Этилен

Этилен (этен, H₂C=CH₂) — органическое соединение, относящееся к классу непредельных углеводородов (алкенов). Представляет собой бесцветный газ с характерным сладковатым запахом, легче воздуха. Этилен является простейшим алкеном и одним из важнейших продуктов нефтехимической промышленности. Основное промышленное применение — производство полиэтилена (самого распространённого в мире полимера), а также оксида этилена, этилового спирта, стирола и других ценных химических веществ. Кроме того, этилен играет роль фитогормона, регулирующего процессы созревания плодов и старения растений.

Физические свойства

При нормальных условиях (температура 0 °C, давление 101,3 кПа) этилен представляет собой бесцветный газ. Он обладает следующими физическими характеристиками:

• Молярная масса: 28,05 г/моль.
• Температура плавления: −169,2 °C.
• Температура кипения: −103,7 °C.
• Плотность при н.у.: 1,178 кг/м³ (легче воздуха).
• Растворимость в воде: слабая (около 25,6 мл в 100 мл воды при 0 °C). Хорошо растворим в диэтиловом эфире, ацетоне, этаноле и других органических растворителях.
• Критическая температура: 9,2 °C. Выше этой температуры этилен не может быть сжижен ни при каком давлении.
• Критическое давление: 5,04 МПа.

Этилен образует с воздухом взрывоопасные смеси в диапазоне концентраций от 3 до 32 % объёмных. Температура самовоспламенения составляет 490 °C.

Химическое строение

Молекула этилена имеет плоское строение. Атомы углерода находятся в состоянии sp²-гибридизации. Каждый атом углерода образует три σ-связи (две с атомами водорода и одну с другим атомом углерода), расположенные в одной плоскости под углом 120° друг к другу. Четвёртая валентность каждого атома углерода реализована за счёт π-связи, образованной боковым перекрыванием негибридизованных p-орбиталей. Эта π-связь расположена перпендикулярно плоскости σ-связей.

Двойная углерод-углеродная связь (C=C) имеет длину 0,134 нм и энергию 611 кДж/моль. Наличие π-связи делает молекулу этилена химически активной, особенно в реакциях присоединения.

Химические свойства

Этилен, как типичный представитель алкенов, вступает в разнообразные химические реакции, преимущественно по механизму электрофильного присоединения.

Реакции присоединения

1. Гидрирование: Присоединение водорода в присутствии катализаторов (Ni, Pt, Pd) при нагревании приводит к образованию этана:

C₂H₄ + H₂ → C₂H₆

1. Галогенирование: Присоединение галогенов (например, брома или хлора) с образованием дигалогенпроизводных. Реакция с бромной водой (обесцвечивание) является качественной реакцией на двойную связь:

C₂H₄ + Br₂ → CH₂Br—CH₂Br (1,2-дибромэтан)

1. Гидрогалогенирование: Присоединение галогеноводородов (HCl, HBr) протекает по правилу Марковникова (водород присоединяется к более гидрогенизированному атому углерода):

C₂H₄ + HCl → CH₃—CH₂Cl (хлорэтан)

1. Гидратация: Присоединение воды в присутствии кислотных катализаторов (H₃PO₄, H₂SO₄) при высоком давлении и температуре. Промышленный способ получения этилового спирта:

C₂H₄ + H₂O → CH₃—CH₂OH (этанол)

1. Окисление:

• Мягкое окисление: Взаимодействие с водным раствором перманганата калия (реакция Вагнера) приводит к образованию этиленгликоля и является качественной реакцией на непредельность:

3C₂H₄ + 2KMnO₄ + 4H₂O → 3CH₂OH—CH₂OH + 2MnO₂ + 2KOH

• Каталитическое окисление: Окисление кислородом в присутствии серебряного катализатора даёт оксид этилена:

2C₂H₄ + O₂ → 2C₂H₄O

1. Полимеризация: Важнейшая реакция, лежащая в основе производства полиэтилена. Протекает при высоком давлении (до 300 МПа) и температуре (до 200 °C) в присутствии инициаторов (кислород, пероксиды) или при низком давлении с использованием катализаторов Циглера — Натта:

n(C₂H₄) → [—CH₂—CH₂—]ₙ (полиэтилен)

Реакции окисления и горения

Этилен горит на воздухе (или в чистом кислороде) с образованием углекислого газа и воды. Пламя этилена является ярким, светящимся, что объясняется высоким содержанием углерода в молекуле: C₂H₄ + 3O₂ → 2CO₂ + 2H₂O

История открытия

Первое упоминание об этилене относится к 1669 году, когда немецкий химик Иоганн Иоахим Бехер получил его при нагревании этилового спирта с серной кислотой. Однако учёный не идентифицировал полученный газ как новое вещество.

В 1795 году этилен был независимо получен голландскими химиками Иоганном Дейманом, Адрианом Паэтсом ван Трооствиком и Антони Лауверенбургом при взаимодействии этилового спирта с серной кислотой. Они описали его свойства и назвали «маслородным газом» (olefiant gas), так как при реакции с хлором он образовывал маслянистую жидкость (1,2-дихлорэтан). От этого названия произошёл термин «олефины» — историческое название алкенов.

В 1847 году французский химик Жозеф-Луи Гей-Люссак установил, что этилен состоит из углерода и водорода. В 1855 году его эмпирическая формула (C₂H₄) была определена немецким химиком Августом Вильгельмом Гофманом. Структурная формула с двойной связью была предложена в 1860-х годах Александром Михайловичем Бутлеровым в рамках его теории химического строения.

Промышленное производство этилена началось в начале XX века. Первые заводы по получению этилена из коксового газа и путём дегидратации этанола появились в 1910-1920-х годах. Ключевым прорывом стало развитие технологии пиролиза углеводородного сырья (этана, пропана, нафты) в 1930-1940-х годах, что позволило наладить крупнотоннажное производство.

Промышленное производство

Современное промышленное производство этилена базируется на процессе пиролиза (высокотемпературного крекинга) углеводородного сырья в присутствии водяного пара. В качестве сырья используются:

• Этан (основное сырьё в США, странах Персидского залива).
• Сжиженные нефтяные газы (пропан, бутан).
• Нафта (лёгкая бензиновая фракция) — основное сырьё в Европе, России, Японии.
• Газойль (реже).

Процесс пиролиза осуществляется в трубчатых печах при температуре 750–900 °C и давлении, близком к атмосферному. Время пребывания сырья в зоне реакции составляет доли секунды. В результате пиролиза образуется сложная смесь продуктов, включающая этилен, пропилен, бутадиен, бензол, водород и метан.

После пиролиза газовая смесь быстро охлаждается (закаливается) для предотвращения нежелательных побочных реакций. Затем она подвергается многоступенчатой очистке и разделению в системе ректификационных колонн. Этилен выделяют в виде фракции с чистотой 99,9–99,95 % (полимеризационная чистота).

Мировое производство этилена в 2023 году превысило 200 миллионов тонн в год. Крупнейшими производителями являются Китай, США, Саудовская Аравия, Индия и Россия.

Применение

Этилен является одним из базовых мономеров в нефтехимической промышленности. Основные направления его использования:

Производство полимеров

• Полиэтилен (ПЭ): Наиболее крупный потребитель этилена. Различают полиэтилен низкой плотности (ПЭНП, LDPE), линейный полиэтилен низкой плотности (ЛПЭНП, LLDPE) и полиэтилен высокой плотности (ПЭВП, HDPE). Из полиэтилена изготавливают упаковку, плёнку, трубы, изоляцию кабелей, контейнеры.
• Поливинилхлорид (ПВХ): Производится из винилхлорида, который получают из этилена и хлора.
• Полистирол: Производится из стирола, который получают из этилена и бензола.

Производство химических полупродуктов

• Оксид этилена: Используется для получения этиленгликоля (антифриз, сырьё для полиэфирных волокон и ПЭТФ), поверхностно-активных веществ, этаноламинов.
• Этиловый спирт (этанол): Получают гидратацией этилена. Используется как растворитель, топливо, сырьё для производства уксусной кислоты.
• Дихлорэтан: Сырьё для производства винилхлорида и ПВХ.
• Альфа-олефины: Используются в производстве синтетических смазочных масел, моющих средств, пластификаторов.
• Этилбензол: Сырьё для производства стирола.

Прочие применения

• Сварка и резка металлов: Этилен используется в газовой сварке и резке как горючий газ (в смесях с кислородом).
• Стимуляция созревания плодов: В сельском хозяйстве этилен применяется для ускорения созревания томатов, бананов, цитрусовых и других фруктов после сбора урожая. В теплицах этилен используют для регулирования цветения и плодоношения растений.
• Анестезия: В медицине этилен ранее использовался как ингаляционный анестетик (в смеси с кислородом), но в настоящее время вытеснен более безопасными препаратами.

Биологическая роль и токсикология

Этилен является природным фитогормоном. Он синтезируется практически во всех высших растениях и регулирует такие процессы, как прорастание семян, рост корней, опадение листьев и цветков, созревание плодов и старение тканей. Влияние этилена на созревание плодов было открыто в начале XX века русским учёным Дмитрием Нелюбовым.

Для человека этилен в низких концентрациях не является высокотоксичным веществом. Он обладает слабым наркотическим действием (в концентрациях выше 10 % по объёму). Предельно допустимая концентрация (ПДК) этилена в воздухе рабочей зоны составляет 100 мг/м³. При высоких концентрациях этилен может вызывать головокружение, головную боль, тошноту, а при длительном воздействии — потерю сознания. Основная опасность этилена связана с его высокой взрыво- и пожароопасностью.

Источники

1. Химическая энциклопедия: в 5 т. — М.: Большая Российская энциклопедия, 1995. — Т. 5.
2. Несмеянов А. Н., Несмеянов Н. А. Начала органической химии. — М.: Мир, 1974. — Т. 1.
3. Петров А. А., Бальян Х. В., Трощенко А. Т. Органическая химия. — М.: Высшая школа, 1981.
4. Вейсбергер А., Проскауэр Э., Риддик Дж., Тупс Э. Органические растворители. — М.: Издательство иностранной литературы, 1958.
5. Кнунянц И. Л. (гл. ред.). Краткая химическая энциклопедия. — М.: Советская энциклопедия, 1964. — Т. 3.
6. Технология основного органического синтеза / Под ред. А. М. Кутепова. — М.: Химия, 1992.
7. Вольфкович С. И. Общая химическая технология. — М.: Госхимиздат, 1959.