乙烷(ethane),是一种有机化合物,结构式为CH3CH3,为无色无味气体,不溶于水,是烷烃系列中第二个成员,为最简单的含碳-碳单键的烃。乙烷在某些天然气中的含量为5%~10%,仅次于甲烷;并以溶解状态存在于石油中。乙烷常被用做户外燃料和冷冻剂。
研究简史
1834年
迈克尔·法拉第首次使用电解
乙酸钾的方法制造了乙烷。他错误地以为这个反应的产物是甲烷,因此没有继续研究。
在1847年和1849年间阿道夫·威廉·赫尔曼·科尔贝和爱德华·弗兰克兰在维护有机化学理论的过程中通过使用金属钾还原
丙腈和
碘乙烷以及通过电解乙酸盐的方法制造了乙烷。但是他们错误地以为这些反应的产物是甲基自由基,而不是甲基的二聚体乙烷。
1864年
卡尔·肖莱马校正了这个错误,他证明所有这些反应的产物都是乙烷。
理化性质
物理性质
1.性状:无色无味气味。
2.熔点(℃):-183(101.325 kpa)
3.沸点(℃):-88.6(101.325 kpa)
4.相对密度(水=1):0.45(0℃)
5.相对蒸气密度(空气=1):1.05
6.饱和蒸气压(kPa):3850(20℃)
7.燃烧热(kJ/mol):-1558.3
8.临界温度(℃):32.2
9.临界压力(MPa):4.87
10.辛醇/水分配系数:1.81
11.闪点(℃):-135
12.引燃温度(℃):472
13.爆炸上限(%):12.5
14.爆炸下限(%):3.0
15.溶解性:不溶于水,溶于乙醇、乙醚、丙酮、苯。
16.临界密度(g·cm-3):0.0266
17.临界体积(cm3·mol-1):145.5
18.临界压缩因子:0.279
19.偏心因子:0.099
20.Lennard-Jones参数(A):4.4080
21.Lennard-Jones参数(K):226.55
22.溶度参数(J·cm-3)0.5:12.375
23.van der Waals面积(cm2·mol-1):4.240×109
24.van der Waals体积(cm3·mol-1):27.340
25.气相标准燃烧热(焓)(kJ·mol-1):-1560.67
26.气相标准声称热(焓)( kJ·mol-1):-783.85
27.气相标准熵(J·mol-1·K-1) :229.23
28.气相标准生成自由能( kJ·mol-1):-31.9
29.气相标准热熔(J·mol-1·K-1):52.47
构象
乙烷的C-C单键可以自由旋转,如果乙烷中的一个C原子不动,另一个绕C-C单键自由旋转,则一个C原子上的3个H相对于另一个C原子上的3个H可以有无数的空间排列。这种由于单键旋转而产生的分子中的原子或基团在空间的不同排列形式叫做
构象,每一个构象就叫做一个
构象异构体,由于C-C单键自由旋转,乙烷可以有无数种构象,乙烷的
优势构象是交叉式。这个时候2个C原子上的H距离最远相互间的排斥力最小,因而
分子内能最低 也最稳定。内能最高的是重叠式,这时2个C上的H两两相对,相互间的排斥力最大,内能最高,最不稳定,其他的构象内能介于这两者之间。在旋转过程中,由于两个甲基上的氢原子的相对位置不断发生变化,这就形成了许多不同的空间排列方式。其中一种是一个甲基的氢原子正好处在另一个甲基的两个氢原子之间的中线上。这种排布方式叫做交叉式构象。另一种是两个碳原子上的各个氢原子正好处在相互对映的位置上。这种排布方式叫重叠构象。交叉式和重叠式是乙烷无数构象中的两种极端情况。
乙烷单键的旋转也并不是完全自由的。可以把这个能垒看作是克服氢原子的斥力,以及很可能还有由于碳氢原键电子云之间的斥力所需要的能量。重叠式由于前后两个氢原子相距最近,以及碳氢键间8电子云斥力最大,所以能量最高,交叉式中C-H相距最远,斥力最小,能量最低,是乙烷最有利的构象。
分子结构数据
1、摩尔折射率:11.31
2、摩尔体积(cm3/mol):61.5
3、等张比容(90.2K):111.7
4、表面张力(dyne/cm):10.8
5、极化率(10-24cm3):4.48
化学性质
乙烷是低级烷烃的一种,能发生很多烷烃的典型反应。
卤化反应:乙烷在一定条件下还可与氯、溴、碘等卤素发生反应生成
氯乙烷、
溴乙烷或
碘乙烷,但与碘反应时需要的活化能较高。如:在紫外光或热(250~400℃)作用下,乙烷与
氯气反应得氯乙烷:
与甲烷相似,氯甲烷也可以和氯气进一步反应生成
二氯乙烷、
三氯乙烷等。
硝化反应:与
硝酸或
四氧化二氮(N2O4)进行气相(400~450℃)反应,生成
硝基化合物(RNO2)。 这种直接生成硝基化合物的反应叫做
硝化,它在工业上是一个很重要的反应。它之所以重要是由于硝基烷烃可以转变成多种其它类型的化合物,如
胺、
羟胺、
腈、
醇、
醛、
酮及
羧酸等。此外,硝基烷烃可以发生多种反应,在实验室中采用气相硝化法有很大的局限性,所以实验室内主要通过间接方法制备硝基烷烃。气相硝化法制备硝基烷烃,常得到多种硝基化合物的混合物。
乙烷的磺化:乙烷在高温下与硫酸反应,和与硝酸反应相似,生成
乙基磺酸,这种反应叫作
磺化。
氧化与还原反应:乙烷能燃烧,即发生剧烈的氧化反应。完全燃烧时,反应物全被破坏,生成二氧化碳和水,同时放出大量热。
乙烷在催化剂的作用下加热还可被氧气氧化,生成乙酸。
乙烷在催化下还可被氧化为乙醛。
乙烷的裂解:乙烷在高温和催化剂的作用下可发生裂解生成
乙烯和氢气,此方法工业上常用于制备乙烯。
制备方法
来源:本品存在于石油气、天然气、焦炉气及石油裂解气中,经分离而得。
应用领域
中国乙烷的对外依存度在不断地提高,至2017 年为止,中国的乙烷对外依存度已高达 11%,预估未来中国将会成为全球乙烷主要的市场。基于乙烷的应用特点和应用范围,中国近年来的乙烷制品的使用消费量愈加旺盛,且乙烷的使用消费量始终高于乙烷的产出量,呈现“供不应求”的市场现状。
裂解制造乙烯
在化学工业里乙烷主要用来通过蒸汽裂解生产
乙烯。与蒸汽混合被加到摄氏900度或以上的高温时重的碳氢化合物裂解成轻的碳氢化合物。相对于其它比较重的原材料而言乙烷在蒸汽裂解过程中相当大的部分成为乙烯,而比它重的化合物则会产生许多混合物,其中包括许多重的烯烃如
丙烯、
丁二烯以及
芳香烃。
制冷剂
乙烷可以在冷冻设施中作为致冷剂使用。在科学研究中液态的乙烷在
电子显微技术中被用来使得含水量高的样本透明化。薄的水层在快速沉浸到设施-150℃或更低的液乙烷中时迅速冻结,不会形成晶体。这样的迅速冻结不会像冰结晶时那样会破坏液态水中软物质的结构。
用作燃料
乙烷是常见的可燃气,常被储存于液化钢瓶中作气体燃料。乙烷常用于家庭取暖、炊事和工业加热。瓶装气”或“郊区丙烷”中就含有约 90% 的丙烷、5% 的乙烷。此外,乙烷还可用于气焊和切割。
有机合成
乙烷可用作有机合成,如合成乙酸、乙醇、乙烯、氯乙烷、
硝基乙烷以及合成聚乙酸乙烯酯、乙基纤维素、
环氧乙烷等中间体,其中乙醇是最常见的有机溶剂和消毒剂,乙酸是重要的食品化工原料和有机溶剂。也可用于医药的中间合成,如合成的乙酸酐可用于生产安眠酮、地巴唑、咖啡因和阿司匹林、磺胺等药物。
计算化学数据
1.疏水参数计算参考值(XlogP):1.3
2.氢键供体数量:0
3.氢键受体数量:0
4.可旋转化学键数量:0
5.互变异构体数量:无
6.拓扑分子极性表面积0
7.重原子数量:2
8.表面电荷:0
9.复杂度:0
10.同位素原子数量:0
11.确定原子立构中心数量:0
12.不确定原子立构中心数量:0
13.确定化学键立构中心数量:0
14.不确定化学键立构中心数量:0
15.共价键单元数量:1
安全措施
防护措施
工程控制: 生产过程密闭,全面通风。
呼吸系统防护: 一般不需要特殊防护,但建议特殊情况下,佩戴自吸过滤式防毒面具(半面罩)。
身体防护: 穿防静电工作服。
手防护: 戴一般作业防护手套。
其他防护: 工作现场严禁吸烟。避免长期反复接触。进入罐、限制性空间或其它高浓度区作业,须有人监护。
吸入:迅速脱离现场至空气新鲜处。保持呼吸道通畅。如呼吸困难,给输氧。如呼吸停止,立即进行人工呼吸。就医。
消防措施
燃烧特性:易燃,与空气混合能形成爆炸性混合物,遇热源和明火有燃烧爆炸的危险。与氟、氯等接触会发生剧烈的化学反应。
有害燃烧产物:一氧化碳、二氧化碳。
灭火方法:切断气源。若不能切断气源,则不允许熄灭泄漏处的火焰。喷水冷却容器,可能的话将容器从火场移至空旷处。灭火剂:雾状水、泡沫、二氧化碳、干粉。
安全术语
S9:Keep container in a well-ventilated place.
保持容器在通风良好的场所。
S16:Keep away from sources of ignition - No smoking.
远离火源,禁止吸烟。
S33:Take precautionary measures against static discharges.
对静电采取预防措施。
R12:Extremely flammable.
极易燃的。
储存运输
运输方法
钢瓶密闭操作,全面通风。操作人员必须经过专门培训,严格遵守操作规程。操作人员应身穿防静电工作服。远离火种、热源,工作场所严禁吸烟。使用防爆型的通风系统和设备。防止气体泄漏到工作场所空气中。避免与氧化剂、卤素接触。在传送过程中,钢瓶和容器必须接地和跨接,防止产生静电。搬运时轻装轻卸,防止钢瓶及附件破损。配备相应品种和数量的消防器材及泄漏应急处理设备。采用刚瓶运输时必须戴好钢瓶上的安全帽。钢瓶一般平放,并应将瓶口朝同一方向,不可交叉;高度不得超过车辆的防护栏板,并用三角木垫卡牢,防止滚动。运输时运输车辆应配备相应品种和数量的消防器材。装运该物品的车辆排气管必须配备阻火装置,禁止使用易产生火花的机械设备和工具装卸。严禁与氧化剂、卤素等混装混运。夏季应早晚运输,防止日光曝晒。中途停留时应远离火种、热源。公路运输时要按规定路线行驶,勿在居民区和人口稠密区停留。铁路运输时要禁止溜放。
储存方法
储存于阴凉、通风的库房。远离火种、热源。库温不宜超过30℃。应与氧化剂、卤素分开存放,切忌混储。采用防爆型照明、通风设施。禁止使用易产生火花的机械设备和工具。储区应备有泄漏应急处理设备。
包装类别:O52
包装方法:钢制气瓶
法规信息
化学危险物品安全管理条例(1987年2月17日国务院发布),化学危险物品安全管理条例实施细则 (化劳发[1992] 677号),工作场所安全使用化学品规定 ([1996]劳部发423号)等法规,针对化学危险品的安全使用、生产、储存、运输、装卸等方面均作了相应规定;常用危险化学品的分类及标志 (GB 13690-92)将该物质划为第2.1 类易燃气体。