Αιθάνιο

Ιστορία

Το αιθάνιο παρασκευάσθηκε για πρώτη φορά συνθετικά το 1834, από τον Μάικλ Φαραντέι (Michael Faraday), όταν ηλεκτρόλυσε αιθανικό κάλιο. Υπέθεσε όμως, λανθασμένα, ότι το αέριο που εκλύθηκε ήταν το μεθάνιο και δεν διερεύνησε περισσότερο την αντίδραση. Τη χρονική περίοδο 1847-1849, σε μια προσπάθεια διερεύνησης της θεωρίας ελευθέρων ριζών στην Οργανική Χημεία, οι Άντολφ Βίλχελμ Χέρμαν Κόλμπε (Hermann Kolbe) και Σερ Έντουαρντ Φράνκλαντ (Sir Edward Frankland) παρήγαγαν αιθάνιο με αναγωγές αιθανονιτριλίου (CH₃CN) και ιωδομεθανίου (CH₃Ι) με μεταλλικό κάλιο (K), καθώς και με ηλεκτρόλυση διαλύματος αιθανικού καλίου, όπως ο Φαραντέι. Και αυτοί, όμως, έκαναν λάθος στο προϊόν της αντίδρασης που νόμιζαν ότι έλαβαν, θεωρώντας ότι ήταν ελεύθερη μεθυλική ρίζα (CH₃●) και όχι αιθάνιο, που είναι άλλωστε το προϊόν του άμεσου διμερισμού της ασταθούς ελεύθερης μεθυλικής ρίζας. Αυτό το λάθος έγινε κατανοητό και διορθώθηκε το 1864, από τον Καρλ Σχόρλεμμερ (Carl Schorlemmer), που απέδειξε ότι το προϊόν όλων των παραπάνω αναφερόμενων αντιδράσεων είναι στην πραγματικότητα το αιθάνιο, και όχι μεθάνιο, ελεύθερη μεθυλική ρίζα ή κάτι άλλο.

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, από αυτές που τίθενται στην κατάληξη της ονομασίας, και επομένως, επειδή δεν αναφέρονται καμία ούτε ως προθέματα - υποκαταστάτες, δηλώνεται έμμεσα ότι είναι υδρογονάνθρακας. Ο κωδικός R-170 παράγεται ως εξής: Το R προέρχεται από την αγγλόφωνη λέξη 
Refrigerant. Το πρώτο ψηφίο (1) σημαίνει ότι η ένωση περιέχει 1+1 = 2 άτομα άνθρακα (ανά μόριο). Το δεύτερο ψηφίο (7) σημαίνει ότι η ένωση περιέχει 7 - 1 = 6 άτομα υδρογόνου. Και, τέλος, το τελευταίο ψηφίο (0), σημαίνει (εμμέσως) ότι η ένωση είναι υδρογονάνθρακας, αφού έχει όλα τα προβλεπόμενα άτομα υδρογόνου για δύο (2) άτομα άνθρακα ανά μόριο.

Φυσική παρουσία

Το αιθάνιο υπάρχει ως ιχναέριο στην ατμόσφαιρα της Γης, έχοντας μέση 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. Παρ' όλο που το αιθάνιο είναι ένα «αέριο του θερμοκηπίου», του δίνεται ελάχιστη περιβαλλοντική σημασία, εξαιτίας της πολύ μικρής αφθονίας του, αλλά και της μικρότερης κατά βάρος συνεισφοράς του στο φαινόμενο, σε σύγκριση με το μεθάνιο.
Είναι επίσης ιχναέριο στις ατμόσφαιρες και των τεσσάρων (4) γιγαντιαίων πλανητών (Δία, Κρόνου, Ουρανού και Ποσειδώνα), καθώς επίσης και στην ατμόσφαιρα του Τιτάνα.
Το ατμοσφαιρικό αιθάνιο είναι κυρίως αποτέλεσμα φωτοχημικής επίδρασης του ηλιακού φωτός στο ατμοσφαιρικό μεθάνιο, που επίσης υπάρχει και στις ατμόσφαιρες των παραπάνω αναφερόμενων πέντε (5) ουρανίων σωμάτων. Κάθε φωτόνιο υπεριριώδους ακτινοβολίας, με μήκος κύματος ίσο ή και μικρότερο από 160 nm, μπορεί να φωτοδιασπάσει ένα μόριο μεθανίου σε ελεύθερη μεθυλική ρίζα (CH₃●) και άτομο υδρογόνου. Όταν δύο (2) ελεύθερες ρίζες μεθυλίου τύχει να συναντηθούν σχηματίζουν αιθάνιο:
Στην περίπτωση του Τιτάνα, υποτέθηκε ευρέως ότι μέρος του αιθανίου, που σχηματίζεται και εκεί όπως αναφέρθηκε 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, όμως, ο διαστημικός βολιστήρας Κασσίνι, βρήκε τουλάχιστον μια λίμνη στο νότιο πόλο του Τιτάνα, που ονομάστηκε «Λάκος Οντάριο» (Ontario Lacus), επειδή θεωρήθηκε ότι έχει παρόμοιο εμβαδό με τη Λίμνη Οντάριο στη Γη (περίπου 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.

Περιστροφή του μορίου

H περιστροφή 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 άνθρακα-υδρογόνου, σε κάθε άκρο του μορίου, εμπόδιο που προκαλείται από την πρόσκρουση του καθενός σε άλλο με τρόπο που γίνεται 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.

Απομόνωση από φυσικές και βιομηχανικές πηγές

1. Απομόνωση από το φυσικό αέριο (1-15%):
Το αιθάνιο είναι το δεύτερο, μετά το μεθάνιο, σε (μέση) συγκέντρωση συστατικό του φυσικού 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 αερίου, απλά γιατί το αιθάνιο, όπως και το μεθάνιο, χρησιμοποιούνταν απλά και μόνο ως καύσιμο. Σήμερα, όμως, που η πιο ανεπτυγμένη πετροχημική βιομηχανία έχει καταστήσει το αιθάνιο μια σημαντική γι' αυτήν πρόδρομη 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 μείγμα αέριων υδρογονανθράκων - παραπροϊόντων της διύλισης του αργού πετρελαίου. Η οικονομία, όμως, της δημιουργίας και λειτουργίας μονάδων παραγωγής, μπορεί να αλλάξει, επειδή μπορεί να αλλάξει η σχετική αξία της προώθησης ακατέργαστου φυσικού αερίου στους καταναλωτές του, όπως και το σχετικό κόστος διαχωρισμού του αιθανίου, οπότε είναι δυνατό οι σχετικές μονάδες να βρεθούν οικονομικά ασύμφορες. Από την άλλη, όμως, η διοχέτευση περισσότερου αιθανίου στους αγωγούς φυσικού αερίου δημιουργεί προβλήματα διαχείρισης 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 αρχικά συμπίεση, και μετά απότομη διαφυγή. Η μέθοδος αυτή μπορεί να αφαιρέσει πάνω από το 90% του αιθανίου από το φυσικό αέριο. Σύμφωνα με αυτήν τη μέθοδο, κατεψυγμένο φυσικό αέριο (ή και πετρελαϊκό αέριο) διαφεύγει διαμέσου ενός συμπιεστή (τουρμπίνας). Καθώς διαφεύγει έχουμε αδιαβατική εκτόνωση, οπότε η θερμοκρασία του πέφτει περίπου στους −100 °C. Σ' αυτήν τη θερμοκρασία, το μεθάνιο παραμένει αέριο και μπορεί να διαχωριστεί από το υγροποιημένο (πλέον) αιθάνιο και τους επίσης υγροποιημένους (πλέον) 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.

Από αιθανονιτρίλιο

Με παραλλαγή της μεθόδου Würtz με CN αντί Χ, δηλαδή με αιθανονιτρίλιο (CH₃CN) αντί μεθυλαλογονίδιο (CH₃X):

Με καταλυτική υδρογόνωση

1. Καταλυτική υδρογόνωση αιθενίου (CH₂=CH₂):
2. Καταλυτική υδρογόνωση αιθινίου (HC ≡ CH) :

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):

Με αναγωγή θειούχων ενώσεων

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

Καταλυτική αφυδρογόνωση

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

Υγεία και ασφάλεια

Στη «θερμοκρασία δωματίου» (20 °C), το αιθάνιο 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 τοξικολογικός κίνδυνος. Το αιθάνιο δεν είναι ούτε καν ύποπτο για καρκινογόνο.