Αιθάνιο

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
Χημικες ιδιότητες
pKa	50
Θερμότητα πλήρους καύσης	1.561 kJ/mole
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
Η κατάσταση αναφοράς είναι η πρότυπη κατάσταση (25°C, 1 Atm) εκτός αν σημειώνεται διαφορετικά

Το Αιθάνιο (Ethane) ή διμεθύλιο είναι το δεύτερο απλούστερο αλκάνιο, δηλαδή άκυκλος κορεσμένος υδρογονάνθρακας, με χημικό τύπο C₂H₆ και σύντομο συντακτικό τύπο CH₃CH₃. Στις «συνηθισμένες συνθήκες», θερμοκρασία 25°C και πίεση 1 atm, είναι αέριο άχρωμο και άοσμο, ελάχιστα διαλυτό στο νερό. Διαλύεται ευκολότερα σε οργανικούς διαλύτες. Η ύπαρξή του δεν ανιχνεύεται εύκολα, ενώ με τον αέρα σχηματίζει εκρηκτικά μίγματα. Σε βιομηχανική κλίμακα το αιθάνιο απομονώνεται από το φυσικό αέριο και από τα παραπροϊόντα της διύλισης του αργού πετρελαίου. Το ίδιο το αιθάνιο, με τη σειρά του, χρησιμοποιείται κυρίως για την παραγωγή αιθενίου.

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, δηλαδή ότι είναι υδρογονάνθρακας.

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 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. Παρόλο που το αιθάνιο είναι ένα «αέριο του θερμοκηπίου», του δίνεται ελάχιστη περιβαλλοντική σημασία εξαιτίας της πολύ μικρής αφθονίας του και της μικρότερης κατά βάρος συνεισφοράς του στο φαινόμενο, σε σύγκριση με το μεθάνιο.

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

Το ατμοσφαιρικό αιθάνιο είναι κυρίως αποτέλεσμα φωτοχημικής επίδρασης του ηλιακού φωτός στο ατμοσφαιρικό μεθάνιο, που επίσης υπάρχει και στις παραπάνω πέντε (5) ατμόσφαιρες. Τα υπεριώδη φωτόνια με μήκος κύματος μικρότερο από 160 nm μπορούν να φωτοδιασπάσουν το μόριο του μεθανίου σε ελεύθερη μεθυλική ρίζα (CH₃^●) και άτομο υδρογόνου. Όταν δύο (2) ελεύθερες ρίζες μεθυλίου συναντηθούν σχηματίζουν αιθάνιο:

$\mathrm{CH_4 \xrightarrow[\lambda < 160 \;nm]{UV} CH_3^\bullet + H^\bullet - 413 kJ}$
$\mathrm{2CH_3^\bullet \xrightarrow{} CH_3CH_3 + 347 kJ}$

Στην περίπτωση του Τιτάνα, υποτέθηκε ευρέως ότι μέρος του αιθανίου, που σχηματίζεται όπως αναφέρεται 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 ο διαστημικός βολιστήρας Κασσίνι, βρήκε τουλάχιστον μια λίμνη στο νότιο πόλο του Τιτάνα, που ονομάστηκε «Λάκος Οντάριο», επειδή θεωρήθηκε ότι έχει παρόμοιο εμβαδό με τη Λίμνη Οντάριο στη Γη (ακριβώς 20.000 km²). 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.

Ιστορία

Το αιθάνιο πρωτοπαρασκευάσθηκε συνθετικά το 1834 από τον Μάικλ Φαραντέι, εφαρμόζοντας την ηλεκτρόλυση αιθανικού καλίου. Νόμισε όμως, λανθασμένα, ότι το αέριο που εκλύθηκε ήταν το μεθάνιο και δεν διερεύνησε περισσότερο την αντίδραση. Την περίοδο 1847-1849, σε μια προσπάθεια διερεύνησης της θεωρίας ελευθέρων ριζών στην Οργανική Χημεία, οι Άντολφ Βίλχελμ Χέρμαν Κόλμπε και Σερ Έντουαρντ Φράνκλαντ παρήγαγαν αιθάνιο με αναγωγές αιθανονιτριλίου (CH₃CN) και μεθυλοϊωδίδιου (CH₃Ι) με μεταλλικό κάλιο (K), καθώς και με ηλεκτρόλυση διαλύματος οξικού καλίου, όπως ο Φαραντέι. Και αυτοί, όμως, έκαναν λάθος στο προϊόν της αντίδρασης, θεωρώντας ότι είναι ελεύθερη μεθυλική ρίζα (CH₃^●) και όχι αιθάνιο, που είναι προϊόν του άμεσου διμερισμού της ασταθούς ελεύθερης μεθυλικής ρίζας. Αυτό το λάθος διορθώθηκε το 1864 από τον Καρλ Σχόρλεμμερ που απέδειξε ότι το προϊόν όλων των παραπάνω αντιδράσεων είναι στην πραγματικότητα το αιθάνιο.

Δομή

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 γωνίες $\mathrm{\widehat{H C H}}$ 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.

H περιστροφη 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 την 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 άνθρακος-υδρογόνου, σε κάθε άκρο του μορίου, εμπόδιο που προκαλείται από την πρόσκρουση του καθενός σε άλλο με τρόπο που γίνετι 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 συγκέντρωση συστατικό του φυσικου 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 αεριου, απλά γιατί το αιθάνιο, όπως και το μεθάνιο, χρησιμοποιούνταν απλά και μόνο ως καύσιμα. Σήμερα, όμως, που η πιο ανεπυυγμένη πετροχημική βιομηχανία έχει καταστήσει το αιθάνιο μια σημαντική γι' αυτήν πρώτη 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 μίγμα αέριων υδρογονανθράκων - παραπροϊόντων της διύλυσης του αργού πετρελαίου. Η οικονομία, όμως, της δημιουργίας και λειτουργίας μονάδων παραγωγής, μπορεί να αλλάξει. Μπορεί να αλλάξει η σχετική αξία της προώθησης ακατέργαστου φυσικού αερίου στους καταναλωτές του και το σχετικό κόστος διαχωρισμού του αιθανίου, οπότε είναι δυνατό οι σχετικές μονάδες να βρεθούν οικονομικά ασύμφορες. Επίσης, όμως, η διοχέτευση περισσότερου αιθανίου στους αγωγούς φυσικού αερίου δημιουργεί προβλήματα διαχείρησης 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 συμπίεση και απότομη διαφυγή, η οποία μπορεί να αφαιρέσει πάνω από το 90% του αιθανίου από το φυσικό αέριο. Σύμφωνα με τη μέθοδο αυτή, κατεψυγμένο φυσικό αέριο διαφεύγει διαμέσου ενός συμπιεστή (τουρμπίνας). Καθώς διαφεύγει, η θερμοκρασία του πέφτει περίπου στους −100 °C. Σ' αυτήν τη θερμοκρασία, το μεθάνιο παραμέναι αέριο και μπορεί να διαχωριστεί από το υγροποιημένο αιθάνιο και τους επίσης υγροποιημένους 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 τη παραγωγή του με τη μέθοδο Würtz, από μεθυλαλογονίδιο (CH₃X) και νάτριο (Να):

$\mathrm{2CH_3X + 2Na \xrightarrow{} CH_3CH_3 \uparrow + 2NaX}$

• όπου Χ: F, Cl, Br, I.
• To 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:

$\mathrm{CH_3X + 2Li \xrightarrow[-LiX]{|Et_2O|} CH_3Li \xrightarrow{+CH_3X} CH_3CH_3 \uparrow + LiX}$
ή
$\mathrm{CH_3X + Mg \xrightarrow{|Et_2O|} CH_3MgX \xrightarrow{+CH_3X} CH_3CH_3 \uparrow + MgX_2}$

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

$\mathrm{CH_4 + CH_3Cl + KOH \xrightarrow{} CH_3CH_3 + KCl + H_2O}$

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):

$\mathrm{2CH_3CN + 2Na \xrightarrow{} CH_3CH_3 \uparrow + 2NaCN}$

Από αιθυλαλογονίδια

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

$\mathrm{CH_3CH_2X + Zn + HX \xrightarrow{} CH_3CH_3 + ZnX_2}$

2. Με αναγωγή αιθυλαλογονιδίου από LiAlH₄ ή NaBH₄:

$\mathrm{4CH_3CH_2X + LiAlH_4 \xrightarrow{} 4CH_3CH_3 \uparrow + AlX_3 + LiX}$

3. Με αναγωγή αιθυλοϊωδίδιου από HI:

$\mathrm{CH_3CH_2I + HI \xrightarrow{} CH_3CH_3 + I_2}$

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

$\mathrm{CH_3CH_2X + SiH_4 \xrightarrow{BF_3} CH_3CH_3 + SiH_3X}$

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

$\mathrm{CH_3CH_2X + RSnH_3 \xrightarrow{} CH_3CH_3 + RSnH_2X}$

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

1. Με χρήση Li:

$\mathrm{CH_3CH_2X + 2Li \xrightarrow[-10^oC]{|Et_2O|} CH_3CH_2Li \uparrow+ LiX}$
$\mathrm{CH_3CH_2Li \xrightarrow{} CH_3CH_3 \uparrow + LiOH}$

2. Με χρήση Mg:

$\mathrm{CH_3CH_2X + Mg \xrightarrow{|Et_2O|} CH_3CH_2MgX}$
$\mathrm{CH_3CH_2MgX + H_2O \xrightarrow{} CH_3CH_3 \uparrow + Mg(OH)X \downarrow}$

Με καταλυτική υδρογόνωση

1. Καταλυτική υδρογόνωση αιθενίου (CH₂=CH₂):

$\mathrm{CH_2=CH_2 + H_2 \xrightarrow{Ni} CH_3CH_3}$

2. Καταλυτική υδρογόνωση αιθινίου (HC ≡ CH) :

$\mathrm{HC \equiv CH + 2H_2 \xrightarrow{Ni} CH_3CH_3}$

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):

$\mathrm{CH_3CHO + NH_2NH_2 \xrightarrow{KOH} CH_3CH_3 \uparrow + N_2 \uparrow + H_2O}$

Με αναγωγή θειούχων ενώσεων

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

$\mathrm{CH_3CH_2SH + H_2 \xrightarrow{Ni} CH_3CH_3 + H_2S}$

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

$\mathrm{CH_3CH_2SCH_2CH_3 + 2H_2 \xrightarrow{Ni} 2CH_3CH_3 + H_2S}$

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

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

$\mathrm{CH_3CH_2COOH + NaOH \xrightarrow{} CH_3CH_2COONa + H_2O \xrightarrow{\triangle} CH_3CH_3 \uparrow + NaOH + CO_2 \uparrow }$

Χημικές ιδιότητες και παράγωγα

Οξείδωση

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

$\mathrm{C_2H_6 + \frac{7}{2}O_2 \xrightarrow{600^oC} 2CO_2 + 3H_2O + 1561 \; kJ}$

• 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):

$\mathrm{C_2H_6 + 2H_2O \xrightarrow[700-1100^oC]{Ni} 2CO + 5H_2}$

3. Καταλυτική οξείδωση προς αιθανάλη (CH₃CHO):

$\mathrm{C_2H_6 + O_2 \xrightarrow[\triangle]{Cu} CH_3CHO + H_2O}$

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

$\mathrm{+ C_2H_6 \xrightarrow{} CH_3CH_2OH + HCHO}$

Αλογόνωση

$\mathrm{CH_3CH_3 + X_2 \xrightarrow[\triangle]{UV} CH_3CH_2X + HX}$

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

Ανάλυση του μηχανισμού της χλωρίωσης του CH₃CH₃:

1. Έναρξη: Παράγονται ελεύθερες ρίζες.

$\mathrm{Cl_2 \xrightarrow[\triangle]{UV} 2Cl^\bullet - 239 kJ}$

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

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

$\mathrm{{CH_3CH_3 + Cl^\bullet \xrightarrow{} CH_3CH_2^\bullet + HCl + 14 kJ}}$
$\mathrm{{CH_3CH_2^\bullet + Cl_2 \xrightarrow{} CH_3CH_2Cl + Cl^\bullet + 100 kJ}}$

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

$\mathrm{2Cl^\bullet \xrightarrow{} Cl_2 + 239 kJ}$
$\mathrm{CH_3CH_2^\bullet + Cl^\bullet \xrightarrow{} CH_3CH_2Cl + 339 kJ}$
$\mathrm{2CH_3CH_2^\bullet \xrightarrow{} CH_3CH_2CH_2CH_3 + 347 kJ}$

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

• Αν χρησιμοποιηθούν ισομοριακές ποσότητες CH₃CH₃ και Χ₂ θα παραχθεί μίγμα όλων των X-παραγώγων του CH₃CH₃
• Αν όμως χρησιμοποιηθει περίσσεια CH₃CH₃, τότε η απόδοση του CH₃CH₂X αυξάνεται πολύ, λόγω της αύξησης της στατιστική πιθανότητας συνάντησης CH₃CH₃ με X^. σε σχέση με την πιθανότητα συνάντισης 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:

$\mathrm{CH_3CH_3 + CH_3Cl + KOH \xrightarrow{} CH_3CH_2CH_3 + KCl + H_2O}$

Νίτρωση

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

$\mathrm{CH_3CH_3 + HNO_3 \xrightarrow{\triangle} CH_3CH_2NO_2 + H_2O}$

Καταλυτική αφυδρογόνωση

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

$\mathrm{CH_3CH_3 \xrightarrow[Pd, Pt]{\triangle} CH_2=CH_2 + H_2}$

Χρήσεις

1. Ως καύσιμο, με τη μορφή φυσικού αερίου και βιοαερίου.
2. Ως πρώτη ύλη αιθενίου με πυρόλυση, που με τη σειρά του είναι βιομηχανική πρώτη ύλη για μια μεγάλη σειρά οργανικών ενώσεων.
3. Ως πρώτη ύλη βινυλοχλωριδίου και άλλων αλοπαραγώγων με 2 άτομα C.
4. Ως πρώτη ύλη διαφόρων συνθέσεων μέσω των αιθυλοαλογονιδίων.
5. Ως πρώτη 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) γινονται 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 σχετικα πιο φτωχά σε αιθένιο μίγματα, που περιέχουν βαρύτερα αλκένια όπως προπένιο, [[1,2-βουταδιένιο|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 αό καιρό φαίνεται να μπορεί να αποτελέσει μια πιο οικονική οδό για την παραγωγή χλωραιθένιου, σε σύγκριση με τη χλωρίωση αιθενίου. Πολλές διεργασίες για την πραγματοποίση (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 Σοαουδικής 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 συνηθισμενο σχηματισμό παγοκρυστάλλων.

Υγεία και ασφάλεια

Στη «θερμοκρασία δωματίου» (20°C), το αιθανιο 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 τοκικολογικός 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.