυκλος κορεσμένος υδρογονάνθρακας. Το χημικά καθαρό αιθάνιο, στις συνηθισμένες συνθήκες, δηλαδή σε θερμοκρασία 25 °C και υπό πίεση 1 atm, είναι άχρωμο και άοσμο αέριο, με κρίσιμη θερμοκρασία 32,2 °C και κρίσιμη πίεση 48,36 atm. Σε βιομηχανική κλίμακα το αιθάνιο απομονώνεται από το φυσιο και από το αργό πετρέλαιο, ως ένα παραπροϊόν της διύλισής του. Το ίδιο το αιθάνιο, με τη σειρά του, χρησιμοποιείται κυρίως ως πρόδρομη ένωση για την παραγωγή αιθενίου.

Αιθάνιο
Γενικά
Όνομα IUPAC	Αιθάνιο
Άλλες ονομασίες	Διμεθύλιο
Χημικά αναγνωριστικά
Χημικός τύπος	C2H6
Μοριακή μάζα	30,07 amu
Σύντομος συντακτικός τύπος	CH3CH3
Συντομογραφίες	EtH, Me2
Αριθμός CAS	74-84-0
SMILES	CC
InChI	1/C2H6/c1-2/h1-2H3
Αριθμός EINECS	200-814-8
Αριθμός RTECS	KH3800000
Αριθμός UN	1035
PubChem CID	6324
ChemSpider ID	6084
Δομή
Διπολική ροπή	0 D
Μήκος δεσμού	C-H: 108,7 pm C-C: 153,51 pm
Είδος δεσμού	C-H: ελαφρά πολωμένος ομοιοπολικός δεσμός σ (1s-2sp3) C-C: ομοιοπολικός δεσμός σ (2sp3-2sp3)
Πόλωση δεσμού	C-H: 3%
Γωνία δεσμού	HCC: 111,17°
Μοριακή γεωμετρία	διτετραεδρική
Φυσικές ιδιότητες
Σημείο τήξης	-181,76 °C
Σημείο βρασμού	-88,6 °C
Κρίσιμη θερμοκρασία	32,2 °C
Κρίσιμη πίεση	48,3592401 atm
Πυκνότητα	1,283 kg/m3
Διαλυτότητα στο νερό	47 g/m3 (17 °C)
Τάση ατμών	40 atm (23,6 °C)
Εμφάνιση	Άχρωμο και άοσμο αέριο
Χημικές ιδιότητες
pKa	50
Θερμότητα πλήρους καύσης	1.561 kJ/mole
Βαθμός οκτανίου	108
Ελάχιστη θερμοκρασία ανάφλεξης	-135 °C
Σημείο αυτανάφλεξης	472 °C
Επικινδυνότητα
Εξαιρετικά εύφλεκτο (F+)
Φράσεις κινδύνου	R12
Φράσεις ασφαλείας	S2, S9, S16, S33
Κίνδυνοι κατά NFPA 704	4 1 0
Εκτός αν σημειώνεται διαφορετικά, τα δεδομένα αφορούν υλικά υπό κανονικές συνθήκες περιβάλλοντος (25°C, 100 kPa).

Ιστορία

Το αιθάνιο παρασκευάσθηκε για πρώτη φορά συνθετικά το 1834, από τον Μάικλ Φαραντέι (Michael Faraday), όταν ηλεκτρόλυσε αιθανικό κάλιο. Υπέθεσε όμως, λανθασμένα, ότι το αέριο που εκλύθηκε ήταν το μεθάνιο και δεν διερεύνησε περισσότερο την αντίδραση. Τη χρονική περίοδο 1847-1849, σε μια προσπάθεια διερεύνησης της θεωρίας ελευθέρων ριζών στην Οργανική Χημεία, οι Άντολφ Βίλχελμ Χέρμαν Κόλμπε (Hermann Kolbe) και Σερ Έντουαρντ Φράνκλαντ (Sir Edward Frankland) παρήγαγαν αιθάνιο με αναγωγές αιθανονιτριλίου (CH₃CN) και ιωδομεθανίου (CH₃Ι) με μεταλλικό κάλιο (K), καθώς και με ηλεκτρόλυση διαλύματος αιθανικού καλίου, όπως ο Φαραντέι. Και αυτοί, όμως, έκαναν λάθος στο προϊόν της αντίδρασης που νόμιζαν ότι έλαβαν, θεωρώντας ότι ήταν ελεύθερη μεθυλική ρίζα (CH₃^●) και όχι αιθάνιο, που είναι άλλωστε το προϊόν του άμεσου διμερισμού της ασταθούς ελεύθερης μεθυλικής ρίζας. Αυτό το λάθος έγινε κατανοητό και διορθώθηκε το 1864, από τον Καρλ Σχόρλεμμερ (Carl Schorlemmer), που απέδειξε ότι το προϊόν όλων των παραπάνω αναφερόμενων αντιδράσεων είναι στην πραγματικότητα το αιθάνιο, και όχι μεθάνιο, ελεύθερη μεθυλική ρίζα ή κάτι άλλο.

Ονοματολογία

Η ονομασία «αιθάνιο» προέρχεται από την ονοματολογία κατά IUPAC. Συγκεκριμένα, το πρόθεμα «αιθ-» δηλώνει την παρουσία δύο (2) ατόμων άνθρακα ανά μόριο της ένωσης, το ενδιάμεσο «-αν-» δείχνει την παρουσία μόνο απλών δεσμών μεταξύ ατόμων άνθρακα στο μόριο και η κατάληξη «-ιο» φανερώνει ότι δεν περιέχει χαρακτηριστικές ομάδες, από αυτές που τίθενται στην κατάληξη της ονομασίας, και επομένως, επειδή δεν αναφέρονται καμία ούτε ως προθέματα - υποκαταστάτες, δηλώνεται έμμεσα ότι είναι υδρογονάνθρακας. Ο κωδικός R-170 παράγεται ως εξής: Το R προέρχεται από την αγγλόφωνη λέξη

Refrigerant. Το πρώτο ψηφίο (1) σημαίνει ότι η ένωση περιέχει 1+1 = 2 άτομα άνθρακα (ανά μόριο). Το δεύτερο ψηφίο (7) σημαίνει ότι η ένωση περιέχει 7 - 1 = 6 άτομα υδρογόνου. Και, τέλος, το τελευταίο ψηφίο (0), σημαίνει (εμμέσως) ότι η ένωση είναι υδρογονάνθρακας, αφού έχει όλα τα προβλεπόμενα άτομα υδρογόνου για δύο (2) άτομα άνθρακα ανά μόριο.

Φυσική παρουσία

Μια φωτογραφία βόρειων περιοχών του Τιτάνα. Οι σκούρες τοποθεσίες φαίνεται να είναι λίμνες υδρογονανθράκων, αλλά θα χρειαστούν και μεταγενέστερες φωτογραφίες για να δειχθεί αν τα σκούρα σημεία παραμένουν τα ίδια (όπως γενικά συμβαίνει με τις λίμνες στη Γη).

Το αιθάνιο υπάρχει ως ιχναέριο στην ατμόσφαιρα της Γης, έχοντας μέση κατ' όγκο συγκέντρωση 0,5 ppb, στο επίπεδο της θάλασσας, αν και η προβιομηχανική συγκέντρωση του αερίου είναι πιθανό να ήταν μικρότερη, εφόσον υπάρχει μια σημαντική σύγχρονη έκλυση του αερίου, που προέρχεται από την αξιοποίηση των ορυκτών καυσίμων. Παρ' όλο που το αιθάνιο είναι ένα «αέριο του θερμοκηπίου», του δίνεται ελάχιστη περιβαλλοντική σημασία, εξαιτίας της πολύ μικρής αφθονίας του, αλλά και της μικρότερης κατά βάρος συνεισφοράς του στο φαινόμενο, σε σύγκριση με το μεθάνιο.

Είναι επίσης ιχναέριο στις ατμόσφαιρες και των τεσσάρων (4) γιγαντιαίων πλανητών (Δία, Κρόνου, Ουρανού και Ποσειδώνα), καθώς επίσης και στην ατμόσφαιρα του Τιτάνα.

Το ατμοσφαιρικό αιθάνιο είναι κυρίως αποτέλεσμα φωτοχημικής επίδρασης του ηλιακού φωτός στο ατμοσφαιρικό μεθάνιο, που επίσης υπάρχει και στις ατμόσφαιρες των παραπάνω αναφερόμενων πέντε (5) ουρανίων σωμάτων. Κάθε φωτόνιο υπεριριώδους ακτινοβολίας, με μήκος κύματος ίσο ή και μικρότερο από 160 nm, μπορεί να φωτοδιασπάσει ένα μόριο μεθανίου σε ελεύθερη μεθυλική ρίζα (CH₃^●) και άτομο υδρογόνου. Όταν δύο (2) ελεύθερες ρίζες μεθυλίου τύχει να συναντηθούν σχηματίζουν αιθάνιο:

$\mathrm {CH_{4}{\xrightarrow[{\lambda \leq 160\;nm}]{UV}}CH_{3}^{\bullet }+H^{\bullet }-413\;kJ}$
$\mathrm {2CH_{3}^{\bullet }{\xrightarrow {}}CH_{3}CH_{3}+347\;kJ}$

Στην περίπτωση του Τιτάνα, υποτέθηκε ευρέως ότι μέρος του αιθανίου, που σχηματίζεται και εκεί όπως αναφέρθηκε παραπάνω, πέφτει με τη μορφή βροχής στην επιφάνεια του δορυφόρου και με το πέρασμα του χρόνου σχηματίζει σταδιακά λίμνες, θάλασσες, ως και ωκεανούς υγρών υδρογονανθράκων. Ωστόσο παρατηρήσεις με τηλεσκόπια υπερύθρων έδειξαν ότι είναι σημαντικά αμφίβολη αυτή η υπόθεση. Ακόμη ο διαστημικός βολιστήρας Χιούγκεν, που προσεδαφίστηκε στον Τιτάνα το 2005, απέτυχε να παρατηρήσει οποιαδήποτε υγρή επιφάνεια, αν και φωτογράφησε τοπία που μπορεί να θεωρηθούν ότι είναι αποξηραμένα κανάλια. Το Δεκέμβριο του 2007, όμως, ο διαστημικός βολιστήρας Κασσίνι, βρήκε τουλάχιστον μια λίμνη στο νότιο πόλο του Τιτάνα, που ονομάστηκε «Λάκος Οντάριο» (Ontario Lacus), επειδή θεωρήθηκε ότι έχει παρόμοιο εμβαδό με τη Λίμνη Οντάριο στη Γη (περίπου 20.000 τ.χλμ.). Παραπέρα υπέρυθρη φασματοσκοπική ανάλυση του υγρού του Λάκου Οντάριο τον Ιούλιο του 2008 απέδωσε ισχυρότερη ένδειξη για την παρουσία (υγρού) αιθανίου εκεί.

Το 1996 αιθάνιο ανιχνεύθηκε στον κομήτη Χυακουτέικ και από τότε ανιχνεύθηκε και σε άλλους κομήτες. Η ύπαρξη αιθανίου σε ουράνια σώματα στο απώτερο ηλιακό σύστημα μπορεί να σημαίνει ότι το αιθάνιο ήταν ένα προϋπάρχον συστατικό του ηλιακού νεφελώματος, από το οποίο πιστεύεται ότι σχηματίστηκε ο Ήλιος και το υπόλοιπο ηλιακό σύστημα.

Το 2006 ο Dale Cruikshank της NASA και οι συνεργάτες του ανακοίνωσαν τη φασματοσκοπική ανακάλυψη αιθανίου στην επιφάνεια του Πλούτωνα.

Δομή

thump

Το μόριό του αποτελείται από δύο (2) πρωτοταγή άτομα άνθρακα και έξι (6) άτομα υδρογόνου. Δομικά, το κάθε άτομο άνθρακα βρίσκεται στο κέντρο ενός τετραέδρου και τα τρία (3) άτομα υδρογόνου και το έτερο άτομο άνθρακα στις κορυφές του. Οι δεσμοί C-H που σχηματίζονται είναι ελαφρά πολωμένοι (~3%) ομοιοπολικοί τύπου σ (2sp³-1s), με μήκος 108,7 pm. Ο δεσμός C-C είναι ομοιοπολικός τύπου σ (2sp³-2sp³), με μήκος 154 pm. Οι δε δεσμικές γωνίες HCH και HCC είναι περίπου 109° 28΄.

Δεσμοί
Δεσμός	τύπος δεσμού	ηλεκτρονική δομή	Μήκος δεσμού	Ιονισμός
C-H	σ	2sp3-1s	109 pm	3% C- H+
C-C	σ	2sp3-2sp3	154 pm
Κατανομή φορτίων σε ουδέτερο μόριο
C	-0,09
H	+0,03

Περιστροφή του μορίου

Το αποκαλούμενο «εμπόδιο αιθανίου» στην περιστροφή του δεσμού C-C. Η καμπύλη παριστάνει τη δυναμική ενέργεια ως συνάρτηση της γωνίας περιστροφής.

Η περιστροφή μιας μοριακής υποδομής γύρω από έναν περιστρέψιμο δεσμό συνήθως απαιτεί ενέργεια. Η ελάχιστη ενέργεια για την παραγωγή περιστροφής 360° σε ένα δεσμό ονομάζεται «εμπόδιο περιστροφής».

Το αιθάνιο δίνει ένα κλασσικό και απλό παράδειγμα εμποδίου περιστροφής, γνωστό με την ονομασία «εμπόδιο αιθανίου». Η πειραματική ένδειξη της ύπαρξης αυτού του εμποδίου παρατηρήθηκε για πρώτη φορά με τη μοντελοποίηση της εντροπίας.

Τα τρία (3) άτομα υδρογόνου κάθε μεθυλίου είναι ελεύθερα να περιστραφούν σαν πτερύγια ανεμόμυλου γύρω από τον κεντρικό δεσμό C-C, υπό την προϋπόθεση ότι υπάρχει επαρκής ενέργεια για να ξεπεραστεί το εμπόδιο περιστροφής του κάθε δεσμού άνθρακα-υδρογόνου, σε κάθε άκρο του μορίου, εμπόδιο που προκαλείται από την πρόσκρουση του καθενός σε άλλο με τρόπο που γίνεται αλληλεπικάλυψη των τροχιακών, οπότε έχουμε ανταλλαγή άπωσης.

Μεταξύ 1890 και 1891 το προτάθηκε για το αιθάνιο ότι «προτιμά» μια κλιμακωτή διαμόρφωση με τα δύο άκρα του μορίου λοξά το ένα από το άλλο.

Παραγωγή

Απομόνωση από φυσικές και βιομηχανικές πηγές

1. Απομόνωση από το φυσικό αέριο (1-15%):

Το αιθάνιο είναι το δεύτερο, μετά το μεθάνιο, σε (μέση) συγκέντρωση συστατικό του φυσικού αερίου. Πριν από τη δεκαετία του 1960, το αιθάνιο, και τα βαρύτερα συστατικά του φυσικού αερίου, τυπικά δεν διαχωρίζονταν από το μεθάνιο και τα άλλα συστατικά του φυσικού αερίου, απλά γιατί το αιθάνιο, όπως και το μεθάνιο, χρησιμοποιούνταν απλά και μόνο ως καύσιμο. Σήμερα, όμως, που η πιο ανεπτυγμένη πετροχημική βιομηχανία έχει καταστήσει το αιθάνιο μια σημαντική γι' αυτήν πρόδρομη ύλη, το αιθάνιο διαχωρίζεται από τα υπόλοιπα συστατικά του φυσικού αερίου, τουλάχιστον στις περισσότερες αναπτυγμένες εγκαταστάσεις εξόρυξης φυσικού αερίου. Το αιθάνιο μπορεί επίσης να διαχωριστεί από το «πετρελαϊκό αέριο», δηλαδή το μείγμα αέριων υδρογονανθράκων - παραπροϊόντων της διύλισης του αργού πετρελαίου. Η οικονομία, όμως, της δημιουργίας και λειτουργίας μονάδων παραγωγής, μπορεί να αλλάξει, επειδή μπορεί να αλλάξει η σχετική αξία της προώθησης ακατέργαστου φυσικού αερίου στους καταναλωτές του, όπως και το σχετικό κόστος διαχωρισμού του αιθανίου, οπότε είναι δυνατό οι σχετικές μονάδες να βρεθούν οικονομικά ασύμφορες. Από την άλλη, όμως, η διοχέτευση περισσότερου αιθανίου στους αγωγούς φυσικού αερίου δημιουργεί προβλήματα διαχείρισης και αλλαγής της ποιότητας του αερίου στους τερματικούς σταθμούς.

Η πιο αποτελεσματική μέθοδος διαχωρισμού του αιθανίου από το μεθάνιο είναι με υγροποίηση του πρώτου με ψύξη. Υπάρχουν διάφορες στρατηγικές ψύξης, αλλά η πιο οικονομική (προς το παρόν) μέθοδος χρησιμοποιεί αρχικά συμπίεση, και μετά απότομη διαφυγή. Η μέθοδος αυτή μπορεί να αφαιρέσει πάνω από το 90% του αιθανίου από το φυσικό αέριο. Σύμφωνα με αυτήν τη μέθοδο, κατεψυγμένο φυσικό αέριο (ή και πετρελαϊκό αέριο) διαφεύγει διαμέσου ενός συμπιεστή (τουρμπίνας). Καθώς διαφεύγει έχουμε αδιαβατική εκτόνωση, οπότε η θερμοκρασία του πέφτει περίπου στους −100 °C. Σ' αυτήν τη θερμοκρασία, το μεθάνιο παραμένει αέριο και μπορεί να διαχωριστεί από το υγροποιημένο (πλέον) αιθάνιο και τους επίσης υγροποιημένους (πλέον) βαρύτερους υδρογονάνθρακες, με απόσταξη. Μια επιπλέον απόσταξη διαχωρίζει με τη σειρά του το αιθάνιο από το προπάνιο και τους βαρύτερους υδρογονάνθρακες.

2. Απομονώνεται από το βιοαέριο που παράγεται με ζυμώσεις βιομάζας.

3. Απομονώνεται από αέρια μίγματα που προκύπτουν από πυρόλυση προϊόντων διύλισης πετρελαίου ή πολυμερών υδρογονανθράκων.

Παρασκευή με αντιδράσεις σύνθεσης: Από πρώτες ύλες με μικρότερη ανθρακική αλυσίδα

1. Το αιθάνιο είναι συμμετρικό αλκάνιο, δηλαδή αποτελείται από δυο συμμετρικά τμήματα μεθυλίου: (CH₃-). Αυτό επιτρέπει την παραγωγή του με τη μέθοδο Würtz, από μεθυλαλογονίδιο (CH₃X) και νάτριο (Να):

$\mathrm {2CH_{3}X+2Na{\xrightarrow {}}CH_{3}CH_{3}\uparrow +2NaX}$

όπου Χ: F, Cl, Br, I.

• Το K επίσης δίνει την αντίστοιχη αντίδραση.
• Η απόδοση είναι αρκετά καλή: ~60%.

2. Μια εναλλακτική μέθοδος είναι η αντίδραση ζεύγους μεθυλαλογονίδιου (CH₃X) - μεθυλολιθίου (CH₃Li) ή με χρήση οργανομαγνησιακής ένωσης:

$\mathrm {CH_{3}X+2Li{\xrightarrow[{-LiX}]{|Et_{2}O|}}CH_{3}Li{\xrightarrow {+CH_{3}X}}CH_{3}CH_{3}\uparrow +LiX}$
ή
$\mathrm {CH_{3}X+Mg{\xrightarrow {|Et_{2}O|}}CH_{3}MgX{\xrightarrow {+CH_{3}X}}CH_{3}CH_{3}\uparrow +MgX_{2}}$

3. Με παρεμβολή μεθυλενίου ([:CH₂]) σε μεθάνιο (CH₄):

$\mathrm {CH_{4}+CH_{3}Cl+KOH{\xrightarrow {}}CH_{3}CH_{3}+KCl+H_{2}O}$

Παρασκευή με αντιδράσεις χωρίς αλλαγή μήκους ανθρακικής αλυσίδας

Από αιθανονιτρίλιο

Με παραλλαγή της μεθόδου Würtz με CN αντί Χ, δηλαδή με αιθανονιτρίλιο (CH₃CN) αντί μεθυλαλογονίδιο (CH₃X):

$\mathrm {2CH_{3}CN+2Na{\xrightarrow {}}CH_{3}CH_{3}\uparrow +2NaCN}$

Από αιθυλαλογονίδια

1. Με αναγωγή αιθυλαλογονιδίου από «υδρογόνο εν τω γεννάσθαι», δηλαδή μέταλλο + οξύ:

$\mathrm {CH_{3}CH_{2}X+Zn+HX\xrightarrow {} CH_{3}CH_{3}+ZnX_{2}}$

2. Με αναγωγή αιθυλαλογονιδίου από LiAlH₄ ή NaBH₄:

$\mathrm {4CH_{3}CH_{2}X+LiAlH_{4}{\xrightarrow {}}4CH_{3}CH_{3}\uparrow +AlX_{3}+LiX}$

3. Με αναγωγή αιθυλοϊωδίδιου από HI:

$\mathrm {CH_{3}CH_{2}I+HI{\xrightarrow {}}CH_{3}CH_{3}+I_{2}}$

4. Με αναγωγή αιθυλαλογονιδίου από σιλάνιο, παρουσία τριφθοριούχου βορίου παράγεται αιθάνιo:

$\mathrm {CH_{3}CH_{2}X+SiH_{4}{\xrightarrow {BF_{3}}}CH_{3}CH_{3}+SiH_{3}X}$

5. Αναγωγή από ένα αλκυλοκασσιτεράνιο. Π.χ.:

$\mathrm {CH_{3}CH_{2}X+RSnH_{3}{\xrightarrow {}}CH_{3}CH_{3}+RSnH_{2}X}$

6. Με αναγωγή από μέταλλα και στη συνέχεια υδρόλυση των παραγόμενων οργανομεταλλικών ενώσεων:

1. Με χρήση Li:

$\mathrm {CH_{3}CH_{2}X+2Li{\xrightarrow[{-10^{o}C}]{|Et_{2}O|}}CH_{3}CH_{2}Li\uparrow +LiX}$
$\mathrm {CH_{3}CH_{2}Li{\xrightarrow {}}CH_{3}CH_{3}\uparrow +LiOH}$

2. Με χρήση Mg:

$\mathrm {CH_{3}CH_{2}X+Mg{\xrightarrow {|Et_{2}O|}}CH_{3}CH_{2}MgX}$
$\mathrm {CH_{3}CH_{2}MgX+H_{2}O{\xrightarrow {}}CH_{3}CH_{3}\uparrow +Mg(OH)X\downarrow }$

Με καταλυτική υδρογόνωση

1. Καταλυτική υδρογόνωση αιθενίου (CH₂=CH₂):

$\mathrm {CH_{2}=CH_{2}+H_{2}{\xrightarrow {Ni}}CH_{3}CH_{3}}$

2. Καταλυτική υδρογόνωση αιθινίου (HC ≡ CH) :

$\mathrm {HC\equiv CH+2H_{2}{\xrightarrow {Ni}}CH_{3}CH_{3}}$

Με ηλεκτρόλυση Kolbe

Με ηλεκτρόλυση αλκαλικού διαλύματος αιθανικού οξέος (CH₃COOH) - Μέθοδος Kolbé:

Με αναγωγή αιθανάλης

Με αναγωγή αιθανάλης (CH₃CHO): Αντίδραση Wölf-Kishner, με υδραζίνη (NH₂NH₂):

$\mathrm {CH_{3}CHO+NH_{2}NH_{2}{\xrightarrow {KOH}}CH_{3}CH_{3}\uparrow +N_{2}\uparrow +H_{2}O}$

Με αναγωγή θειούχων ενώσεων

1. Με αναγωγή των κατάλληλων θειολών μπορεί να παραχθεί αιθάνιο. Π.χ. από την αναγωγή της αιθανοθειόλης (μέθοδος Raney):

$\mathrm {CH_{3}CH_{2}SH+H_{2}\xrightarrow {Ni} CH_{3}CH_{3}+H_{2}S}$

2. Με αναγωγή των κατάλληλων θειαιθέρων μπορεί να παραχθεί αιθάνιο. Π.χ. από την αναγωγή του διαιθυλοθειαιθέρα (μέθοδος Raney):

$\mathrm {CH_{3}CH_{2}SCH_{2}CH_{3}+2H_{2}\xrightarrow {Ni} 2CH_{3}CH_{3}+H_{2}S}$

Παρασκευή με αντιδράσεις αποσύνθεσης: με μείωση του μήκους της ανθρακικής αλυσίδας

• Με τη θέρμανση αλκαλικού διαλύματος προπανικού οξέος (CH₃CH₂COOH) σε αλκαλικό περιβάλλον:

$\mathrm {CH_{3}CH_{2}COOH+NaOH{\xrightarrow {}}CH_{3}CH_{2}COONa+H_{2}O{\xrightarrow {\triangle }}CH_{3}CH_{3}\uparrow +NaOH+CO_{2}\uparrow }$

Χημικές ιδιότητες και παράγωγα

Οξείδωση

1. Τέλεια καύση: Αντιδρά με οξυγόνο (O₂) και καίγεται παράγοντας γαλαζωπή φλόγα υψηλής θερμοκρασίας:

$\mathrm {C_{2}H_{6}+{\frac {7}{2}}O_{2}{\xrightarrow {600^{o}C}}2CO_{2}+3H_{2}O+1561\;kJ}$

• Αν και η αντίδραση είναι μια έντονα εξώθερμη δεν συμβαίνει σε μέτριες θερμοκρασίες, γιατί για την έναρξή της πρέπει να υπερπηδηθεί πρώτα το εμπόδιο της διάσπασης των δεσμών C-C, των δεσμών C-H και των δεσμών (Ο=Ο) του O₂:

2. Παραγωγή υδραερίου (CO + H₂):

$\mathrm {C_{2}H_{6}+2H_{2}O{\xrightarrow[{700-1100^{o}C}]{Ni}}2CO+5H_{2}}$

3. Καταλυτική οξείδωση προς αιθανάλη (CH₃CHO):

$\mathrm {C_{2}H_{6}+O_{2}{\xrightarrow[{\triangle }]{Cu}}CH_{3}CHO+H_{2}O}$

4. Το αιθάνιο οξειδώνεται από το διοξιράνιο, παράγοντας αιθανόλη:

$\mathrm {+C_{2}H_{6}\xrightarrow {} CH_{3}CH_{2}OH+HCHO}$

Αλογόνωση

$\mathrm {CH_{3}CH_{3}+X_{2}{\xrightarrow[{\triangle }]{UV}}CH_{3}CH_{2}X+HX}$

• Δραστικότητα των X₂: F₂ > Cl₂ > Br₂ > Ι₂.

Ανάλυση του μηχανισμού της χλωρίωσης του CH₃CH₃:

1. Έναρξη: Παράγονται ελεύθερες ρίζες.

$\mathrm {Cl_{2}{\xrightarrow[{\triangle }]{UV}}2Cl^{\bullet }-239kJ}$

• Η απαιτούμενη ενέργεια προέρχεται από το υπεριώδες φως (UV) ή θερμότητα (Δ).

2. Διάδοση: Καταναλώνονται οι παλιές ελεύθερες ρίζες, σχηματίζοντας νέες.

$\mathrm {CH_{3}CH_{3}+Cl^{\bullet }{\xrightarrow {}}CH_{3}CH_{2}^{\bullet }+HCl+14kJ}$
$\mathrm {CH_{3}CH_{2}^{\bullet }+Cl_{2}{\xrightarrow {}}CH_{3}CH_{2}Cl+Cl^{\bullet }+100kJ}$

3. Τερματισμός: Καταναλώνονται μεταξύ τους οι ελεύθερες ρίζες, κατά τη στατιστικά σπάνια περίπτωση της συνάντησής τους.

$\mathrm {2Cl^{\bullet }{\xrightarrow {}}Cl_{2}+239kJ}$
$\mathrm {CH_{3}CH_{2}^{\bullet }+Cl^{\bullet }{\xrightarrow {}}CH_{3}CH_{2}Cl+339kJ}$
$\mathrm {2CH_{3}CH_{2}^{\bullet }{\xrightarrow {}}CH_{3}CH_{2}CH_{2}CH_{3}+347kJ}$

• Είναι όμως πρακτικά δύσκολο να σταματήσει η αντίδραση στην παραγωγή CH₃CH₂X.

• Αν χρησιμοποιηθούν ισομοριακές ποσότητες CH₃CH₃ και Χ₂ θα παραχθεί μείγμα όλων των X-παραγώγων του CH₃CH₃
• Αν όμως χρησιμοποιηθεί περίσσεια CH₃CH₃, τότε η απόδοση του CH₃CH₂X αυξάνεται πολύ, λόγω της αύξησης της στατιστική πιθανότητας συνάντησης CH₃CH₃ με X^. σε σχέση με την πιθανότητα συνάντησης CH₃CH₂X και X^., που μπορεί να οδηγήσει στην παραγωγή των υπόλοιπων X-παραγώγων.

Παρεμβολή καρβενίων

• Τo μεθυλένιο [:CH₂] μπορεί να παρεμβληθεί στους δεσμούς C-H, παράγοντας προπάνιο. Π.χ. έχουμε:

$\mathrm {CH_{3}CH_{3}+CH_{3}Cl+KOH{\xrightarrow {}}CH_{3}CH_{2}CH_{3}+KCl+H_{2}O}$

Νίτρωση

• Αντιδρά με ατμούς HNO₃ στην αέρια φάση, παράγοντας νιτραιθάνιο:

$\mathrm {CH_{3}CH_{3}+HNO_{3}{\xrightarrow {\triangle }}CH_{3}CH_{2}NO_{2}+H_{2}O}$

Καταλυτική αφυδρογόνωση

Αυτή είναι η κύρια βιομηχανική εφαρμογή του αιθανίου ως πυρόλυση με ατμό, από την οποία παράγεται αιθένιο:

$\mathrm {CH_{3}CH_{3}{\xrightarrow[{Pd,Pt}]{\triangle }}CH_{2}=CH_{2}+H_{2}}$

Εφαρμογές

1. Ως καύσιμο, με τις μορφές του φυσικού αερίου και του βιοαερίου.
2. Ως πρόδρομη ύλη αιθενίου με πυρόλυση, που με τη σειρά του είναι βιομηχανική πρώτη ύλη για μια μεγάλη σειρά οργανικών ενώσεων.
3. Ως πρόδρομη ύλη βινυλοχλωριδίου και άλλων αλοπαραγώγων με 2 άτομα C.
4. Ως πρόδρομη ύλη διαφόρων συνθέσεων, μέσω των αλαιθανίων.
5. Ως πρόδρομη ύλη οξυγονούχων ενώσεων, όπως π.χ. CH₃COOH, με καταλυτική μερική οξείδωση.
6. Το υγρό αιθάνιο χρησιμοποιείται για τη συντήρηση κρυστάλλων για εξέταση στο ηλεκτρονικό μικροσκόπιο.

Η κύρια χρήση του αιθανίου στη χημική βιομηχανία είναι η παραγωγή αιθενίου με πυρόλυση με ατμό. Όταν αναμιγνύονται με ατμό που θερμαίνεται σύντομα σε πολύ υψηλές θερμοκρασίες (900 °C ή και περισσότερο), οι βαρύτεροι υδρογονάνθρακες «σπάνε» σε ελαφρύτερους και οι κορεσμένοι (αλκάνια) γίνονται ακόρεστοι (αλκένια, κ.τ.λ.). Το αιθάνιο προτιμάται για παραγωγή αιθενίου, γιατί η πυρόλυσή του με ατμό οδηγεί με μεγάλη εκλεκτικότητα στην παραγωγή αιθενίου, ενώ η πυρόλυση άλλων βαρύτερων αλκανίων δίνει σχετικά πιο φτωχά σε αιθένιο μίγματα, που περιέχουν βαρύτερα αλκένια όπως προπένιο, βουταδιένια ή και αρωματικούς υδρογονάνθρακες.

Το αιθάνιο βρίσκεται υπό πειραματική έρευνα ως πρώτη ύλη και για μια σειρά άλλων χρήσιμων χημικών. Η οξειδωτική χλωρίωση του αιθανίου από καιρό φαίνεται να μπορεί να αποτελέσει μια πιο οικονομική οδό για την παραγωγή χλωραιθένιου, σε σύγκριση με τη χλωρίωση αιθενίου. Πολλές διεργασίες για την πραγματοποίηση (οξειδωτικής χλωρίωσης αιθανίου) έχουν ήδη πατενταριστεί, αλλά δυσκολίες, όπως φτωχή επιλεκτικότητα ως προς την παραγωγή σε χλωραιθένιο ή χρησιμοποιούν διαβρωτικές συνθήκες αντίδρασης (π.χ. θέρμανση μίγματος αντίδρασης που περιέχει ατμούς υδροχλωρικού οξέος σε θερμοκρασίες πάνω από 500 °C), έχουν αποθαρρύνει την εμπορική εκμετάλλευσή τους. Πρόσφατα, η εταιρεία INEOS λειτουργεί μια πιλοτική μονάδα παραγωγικής δυνατότητας 1.000 τόννων ετησίως για τη μετατροπή αιθανίου σε χλωραιθένιο στο Βιλχελμσχάφεν της Γερμανίας.

Παρομοίως, η σαουδαραβική εταιρεία SABIC ανακοίνωσε την κατασκευή μονάδας παραγωγικότητας 30.000 τόννων ετησίως αιθανικού οξέος από αιθάνιο στο Γιανμπού της Σαουδικής Αραβίας. Η οικονομική βιωσιμότητα μιας τέτοιας διεργασίας μπορεί να βασίζεται στο χαμηλό κόστος του αιθανίου κοντά στις πετρελαιοπηγές της Σαουδικής Αραβίας, αλλά μπορεί να μην είναι ανταγωνιστικές με την καρβονυλίωση μεθανόλης στον υπόλοιπο κόσμο.

Το αιθάνιο μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως ψυκτικό υγρό σε κρυογενικά ψυγεία. Σε μια πολύ μικρότερη κλίμακα, στην επιστημονική έρευνα, το υγρό αιθάνιο χρησιμοποιήθηκε στην «υαλοποίηση» νερού για τη δημιουργία δειγμάτων για μελέτη σε κρυοηλεκτρονικά μικροσκόπια: Ένα λεπτό στρώμα μελετούμενου νερού επιδράται με υγρό αιθάνιο θερμοκρασίας −150 °C ή και ψυχρότερο, οπότε το νερό πήζει τόσο γρήγορα ώστε δεν προλαβαίνει να κρυσταλλωθεί. Αυτή η απότομη πήξη δεν καταστρέφει τη δομή τυχόν μαλακών υλικών, που μπορεί να περιέχονται στο υγρό, όπως συμβαίνει με το συνηθισμένο σχηματισμό παγοκρυστάλλων.

Υγεία και ασφάλεια

Στη «θερμοκρασία δωματίου» (20 °C), το αιθάνιο είναι ένα εύφλεκτο αέριο. Όταν αναμιγνύεται με τον αέρα σε συγκεντρώσεις 3% - 12,5%, κατ' όγκο, σχηματίζει εκρηκτικά μίγματα. Κάποιες πρόσθετες προφυλάξεις είναι αναγκαίες όταν το αιθάνιο αποθηκεύεται ως κρυογενικό υγρό. Άμεση επαφή με υγρό αιθάνιο μπορεί να έχει ως αποτέλεσμα σοβαρό κρυοπάγημα. Επιπρόσθετα, οι ατμοί εξατμιζόμενου υγρού αιθανίου είναι βαρύτεροι από τον αέρα (τουλάχιστον μέχρι να θερμανθούν στη θερμοκρασία δωματίου), οπότε μπορούν να «έρπουν» κοντά στο πάτωμα ή να συγκεντρώνονται σε χαμηλά μέρη, όπου, αν κατά λάθος αναφλεγούν, μπορούν να μεταδώσουν την ανάφλεξη και στο σώμα υγρού αιθανίου, από το οποίο είχαν εξατμιστεί.

Δοχεία που πρόσφατα αδειάστηκαν από αιθάνιο μπορεί να περιέχουν ανεπαρκές οξυγόνο για της υποστήριξη της ζωής. Πέρα όμως από τον κίνδυνο ασφυξίας, για το αιθάνιο δεν είναι γνωστός κανένας άμεσος ή χρόνιος τοξικολογικός κίνδυνος. Το αιθάνιο δεν είναι ούτε καν ύποπτο για καρκινογόνο.

Πηγές

• Γ. Βάρβογλη, Ν. Αλεξάνδρου, Οργανική Χημεία, Αθήνα 1972
• Α. Βάρβογλη, «Χημεία Οργανικών Ενώσεων», παρατηρητής, Θεσσαλονίκη 1991
• SCHAUM'S OUTLINE SERIES, ΟΡΓΑΝΙΚΗ ΧΗΜΕΙΑ, Μτφ. Α. Βάρβογλη, 1999
• Ασκήσεις και προβλήματα Οργανικής Χημείας Ν. Α. Πετάση 1982
• Μερικές από τις ενέργειες αντιδράσεων υπολογίστηκαν με χρήση κατάλληλου λογισμικού. Θα διασταυρωθούν και βιβλιογραφικά το συντομότερο για μεγαλύτερη ακρίβεια.