El etano ( EE . UU .: / ˈ ɛ θ eɪ n / ETH -ayn , Reino Unido : / ˈ iː -/ EE - ) es un compuesto químico orgánico natural con fórmula química C
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6. A temperatura y presión estándar , el etano es un gas incoloro e inodoro . Como muchos hidrocarburos , el etano se aísla a escala industrial del gas natural y como subproducto petroquímico del refinado del petróleo . Su uso principal es como materia prima para la producción de etileno .
Se pueden formar compuestos relacionados reemplazando un átomo de hidrógeno con otro grupo funcional ; el resto etano se llama grupo etilo . Por ejemplo, un grupo etilo unido a un grupo hidroxilo produce etanol , el alcohol de las bebidas .
El etano fue sintetizado por primera vez en 1834 por Michael Faraday , aplicando electrólisis de una solución de acetato de potasio . Confundió el producto hidrocarbonado de esta reacción con metano y no lo investigó más. [5] El proceso ahora se llama electrólisis de Kolbe :
Durante el período 1847-1849, en un esfuerzo por reivindicar la teoría radical de la química orgánica , Hermann Kolbe y Edward Frankland produjeron etano mediante la reducción de propionitrilo ( cianuro de etilo ) [6] y yoduro de etilo [7] con potasio metálico, y, al igual que Faraday, mediante la electrólisis de acetatos acuosos . Confundieron el producto de estas reacciones con el radical metilo ( CH3 ) , del cual el etano ( C2H6 ) es un dímero .
Este error fue corregido en 1864 por Carl Schorlemmer , quien demostró que el producto de todas estas reacciones era en realidad etano. [8] El etano fue descubierto disuelto en petróleo crudo ligero de Pensilvania por Edmund Ronalds en 1864. [9] [10]
A temperatura y presión estándar, el etano es un gas incoloro e inodoro. Tiene un punto de ebullición de -88,5 °C (-127,3 °F) y un punto de fusión de -182,8 °C (-297,0 °F). El etano sólido existe en varias modificaciones. [11] Al enfriarse a presión normal, la primera modificación que aparece es un cristal plástico , que cristaliza en el sistema cúbico. De esta forma, las posiciones de los átomos de hidrógeno no están fijas; las moléculas pueden girar libremente alrededor del eje longitudinal. Enfriar este etano por debajo de ca. 89,9 K (−183,2 °C; −297,8 °F) lo cambia a etano II metaestable monoclínico ( grupo espacial P 21/n). [12] El etano es muy poco soluble en agua.
Los parámetros de enlace del etano se han medido con alta precisión mediante espectroscopía de microondas y difracción de electrones: r C−C = 1,528(3) Å, r C−H = 1,088(5) Å y ∠CCH = 111,6(5)° mediante microondas y r C−C = 1,524(3) Å, r C−H = 1,089(5) Å y ∠CCH = 111,9(5)° por difracción de electrones (los números entre paréntesis representan las incertidumbres en los dígitos finales). [13]
Para rotar una subestructura molecular alrededor de un enlace torcible normalmente se requiere energía. La energía mínima para producir una rotación del enlace de 360° se llama barrera rotacional .
El etano ofrece un ejemplo clásico y sencillo de dicha barrera rotacional, a veces denominada "barrera de etano". Una de las primeras pruebas experimentales de esta barrera (ver diagrama a la izquierda) se obtuvo mediante el modelado de la entropía del etano. [15] Los tres hidrógenos en cada extremo son libres de girar alrededor del enlace carbono-carbono central cuando se les proporciona suficiente energía para superar la barrera. El origen físico de la barrera aún no está completamente resuelto, [16] aunque la repulsión por superposición (intercambio) [17] entre los átomos de hidrógeno en extremos opuestos de la molécula es quizás el candidato más fuerte, con el efecto estabilizador de la hiperconjugación en los extremos escalonados . conformación que contribuye al fenómeno. [18] Los métodos teóricos que utilizan un punto de partida apropiado (orbitales ortogonales) encuentran que la hiperconjugación es el factor más importante en el origen de la barrera de rotación del etano. [19] [20]
Ya en 1890-1891, los químicos sugirieron que las moléculas de etano preferían la conformación escalonada con los dos extremos de la molécula torcidos entre sí. [21] [22] [23] [24]
El etano se presenta como un gas traza en la atmósfera terrestre , teniendo actualmente una concentración al nivel del mar de 0,5 ppb . [25] Las cantidades globales de etano han variado con el tiempo, probablemente debido a la quema de yacimientos de gas natural . [26] Las tasas de emisión global de etano disminuyeron entre 1984 y 2010, [26] aunque el aumento de la producción de gas de esquisto en la Formación Bakken en los EE. UU. ha detenido la disminución a la mitad. [27] [28]
Aunque el etano es un gas de efecto invernadero , es mucho menos abundante que el metano, tiene una vida útil de sólo unos pocos meses en comparación con más de una década, [29] y también es menos eficiente para absorber radiación en relación con su masa. De hecho, el potencial de calentamiento global del etano se debe en gran medida a su conversión en metano en la atmósfera. [30] Se ha detectado como un componente traza en las atmósferas de los cuatro planetas gigantes y en la atmósfera de Titán , la luna de Saturno . [31]
El etano atmosférico resulta de la acción fotoquímica del Sol sobre el gas metano, también presente en estas atmósferas: los fotones ultravioleta de longitudes de onda más cortas que 160 nm pueden fotodisociar la molécula de metano en un radical metilo y un átomo de hidrógeno . Cuando dos radicales metilo se recombinan, el resultado es etano:
En la atmósfera terrestre, los radicales hidroxilo convierten el etano en vapor de metanol con una vida media de alrededor de tres meses. [29]
Se sospecha que el etano producido de esta manera en Titán vuelve a llover sobre la superficie de la luna y, con el tiempo, se ha acumulado en mares de hidrocarburos que cubren gran parte de las regiones polares de la luna. En diciembre de 2007, la sonda Cassini encontró al menos un lago en el polo sur de Titán, ahora llamado Ontario Lacus debido a su área similar al lago Ontario en la Tierra (aproximadamente 20.000 km 2 ). Un análisis más detallado de los datos espectroscópicos infrarrojos presentados en julio de 2008 [32] proporcionó evidencia adicional de la presencia de etano líquido en Ontario Lacus. Varios lagos de hidrocarburos significativamente más grandes, siendo Ligeia Mare y Kraken Mare los dos más grandes, fueron descubiertos cerca del polo norte de Titán utilizando datos de radar recopilados por Cassini. Se cree que estos lagos están llenos principalmente de una mezcla de etano y metano líquidos.
En 1996, se detectó etano en el cometa Hyakutake , [33] y desde entonces se ha detectado en algunos otros cometas . La existencia de etano en estos cuerpos distantes del sistema solar puede implicar al etano como un componente primordial de la nebulosa solar a partir de la cual se cree que se formaron el sol y los planetas.
En 2006, Dale Cruikshank de la NASA/Centro de Investigación Ames ( co-investigador de New Horizons ) y sus colegas anunciaron el descubrimiento espectroscópico de etano en la superficie de Plutón . [34]
La química del etano implica principalmente reacciones de radicales libres . El etano puede reaccionar con los halógenos , especialmente cloro y bromo , mediante halogenación por radicales libres . Esta reacción se produce mediante la propagación del radical etilo :
La combustión de etano libera 1559,7 kJ/mol, o 51,9 kJ/g, de calor y produce dióxido de carbono y agua según la ecuación química :
La combustión también puede ocurrir sin exceso de oxígeno, produciendo monóxido de carbono , acetaldehído , metano , metanol y etanol . A temperaturas más altas, especialmente en el rango de 600 a 900 °C (1112 a 1652 °F), el etileno es un producto importante:
Estas reacciones de deshidrogenación oxidativa son relevantes para la producción de etileno . [35]
Después del metano , el etano es el segundo componente más importante del gas natural . El contenido de etano del gas natural procedente de diferentes yacimientos varía desde menos del 1% hasta más del 6% en volumen. Antes de la década de 1960, el etano y las moléculas más grandes normalmente no se separaban del componente metano del gas natural, sino que simplemente se quemaban junto con el metano como combustible. Hoy en día, el etano es una importante materia prima petroquímica y se separa de los demás componentes del gas natural en la mayoría de los yacimientos de gas bien desarrollados. El etano también se puede separar del gas de petróleo , una mezcla de hidrocarburos gaseosos producida como subproducto del refinado del petróleo .
La forma más eficaz de separar el etano del metano es licuarlo a temperaturas criogénicas. Existen varias estrategias de refrigeración: el proceso más económico actualmente en uso generalizado emplea un turboexpansor y puede recuperar más del 90% del etano del gas natural. En este proceso, el gas enfriado se expande a través de una turbina , reduciendo la temperatura a aproximadamente -100 °C (-148 °F). A esta baja temperatura, el metano gaseoso se puede separar del etano licuado y de los hidrocarburos más pesados mediante destilación . Luego, una destilación adicional separa el etano del propano y los hidrocarburos más pesados.
El uso principal del etano es la producción de etileno (eteno) mediante craqueo con vapor . Cuando se diluyen con vapor y se calientan brevemente a temperaturas muy altas (900 °C o más), los hidrocarburos pesados se descomponen en hidrocarburos más ligeros y los hidrocarburos saturados se vuelven insaturados . El etano es el preferido para la producción de etileno porque el craqueo con vapor de etano es bastante selectivo para el etileno, mientras que el craqueo con vapor de hidrocarburos más pesados produce una mezcla de productos más pobre en etileno y más rica en alquenos (olefinas) más pesados , como propeno (propileno) y butadieno . y en hidrocarburos aromáticos .
Experimentalmente, se está investigando el etano como materia prima para otros productos químicos básicos. Desde hace mucho tiempo, la cloración oxidativa del etano parece ser una ruta potencialmente más económica para obtener cloruro de vinilo que la cloración con etileno. Se han patentado muchos procesos para producir esta reacción , pero la escasa selectividad por el cloruro de vinilo y las condiciones de reacción corrosivas (específicamente, una mezcla de reacción que contiene ácido clorhídrico a temperaturas superiores a 500 °C) han desalentado la comercialización de la mayoría de ellos. Actualmente, INEOS opera una planta piloto de etano-cloruro de vinilo de 1000 t/a ( toneladas por año ) en Wilhelmshaven , Alemania .
Asimismo, la firma saudí SABIC ha anunciado la construcción de una planta de 30.000 t/a para producir ácido acético mediante oxidación de etano en Yanbu . La viabilidad económica de este proceso puede depender del bajo costo del etano cerca de los yacimientos petrolíferos saudíes, y puede que no sea competitivo con la carbonilación de metanol en otras partes del mundo.
El etano se puede utilizar como refrigerante en sistemas de refrigeración criogénica. En una escala mucho menor, en la investigación científica, el etano líquido se utiliza para vitrificar muestras ricas en agua para microscopía crioelectrónica . Una fina película de agua que se sumerge rápidamente en etano líquido a -150 °C o menos se congela demasiado rápido para que el agua cristalice. Los métodos de congelación más lentos pueden generar cristales de hielo cúbicos, que pueden alterar las estructuras blandas al dañar las muestras y reducir la calidad de la imagen al dispersar el haz de electrones antes de que pueda llegar al detector.
MAN Energy Solutions actualmente fabrica motores de combustible dual de dos tiempos (B&W ME-GIE) que pueden funcionar tanto con gasóleo marino como con etano.
A temperatura ambiente, el etano es un gas extremadamente inflamable. Cuando se mezcla con aire entre 3,0% y 12,5% en volumen, forma una mezcla explosiva .
Se necesitan algunas precauciones adicionales cuando el etano se almacena como líquido criogénico. El contacto directo con etano líquido puede provocar congelación grave . Hasta que alcanzan la temperatura ambiente, los vapores del etano líquido son más pesados que el aire y pueden fluir por el suelo, acumulándose en lugares bajos; Si los vapores encuentran una fuente de ignición, la reacción química puede regresar a la fuente de etano de la que se evaporaron.
El etano puede desplazar el oxígeno y convertirse en un peligro de asfixia . El etano no presenta ningún riesgo toxicológico agudo o crónico conocido . No es cancerígeno . [36]
Los hidrocarburos acíclicos saturados no ramificados C 2 H 6 , C 3 H 8 y C 4 H 10 conservan los nombres de etano, propano y butano, respectivamente.
