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L'etilene iniziò ad essere ampiamente utilizzato come monomero prima della seconda guerra mondiale per la necessità di ottenere un materiale isolante di alta qualità che potesse sostituire il cloruro di polivinile. Dopo lo sviluppo di un metodo per la polimerizzazione dell'etilene ad alta pressione e lo studio delle proprietà dielettriche del polietilene risultante, è iniziata la sua produzione, prima nel Regno Unito, e poi in altri paesi.
Il principale metodo industriale per la produzione dell'etilene è la pirolisi dei distillati di petrolio liquidi o degli idrocarburi a bassa saturazione. La reazione viene condotta in forni tubolari a +800-950 °C e una pressione di 0,3 MPa. Quando si utilizza benzina di prima scelta come materia prima, la resa in etilene è di circa il 30%. Contemporaneamente all'etilene si forma anche una notevole quantità di idrocarburi liquidi, compresi quelli aromatici. Durante la pirolisi del gasolio, la resa di etilene è di circa il 15-25%. La più alta resa di etilene - fino al 50% - si ottiene quando si utilizzano idrocarburi saturi come materie prime: etano, propano e butano. La loro pirolisi viene effettuata in presenza di vapore.
Quando vengono rilasciati dalla produzione, durante le operazioni di contabilità delle merci, durante il controllo della conformità alla documentazione normativa e tecnica, i campioni di etilene vengono prelevati secondo la procedura descritta in GOST 24975.0-89 "Etilene e propilene. Metodi di campionamento". Il campionamento dell'etilene può essere effettuato sia in forma gassosa che liquefatta in campionatori speciali secondo GOST 14921.
L'etilene prodotto industrialmente in Russia deve soddisfare i requisiti stabiliti in GOST 25070-2013 "Etilene. Specifiche”.
Struttura produttiva
Attualmente, nella struttura della produzione di etilene, il 64% cade sugli impianti di pirolisi di grande tonnellaggio, ~17% - su impianti di pirolisi di gas di piccolo tonnellaggio, ~11% è la pirolisi della benzina e l'8% cade sulla pirolisi dell'etano.
Applicazione
L'etilene è il prodotto di punta della principale sintesi organica e viene utilizzato per ottenere i seguenti composti (elencati in ordine alfabetico):
- Dicloroetano/cloruro di vinile (3° posto, 12% del volume totale);
- Ossido di etilene (2° posto, 14-15% del volume totale);
- Polietilene (1° posto, fino al 60% del volume totale);
L'etilene miscelato con l'ossigeno è stato utilizzato in medicina per l'anestesia fino alla metà degli anni '80 in URSS e in Medio Oriente. L'etilene è un fitormone in quasi tutte le piante, tra l'altro è responsabile della caduta degli aghi nelle conifere.
Struttura elettronica e spaziale della molecola
Gli atomi di carbonio sono nel secondo stato di valenza (ibridazione sp 2). Di conseguenza, sul piano si formano tre nubi ibride con un angolo di 120°, che formano tre legami σ con atomi di carbonio e due di idrogeno; L'elettrone p, che non ha partecipato all'ibridazione, forma un legame π con l'elettrone p dell'atomo di carbonio vicino sul piano perpendicolare. Questo forma un doppio legame tra atomi di carbonio. La molecola ha una struttura planare.
CH 2 \u003d CH 2
Proprietà chimiche di base
L'etilene è una sostanza chimicamente attiva. Poiché nella molecola c'è un doppio legame tra gli atomi di carbonio, uno di essi, meno forte, si rompe facilmente e, nel punto in cui il legame si rompe, le molecole vengono unite, ossidate e polimerizzate.
- Alogenazione:
- Idrogenazione:
- Idroalogenazione:
- Idratazione:
- Ossidazione:
- Combustione:
- Polimerizzazione (ottenimento di polietilene):
- Dimerizzazione (V. Sh. Feldblum. Dimerizzazione e sproporzione delle olefine. M.: Chimica, 1978)
Ruolo biologico
L'etilene è il primo ormone vegetale gassoso scoperto, con una gamma molto ampia di effetti biologici. L'etilene svolge una varietà di funzioni nel ciclo di vita delle piante, compreso il controllo dello sviluppo delle piantine, la maturazione dei frutti (in particolare i frutti), la fioritura delle gemme (processo di fioritura), l'invecchiamento e la caduta di foglie e fiori. L'etilene è anche chiamato ormone dello stress, poiché è coinvolto nella risposta delle piante allo stress biotico e abiotico e la sua sintesi negli organi vegetali è potenziata in risposta a vari tipi di danni. Inoltre, essendo una sostanza gassosa volatile, l'etilene fornisce una comunicazione rapida tra diversi organi vegetali e tra piante in una popolazione, il che è importante. in particolare, con lo sviluppo della resistenza allo stress.
Tra le funzioni più note dell'etilene c'è lo sviluppo della cosiddetta tripla risposta nelle piantine eziolate (cresciute al buio) dopo il trattamento con questo ormone. La tripla risposta comprende tre reazioni: accorciamento e ispessimento dell'ipocotilo, accorciamento della radice e rafforzamento dell'uncino apicale (una curva acuta nella parte superiore dell'ipocotilo). La risposta delle piantine all'etilene è estremamente importante nelle prime fasi del loro sviluppo, in quanto facilita la penetrazione delle piantine verso la luce.
Nella raccolta commerciale di frutta e frutta, vengono utilizzate stanze o camere speciali per la maturazione dei frutti, nella cui atmosfera viene iniettato etilene da speciali generatori catalitici che producono etilene gassoso da etanolo liquido. Solitamente, per stimolare la maturazione dei frutti, la concentrazione di etilene gassoso nell'atmosfera della camera va da 500 a 2000 ppm per 24-48 ore. A una temperatura dell'aria più elevata e una maggiore concentrazione di etilene nell'aria, la maturazione dei frutti è più veloce. È importante, tuttavia, garantire il controllo del contenuto di anidride carbonica nell'atmosfera della camera, poiché la maturazione ad alta temperatura (a temperature superiori a 20 gradi Celsius) o la maturazione ad un'alta concentrazione di etilene nell'aria della camera porta a un forte aumento del rilascio di anidride carbonica da frutti a maturazione rapida, a volte fino al 10% di anidride carbonica nell'aria dopo 24 ore dall'inizio della maturazione, che può portare ad avvelenamento da anidride carbonica di entrambi i lavoratori che raccolgono frutti già maturati, e i frutti stessi.
L'etilene è stato utilizzato per stimolare la maturazione dei frutti fin dall'antico Egitto. Gli antichi egizi, intenzionalmente graffiati o leggermente schiacciati, battevano datteri, fichi e altri frutti per stimolarne la maturazione (il danno tissutale stimola la formazione di etilene da parte dei tessuti vegetali). Gli antichi cinesi bruciavano bastoncini di incenso in legno o candele profumate all'interno per stimolare la maturazione delle pesche (quando si bruciano candele o legno, non viene rilasciata solo anidride carbonica, ma anche prodotti di combustione intermedia non completamente ossidati, compreso l'etilene). Nel 1864 si scoprì che la fuoriuscita di gas naturale dai lampioni causava l'inibizione della crescita in lunghezza delle piante vicine, la loro torsione, l'ispessimento anomalo di steli e radici e l'accelerazione della maturazione dei frutti. Nel 1901 lo scienziato russo Dmitry Nelyubov dimostrò che il componente attivo del gas naturale che causa questi cambiamenti non è il suo componente principale, il metano, ma l'etilene presente in esso in piccole quantità. Più tardi, nel 1917, Sarah Dubt dimostrò che l'etilene stimola la caduta prematura delle foglie. Tuttavia, fu solo nel 1934 che Gein scoprì che le piante stesse sintetizzano l'etilene endogeno. Nel 1935, Crocker suggerì che l'etilene è un ormone vegetale responsabile della regolazione fisiologica della maturazione dei frutti, nonché dell'invecchiamento dei tessuti vegetativi delle piante, della caduta delle foglie e dell'inibizione della crescita.
Il ciclo biosintetico dell'etilene inizia con la conversione dell'amminoacido metionina in S-adenosil metionina (SAMe) da parte dell'enzima metionina adenosil transferasi. Quindi la S-adenosil-metionina viene convertita in acido 1-amminociclopropan-1-carbossilico (ACA, ACC) utilizzando l'enzima 1-amminociclopropan-1-carbossilato sintetasi (ACC sintetasi). L'attività dell'ACC sintetasi limita la velocità dell'intero ciclo; pertanto, la regolazione dell'attività di questo enzima è fondamentale nella regolazione della biosintesi dell'etilene nelle piante. L'ultimo passaggio nella biosintesi dell'etilene richiede ossigeno e avviene attraverso l'azione dell'enzima aminociclopropano carbossilato ossidasi (ACC ossidasi), precedentemente noto come enzima formante l'etilene. La biosintesi dell'etilene nelle piante è indotta dall'etilene sia esogeno che endogeno (feedback positivo). L'attività dell'ACC sintetasi e, di conseguenza, la formazione di etilene è aumentata anche ad alti livelli di auxine, in particolare acido indolacetico, e citochinine.
Il segnale dell'etilene nelle piante è percepito da almeno cinque diverse famiglie di recettori transmembrana, che sono dimeri proteici. Noto, in particolare, il recettore dell'etilene ETR 1 in Arabidopsis ( Arabidopsi). I geni che codificano per i recettori dell'etilene sono stati clonati in Arabidopsis e poi nel pomodoro. I recettori dell'etilene sono codificati da più geni sia nell'Arabidopsis che nel genoma del pomodoro. Le mutazioni in una qualsiasi famiglia di geni, che consiste in cinque tipi di recettori dell'etilene nell'Arabidopsis e in almeno sei tipi di recettori nel pomodoro, possono portare all'insensibilità delle piante all'etilene e all'interruzione dei processi di maturazione, crescita e appassimento. Sequenze di DNA caratteristiche dei geni del recettore dell'etilene sono state trovate anche in molte altre specie vegetali. Inoltre, la proteina legante l'etilene è stata trovata anche nei cianobatteri.
Fattori esterni sfavorevoli, come contenuto di ossigeno insufficiente nell'atmosfera, inondazioni, siccità, gelo, danni meccanici (lesioni) della pianta, attacco di microrganismi patogeni, funghi o insetti, possono causare una maggiore formazione di etilene nei tessuti vegetali. Quindi, ad esempio, durante un'alluvione, le radici di una pianta soffrono di un eccesso di acqua e di una mancanza di ossigeno (ipossia), che porta alla biosintesi dell'acido 1-aminociclopropano-1-carbossilico in esse. L'ACC viene quindi trasportato lungo i percorsi negli steli fino alle foglie e ossidato ad etilene nelle foglie. L'etilene risultante favorisce i movimenti epinastici, portando allo scuotimento meccanico dell'acqua dalle foglie, nonché all'appassimento e alla caduta di foglie, petali di fiori e frutti, che consente alla pianta di eliminare contemporaneamente l'acqua in eccesso nel corpo e ridurre la necessità per l'ossigeno riducendo la massa totale dei tessuti.
Piccole quantità di etilene endogeno si formano anche nelle cellule animali, compreso l'uomo, durante la perossidazione lipidica. Parte dell'etilene endogeno viene quindi ossidato in ossido di etilene, che ha la capacità di alchilare il DNA e le proteine, inclusa l'emoglobina (formando un addotto specifico con la valina N-terminale dell'emoglobina, la N-idrossietil-valina). L'ossido di etilene endogeno può anche alchilare le basi della guanina del DNA, che porta alla formazione dell'addotto 7-(2-idrossietil)-guanina ed è una delle ragioni del rischio intrinseco di carcinogenesi endogena in tutti gli esseri viventi. Anche l'ossido di etilene endogeno è un mutageno. D'altra parte, c'è un'ipotesi che se non fosse per la formazione di piccole quantità di etilene endogeno e, di conseguenza, ossido di etilene nell'organismo, allora il tasso di mutazioni spontanee e, di conseguenza, il tasso di evoluzione sarebbe molto inferiore.
Appunti
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T. 5. pp. 495-496
ETILENE (etene) CH 2 = CH 2, peso molecolare 28,05; gas incolore con un leggero odore; punto di fusione -169,15°C, punto di ebollizione -103,71°C; d -104 4 0,566; t critico 9,2°C, p critico 5,042 MPa; η (liquidi) 0,161 mPa·s; γ (liquidi) 16,4 mN/m; pressione vapore (kPa): 4110 (0°C), 2200 (-25°C), 151 (-100°C); Cp 62,16 J/(mol K) (-193°C); ΔH 0 bruciato -1400 kJ / mol. Solubilità (ml in 100 ml di solvente a 0°C): acqua 25,6, etanolo 359; liberamente solubile in dietiletere e idrocarburi.
L'etilene non si trova praticamente in natura. In piccole quantità si forma nei tessuti di piante e animali come prodotto intermedio del metabolismo. Ha le proprietà dei fitormoni: rallenta la crescita, accelera l'invecchiamento cellulare, la maturazione e la caduta dei frutti.
Per le sue proprietà chimiche è un tipico rappresentante delle olefine, ha un'elevata reattività, soprattutto nelle reazioni di addizione elettrofila. Quando l'etilene reagisce con il cloro, si forma dicloroetano che, dopo deidroclorurazione, si trasforma in cloruro di vinile; quest'ultimo può essere ottenuto in un'unica fase in presenza di siliciuro di silicio a 450-550°C. L'idratazione dell'etilene porta ad alcol etilico, idroalogenazione a cloruro di etile, interazione con SCl 2 o S 2 Cl 2 - a gas mostarda S (CH 2 CH 2 Cl) 2, ossidazione con ossigeno o aria in presenza di ossido di Ag a 200- 300 ° C - all'ossido di etilene; ossidazione in fase liquida con ossigeno in soluzioni acquose di PdCl 2 e CuCl 2 a 130°C e 0,3 MPa ad acetaldeide; nelle stesse condizioni si forma acetato di vinile in presenza di CH 3 COOH.
L'etilene è un agente alchilante ampiamente utilizzato per l'alchilazione del benzene; la reazione viene condotta in fase gas a 400-450°C e pressione di 1,4 MPa in presenza di AlCl 3 in uno strato stazionario di farina fossile impregnata con H 3 PO 4 (si possono utilizzare BF 3 e zeoliti).
L'etilene è il composto di partenza per la produzione di polietilene ed oligomeri di etilene ad alta e bassa pressione, che sono alla base di numerosi oli lubrificanti sintetici. La copolimerizzazione etilene-propilene su catalizzatori Ziegler-Natta produce gomma etilene-propilene con una maggiore resistenza all'ossidazione e all'abrasione. Nell'industria si ottengono anche copolimeri di etilene con stirene e acetato di vinile.
Il metodo principale per la produzione dell'etilene è la pirolisi dei distillati di petrolio liquidi o degli idrocarburi paraffinici inferiori. La reazione viene solitamente condotta in forni tubolari a 750-900°C e ad una pressione di 0,3 MPa. In Russia, Europa occidentale e Giappone, la benzina di prima scelta funge da materia prima; la resa in etilene è di circa il 30% con la contemporanea formazione di una notevole quantità di prodotti liquidi, compresi gli idrocarburi aromatici. Durante la pirolisi del gasolio, la resa di etilene è del 15-25%. Negli USA le principali materie prime sono gli alcani leggeri (etano, propano, butano), per il loro alto contenuto di gas naturale proveniente dai giacimenti nordamericani; la resa in etilene è di circa il 50%.
È stato sviluppato un metodo per produrre etilene da metano: 2CH 4 → C 2 H 4 + H 2 ; la reazione viene condotta sugli ossidi di Mn, Tl, Cd o Pb a 500-900°C in presenza di ossigeno. I gas di pirolisi vengono separati mediante assorbimento frazionato, raffreddamento profondo e distillazione sotto pressione. L'etilene più puro si ottiene per disidratazione dell'etanolo a 400-450°C su Al 2 O 3 , questo metodo è adatto per la produzione in laboratorio di etilene.
L'etilene è utilizzato nella sintesi organica industriale (in numerosi processi sostituisce l'acetilene), nonché come regolatore della crescita delle piante, per accelerare la maturazione dei frutti, la defogliazione delle piante e ridurre la caduta prematura dei frutti.
L'etilene è esplosivo, CPV 3-34% (in volume), punto di infiammabilità 136,1°C, temperatura di autoaccensione 540°C, MPC nell'aria atmosferica 3 mg/m 3 , nell'aria dell'area di lavoro 100 mg/m 3 .
Produzione mondiale 50 milioni di tonnellate all'anno (1988).
Illuminato.: Enciclopedia Kirk-Othmer, 3a ed., v. 9, N. Y., 1980, pag. 393-431.
Gli idrocarburi insaturi con un doppio legame chimico nelle molecole appartengono al gruppo degli alcheni. Il primo rappresentante della serie omologa è l'etene, o etilene, la cui formula è: C 2 H 4 . Gli alcheni sono spesso indicati come olefine. Il nome è storico e ha origine nel 18° secolo, dopo aver ottenuto il prodotto dell'interazione dell'etilene con il cloro - cloruro di etile, che si presenta come un liquido oleoso. Allora l'etene fu chiamato gas produttore di petrolio. Nel nostro articolo studieremo le sue proprietà chimiche, nonché la sua produzione e applicazione nell'industria.
La relazione tra la struttura della molecola e le proprietà della sostanza
Secondo la teoria della struttura delle sostanze organiche proposta da M. Butlerov, le caratteristiche di un composto dipendono completamente dalla formula strutturale e dal tipo di legami della sua molecola. Le proprietà chimiche dell'etilene sono anche determinate dalla configurazione spaziale degli atomi, dall'ibridazione delle nubi di elettroni e dalla presenza di un legame pi nella sua molecola. Due elettroni p non ibridati di atomi di carbonio si sovrappongono in un piano perpendicolare al piano della molecola stessa. Si forma un doppio legame la cui rottura determina la capacità degli alcheni di subire reazioni di addizione e polimerizzazione.
Proprietà fisiche
L'etene è una sostanza gassosa con un odore particolare e sottile. È scarsamente solubile in acqua, ma facilmente solubile in benzene, tetracloruro di carbonio, benzina e altri solventi organici. Basato sulla formula dell'etilene C 2 H 4, il suo peso molecolare è 28, cioè l'etene è leggermente più leggero dell'aria. Nella serie omologa degli alcheni, con l'aumento della loro massa, lo stato di aggregazione delle sostanze cambia secondo lo schema: composto gas - liquido - solido.
Produzione di gas in laboratorio e nell'industria
Riscaldando l'alcol etilico a 140°C in presenza di acido solforico concentrato, si può ottenere in laboratorio l'etilene. Un altro modo è la scissione degli atomi di idrogeno dalle molecole di alcani. Agendo con sodio caustico o potassio su composti di idrocarburi saturi sostituiti con alogeno, ad esempio sul cloroetano, si produce etilene. Nell'industria, il modo più promettente per ottenerlo è la lavorazione del gas naturale, nonché la pirolisi e il cracking del petrolio. Tutte le proprietà chimiche dell'etilene - reazioni di idratazione, polimerizzazione, addizione, ossidazione - sono spiegate dalla presenza di un doppio legame nella sua molecola.
Interazione delle olefine con elementi del sottogruppo principale del settimo gruppo
Tutti i membri della serie omologa dell'etene attaccano atomi di alogeno nel sito della rottura del legame pi nella loro molecola. Quindi, una soluzione acquosa di bromo rosso-marrone diventa incolore, determinando la formazione dell'equazione etilene - dibromoetano:
C 2 H 4 + Br 2 \u003d C 2 H 4 Br 2
La reazione con cloro e iodio procede in modo simile, in cui si verifica anche l'aggiunta di atomi di alogeno nel sito della distruzione del doppio legame. Tutti i composti - le olefine possono interagire con gli alogenuri di idrogeno: acido cloridrico, acido fluoridrico, ecc. Come risultato della reazione di addizione che procede secondo il meccanismo ionico, si formano sostanze: derivati alogeni di idrocarburi saturi: cloroetano, fluoroetano.
Produzione industriale di etanolo
Le proprietà chimiche dell'etilene sono spesso utilizzate per ottenere importanti sostanze ampiamente utilizzate nell'industria e nella vita di tutti i giorni. Ad esempio, riscaldando l'etene con acqua in presenza di acido fosforico o solforico, si verifica un processo di idratazione sotto l'azione di un catalizzatore. Si accompagna alla formazione di alcol etilico, un prodotto di grande tonnellaggio ottenuto in imprese chimiche di sintesi organica. Il meccanismo della reazione di idratazione procede per analogia con altre reazioni di addizione. Inoltre, l'interazione dell'etilene con l'acqua si verifica anche a seguito della rottura del legame pi. Gli atomi di idrogeno e un gruppo idrossi, che fanno parte della molecola dell'acqua, vengono aggiunti alle valenze libere degli atomi di carbonio dell'etene.
Idrogenazione e combustione dell'etilene
Nonostante tutto quanto sopra, la reazione del composto di idrogeno ha poca importanza pratica. Tuttavia, mostra la relazione genetica tra diverse classi di composti organici, in questo caso alcani e olefine. Aggiungendo idrogeno, l'etene viene convertito in etano. Il processo opposto: la scissione degli atomi di idrogeno dagli idrocarburi saturi porta alla formazione di un rappresentante degli alcheni: l'etene. L'ossidazione rigida delle olefine, chiamata combustione, è accompagnata dal rilascio di una grande quantità di calore, la reazione è esotermica. I prodotti della combustione sono gli stessi per le sostanze di tutte le classi di idrocarburi: alcani, composti insaturi della serie dell'etilene e dell'acetilene, sostanze aromatiche. Questi includono anidride carbonica e acqua. L'aria reagisce con l'etilene per formare una miscela esplosiva.
Reazioni di ossidazione
L'etene può essere ossidato con una soluzione di permanganato di potassio. Questa è una delle reazioni qualitative, con l'aiuto della quale dimostrano la presenza di un doppio legame nella composizione dell'analita. Il colore viola della soluzione scompare a causa della rottura del doppio legame e della formazione di un alcol saturo diidrico - glicole etilenico. Il prodotto di reazione ha una vasta gamma di applicazioni nell'industria come materia prima per la produzione di fibre sintetiche, come lavsan, esplosivi e antigelo. Come puoi vedere, le proprietà chimiche dell'etilene vengono utilizzate per ottenere composti e materiali preziosi.
Polimerizzazione olefinica
Un aumento della temperatura, un aumento della pressione e l'uso di catalizzatori sono condizioni necessarie per effettuare il processo di polimerizzazione. Il suo meccanismo è diverso dalle reazioni di addizione o ossidazione. Rappresenta il legame sequenziale di molte molecole di etilene nei siti di rottura del doppio legame. Il prodotto di reazione è polietilene, le cui caratteristiche fisiche dipendono dal valore di n - il grado di polimerizzazione. Se è piccolo, la sostanza è in uno stato liquido di aggregazione. Se l'indicatore si avvicina a 1000 collegamenti, la pellicola di polietilene e i tubi flessibili sono realizzati con tale polimero. Se il grado di polimerizzazione supera i 1500 maglie della catena, il materiale è un solido bianco, oleoso al tatto.
Va alla fabbricazione di prodotti solidi e tubi di plastica. Il teflon, un composto alogenato di etilene, ha proprietà antiaderenti ed è un polimero ampiamente utilizzato che è richiesto nella produzione di multicucine, padelle e bracieri. La sua elevata capacità di resistere all'abrasione è utilizzata nella produzione di lubrificanti per motori automobilistici e la sua bassa tossicità e tolleranza ai tessuti umani hanno reso possibile l'utilizzo di protesi in teflon in chirurgia.
Nel nostro articolo, abbiamo considerato proprietà chimiche delle olefine come combustione dell'etilene, reazioni di addizione, ossidazione e polimerizzazione.
La storia della scoperta dell'etilene
L'etilene fu ottenuto per la prima volta dal chimico tedesco Johann Becher nel 1680 dall'azione dell'olio di vetriolo (H 2 SO 4) sull'alcol (etilico) di vino (C 2 H 5 OH).
CH 3 -CH 2 -OH + H 2 SO 4 → CH 2 \u003d CH 2 + H 2 O
Inizialmente veniva identificato con "aria combustibile", cioè con idrogeno. Più tardi, nel 1795, i chimici olandesi Deiman, Pots-van-Trusvik, Bond e Lauerenburg ottennero in modo simile l'etilene e lo descrissero sotto il nome di "gas ossigeno", poiché scoprirono la capacità dell'etilene di legare il cloro per formare un liquido oleoso - l'etilene cloruro ("olio dei chimici olandesi"), (Prokhorov, 1978).
Lo studio delle proprietà dell'etilene, dei suoi derivati e omologhi iniziò a metà del XIX secolo. L'inizio dell'uso pratico di questi composti fu posto dagli studi classici di A.M. Butlerov e i suoi studenti nel campo dei composti insaturi e in particolare la creazione di Butlerov della teoria della struttura chimica. Nel 1860 ottenne l'etilene dall'azione del rame sullo ioduro di metilene, stabilendo la struttura dell'etilene.
Nel 1901, Dmitry Nikolaevich Nelyubov coltivava piselli in un laboratorio a San Pietroburgo, ma i semi davano piantine contorte e accorciate, in cui la parte superiore era piegata con un gancio e non si piegava. Nella serra e all'aperto, le piantine erano uniformi, alte e la cima alla luce raddrizzò rapidamente il gancio. Nelyubov ha suggerito che il fattore che causa l'effetto fisiologico è nell'aria del laboratorio.
A quel tempo, i locali erano illuminati a gas. Lo stesso gas bruciava nei lampioni ed è stato a lungo notato che in caso di incidente in un gasdotto, gli alberi in piedi vicino al sito di una fuga di gas ingialliscono prematuramente e perdono le foglie.
Il gas di illuminazione conteneva una varietà di sostanze organiche. Per rimuovere la miscela di gas, Nelyubov lo fece passare attraverso un tubo riscaldato con ossido di rame. Le piantine di piselli si sono sviluppate normalmente nell'aria "purificata". Per scoprire esattamente quale sostanza provoca la risposta delle piantine, Nelyubov ha aggiunto a turno vari componenti del gas di illuminazione e ha scoperto che l'aggiunta di etilene provoca:
1) crescita lenta in lunghezza e ispessimento della piantina,
2) ansa apicale "non flettente",
3) Modifica dell'orientamento della piantina nello spazio.
Questa reazione fisiologica delle piantine è stata chiamata la tripla risposta all'etilene. I piselli erano così sensibili all'etilene che iniziarono a usarli nei saggi biologici per rilevare basse concentrazioni di questo gas. Si scoprì presto che l'etilene provoca anche altri effetti: caduta delle foglie, maturazione dei frutti, ecc. Si è scoperto che le piante stesse sono in grado di sintetizzare l'etilene; l'etilene è un fitormone (Petushkova, 1986).
Proprietà fisiche dell'etilene
Etilene- un composto chimico organico descritto dalla formula C 2 H 4 . È l'alchene più semplice ( olefina).
L'etilene è un gas incolore con un debole odore dolce, con una densità di 1,178 kg/m³ (più leggero dell'aria), e la sua inalazione ha un effetto narcotico sull'uomo. L'etilene è solubile in etere e acetone, molto meno in acqua e alcol. Forma una miscela esplosiva se miscelata con l'aria
Solidifica a -169,5°C, fonde alle stesse condizioni di temperatura. L'etene bolle a –103,8°C. Si accende se riscaldato a 540°C. Il gas brucia bene, la fiamma è luminosa, con una debole fuliggine. La massa molare arrotondata della sostanza è di 28 g/mol. Anche il terzo e il quarto rappresentante della serie omologa dell'etene sono sostanze gassose. Le proprietà fisiche del quinto e dei successivi alcheni sono diverse, sono liquidi e solidi.
Produzione di etilene
I principali metodi di produzione dell'etilene:
Deidroalogenazione di derivati alogeni di alcani sotto l'azione di soluzioni alcoliche di alcali
CH 3 -CH 2 -Br + KOH → CH 2 = CH 2 + KBr + H 2 O;
Dealogenazione di alcani dialogati sotto l'azione di metalli attivi
Cl-CH 2 -CH 2 -Cl + Zn → ZnCl 2 + CH 2 = CH 2;
Disidratazione dell'etilene quando viene riscaldato con acido solforico (t>150˚ C) o quando il suo vapore viene fatto passare su un catalizzatore
CH 3 -CH 2 -OH → CH 2 = CH 2 + H 2 O;
Deidrogenazione dell'etano per riscaldamento (500°C) in presenza di un catalizzatore (Ni, Pt, Pd)
CH 3 -CH 3 → CH 2 \u003d CH 2 + H 2.
Proprietà chimiche dell'etilene
L'etilene è caratterizzato da reazioni che procedono per il meccanismo di elettrofilia, addizione, reazioni di sostituzione radicalica, ossidazione, riduzione, polimerizzazione.
1. Alogenazione(aggiunta elettrofila) - l'interazione dell'etilene con gli alogeni, ad esempio con il bromo, in cui l'acqua di bromo si decolora:
CH 2 \u003d CH 2 + Br 2 \u003d Br-CH 2 -CH 2 Br.
L'alogenazione dell'etilene è possibile anche quando riscaldata (300°C), in questo caso il doppio legame non si rompe - la reazione procede secondo il meccanismo di sostituzione radicalica:
CH 2 \u003d CH 2 + Cl 2 → CH 2 \u003d CH-Cl + HCl.
2. Idroalogenazione- interazione dell'etilene con alogenuri di idrogeno (HCl, HBr) con formazione di alcani alogenati:
CH 2 \u003d CH 2 + HCl → CH 3 -CH 2 -Cl.
3. Idratazione- interazione dell'etilene con l'acqua in presenza di acidi minerali (solforico, fosforico) con formazione di alcol monovalente saturo - etanolo:
CH 2 \u003d CH 2 + H 2 O → CH 3 -CH 2 -OH.
Tra le reazioni di addizione elettrofila, si distingue l'addizione acido ipocloroso(1), reazioni idrossi- e alcossimercurazione(2, 3) (ottenere composti organomercuriali) e idroborazione (4):
CH 2 \u003d CH 2 + HClO → CH 2 (OH) -CH 2 -Cl (1);
CH 2 \u003d CH 2 + (CH 3 COO) 2 Hg + H 2 O → CH 2 (OH) -CH 2 -Hg-OCOCH 3 + CH 3 COOH (2);
CH 2 = CH 2 + (CH 3 COO) 2 Hg + R-OH → R-CH 2 (OCH 3) -CH 2 -Hg-OCOCH 3 + CH 3 COOH (3);
CH 2 \u003d CH 2 + BH 3 → CH 3 -CH 2 -BH 2 (4).
Le reazioni di addizione nucleofila sono caratteristiche dei derivati dell'etilene contenenti sostituenti che ritirano gli elettroni. Tra le reazioni di addizione nucleofila, un posto speciale è occupato dalle reazioni di addizione di acido cianidrico, ammoniaca ed etanolo. Ad esempio,
2 ON-CH \u003d CH 2 + HCN → 2 ON-CH 2 -CH 2 -CN.
4. ossidazione. L'etilene si ossida facilmente. Se l'etilene viene fatto passare attraverso una soluzione di permanganato di potassio, diventerà incolore. Questa reazione viene utilizzata per distinguere tra composti saturi e insaturi. Il risultato è glicole etilenico.
3CH 2 \u003d CH 2 + 2KMnO 4 + 4H 2 O \u003d 3CH 2 (OH) -CH 2 (OH) + 2MnO 2 + 2KOH.
A ossidazione dura etilene con una soluzione bollente di permanganato di potassio in un mezzo acido, si verifica una scissione completa del legame (σ-legame) con la formazione di acido formico e anidride carbonica:
Ossidazione etilene ossigeno a 200°C in presenza di CuCl 2 e PdCl 2 porta alla formazione di acetaldeide:
CH 2 \u003d CH 2 + 1 / 2O 2 \u003d CH 3 -CH \u003d O.
5. idrogenazione. A recupero l'etilene è la formazione di etano, un rappresentante della classe degli alcani. La reazione di riduzione (reazione di idrogenazione) dell'etilene procede con un meccanismo radicalico. La condizione affinché la reazione proceda è la presenza di catalizzatori (Ni, Pd, Pt), oltre al riscaldamento della miscela di reazione:
CH 2 \u003d CH 2 + H 2 \u003d CH 3 -CH 3.
6. Entra l'etilene reazione di polimerizzazione. Polimerizzazione - il processo di formazione di un composto ad alto peso molecolare - un polimero - combinandosi tra loro utilizzando le principali valenze delle molecole della sostanza originale a basso peso molecolare - un monomero. La polimerizzazione dell'etilene avviene sotto l'azione di acidi (meccanismo cationico) o radicali (meccanismo radicalico):
n CH 2 \u003d CH 2 \u003d - (-CH 2 -CH 2 -) n -.
7. Combustione:
C 2 H 4 + 3O 2 → 2CO 2 + 2H 2 O
8. Dimerizzazione. Dimerizzazione- il processo di formazione di una nuova sostanza combinando due elementi strutturali (molecole, anche proteiche, o particelle) in un complesso (dimero), stabilizzato da legami deboli e/o covalenti.
2CH 2 \u003d CH 2 → CH 2 \u003d CH-CH 2 -CH 3
Applicazione
L'etilene è utilizzato in due categorie principali: come monomero da cui vengono costruite grandi catene di carbonio e come materiale di partenza per altri composti a due atomi di carbonio. Le polimerizzazioni sono combinazioni ripetute di molte piccole molecole di etilene in molecole più grandi. Questo processo avviene a pressioni e temperature elevate. Le applicazioni per l'etilene sono numerose. Il polietilene è un polimero che viene utilizzato soprattutto in grandi quantità nella produzione di film per imballaggio, rivestimenti in filo metallico e bottiglie di plastica. Un altro uso dell'etilene come monomero riguarda la formazione di α-olefine lineari. L'etilene è il materiale di partenza per la preparazione di numerosi composti a due atomi di carbonio come l'etanolo ( alcol industriale), ossido di etilene ( antigelo, fibre e film di poliestere), acetaldeide e cloruro di vinile. Oltre a questi composti, l'etilene con il benzene forma l'etilbenzene, che viene utilizzato nella produzione di plastica e gomma sintetica. La sostanza in questione è uno degli idrocarburi più semplici. Tuttavia, le proprietà dell'etilene lo rendono biologicamente ed economicamente significativo.
Le proprietà dell'etilene forniscono una buona base commerciale per un gran numero di materiali organici (contenenti carbonio e idrogeno). Singole molecole di etilene possono essere unite per formare polietilene (che significa molte molecole di etilene). Il polietilene è usato per produrre plastica. Inoltre, può essere utilizzato per fare detergenti e lubrificanti sintetici, che sono sostanze chimiche utilizzate per ridurre l'attrito. L'uso dell'etilene per ottenere stireni è rilevante nel processo di creazione di imballaggi in gomma e protettivi. Inoltre, viene utilizzato nell'industria calzaturiera, in particolare scarpe sportive, nonché nella produzione di gomme dell auto. L'uso dell'etilene è commercialmente importante e il gas stesso è uno degli idrocarburi più comunemente prodotti su scala globale.
L'etilene è utilizzato nella produzione di vetro per usi speciali per l'industria automobilistica.
Proprietà fisiche dell'etilene:
L'etilene è un gas incolore con un leggero odore, leggermente solubile in acqua, solubile in alcool e facilmente solubile in etere dietilico. Forma una miscela esplosiva se miscelata con l'aria.
Proprietà chimiche dell'etilene:
L'etilene è caratterizzato da reazioni che procedono per il meccanismo di elettrofilia, addizione, reazioni di sostituzione radicalica, ossidazione, riduzione, polimerizzazione.Alogenazione(aggiunta elettrofila) - l'interazione dell'etilene con gli alogeni, ad esempio con il bromo, in cui l'acqua di bromo si decolora:
CH2 = CH2 + Br2 = Br-CH2-CH2Br.
L'alogenazione dell'etilene è possibile anche quando riscaldata (300°C), in questo caso il doppio legame non si rompe - la reazione procede secondo il meccanismo di sostituzione radicalica:
CH2 = CH2 + Cl2 → CH2 = CH-Cl + HCl.
Idroalogenazione - l'interazione dell'etilene con alogenuri di idrogeno (HCl, HBr) per formare alcani alogenati:
CH2 = CH2 + HCl → CH3-CH2-Cl.
Idratazione - l'interazione dell'etilene con l'acqua in presenza di acidi minerali (solforico, fosforico) con la formazione di un alcol monovalente limitante - etanolo:
CH2 \u003d CH2 + H2O → CH3-CH2-OH.
Tra le reazioni di addizione elettrofila, si distingue l'addizione acido ipocloroso(1), reazioni di idrossi- e alcossimercurazione (2, 3) (ottenimento di composti organomercuriali) e idroborazione (4):
CH2 = CH2 + HClO → CH2(OH)-CH2-Cl (1);
CH2 = CH2 + (CH3COO)2Hg + H2O → CH2(OH)-CH2-Hg-OCOCH3 + CH3COOH (2);
CH2 = CH2 + (CH3COO)2Hg + R-OH → R-CH2(OCH3)-CH2-Hg-OCOCH3 + CH3COOH (3);
CH2 = CH2 + BH3 → CH3-CH2-BH2 (4).
Le reazioni di addizione nucleofila sono caratteristiche dei derivati dell'etilene contenenti sostituenti che ritirano gli elettroni. Tra le reazioni di addizione nucleofila, un posto speciale è occupato dalle reazioni di addizione di acido cianidrico, ammoniaca ed etanolo. Ad esempio,
2ON-CH = CH2 + HCN → 2ON-CH2-CH2-CN.
Nel corso delle reazioni di ossidazione dell'etilene, è possibile la formazione di vari prodotti e la composizione è determinata dalle condizioni dell'ossidazione. Pertanto, durante l'ossidazione dell'etilene in condizioni blande (l'agente ossidante è il permanganato di potassio), il legame π si rompe e si verifica la formazione di alcol diidrico - glicole etilenico:
3CH2 = CH2 + 2KMnO4 + 4H2O = 3CH2(OH)-CH2(OH) + 2MnO2 + 2KOH.
Durante la dura ossidazione dell'etilene con una soluzione bollente di permanganato di potassio in un mezzo acido, il legame (σ-legame) viene completamente rotto con la formazione di acido formico e anidride carbonica:
L'ossidazione dell'etilene con ossigeno a 200°C in presenza di CuCl2 e PdCl2 porta alla formazione di acetaldeide:
CH2 \u003d CH2 + 1 / 2O2 \u003d CH3-CH \u003d O.
Quando l'etilene viene ridotto, si forma l'etano, un rappresentante della classe degli alcani. La reazione di riduzione (reazione di idrogenazione) dell'etilene procede con un meccanismo radicalico. La condizione affinché la reazione proceda è la presenza di catalizzatori (Ni, Pd, Pt), oltre al riscaldamento della miscela di reazione:
CH2 = CH2 + H2 = CH3-CH3.
L'etilene entra nella reazione di polimerizzazione. Polimerizzazione - il processo di formazione di un composto ad alto peso molecolare - un polimero - combinandosi tra loro utilizzando le principali valenze delle molecole della sostanza originale a basso peso molecolare - un monomero. La polimerizzazione dell'etilene avviene sotto l'azione di acidi (meccanismo cationico) o radicali (meccanismo radicalico).
