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乙烷的性质、制备、用途等

发布日期:2021/10/20 11:24:52

乙烷是化学式为C2H6的烷烃。乙烷中的所有分子由共价键结合,通常在分子的书写中为了表现两个C(碳原子)之间只有一个化学键,写作CH3-CH3。它是由两个碳原子组成的烷烃中唯一的脂肪烃。

在标准状况下乙烷为可燃气体,无色无味,在一定的浓度下如遇火可产生爆炸。

工业生产的乙烷是从天然气分离出来的或者是炼油厂的副产品。在石油化工中它是生产乙烯的原材料。

ETHANE.jpg

化学性质

乙烷的化学性质主要包括自由基反应,它能够和卤素,尤其是氯和溴发生自由基卤化反应。这个反应主要是通过乙基自由基的链增长导致的:

C2H5· + Cl2 → C2H5Cl + Cl·

Cl· + C2H6 → C2H5· + HCl

由于卤化乙烷还可以继续发生自由基卤化,因此这个过程可以产生许多卤化产物的混合物。在化学工业里因此使用更加有选择性的反应来获得特别的二碳卤化物。

燃烧

乙烷完全燃烧的话每摩尔释放1561千焦或者每克施放51.9千焦热量,其燃烧产物是二氧化碳和水:

2 C2H6 + 7 O2 → 4 CO2 + 6 H2O + 3120 kJ/mol

乙烷的燃烧实际上是一系列复杂的游离基反应。对乙烷燃烧的化学动力学计算机模拟包括上百单个反应。其中一系列重要的单个反应是乙基和氧的结合和此后的分裂,导致过氧化物,再导致烷氧基和羟基。

C2H5· + O2 → C2H5OO·

C2H5OO· + HR → C2H5OOH + ·R

C2H5OOH → C2H5O· + ·OH

乙烷不完全燃烧的主要产品是单碳化合物如一氧化碳和甲醛。乙烷的碳碳键断开产生这些产品的主要途径是乙基分裂为甲基和甲醛,这些产品然后继续氧化:

C2H5O· → CH3· + CH2O

不完全燃烧还会产生少量乙醛、甲烷、甲醇和乙醇。在高温下,尤其在摄氏600至900度之间乙烯是一个重要产物。这个反应如下:

C2H5· + O2 → C2H4 + ·OOH

在使用蒸汽裂解由乙烷生产乙烯的过程中有类似的反应。

实验室制备

在实验室里乙烷可通过科尔贝电解制得。电解原料乙酸盐被电解时,乙酸根离子移至阳极,失电子形成自由基,然后再失二氧化碳形成烷基自由基,偶联即得乙烷。整个反应可看作脱羧反应:

CH3COO− → CH3· + CO2 + e−

CH3· + ·CH3 → C2H6

另一个方法是使用过氧化物氧化乙酸酐,其原理类似。

生产

乙烷是继甲烷后天然气中最主要的组成部分。不同矿井的乙烷含量从1%至6%体积比不等。1960年代前乙烷和其它大分子一般不被从甲烷中分离出来,而是直接和甲烷一起当作燃料使用。今天乙烷是石化工业的重要原料之一,在设备完备的矿区它们被分离出来。炼油的时候产生的气态碳氢化合物中也包含乙烷。

把乙烷从甲烷中分离出来最有效的方法是使用低温液化。这里有不同的手段。目前最有效的方式是使用涡轮膨胀,使用这种方法可以提取天然气中含有的90%以上的乙烷。在这个过程中冷却的气体通过一个涡轮膨胀,由此降温到摄氏-100度。在这个温度下气态的甲烷可以从液态的乙烷和其它更重的碳氢化合物中蒸馏出来。继续蒸馏可以把乙烷和丙烷以及更重的碳氢化合物分离开来。

健康和安全

在室温下乙烷是一种可燃气体。假如乙烷中参杂了3%至12.5%体积的空气的话它会发生爆炸。

把乙烷当作致冷剂存放的时候还要注意其它事项。直接与液乙烷接触会导致冻伤。液乙烷蒸发的气体在达到室温前比空气重,因此会聚集在低处,假如他们遇到火的话会点燃并且传播回到它们蒸发出去的液体。

装乙烷的容器在刚刚倒空后还可能缺氧会导致窒息,除此之外乙烷目前没有已知的毒性或者其它紧急威胁。至今为止没有乙烷致癌的迹象。