Свойства

Физические свойства

Этан при н. у.— бесцветныйгаз, без запаха. Молярная масса - 30,07. Температура плавления −182,81 °C, кипения -88,63 °C.^[2]. Плотность ρ_газ.=0,001342 г/см³ или 1,342 кг/м³ (н. у.), ρ_жидк.=0,561 г/см³ (T=-100 °C). Константа диссоциации 42 (в воде, прин. у.)^{[источник?]}. Давление паров при 0 °С — 2,379 МПа^[3].

Химические свойства

Химическая формула C₂H₆(рациональная CН₃СН₃). Наиболее характерны реакции замещения водорода галогенами, проходящие по свободно радикальному механизму. Термическое дегидрирование этана при 550-650 °С приводит кэтену, при температурах свыше 800 °С - кацетилену(образуется такжебензолисажа). Прямоехлорированиепри 300-450 °С - кэтилхлориду,нитрованиевгазовойфазе даетсмесь(3:1)нитроэтанаинитрометана.

Получение

В промышленности

В промышленности получают из нефтяных и природных газов, где он составляет до 10 % по объему. В России содержание этана в нефтяных газах очень низкое. В США и Канаде (где его содержание в нефтяных и природных газах высоко) служит основным сырьем для полученияэтена.

В лабораторных условиях

Получают из иодметанапореакции Вюрца, изацетата натрияэлектролизомпореакции Кольбе, сплавлениемпропионата натрияс щелочью, изэтилбромидапореакции Гриньяра,гидрированиемэтена(над Pd) илиацетилена(в присутствииНикель Ренея).

Применение

Основное использование этана в промышленности — получение этилена.

Бута́н (C₄H₁₀) — органическое соединение класса алканов. В химии название используется в основном для обозначения н-бутана. Такое же название имеет смесь н-бутана и его изомера изобутана CH(CH₃)₃. Название происходит от корня «бут-» (английское название масляной кислоты — butyric acid) и суффикса «-ан» (принадлежность к алканам). В больших концентрациях ядовит, вдыхание бутана вызывает дисфункцию лёгочно-дыхательного аппарата. Содержится в природном газе, образуется при крекинге нефтепродуктов, при разделении попутного нефтяного газа, "жирного" природного газа. Как представитель углеводородных газов пожаро- и взрывоопасен, малотоксичен, имеет специфический характерный запах, обладает наркотическими свойствами. По степени воздействия на организм газ относится к веществам 4-го класса опасности (малоопасные) по ГОСТ 12.1.007-76.^[1] Вредно воздействует на нервную систему^[2].

Изомерия

Бутан имеет два изомера:

Физические свойства

Бутан — бесцветный горючий газ, со специфическим запахом, легко сжижаемый (ниже 0 °C и нормальном давлении или при повышенном давлении и обычной температуре — легколетучая жидкость). Точка замерзания -138°С (при нормальном давлении). Растворимость в воде — 6,1 мг в 100 мл воды (для н-бутана, при 20 °C, значительно лучше растворяется в органических растворителях ^[3]). Может образовывать азеотропную смесь с водой при температуре около 100 °C и давлении 10 атм.

Нахождение и получение

Содержится в газовом конденсате и нефтяном газе (до 12 %). Является продуктом каталитического и гидрокаталитического крекинга нефтяных фракций. В лаборатории может быть получен по реакции Вюрца.

2 C₂H₅Br + 2Na → CH₃-CH₂-CH₂-CH₃ + 2NaBr

Сероочистка (демеркаптанизация) бутановой фракции

Прямогонную бутановую фракцию необходимо очищать от сернистых соединений, которые в основном представлены метил- и этил- меркаптанами. Метод очистки бутановой фракции от меркаптанов заключается в щелочной экстракции меркаптанов из углеводородной фракции и последующей регенерации щелочи в присутствии гомогенных или гетерогенных катализаторов кислородом воздуха с выделением дисульфидного масла.

Применение и реакции

При свободнорадикальном хлорировании образует смесь 1-хлор- и 2-хлорбутана. Их соотношение хорошо объясняется разницей в прочности С-Н связей в позиции 1 и 2 (425 and 411 кДж/моль). При полном сгорании на воздухе образует углекислый газ и воду. Бутан применяется в смеси с пропаном в зажигалках, в газовых баллонах в сжиженном состоянии, где он имеет запах, так как содержит специально добавленные одоранты. При этом используются «зимние» и «летние» смеси с различным составом. Теплота сгорания 1 кг — 45,7 МДж (12,72 кВт·ч).

2C₄H₁₀ + 13 O₂ → 8 CO₂ + 10 H₂O

При недостатке кислорода образуется сажа или угарный газ или то и другое вместе.

2C₄H₁₀ + 5 O₂ → 8 C + 10 H₂O

2C₄H₁₀ + 9 O₂ → 8 CO + 10 H₂O

Фирмой Дюпон разработан метод получения малеинового ангидрида из н-бутана при каталитическом окислении.

2 CH₃CH₂CH₂CH₃ + 7 O₂ → 2 C₂H₂(CO)₂O + 8 H₂O

н-Бутан — сырьё для получения бутена, 1,3-бутадиена, компонент бензинов с высоким октановым числом. Бутан высокой чистоты и особенно изобутан может быть использован в качестве хладагента в холодильных установках. Производительность таких систем немного ниже, чем фреоновых. Бутан безопасен для окружающей среды, в отличие от фреоновых хладагентов.

В пищевой промышленности бутан зарегистрирован в качестве пищевой добавки E943a, а изобутан — E943b, как пропеллент, например, в дезодорантах.

Этиле́н (по ИЮПАК: этен) — органическое химическое соединение, описываемое формулой С₂H₄. Является простейшим алкеном (олефином). В природе этилен практически не встречается. Это бесцветный горючий газ со слабым запахом. Частично растворим в воде (25,6 мл в 100 мл воды при 0°C), этаноле (359 мл в тех же условиях). Хорошо растворяется в диэтиловом эфире и углеводородах. Содержит двойную связь и поэтому относится к ненасыщенным или непредельным углеводородам. Играет чрезвычайно важную роль в промышленности, а также является фитогормоном. Этилен — самое производимое органическое соединение в мире^[1]; общее мировое производство этилена в 2008 году составило 113 миллионов тонн и продолжает расти на 2—3 % в год^[2].

Применение

Этилен является ведущим продуктом основного органического синтеза и применяется для получения следующих соединений (перечислены в алфавитном порядке):

• Винилацетат;

• Дихлорэтан / винилхлорид (3-е место, 12 % всего объёма);

• Окись этилена (2-е место, 14—15 % всего объёма);

• Полиэтилен (1-е место, до 60 % всего объёма);

• Стирол;

• Уксусная кислота;

• Этилбензол;

• Этиленгликоль;

• Этиловый спирт.

Этилен в смеси с кислородом использовался в медицине для наркоза вплоть до середины 80-х годов ХХ века в СССР и на ближнем Востоке. Этилен является фитогормоном практически у всех растений^[4], среди прочего^[5] отвечает за опадание иголок у хвойных.

Основные химические свойства

Этилен — химически активное вещество. Так как в молекуле между атомами углерода имеется двойная связь, то одна из них, менее прочная, легко разрывается, и по месту разрыва связи происходит присоединение, окисление, полимеризация молекул.

• Галогенирование:

CH₂=CH₂ + Cl₂ → CH₂Cl—CH₂Cl

Происходит обесцвечивание бромной воды. Это качественная реакция на непредельные соединения.

• Гидрирование:

CH₂=CH₂ + H - H → CH₃ - CH₃ (под действием Ni)

• Гидрогалогенирование:

CH₂=CH₂ + HBr → CH₃ - CH₂Br

• Гидратация:

CH₂=CH₂ + HOH → CH₃CH₂OH (под действием катализатора)

Эту реакцию открыл A.M. Бутлеров, и она используется для промышленного получения этилового спирта.

• Окисление:

Этилен легко окисляется. Если этилен пропускать через раствор перманганата калия, то он обесцветится. Эта реакция используется для отличия предельных и непредельных соединений.

Окись этилена — непрочное вещество, кислородный мостик разрывается и присоединяется вода, в результате образуется этиленгликоль:

• Горение:

C₂H₄ + 3O₂ → 2CO₂ + 2H₂O

• Полимеризация:

nCH₂=CH₂ → (-CH₂-CH₂-)_n

Изопрен СН₂=С(СН₃)-СН=СН₂, 2-метилбутадиен-1,3 — ненасыщенный углеводород диенового ряда (C_nH_2n−2). В нормальных условиях бесцветная жидкость. Он является мономером для натурального каучука и структурной единицей для множества молекул других природных соединений — изопреноидов, или терпеноидов. ^[1]. Растворим в спирте. Изопрен полимеризуется, давая изопреновые каучуки. Изопрен также вступает в реакцию полимеризации с соединениями винилового ряда.

Нахождение и получение

Натуральный каучук является полимером изопрена — наиболее часто цис-1,4-полиизопреном с молекулярной массой от 100,000 до 1,000,000. В качестве примесей содержит несколько процентов других материалов, таких как белки, жирные кислоты, смолы и неорганические вещества. Некоторые источники натурального каучука называются гуттаперча и состоит из транс-1,4-полиизопрена, структурный изомер, который имеет схожие, но не идентичные свойства.^[2] Изопрен производится и выделяется в атмосферу многими видами деревьев (главный из них — дуб) Годовое производство изопрена растительностью около 600 млн т., причем половина производится тропическими широколистными деревьями, остальное производится кустарниками.^[3] После попадания в атмосферу изопрен превращается свободными радикалами (такими как гидроксил (OH) радикал) и в меньшей мере озоном ^[4] в различные вещества, такие как альдегиды, гидроксипероксиды, органические нитраты и эпоксиды, которые смешиваются с водными каплями, образуя аэрозоли или дымку.^{[5] [6]} Этот механизм деревья используют не только для того, чтобы избежать перегрева листьев Солнцем, но и для защиты от свободных радикалов, особенно озона.^[7] Изопрен впервые был получен термической обработкой натурального каучука.^[8] Наиболее промышленно доступен как продукт термического крекинга лигроина или масла, а также как побочный продукт при производстве этилена. Производится около 20,000 тонн в год. Около 95% производства изопрена используется для производства цис-1,4-полиизопрена — синтетического варианта природного каучука.

Бутадие́н-1,3 (дивинил) СН₂=СН—СН=СН₂ — ненасыщенный углеводород, простейший представитель диеновых углеводородов.

Физические свойства

Бутадиен — бесцветный газ с характерным запахом, температура кипения −4,5 °C, температура плавления −108,9 °C, температура вспышки −40 °C, предельно допустимая концентрация в воздухе (ПДК) 0,1 г/м³, плотность 0,650 г/см³ при −6 °C.

Слабо растворим в воде, хорошо растворим в спирте, керосине с воздухом в количестве 1,6-10,8 %.

Химические свойства

Бутадиен склонен к полимеризации, легко окисляется воздухом с образованием перекисных соединений, ускоряющих полимеризацию.

Получение

Бутадиен получают по реакции Лебедева пропусканием этилового спирта через катализатор:

2CH₃CH₂OH → C₄H₆ + 2H₂O + H₂

Или дегидрогенизацией нормального бутилена:

CH₂=CH—CH₂—CH₃ → CH₂=CH—CH=CH₂ + Н₂

Применение

Полимеризацией бутадиена получают синтетический каучук. Сополимеризацией с акрилонитрилом и стиролом получают АБС-пластик.

Бензо́л (C₆H₆, PhH) — органическое химическое соединение, бесцветная жидкость с приятным сладковатым запахом. Простейший ароматический углеводород. Бензол входит в состав бензина, широко применяется в промышленности, является исходным сырьём для производства лекарств, различных пластмасс, синтетической резины, красителей. Хотя бензол входит в состав сырой нефти, в промышленных масштабах он синтезируется из других её компонентов. Токсичен, канцерогенен.

Физические свойства

Бесцветная жидкость со своеобразным резким запахом. Температура плавления = 5,5 °C, температура кипения = 80,1 °C, плотность = 0,879 г/см³, молярная масса = 78,11 г/моль. Подобно всем углеводородам бензол горит и образует много копоти. С воздухом образует взрывоопасные смеси, хорошо смешивается с эфирами, бензином и другими органическими растворителями, с водой образует азеотропную смесь с температурой кипения 69,25 °C (91% бензола). Растворимость в воде 1,79 г/л (при 25 °C).

Химические свойства

Для бензола характерны реакции замещения — бензол реагирует с алкенами, хлоралканами, галогенами, азотной и серной кислотами. Реакции разрыва бензольного кольца проходят в жёстких условиях (температура, давление).

• Взаимодействие с хлором в присутствии катализатора:

С₆H₆ + Cl₂ -(FeCl₃)→ С₆H₅Cl + HCl образуется хлорбензол

Катализаторы содействуют созданию активной электрофильной частицы путём поляризации между атомами галогена.

Cl-Cl + FeCl₃ → Cl^ઠ-[FeCl₄]^ઠ+

С₆H₆ + Cl^ઠ--Cl^ઠ+ + FeCl₃ → [С₆H₅Cl + FeCl₄] → С₆H₅Cl + FeCl₃ + HCl

В отсутствие катализатора при нагревании или освещении идёт радикальная реакция замещения.

С₆H₆ + 3Cl₂ -(освещение)→ C₆H₆Cl₆ образуется смесь изомеров гексахлорциклогексана видео

• Взаимодействие с бромом (чистый):

С₆H₆ + Br₂ -(FeBr₃ или AlCl₃)→ С₆H₅Br + HBr образуется бромбензол видео

• Взаимодействие с галогенопроизводными алканов (реакция Фриделя-Крафтса):

С₆H₆ + С₂H₅Cl -(AlCl₃)→ С₆H₅С₂H₅ + HCl образуется этилбензол

С₆H₆ + HNO₃ -(H₂SO₄)→ С₆H₅NO₂ + H₂O

Структура

Бензол по составу относится к ненасыщенным углеводородам (гомологический ряд C_nH_2n-6), но в отличие от углеводородов ряда этилена C₂H₄ проявляет свойства, присущие ненасыщенным углеводородам (для них характерны реакции присоединения) только при жёстких условиях, а вот к реакциям замещения бензол более склонен. Такое «поведение» бензола объясняется его особым строением: нахождением всех связей и молекул на одной плоскости и наличием в структуре сопряжённого 6π-электронного облака. Современное представление об электронной природе связей в бензоле основывается на гипотезе Лайнуса Полинга, который предложил изображать молекулу бензола в виде шестиугольника с вписанной окружностью, подчёркивая тем самым отсутствие фиксированных двойных связей и наличие единого электронного облака, охватывающего все шесть атомов углерода цикла.

Производство

На сегодняшний день существует три принципиально различных способа производства бензола.

1. Коксование каменного угля. Этот процесс исторически был первым и служил основным источником бензола до Второй мировой войны. В настоящее время доля бензола, получаемого этим способом, составляет менее 1 %. Следует добавить, что бензол, получаемый из каменноугольной смолы, содержит значительное количество тиофена, что делает такой бензол сырьем, непригодным для ряда технологичных процессов.

2. Каталитический риформинг (аромаизинг) бензиновых фракций нефти. Этот процесс является основным источником бензола в США. В Западной Европе, России и Японии этим способом получают 40—60 % от общего количества вещества. В данном процессе кроме бензола образуются толуол и ксилолы. Ввиду того, что толуол образуется в количествах, превышающих спрос на него, его также частично перерабатывают в:

• бензол — методом гидродеалкилирования;

• смесь бензола и ксилолов — методом диспропорционирования;