Оксид этилена

Оксид этилена — это органическое соединение, простейший циклический эфир (эпоксид), химическая формула C₂H₄O. Представляет собой бесцветный газ с характерным эфирным запахом, чрезвычайно реакционноспособен, токсичен, взрывоопасен и канцерогенен. Оксид этилена является важным промышленным химическим веществом, используемым в качестве промежуточного продукта для синтеза этиленгликоля, поверхностно-активных веществ, а также в качестве стерилизующего агента для медицинского оборудования и материалов.

Физические и химические свойства

Физические свойства

Оксид этилена — легколетучая жидкость (температура кипения 10,7 °C) или газ в стандартных условиях. Он хорошо смешивается с водой, этанолом, диэтиловым эфиром и большинством органических растворителей. Плотность газа при нормальных условиях составляет около 1,96 кг/м³ (тяжелее воздуха). Молекулярная масса — 44,05 г/моль. Обладает высокой теплотой сгорания.

Химические свойства

Молекула оксида этилена представляет собой трёхчленный цикл (эпоксидное кольцо), что обусловливает его высокую напряжённость и, как следствие, исключительную реакционную способность. Ключевые реакции:

• Гидратация: взаимодействие с водой приводит к образованию этиленгликоля (гликоля).
• Реакции с нуклеофилами: легко вступает в реакции с аммиаком, спиртами, аминами, фенолами, сероводородом, образуя соответствующие производные (этаноламины, простые эфиры гликолей, тиолы).
• Полимеризация: под действием катализаторов (кислот, оснований, некоторых металлов) полимеризуется с образованием полиэтиленгликолей (ПЭГ) и полиэфиров.
• Окисление: в присутствии кислорода воздуха может образовывать взрывоопасные пероксиды.
• Горение: горит с образованием углекислого газа и воды, однако при недостатке кислорода может выделять угарный газ.

Получение

Промышленный способ получения оксида этилена — прямое каталитическое окисление этилена (C₂H₄) кислородом воздуха или чистым кислородом. Процесс ведётся при температуре 200–300 °C и давлении 1–2 МПа в присутствии серебряного катализатора, нанесённого на оксид алюминия или другие носители. Реакция является экзотермической:

2 C₂H₄ + O₂ → 2 C₂H₄O

Выход оксида этилена составляет 70–85% при селективности по этилену до 90%. Побочными продуктами являются диоксид углерода и вода.

Исторически первым промышленным методом был хлоргидринный процесс (реакция этилена с хлором и водой с последующим дегидрохлорированием), однако он практически полностью вытеснен более экономичным и экологичным каталитическим окислением.

Применение

Оксид этилена является одним из крупнотоннажных продуктов нефтехимии. Основные области применения:

Производство этиленгликоля

Более 60% всего производимого оксида этилена расходуется на получение этиленгликоля, который используется как антифриз, теплоноситель, а также в производстве полиэфирных волокон (полиэтилентерефталат, ПЭТФ) и плёнок.

Производство поверхностно-активных веществ (ПАВ)

Оксид этилена служит сырьём для синтеза неионогенных ПАВ — этоксилатов жирных спиртов, алкилфенолов и других соединений. Эти вещества широко применяются в моющих средствах, косметике, текстильной и кожевенной промышленности.

Стерилизация

Благодаря способности убивать микроорганизмы (включая споры) и проникать в упаковку, оксид этилена используется для холодной стерилизации медицинских изделий (шприцы, катетеры, хирургические инструменты), а также некоторых пищевых продуктов (специи, сухофрукты). Процесс обычно проводят при температуре 30–60 °C в смеси с инертными газами (например, диоксидом углерода) для снижения взрывоопасности.

Производство этаноламинов

Реакцией с аммиаком получают моно-, ди- и триэтаноламины, используемые в качестве абсорбентов кислых газов (CO₂, H₂S) в газовой промышленности, а также в производстве цемента, бетона и косметики.

Прочие применения

• Синтез простых эфиров гликолей (растворители, тормозные жидкости).
• Производство полиэтиленгликолей (ПЭГ) — основы для лекарственных средств, косметики, смазок.
• Получение акрилонитрила, этиленциангидрина и других химических соединений.

Токсикология и безопасность

Оксид этилена является высокотоксичным и опасным веществом. Он обладает следующими свойствами:

• Острая токсичность: при вдыхании вызывает раздражение дыхательных путей, головную боль, тошноту, рвоту, потерю сознания, отёк лёгких. Предельно допустимая концентрация (ПДК) в воздухе рабочей зоны в России составляет 1 мг/м³.
• Канцерогенность: Международное агентство по изучению рака (МАИР) классифицирует оксид этилена как канцероген для человека (группа 1). Длительное воздействие связано с повышенным риском развития лейкозов, лимфом и рака молочной железы.
• Мутагенность: вещество является мутагеном, вызывающим повреждения ДНК.
• Взрывоопасность: пары оксида этилена образуют с воздухом взрывоопасные смеси в широком диапазоне концентраций (от 3 до 100% об.). При контакте с катализаторами, кислотами, щелочами или при нагреве может происходить взрывное разложение.
• Реакционная способность: вступает в бурные реакции с окислителями, аммиаком, галогенами, кислотами, щелочами.

Работа с оксидом этилена требует строгих мер предосторожности: герметизация оборудования, использование средств индивидуальной защиты (респираторы, защитные костюмы, перчатки), постоянный контроль концентрации в воздухе, наличие систем аварийной вентиляции и пожаротушения.

Хранение и транспортировка

Оксид этилена хранят и транспортируют в виде сжиженного газа под давлением (0,5–1,0 МПа) в стальных баллонах, цистернах или контейнерах. Для предотвращения полимеризации и взрыва в ёмкости добавляют ингибиторы (например, третичные амины). Транспортировка осуществляется по железной дороге, автомобильным и морским транспортом в соответствии с правилами перевозки опасных грузов (класс 2, подкласс 2.3 — токсичные газы, дополнительно — класс 3 — легковоспламеняющиеся жидкости).

Экологические аспекты

Попадание оксида этилена в окружающую среду (воздух, воду, почву) представляет серьёзную экологическую опасность. В атмосфере он разлагается под действием солнечного света с периодом полураспада от нескольких часов до нескольких дней, образуя формальдегид, муравьиную кислоту и другие токсичные соединения. В воде оксид этилена гидролизуется до этиленгликоля, который также токсичен для водных организмов. Сброс оксида этилена в сточные воды и почву строго регламентирован.

История

Оксид этилена был впервые получен французским химиком Шарлем-Адольфом Вюрцем в 1859 году при обработке этиленхлоргидрина щёлочью. Промышленное производство началось в начале XX века с использованием хлоргидринного метода. В 1930-х годах был разработан каталитический процесс окисления этилена, который к середине века стал основным. В 1970-х годах были усовершенствованы катализаторы на основе серебра, что позволило значительно повысить селективность и выход продукта. В России крупные производства оксида этилена действуют на предприятиях «Нижнекамскнефтехим», «Казаньоргсинтез», «Сибур-Химпром» и других.

Источники

1. Химическая энциклопедия: в 5 т. / Редкол.: И. Л. Кнунянц (гл. ред.) и др. — М.: Советская энциклопедия, 1988. — Т. 3 (Меди—Полимерные). — 640 с.
2. Кирпичников П. А., Береснев В. В., Попова Л. М. Альбом технологических схем основных производств промышленности синтетического каучука. — Л.: Химия, 1986. — 224 с.
3. ГОСТ 12.1.007-76. Система стандартов безопасности труда. Вредные вещества. Классификация и общие требования безопасности.
4. СанПиН 1.2.3685-21 «Гигиенические нормативы и требования к обеспечению безопасности и (или) безвредности для человека факторов среды обитания».
5. IARC Monographs on the Evaluation of Carcinogenic Risks to Humans. Volume 100F: Ethylene Oxide. — Lyon: International Agency for Research on Cancer, 2012. — 55 p.
6. Патент РФ № 2400467 «Способ получения оксида этилена». — 2010.