Ethan - Ethane

Ethan
Skelettformel von Ethan mit allen gezeigten impliziten Wasserstoffatomen
Skelettformel von Ethan mit allen impliziten Kohlenstoffen gezeigt und allen expliziten Wasserstoffen hinzugefügt
Kugel-Stab-Modell aus Ethan
Spacefill-Modell von Ethan
Namen
Bevorzugter IUPAC-Name
Ethan
Systematischer IUPAC-Name
Dicarban (niemals empfohlen)
Identifikatoren
3D-Modell ( JSmol )
1730716
ChEBI
ChEMBL
ChemSpider
ECHA-InfoCard 100.000,741 Bearbeite dies bei Wikidata
EG-Nummer
212
Gittergewebe Ethan
RTECS-Nummer
UNII
UN-Nummer 1035
  • InChI=1S/C2H6/c1-2/h1-2H3 prüfenJa
    Schlüssel: OTMSDBZUPAUEDD-UHFFFAOYSA-N prüfenJa
Eigenschaften
C 2 H 6
Molmasse 30,070  g·mol -1
Aussehen Farbloses Gas
Geruch Geruchlos
Dichte

544,0 kg/m 3 (flüssig bei -88,5 °C)
206 kg/m 3 (am kritischen Punkt 305.322 K)

Schmelzpunkt −182,8 °C; -296,9 °F; 90,4 K
Siedepunkt −88,5 °C; −127,4 °F; 184,6 Kilowatt
56,8 mg L -1
Dampfdruck 3,8453 MPa (bei 21,1 °C)
19 nmol Pa -1 kg -1
Säure (p K a ) 50
Basizität (p K b ) -36
Korrespondierende Säure Ethan
-37,37·10 -6 cm 3 /mol
Thermochemie
52,49 JK −1 mol −1
Std
Bildungsenthalpie
f H 298 )
−84 kJmol −1
Std.
Verbrennungsenthalpie
c H 298 )
−1561,0–−1560.4 kJ mol −1
Gefahren
Sicherheitsdatenblatt Siehe: Datenseite
inchem.org
GHS-Piktogramme GHS02: Entzündlich
GHS-Signalwort Achtung
H220 , H280
P210 , P410+403
NFPA 704 (Feuerdiamant)
1
4
0
Flammpunkt −135 °C (−211 °F; 138 K)
472 °C (882 °F; 745 K)
Explosionsgrenzen 2,9–13%
Verwandte Verbindungen
Verwandte Alkane
Verwandte Verbindungen
Ergänzende Datenseite
Brechungsindex ( n ),
Dielektrizitätskonstanter ) usw.
Thermodynamische
Daten
Phasenverhalten
fest-flüssig-gas
UV , IR , NMR , MS
Sofern nicht anders angegeben, beziehen sich die Daten auf Materialien im Standardzustand (bei 25 °C [77 °F], 100 kPa).
prüfenJa überprüfen  ( was ist   ?) prüfenJa☒n
Infobox-Referenzen

Ethan ( / ɛ θ n / oder / Ï θ n / ) ist eine organische chemische Verbindung mit der chemischen Formel C
2
h
6
. Bei Standardtemperatur und -druck ist Ethan ein farbloses, geruchloses Gas . Ethan wird wie viele Kohlenwasserstoffe großtechnisch aus Erdgas und als petrochemisches Nebenprodukt der Erdölraffination isoliert . Seine Hauptverwendung ist als Rohstoff für die Ethylenproduktion .

Verwandte Verbindungen können durch Ersetzen eines Wasserstoffatoms durch eine andere funktionelle Gruppe gebildet werden ; die Ethaneinheit wird als Ethylgruppe bezeichnet . Eine an eine Hydroxylgruppe gebundene Ethylgruppe ergibt beispielsweise Ethanol , den Alkohol in Getränken.

Geschichte

Ethan wurde erstmals 1834 von Michael Faraday durch Elektrolyse einer Kaliumacetatlösung synthetisiert . Er verwechselte das Kohlenwasserstoffprodukt dieser Reaktion mit Methan und untersuchte es nicht weiter. Im Zeitraum 1847–1849 stellten Hermann Kolbe und Edward Frankland in dem Bemühen, die Radikaltheorie der organischen Chemie zu rechtfertigen , Ethan durch die Reduktion von Propionitril ( Ethylcyanid ) und Ethyliodid mit Kaliummetall her und, wie Faraday, durch die Elektrolyse von wässrigen Acetaten. Sie verwechselten das Reaktionsprodukt mit dem Methylradikal und nicht mit dem Dimer von Methyl, Ethan. Dieser Fehler wurde 1864 von Carl Schorlemmer korrigiert , der zeigte, dass das Produkt all dieser Reaktionen tatsächlich Ethan war. Ethan wurde 1864 von Edmund Ronalds in leichtem Rohöl von Pennsylvania gelöst entdeckt .

Der Name Ethan leitet sich von der IUPAC-Nomenklatur der organischen Chemie ab . „Eth-“ leitet sich aus dem Deutschen für Trinkalkohol (Ethanol) ab, e“ bezieht sich auf das Vorhandensein einer Einfachbindung zwischen den Kohlenstoffatomen.

Eigenschaften

Bei Standardtemperatur und -druck ist Ethan ein farbloses, geruchloses Gas. Es hat einen Siedepunkt von –88,5 °C (–127,3 °F) und einen Schmelzpunkt von –182,8 °C (–297,0 °F). Festes Ethan existiert in mehreren Modifikationen. Beim Abkühlen unter Normaldruck tritt als erste Modifikation ein plastischer Kristall auf , der im kubischen System kristallisiert. In dieser Form sind die Positionen der Wasserstoffatome nicht festgelegt; die Moleküle können sich frei um die Längsachse drehen. Abkühlen dieses Ethans unter ca. 89,9 K (−183,2 °C; −297,8 °F) ändert es in monoklines metastabiles Ethan II ( Raumgruppe P 21/n). Ethan ist in Wasser nur sehr schwer löslich.

]

Die Bindungsparameter von Ethan wurden mit Mikrowellenspektroskopie und Elektronenbeugung mit hoher Präzision gemessen: r C–C = 1.528(3) Å, r C–H = 1.088(5) Å und ∠CCH = 111.6(5)° by Mikrowelle und r C–C = 1.524(3) Å, r C–H = 1.089(5) Å und ∠CCH = 111.9(5)° durch Elektronenbeugung (die Zahlen in Klammern stellen die Unsicherheiten in den letzten Ziffern dar).

Chemie

Ethan kann als zwei verbundene Methylgruppen angesehen werden , d. h. als Dimer von Methylgruppen. Im Labor kann Ethan bequem durch Kolbe-Elektrolyse synthetisiert werden . Bei dieser Technik wird eine wässrige Lösung eines Acetat wird Salzes elektrolysiert . An der Anode wird Acetat zu Kohlendioxid und Methylradikalen oxidiert , und die hochreaktiven Methylradikale verbinden sich zu Ethan:

CH 3 COO → CH 3 • + CO 2 + e
CH 3 • + • CH 3 → C 2 H 6

Die Synthese durch Oxidation von Essigsäureanhydrid durch Peroxide ist konzeptionell ähnlich.

Die Chemie des Ethans beinhaltet hauptsächlich Reaktionen mit freien Radikalen . Ethan kann mit den Halogenen , insbesondere Chlor und Brom , durch radikalische Halogenierung reagieren . Diese Reaktion verläuft durch die Ausbreitung des Ethylradikals :

C 2 H 5 • + Cl 2C 2 H 5 Cl + Cl•
Cl • + C 2 H 6 → C 2 H 5 • + HCl

Da halogenierte Ethane einer weiteren radikalischen Halogenierung unterzogen werden können, führt dieses Verfahren zu einer Mischung mehrerer halogenierter Produkte. In der chemischen Industrie werden selektivere chemische Reaktionen zur Herstellung eines bestimmten Zwei-Kohlenstoff-Halogenalkans verwendet.

Verbrennung

Die vollständige Verbrennung von Ethan setzt 1559,7 kJ/mol oder 51,9 kJ/g Wärme frei und produziert Kohlendioxid und Wasser gemäß der chemischen Gleichung

2 C 2 H 6 + 7 O 2 → 4 CO 2 + 6 H 2 O + 3120 kJ

Die Verbrennung kann auch ohne Sauerstoffüberschuss erfolgen, wobei ein Gemisch aus amorphem Kohlenstoff und Kohlenmonoxid entsteht .

2 C 2 H 6 + 3 O 2 → 4 C + 6 H 2 O + Energie
2 C 2 H 6 + 5 O 2 → 4 CO + 6 H 2 O + Energie
2 C 2 H 6 + 4 O 2 → 2 C + 2 CO + 6 H 2 O + Energie usw.

Die Verbrennung erfolgt durch eine komplexe Reihe von radikalischen Reaktionen. Computersimulationen der chemischen Kinetik der Ethanverbrennung umfassten Hunderte von Reaktionen. Eine wichtige Reaktionsreihe bei der Ethanverbrennung ist die Kombination eines Ethylradikals mit Sauerstoff und die anschließende Aufspaltung des resultierenden Peroxids in Ethoxy- und Hydroxylradikale.

C 2 H 5 • + O 2 → C 2 H 5 OO•
C 2 H 5 OO• + HR → C 2 H 5 OOH + •R
C 2 H 5 OOH → C 2 H 5 O• + •OH

Die wichtigsten kohlenstoffhaltigen Produkte der unvollständigen Verbrennung von Ethan sind Einzelkohlenstoffverbindungen wie Kohlenmonoxid und Formaldehyd . Ein wichtiger Weg, um die Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindung in Ethan zu brechen, um diese Einkohlenstoff-Produkte zu erhalten, ist die Zersetzung des Ethoxyradikals in ein Methylradikal und Formaldehyd, die wiederum einer weiteren Oxidation unterliegen können.

C 2 H 5 O• → CH 3 • + CH 2 O

Einige Nebenprodukte bei der unvollständigen Verbrennung von Ethan sind Acetaldehyd , Methan , Methanol und Ethanol . Bei höheren Temperaturen, insbesondere im Bereich von 600–900 °C (1.112–1.652 °F), ist Ethylen ein bedeutendes Produkt. Es entsteht durch Reaktionen wie diese:

C 2 H 5 • + O 2C 2 H 4 + •OOH

Ähnliche Reaktionen (mit anderen Mitteln als Sauerstoff als Wasserstoffabsorber) sind bei der Herstellung von Ethylen aus Ethan beim Dampfcracken beteiligt .

Ethan-Barriere

Ethan (in Newman-Projektion gezeigt ) Barriere für die Rotation um die Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindung. Die Kurve ist die potentielle Energie als Funktion des Drehwinkels. Die Energiebarriere beträgt 12 kJ/mol oder etwa 2,9 kcal/mol .

Das Drehen einer molekularen Unterstruktur um eine verdrillbare Bindung erfordert normalerweise Energie. Die minimale Energie, um eine 360°-Bindungsrotation zu erzeugen, wird als Rotationsbarriere bezeichnet .

Ethan gibt ein klassisches, einfaches Beispiel für eine solche Rotationsbarriere, die manchmal als "Ethanbarriere" bezeichnet wird. Einer der frühesten experimentellen Beweise für diese Barriere (siehe Diagramm links) wurde durch die Modellierung der Entropie von Ethan erhalten. Die drei Wasserstoffatome an jedem Ende können sich frei um die zentrale Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindung drehen, wenn sie mit ausreichend Energie versorgt werden, um die Barriere zu überwinden. Der physikalische Ursprung der Barriere ist noch nicht vollständig geklärt, obwohl die Überlappungs-(Austausch-)Abstoßung zwischen den Wasserstoffatomen an gegenüberliegenden Enden des Moleküls vielleicht der stärkste Kandidat ist, wobei der stabilisierende Effekt der Hyperkonjugation auf die gestaffelte Konformation zu diesem Phänomen beiträgt. Theoretische Methoden, die einen geeigneten Ausgangspunkt (orthogonale Orbitale) verwenden, stellen jedoch fest, dass die Hyperkonjugation der wichtigste Faktor bei der Entstehung der Ethan-Rotationsbarriere ist.

Bereits 1890–1891 schlugen Chemiker vor, dass Ethanmoleküle die gestaffelte Konformation mit den beiden Enden des Moleküls schief zueinander bevorzugen.

Produktion

Ethan ist nach Methan der zweitgrößte Bestandteil von Erdgas . Erdgas aus verschiedenen Gasfeldern variiert im Ethangehalt von weniger als 1 Vol.-% bis zu mehr als 6 Vol.-%. Vor den 1960er Jahren wurden Ethan und größere Moleküle typischerweise nicht von der Methankomponente von Erdgas getrennt, sondern einfach zusammen mit dem Methan als Brennstoff verbrannt. Heute ist Ethan ein wichtiger petrochemischer Rohstoff und wird in den meisten gut erschlossenen Gasfeldern von den anderen Komponenten des Erdgases getrennt. Ethan kann auch aus Erdölgas , einem Gemisch gasförmiger Kohlenwasserstoffe, das als Nebenprodukt der Erdölraffination entsteht , abgetrennt werden . Die Wirtschaftlichkeit des Bauens und Betreibens von Verarbeitungsanlagen kann sich jedoch ändern. Wenn der relative Wert der Lieferung des unverarbeiteten Erdgases an einen Verbraucher den Wert der Ethanextraktion übersteigt, wird die Ethanextraktion möglicherweise nicht durchgeführt, was zu Betriebsproblemen bei der Bewältigung der sich ändernden Gasqualität in nachgeschalteten Systemen führen kann.

Ethan wird am effizientesten von Methan getrennt, indem es bei kryogenen Temperaturen verflüssigt wird. Es gibt verschiedene Kühlstrategien: Das wirtschaftlichste Verfahren, das derzeit weit verbreitet ist, verwendet einen Turboexpander und kann mehr als 90% des Ethans im Erdgas zurückgewinnen. Bei diesem Prozess wird gekühltes Gas durch eine Turbine entspannt , wodurch die Temperatur auf etwa −100 °C (−148 °F) gesenkt wird. Bei dieser niedrigen Temperatur kann gasförmiges Methan durch Destillation vom verflüssigten Ethan und schwereren Kohlenwasserstoffen getrennt werden . Eine weitere Destillation trennt dann Ethan vom Propan und schwereren Kohlenwasserstoffen.

Ethan kann aus der Elektrolyse von Acetatsalzen gebildet werden:

2 CH 3 COONa + 2 H 2 O → C 2 H 6 + 2 CO 2 + H 2 + 2 NaOH

Verwendet

Die Hauptverwendung von Ethan ist die Herstellung von Ethen (Ethylen) durch Steamcracken . Mit Wasserdampf verdünnt und kurzzeitig auf sehr hohe Temperaturen (900 °C oder mehr) erhitzt, zerfallen schwere Kohlenwasserstoffe in leichtere Kohlenwasserstoffe und gesättigte Kohlenwasserstoffe werden ungesättigt . Ethane für Ethen Produktion bevorzugt , da der Dampf von Ethan Cracken für Ethen ziemlich selektiv ist, während der Dampf von schwereren Kohlenwasserstoffen Cracken ein Produktgemisch ärmer an Ethen und reicher an schwereren ergibt Alkene (Olefine) , wie zum Beispiel Propen (Propylen) und Butadien , und in aromatischen Kohlenwasserstoffen .

Experimentell wird Ethan als Rohstoff für andere Grundchemikalien untersucht. Die oxidative Chlorierung von Ethan scheint seit langem ein potentiell wirtschaftlicherer Weg zu Vinylchlorid zu sein als die Ethenchlorierung. Viele Verfahren zur Herstellung dieser Reaktion wurden patentiert , aber eine schlechte Selektivität für Vinylchlorid und korrosive Reaktionsbedingungen (insbesondere ein Reaktionsgemisch, das Salzsäure bei Temperaturen über 500 °C enthält) haben die Kommerzialisierung der meisten davon abgehalten. Derzeit betreibt INEOS eine 1000 t/a ( Tonnen pro Jahr ) Ethan-zu-Vinylchlorid-Pilotanlage in Wilhelmshaven in Deutschland .

In ähnlicher Weise hat die saudi-arabische Firma SABIC den Bau einer Anlage mit 30.000 Jahrestonnen zur Herstellung von Essigsäure durch Ethanoxidation in Yanbu angekündigt . Die wirtschaftliche Durchführbarkeit dieses Verfahrens hängt möglicherweise von den niedrigen Kosten von Ethan in der Nähe von saudischen Ölfeldern ab, und es ist möglicherweise nicht mit der Methanolcarbonylierung anderswo auf der Welt konkurrenzfähig .

Ethan kann als Kältemittel in kryogenen Kühlsystemen verwendet werden. In viel kleinerem Maßstab wird in der wissenschaftlichen Forschung flüssiges Ethan verwendet, um wasserreiche Proben für die Elektronenmikroskopie ( Kryo-Elektronenmikroskopie ) zu verglasen . Ein dünner Wasserfilm, der schnell in flüssiges Ethan bei −150 °C oder kälter eingetaucht wird, gefriert zu schnell, als dass Wasser kristallisieren könnte. Langsamere Gefriermethoden können kubische Eiskristalle erzeugen, die weiche Strukturen durch Beschädigung der Proben zerstören und die Bildqualität durch Streuung des Elektronenstrahls verringern können, bevor er den Detektor erreichen kann.

Gesundheit und Sicherheit

Ethan ist bei Raumtemperatur ein hochentzündliches Gas. Wenn es mit Luft von 3,0 bis 12,5 Vol.-% vermischt wird, bildet es ein explosives Gemisch.

Wenn Ethan als kryogene Flüssigkeit gelagert wird, sind einige zusätzliche Vorsichtsmaßnahmen erforderlich. Direkter Kontakt mit flüssigem Ethan kann zu schweren Erfrierungen führen . Bis sie sich auf Raumtemperatur erwärmen, sind die Dämpfe von flüssigem Ethan schwerer als Luft und können über den Boden oder Boden strömen und sich an niedrigen Stellen sammeln; treffen die Dämpfe auf eine Zündquelle, kann die chemische Reaktion auf die Ethanquelle zurückschlagen, aus der sie verdampft sind.

Ethan kann Sauerstoff verdrängen und zu einer Erstickungsgefahr werden. Ethan birgt kein bekanntes akutes oder chronisches toxikologisches Risiko. Es ist kein Karzinogen .

Atmosphärisches und außerirdisches Ethan

Ein Foto von Titans nördlichen Breiten. Die dunklen Merkmale sind Kohlenwasserstoffseen mit Ethan

Ethan kommt als Spurengas in der Erdatmosphäre vor und hat derzeit eine Konzentration auf Meereshöhe von 0,5 ppb , obwohl seine vorindustrielle Konzentration wahrscheinlich nur etwa 0,25 Teile pro Milliarde betrug, da ein erheblicher Anteil des Ethans in der heutigen Atmosphäre entstanden sein könnte als fossile Brennstoffe . Die weltweiten Ethanmengen haben sich im Laufe der Zeit verändert, wahrscheinlich aufgrund von Abfackeln in Erdgasfeldern . Die globalen Ethan-Emissionsraten gingen von 1984 bis 2010 zurück, obwohl die erhöhte Schiefergasproduktion in der Bakken-Formation in den USA den Rückgang um die Hälfte aufgehalten hat.

Obwohl Ethan ein Treibhausgas ist , kommt es viel seltener vor als Methan, hat eine Lebensdauer von nur wenigen Monaten im Vergleich zu über einem Jahrzehnt und ist auch weniger effizient bei der Absorption von Strahlung im Verhältnis zur Masse. Tatsächlich resultiert das Treibhauspotenzial von Ethan größtenteils aus seiner Umwandlung in der Atmosphäre in Methan. Es wurde als Spurenkomponente in den Atmosphären von allen vier erfassten Riesenplaneten , und in der Atmosphäre des Saturn ‚s Mond Titan .

Atmosphärisches Ethan entsteht durch die photochemische Wirkung der Sonne auf Methangas, das auch in diesen Atmosphären vorhanden ist: ultraviolette Photonen mit kürzeren Wellenlängen als 160 nm können das Methanmolekül in ein Methylradikal und ein Wasserstoffatom photodissoziieren. Wenn zwei Methylradikale rekombinieren, entsteht Ethan:

CH 4 → CH 3 • + •H
CH 3 • + • CH 3 → C 2 H 6

In der Erdatmosphäre wandeln Hydroxylradikale Ethan mit einer Halbwertszeit von etwa drei Monaten in Methanoldampf um.

Es wird vermutet, dass auf Titan auf diese Weise produziertes Ethan auf die Mondoberfläche zurückregnet und sich im Laufe der Zeit in Kohlenwasserstoffmeeren angesammelt hat, die einen Großteil der Polarregionen des Mondes bedecken. Im Dezember 2007 fand die Cassini-Sonde mindestens einen See am Südpol von Titan, der heute Ontario Lacus genannt wird, da der See dem Ontariosee auf der Erde ähnlich ist (ungefähr 20.000 km 2 ). Eine weitere Analyse der im Juli 2008 vorgelegten infrarotspektroskopischen Daten lieferte zusätzliche Beweise für das Vorhandensein von flüssigem Ethan in Ontario Lacus. Mehrere deutlich größere Kohlenwasserstoffseen, Ligeia Mare und Kraken Mare sind die beiden größten, wurden in der Nähe des Nordpols von Titan mithilfe von von Cassini gesammelten Radardaten entdeckt. Es wird angenommen, dass diese Seen hauptsächlich mit einer Mischung aus flüssigem Ethan und Methan gefüllt sind.

Im Jahr 1996 wurde Ethan im Kometen Hyakutake nachgewiesen , und es wurde seitdem in einigen anderen Kometen nachgewiesen . Die Existenz von Ethan in diesen fernen Körpern des Sonnensystems könnte Ethan als eine ursprüngliche Komponente des Sonnennebels implizieren, aus dem sich vermutlich die Sonne und die Planeten gebildet haben.

Im Jahr 2006 gaben Dale Cruikshank vom NASA/Ames Research Center (ein Mitforscher von New Horizons ) und seine Kollegen die spektroskopische Entdeckung von Ethan auf der Oberfläche von Pluto bekannt .

Siehe auch

Verweise

Externe Links