乙烷

烷烃同系列中最简单的含碳碳单键的烃

乙烷

乙烷（英文：ethane）为最简单的含碳碳单键的烃，分子式CH3CH3。[0][4]常温状态下为无色无味气体，摩尔质量30.07 g/mol，微溶于水[1]，极易溶于苯，溶于乙醚[0]，微溶于乙醇、丙酮，与四氯化碳互溶。[3]乙烷是低级烷烃的一种，能发生很多烷烃的典型反应，如卤化反应、裂解反应、燃烧、硝化和磺化反应等。[1][3]但在常温下不活泼，与强酸、强碱、强氧化剂不起作用。[1]乙烷的天然来源主要是石油和天然气[1]，也是地球大气层中的一种微量气体[5]，还存在于四颗巨行星以及土卫六等地外星体的大气层中。[6][7]

乙烷wán（英文：ethane）为最简单的含碳碳单键的烃，分子式CH3CH3。[1][5]常温状态下为无色无味气体，摩尔质量30.07 g/mol，微溶于水[2]，极易溶于苯，溶于乙醚[1]，微溶于乙醇、丙酮，与四氯化碳互溶。[4]乙烷是低级烷烃的一种，能发生很多烷烃的典型反应，如卤化反应、裂解反应、燃烧、硝化和磺化反应等。[2][4]但在常温下不活泼，与强酸、强碱、强氧化剂不起作用。[2]

乙烷的天然来源主要是石油和天然气[2]，也是地球大气层中的一种微量气体[6]，还存在于四颗巨行星以及土卫六等地外星体的大气层中。[7][8]

乙烷主要作为燃料应用于内燃机等各种燃烧系统中[9][10]，也可代替氢气直接作为低温燃料电池的燃料。[11]由于其在原料成本上具有较大优势，因此也常作为工业原料制取乙烯、乙酸、氯乙烯、氯乙烷、溴乙烷等。[12][13][2][14]在工业上，其是常用的烃类制冷剂之一，常用于石油及化工部门的制冷装置中。[15][16]但是乙烷会造成环境污染，是温室气体的一种。[17][18]

发现历史

1834年，迈克尔·法拉第（Michael Faraday）利用醋酸钾溶液电解法首次合成了乙烷。他把这个反应产物误认为是甲烷，因此没有进一步研究。[19]

在1847年至1849年期间，为了证明有机化学的自由基理论，赫尔曼·科尔贝（Hermann Kolbe）和爱德华·弗兰克兰（Edward Frankland）通过金属钾还原丙腈（乙基氰化物）和碘乙烷，以及像法拉第（Faraday）一样通过电解乙酸水溶液，生产了乙烷。他们将这些反应的产物误认为是甲基自由基（CH3·），而乙烷（C2H6）是甲基的二聚体。[20][21]1864年，卡尔·肖勒默（Carl Schorlemmer）纠正了这个错误，他表明所有这些反应的产物实际上是乙烷。[22]1864年，埃德蒙·罗纳兹（Edmund Ronalds）发现了溶解在宾夕法尼亚轻质原油中的乙烷。[23][24]

地球上的分布

乙烷的天然来源主要是石油和天然气。[2]乙烷在某些天然气中含量为5%~10%，仅次于甲烷；并以溶解状态存在于石油中，也存在于石油伴生气中。[5][25]全球天然气资源总量丰富，分布不均。2021年全球天然气可采储量为344.75×1012m3，技术剩余可采储量为232.49×1012m3。全球天然气可采储量主要分布在中东地区和中亚—俄罗斯地区，两者占全球天然气可采储量的56.8%，其余分布地区包括美洲地区、亚太地区、非洲地区、欧洲地区。[26]石油的分布主要集中在中东地区，可采储量占60%，其余分布地区包括欧洲及欧亚地区、非洲、中南美洲、北美、亚太地区。[27]

乙烷是地球大气层中的一种微量气体，2008年大气中的浓度为0.8~3 ppb。[6]而在工业时代之前，其浓度可能只有约0.25 ppb，原因在于化石燃料的使用增加了当今大气中的乙烷含量。[28]在地球大气层中，羟基自由基将乙烷转化为甲醇蒸气，半衰期约为三个月。[17]

地外分布

乙烷也是四颗巨行星以及土星卫星泰坦（土卫六，Titan）的大气层中的一种微量气体。[7][8]泰坦的南极有几个明显的碳氢化合物湖，这些湖泊被认为主要由液态乙烷和甲烷的混合物组成。[29]

1996年，在百武彗星（Comet Hyakutake）中检测到乙烷，此后在其他一些彗星中也检测到乙烷。在这些遥远的太阳系天体中乙烷的存在，可能意味着乙烷是太阳和行星形成的太阳星云的原始成分。[30]

2015年7月14日，“新视野”号完成飞掠冥王星的任务，其传回的数据表明冥王星的大气中含有稀薄的乙烷。[31]

物理性质

乙烷在常温下是无色无味的气体，熔点为-183.794 ℃，沸点-88.6℃，密度为1.3562 g/L[1]，燃烧热为-1541.39 kJ/mol（101.325kPa，25℃）[32]。微溶于水[2]，60.2 mg/L（25 °C）；极易溶于苯，溶于乙醚[1]，微溶于乙醇、丙酮，与四氯化碳互溶。[4]

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。[4]乙烷在常温下不活泼，与强酸、强碱、强氧化剂不起作用。[2]

卤化反应

乙烷在一定条件下，能发生取代反应，根据反应条件不同，取代产物为一氯取代物、二氯取代物和三氯取代物。[2][5][33]如：

裂解反应

在高温下，乙烷可以发生裂解反应，根据反应温度不同，生成甲烷、乙烯、乙炔等产物。反应如下：[2][33]

燃烧

乙烷能燃烧，即发生剧烈的氧化反应。[2]

硝化反应

乙烷可与硝酸发生硝化反应，生成硝基乙烷。[2][5]

磺化反应和氯磺化反应

乙烷可与硫酸发生磺化反应，生成乙基磺酸。[2]

乙烷与氯气和二氧化硫在紫外光的照射下，发生氯磺化反应，生成乙基磺酰氯。[33]

燃料

工业上乙烷可作为燃料。[9]天然气作为一种清洁气体替代燃料被广泛应用于内燃机等各种燃烧系统中，天然气本身是一种多组分混合气体燃料，主要成分为甲烷、乙烷和丙烷等。乙烷的成分比例随产地变化具有明显的波动性，这直接影响天然气的燃烧特性。[10]

燃料电池作为一种新型的能源装置，高效且对环境友好，采用氢气作为燃料的电池发展已相当成熟。然而，由于氢气渗透性强，存储与运输较为困难。乙烷作为燃料电池膜电极组装（MEA）及构建了单电池系统，以能量密度高且易于管理和使用的燃料代替氢气直接作为低温燃料电池的燃料，电池系统变得简单，使用更方便。[11]

工业原料

由于乙烷是天然气的第大二组分，比较容易得到，在原料成本上具有较大优势，因此乙烷作为工业原料具有潜在的工业价值。[12]乙烷通过氧化脱氢制备乙烯[13]，通过氧化制备乙酸[12]，也是制取氯乙烯、氯乙烷、溴乙烷的原料。[2][14][12]

热催化乙烷直接裂解制备乙烯，反应高温（通常>1050 K）， 且乙烯的选择性较低，故多采用催化氧化乙烷脱氢的方法制备乙烯。[34][35]其反应方程式为：。[33][34]

乙烷直接氧化法制乙酸，由于乙烷比较容易得到，同时该法还可避免甲醇羰tāng化法存在的碘[注1]问题，另外乙烷直接氧化法与甲醇羰化法相比在原料成本上具有较大优势，因此乙烷直接氧化制乙酸具有潜在的工业价值。[12]

以乙烷为原料经催化氧氯化合成氯乙烯，该工艺反应步骤少，原料便宜，生产成本大大低于乙烯氧氯化法，具有很好的经济效益。其反应方程式为: ，而催化剂可改变氯乙烷的选择性。[36]

制冷剂

乙烷亦可作制冷剂。[2]乙烷是常用的烃类制冷工质之一，常用于石油及化工部门的制冷装置中。优点是凝固点低、与水不起化学变化、不腐蚀金属、价廉易得，且经过回收可以循环使用，缺点是易燃及混入空气后有燥炸的危险。[15][16]

实验室制备

纯净的乙烷可用电解羧酸盐制得，例如在中性或弱酸性溶液中电解乙酸钠，阳极得到乙烷和二氧化碳，阴极得到氢氧化钠和氢气。[2]

制备的方法还有武兹合成法、格氏试剂法等。[2]

工业制备

乙烷存在于石油气、天然气、焦炉气及石油裂解气中，经分离而得。[4]

石油分馏法工艺是将原油脱盐后加热到385°C左右，送至常压分馏塔底，塔内设有许多层油盘，石油蒸气上升，不同沸点的成分冷凝在不同高度的油盘上，其中乙烷存在于上层的石油气中。[37][38]

天然气中除含有甲烷外，还含有一定量的乙烷、丙烷、丁烷、戊烷及更重烃类，需将天然气中除甲烷外的一些烃类予以分离与回收。由天然气中回收的液烃混合物称为天然气凝液，也称为天然气液或天然气液体，简称为凝液或液烃。[39]

天然气液回收方法可分为吸附法、油吸收法和冷凝分离法三种。吸附法是利用固体吸附剂（ 如活性炭）对各种烃类的吸附容量不同，从而使天然气中一些组分得以分离的方法。油吸收法是利用不同烃类在吸收油中溶解度不同，使天然气中各个组分得以分离的方法。冷凝分离法是将天然气冷却至露点温度以下，得到富含较重烃类的天然气液，使其与气体分离的过程。分离出的天然气液利用精馏的方法进一步分离成所需要的液烃产品。[39]

环境污染

乙烷的生产和用作化工原料、制冷剂、燃料的使用过程中，可能导致其释放到环境中。汽油、化石燃料、聚乙烯和垃圾焚烧炉燃烧产生的排放也可能导致其直接排放到环境中。[1]除此之外乙烷属于挥发性有机物气体，该类气体在空气中满足一定条件时会产生化学反应，造成PM2.5升高。[40]

温室气体

乙烷是除甲烷之外的重要温室气体之一，会对臭氧层产生破坏作用，加速全球气候变暖。而乙烷的全球变暖潜能值很大程度上是由于它在大气中转化为甲烷。[17][18][40]在地球大气层中，乙烷经由羟基自由基引发，NOx-催化氧化为CO2、H2和臭氧。[41]

大气中乙烷的转化
大气中乙烷的转化

分子结构

假定乙烷前面的碳及三个氢原子是固定的，让后面的碳原子旋转，由于扭转角可以采取任意的数值，于是乙烷就有无穷个构象。其中有两个极限构象：重叠式构象（图A）和交叉式构象（图B）。在构象A中，扭转角（二面角）为0°，在构象B中为60°。在内旋转过程中还有无数的参差构象，如C所示。交叉式构象B是低能量的形式，重叠式构象代表过渡态。两种构象的能量差约为12.3 kJ/mol。[42]

乙烷分子构象
乙烷分子构象

安全事宜

乙烷可燃，所以易导致火灾发生；其蒸气可能会引起头晕或窒息；其可用作制冷剂，易导致冻伤。[1]

储存事项

存储乙烷应使用耐火设备，储存于阴凉场所，与强氧化剂和卤素分开存放。[3]在生产区域或厂界布置乙烷泄漏监控预警系统。乙烷储存区域设置防渗漏、防腐蚀、防淋溶、防流失等措施。设置应急事故水池、事故存液池或清净废水排放缓冲池等事故排水收集设施。[4]

手持式乙烷报警器
手持式乙烷报警器

消防措施

发生火灾时，切断气源，如不可能灭火，对周围环境无危险，让火自行燃尽。其他情况用雾状水，干粉灭火。[3] 着火时，使用喷雾状水保持钢瓶冷却。从掩蔽位置灭火。 [3]

应急处理

应急人员防护应佩戴自给正压式呼吸器，穿防毒服，从上风处进入现场。人员迅速从泄漏污染区撤离至上风处，并提醒周边公众进行紧急疏散。立即对泄漏区进行隔离直至气体散尽。在确保安全的情况下，采用关阀、堵漏等措施，尽可能切断泄漏源，合理通风，加速扩散。防止气体通过通风系统扩散或进入限制性空间。破损容器要由专业人员处理，修复、检验后再用。[4]

急救措施

吸入时，迅速撤离现场至空气新鲜处，保持呼收分予输氧，必要时进行人工呼直立体位，并及时给予医疗护理。如呼吸困难，应给予输氧，必要时进行人工呼吸。如呼吸、心跳停止，应立即进行心肺复苏术并及时就医。密切接触者即使无症状，亦应观察24~48 h。[4]

皮肤接触时，立即脱去被污染的衣物，用大量流动清水彻底冲洗至少15 min。冻伤时用大量清水冲洗，不要脱去衣服并及时就医。[4]

眼睛接触时，立即分开眼睑，用流动清水或生理盐水彻底冲洗5~10 min并及时就医。[4]

GHS制度

象形图
易燃物
易燃物

压缩气体
压缩气体

刺激性
刺激性
健康危害
健康危害
信号词危险[1]
GHS分类H220：极易燃气体
H280：含压气体；加热后可能会爆炸
H332：吸入有害
H340：可能引起遗传缺陷
H350：可能致癌
H360：可能损害生育能力或未出生的孩子
H373：长期或反复暴露可能对器官造成损害[1]

参考资料 42

  1. Ethane | CH3CH3 | CID 6324 - PubChem — pubchem
  2. 参考 2
  3. 乙烷 — 国际化学品安全卡（中文版）
  4. 参考 4
  5. 参考 5
  6. 参考 6
  7. 参考 7
  8. NASA Confirms Liquid Lake on Saturn Moon — NASA
  9. 参考 9
  10. 参考 10
  11. 参考 11
  12. 参考 12
  13. 参考 13
  14. 参考 14
  15. 参考 15
  16. 参考 16
  17. 参考 17
  18. 参考 18
  19. 参考 19
  20. 参考 20
  21. 参考 21
  22. 参考 22
  23. 参考 23
  24. 参考 24
  25. 参考 25
  26. 参考 26
  27. 参考 27
  28. 参考 28
  29. 参考 29
  30. 参考 30
  31. “新视野”号揭示不一样的冥王星 — 中国科学院
  32. 参考 32
  33. 参考 33
  34. 参考 34
  35. 参考 35
  36. 参考 36
  37. 参考 37
  38. 参考 38
  39. 参考 39
  40. 参考 40
  41. 参考 41
  42. 参考 42

注释

  1. 甲醇羰化法催化剂需要碘作为助剂[12]
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