etan
Etan – jest to organiczny związek chemiczny o wzorze chemicznym C2H6. W standardowych warunkach temperatury i ciśnienia etan ma postać bezbarwnego i bezwonnego gazu. Tak jak w przypadku innych węglowodorów, etan otrzymywany jest na skalę przemysłową z złóż gazu ziemnego oraz jako petrochemiczny produkt uboczny rafinacji ropy naftowej. Jest on wykorzystywany głównie jest surowiec do produkcji etylenu.
Pokrewne etanowi związki można wytworzyć przez zastąpienie atomu wodoru inną grupą funkcyjną. W powstałym związku pozostała grupa nosi nazwę grupy etylowej. Przykładowo przyłączając grupę hydroksylową do grupy etylowej otrzymuje się etanol.
Historia związana z etanem
Etan został syntetyzowany po raz pierwszy w 1834 w reakcji elektrolizy octanu potasu w roztworze. Czego dokonał Michael Faraday. Kilkanaście lat później pomyślnie otrzymano etan poprzez reakcję redukcji różnych związków, jednak w tym przypadku również było konieczne zastosowanie elektrolizy wodnych octanów. Odkrycie rozpuszczonego etanu w 1864 roku przez Edmunda Ronaldsa w lekkiej ropie naftowej z Pensylwanii zapoczątkowało masowe pozyskiwanie tego gazu. Niedawno odkryto, że Argoarcheum ethanivorans z archeonów jest zdolny do utleniania etanu dzięki symbiozie z innym mikroorganizmem.
Otrzymywanie etanu
Etan jest drugim (po metanie) pod względem objętościowym składnikiem gazu ziemnego. Jednak zawartość etanu w gazie ziemnym jest zróżnicowana, ponieważ skład gazu ziemnego w zależności od pól gazowych wykazuje od mniej niż 1% do ponad 6% objętości etanu.
Do 1960 roku etan nie był oddzielany od metanu w gazie ziemnym i spalano go jako paliwo. Jednak ze względu na to, że etan obecnie jest ważnym surowcem dla przemysłu petrochemicznego, to w większości dobrze rozwiniętych pól gazowych oddzielany jest od innych składników gazu ziemnego.
Etan można również otrzymać poprzez oddzielenie go od gazu ropopochodnego, czyli mieszaniny gazowych węglowodorów powstających jako produkt uboczny rafinacji ropy naftowej. Jednak podlega to szczegółowym szacunkom ekonomicznej opłacalności.
Jednym ze sposobów otrzymania etanu jest elektroliza z octanu soli, którą można zapisać następującym równaniem chemicznym:
2CH3COONa + 2H2O → C2H6 + 2CO2 + H2 + 2NaOH
Najskuteczniejszy sposób oddzielania etanu od gazu ziemnego odbywa się poprzez skraplanie etanu w temperaturach kriogenicznych. Istnieją różne strategie chłodzenia. Przy czym najbardziej opłacalnym procesem i obecnie najpowszechniej wykorzystywanym jest ten, który wykorzystuje rozprężarkę turbinową. Może ona odzyskać ponad 90% etanu z gazu ziemnego. W procesie tym schłodzony gaz jest rozprężany przez turbinę, osiągając temperaturę substancji do około -100 °C. Prowadzi to do tego, że etan ulega skropleniu i wciąż gazową postać metanu można oddzielić (na drodze destylacji) zarówno od etanu jak i od cięższych węglowodorów. Następnie dalsza destylacja oddziela kolejno etan od propanu i cięższych węglowodorów.
Właściwości etanu
Etan w standardowym ciśnieniu i temperaturze jest bezbarwnym i bezwonnym gazem. Jest nierozpuszczalny w wodzie. Wykazuje temperaturę wrzenia na poziomie -88,5 °C oraz temperaturę topnienia na poziomie -182,8 °C. Podczas chłodzenia w normalnym ciśnieniu można z niego otrzymać kryształ krystalizujący się w układzie sześciennym. W tej strukturze pozycje atomów wodoru nie są ustalone, a cząsteczki mogą swobodnie obracać się wokół długiej osi. Stosując inne warunki można otrzymać również inne formy niestabilnego etanu.
Etan jest dimerem grup metylowych ze względu na posiadanie dwóch połączonych grupy metylowych. Podlega on reakcjom wolnorodnikowym i może reagować z halogenami (zwłaszcza z chlorem i bromem). Ponieważ chlorowcowane etany mogą ulegać dalszym reakcjom tego typu, więc prowadzi to do powstania mieszaniny kilku takich produktów. W przemyśle chemicznym stosuje się jednak bardziej selektywne reakcje chemiczne.
Całkowite spalanie etanu uwalnia 51,9 kJ/g ciepła i prowadzi do powstania dwutlenku węgla i wody. Może jednak ono zachodzić bez nadmiaru tlenu, tworząc mieszaninę amorficznego węgla i tlenku węgla. Proces spalania zachodzi w wyniku złożonej serii reakcji wolnorodnikowych. Do głównych produktów niepełnego spalania etanu należą związki jednowęglowe, takie jak tlenek węgla i formaldehyd. Wśród tych produktów mogą się też znajdować aldehyd octowy, metanol, metan i etanol. Natomiast w przypadku zastosowania wyższych temperatur (600–900 °C) znaczącym produktem staje się etylen. Podobne reakcje (jednak z czynnikami innymi niż tlen) zachodzą w procesie krakingu parowego prowadzącym do produkcji etylenu z etanu.
Zastosowanie etanu
Produkcja etenu (etylenu) jest głównym zastosowaniem etanu. Eten otrzymuje się w procesie krakingu parowego, który polega na rozcieńczeniu parą i krótkim ogrzaniu ciężkich węglowodorów do bardzo wysokich temperatur (900 °C lub więcej), które rozkładają się na lżejsze węglowodory, natomiast węglowodory nasycone stają się nienasycone. W procesie tym etan jest dość selektywny dla etenu, a z innych, cięższych węglowodorów otrzymuje się mieszaninę produktów uboższą w eten. Ponadto jest ona bogatsza w cięższe alkeny (olefiny) , takie jak propen (propylen) i butadien, jak również w węglowodory aromatyczne.
Etan służy również jako surowiec do wyrobu różnych produktów chemicznych. Na przykład otrzymywanie chlorku winylu poprzez oksydacyjne chlorowanie etanu jest bardziej opłacalne niż chlorowanie etenu. Jednak to rozwiązanie nie zostało jeszcze powszechnie zastosowane. Etan jest też dobrym wskaźnikiem wycieku gazu związanego z eksploatacją łupkową.
Etan stosuje się jako czynnik chłodniczy w kriogenicznych układach chłodniczych. Natomiast na niewielką skalę w laboratoriach badawczych używa się ciekłego etanu do zeszklenia próbek bogatych w wodę wykorzystywanych w mikroskopii elektronowej (mikroskopia krioelektronowa). W tej metodzie wykorzystywana jest cienka warstwa wody, która zostaje szybko zanurzona w ciekłym etanie o temperaturze -150 °C (lub niższej), więc woda zamarza zbyt szybko aby mogło dojść do krystalizacji. Inne wolniejsze metody często generują kryształki lodu zniekształcające lub uszkadzające zastosowane systemy.
Etan a bezpieczeństwo
W zależności od panujących warunków etan może być skrajnie niebezpieczny. W temperaturze pokojowej jest on gazem skrajnie łatwopalnym i po zmieszaniu z powietrzem w ilości objętościowej wynoszącej 3,0–12,5% tworzy mieszaninę wybuchową.
Przechowywanie etanu związane jest przez to z zachowaniem środków bezpieczeństwa. Na przykład etan w postaci cieczy kriogenicznej jest niebezpieczny w kontakcie ze skórą co jest związane z bardzo niską temperaturą. Stąd zarówno przechowywanie jak i transport oraz bezpośredni kontakt z tą formą etanu prowadzi do konieczności zastosowania dodatkowych środków ostrożności. Po ogrzaniu etanu, jego pary są cięższe od powietrza (aż do ogrzania do temperatury pokojowej) co powoduje rozproszeniem gazu w niewielkiej wysokości od podłoża (opływają naczynie, podłogę lub ziemię) i zbierają się w nisko położonych miejscach. W przypadku napotkania źródła zapłonu spalanie gazu będzie zwykle obejmowało jego całą objętość i może doprowadzić do wybuchu.
Etan co prawda nie powoduje skutków zdrowotnych i nie powoduje zagrożenia toksykologicznego. Jednak jego wysokie stężenie w powietrzu może spowodować uduszenie.
