Этилен и его свойства

Этилен и его свойства

Этилен (другое название —  этен) — химическое соединение, описываемое формулой С2H4. 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.

Этилен является простейшим алкеном (олефином). Содержит двойную связь и поэтому относится к ненасыщенным соединениям. Играет чрезвычайно важную роль в промышленности, а также является фитогормоном.

Этилен — самое производимое органическое соединение в мире; общее  мировое производство этилена в 2005 году составило 107 миллионов тонн и продолжает расти на 4–6% в год. Источником промышленного получения  этилена является пиролиз различного углеводородного сырья, например, этана, пропана, бутана, содержащихся в попутных газах нефтедобычи; из жидких углеводородов — низкооктановые фракции прямой перегонки нефти. Выход этилена – около 30%. Одновременно образуется пропилен и ряд жидких продуктов (в том числе ароматических углеводородов).

При хлорировании этилена  получается 1,2-дихлорэтан, гидратация приводит к этиловому спирту, взаимодействие с HCl – к этилхлориду. При окислении этилена кислородом воздуха в присутствии катализатора образуется окись этилена. При жидкофазном каталитическом окислении кислородом получается ацетальдегид, в тех же условиях в присутствии уксусной кислоты – винилацетат. Этилен является алкилирующим агентом , например, в условиях реакции Фриделя-Крафтса способен алкилировать бензол и другие ароматические соединения. Этилен способен полимеризоваться в присутствии катализаторов как самостоятельно, так и выступать в роли сомономера, образуя обширный ряд полимеров с различными свойствами.

Применение

Этилен является одним  из базовых продуктов промышленной химии и стоит в основании  ряда цепочек синтеза. Основное направление  использования этилена — в  качестве мономера при получении  полиэтилена (наиболее крупнотоннажный  полимер в мировом производстве). В зависимости от условий полимеризации  получают полиэтилены низкого давления и полиэтилены высокого давления.

Также полиэтилен применяют  для производства ряда сополимеров, в том числе с пропиленом, стиролом, винилацетатом и другими. Этилен является сырьем для производства окиси  этилена; как алкилирующий агент – при производстве этилбензола, диэтилбензола, триэтилбензола.

Этилен применяют как  исходный материал для производства ацетальдегида и синтетического этилового спирта. Также он используется для синтеза этилацетата, стирола, винилацетата, хлористого винила; при  производстве 1,2-дихлорэтана, хлористого этила.

Этилен используют для  ускорения созревания плодов — например, помидоров, дынь, апельсинов, мандаринов, лимонов, бананов; дефолиации растений, снижения предуборочного опадения плодов, для уменьшения прочности прикрепления плодов к материнским растениям, что облегчает механизированную уборку урожая.

В высоких концентрациях  этилен оказывает на человека и животных наркотическое действие.

Биологическая активность

 

Этен взрывоопасен, КПВ 3-34% (по объему), температура воспламенения 136,1 °С, температура самовоспламенения 540 °С, ПДК в атмосферном воздухе 3 мг/M3, в воздухе рабочей зоны 100 мг/M3.

 

В высоких концентрациях  этен оказывает на человека и животных наркотическое действие.

Определение

Этен это (по ИЮПАК: этилен) — химическое соединение, описываемое формулой С2H4. Является простейшим алкеном (олефином). Содержит двойную связь и поэтому относится к ненасыщенным соединениям.

 

Играет чрезвычайно важную роль в промышленности, а также  является фитогормоном. Этен — самое производимое органическое соединение в мире; общее мировое производство этена в 2005 году составило 107 миллионов тонн и продолжает расти на 4 — 6 % в год.

Физические свойства

Этен (этилен) СН2 = СН2, - бесцветный газ со слабым запахом;

Tкрит 9,2 °С,

Pкрит 5,042 МПа; (жидкости) 0,161 мПа х с; (жидкости) 16,4 мН/м;

давление пара (кПа): 4110 (0 °С), 2200 (-25 °С), 151 (-100 °С); Ср 62,16 Дж/(моль х  К) (-193 °С); -1400 кДж/моль.

Растворимость (мл в 100 мл растворителя при О °С): вода 25,6, этанол 359;

Хорошо растворим в  диэтиловом эфире и углеводородах.

Химическая формула C2H4

Молярная масса 28.05 г/моль

Плотность 0.001178 г/см³

Температура плавления −169.2 °C

Температура кипения −103.7 °C

Рег. номер CAS 74-85-1

Химические свойства

По химическим свойствам - типичный представитель олефинов, обладает высокой реакционной способностью, особенно в реакциях электрофильного присоединения.

При взаимодействии этена с хлором образуется дихлорэтан, который при дегидрохлорировании превращается в винилхлорид; последний может быть получен в одну стадию в присутствии силицида кремния при 450-550 °С.

Гидратация этена приводит к этиловому спирту, гидрогалогенирование - к этилхлориду, взаимодействие с SC12 или S2C12 - к иприту S(CH2CH2C1)2, окисление кислородом или воздухом в присутствии оксида Ag при 200-300 °С - к этиленоксиду; жидкофазное окисление кислородом в водных растворах PdCl2 и СиС12 при 130 °С и 0,3 МПа - к ацетальдегиду; в тех же условиях в присутствии СН3СООН образуется винилацетат.

Этен - алкилирующий агент, широко используется для алкилирования бензола; реакцию проводят в газовой фазе при 400-450 °С и давлении 1,4 МПа в присутствии А1С13 в стационарном слое кизельгура, пропитанного Н3РО4 (возможно использование BF3 и цеолитов).

При хлорировании этена получается 1,2-дихлорэтан, гидратация приводит к этиловому спирту, взаимодействие с HCl – к этилхлориду.

При окислении этена кислородом воздуха в присутствии Катализатора образуется окись этена. При жидкофазном каталитическом окислении кислородом получается ацетальдегид, в тех же условиях в присутствии уксусной кислоты – винилацетат.

Этен является алкилирующим агентом, например, в условиях реакции Фриделя-Крафтса способен алкилировать бензол и другие ароматические соединения.

Этен способен полимеризоваться в присутствии Катализаторов как самостоятельно, так и выступать в роли сомономера, образуя обширный ряд полимеров с различными свойствами.

Галогенирование

Обычной реакцией между галогенами и непредельными углеводородами является присоединение атомов галогена по месту двойной связи с образованием галогенопроизводных с чётным числом атомов галогена. Однако у олефинов с разветвлёнными цепями, а при высокой температуре и у олефинов нормального строения галогенирование протекает сложнее, с образованием полихлоридов и непредельных моногалогенопроизводных.

Активность галогенов  в реакциях присоединения понижается с увеличением их молекулярного  веса. Фтор реагирует весьма энергично, реакция присоединения хлора  протекает несравненно медленнее.

При хлорировании этена сначала получается дихлорэтан:

С2Н4 + Сl2  = С2Н4Сl2 + 201 кДж

Но хлорирование этена может идти и дальше, в результате чего образуется трихлорэтан и тетрахлорэтан. Выход этих продуктов растёт с повышением температуры реакции. Для торможения цепной реакции замещения при хлорировании этена и получения более чистого дихлорэтана процесс ведут при низких температурах и в присутствии небольших количеств хлорного железа и О2.

Следует отметить, что Е.В. Алексеевский в 1928 году установил, что  при пропускании смеси этена и хлора над углём при 120°С получается чистый дихлорэтан с выходом в 80% от теоретического.

Процесс получения дихлорэтана хлорированием этена в промышленности осуществляется в реакторе с мешалкой или башне барботажного типа. Заранее тщательно высушенные, во избежании коррозии аппаратуры, хлор и этен с небольшим избытком последнего (5-10%) поступают раздельно в нижнюю часть реактора 1 и барботируют через слой дихлорэтана.

Избыточный дихлорэтан стекает  в сборник 2. Газы, содержащие пары дихлорэтана, хлористый водород, не прореагировавший этен, поступают в вымораживатель для извлечения дихлорэтана, а оставшиеся газы промываются водой для удаления хлороводорода, после чего выводятся из системы. Из сборника 2 дихлорэтан-сырец насосом 3 направляется в смеситель 4, где растворённый хлористый водород нейтрализуется 5-10%-ным раствором едкого натра. Затем азеотропная смесь дихлорэтан-вода отгоняется при температуре 72°С в колонне азеотропной сушки, не показанной на схеме, и для освобождения от трихлорэтана и других примесей поступает в ректификационную колонну 10.

Процесс осуществляется в среде жидкого дихлорэтана, который растворяет хлор и этен и обеспечивает необходимый отвод тепла из зоны реакции. Циркуляция дихлорэтана через выносной теплообменник позволяет вести реакцию с хорошим выходом при температуре 30-40°С.

Дихлорэтан получил широкое  практическое применение как неогнеопасный  растворитель при извлечении жиров, а также для синтеза таких  ценных химических продуктов, как этиленгликоль  и его эфиры, этилендиамин, дибензил, хлористый винил, полисульфидный синтетический каучук (тиокол) и др. Дихлорэтан используется для борьбы с вредителями с/х (окуривание или фумигация).  

Дихлорэтан легко отщепляет  хлористый водород, превращаясь в хлористый винил.

Производство этого важного  для промышленности мономера осуществляется и другими методами. При хлорировании этена при температуре 430°С образуется хлористый винил:

СН2 = СН2 + Сl2 = СН2 = СНСl + НСl

Хороший выход наблюдается  и при дегидрохлорировании дихлорэтана спиртовым раствором щёлочи:

СН2Сl-СН2Сl + NaOH = СН2 = СНСl + NaСl + Н2О

Для получения этиленгликоля  дихлорэтан нагревают в автоклавах с известью или раствором щелочи. При взаимодействии с известью достаточно 15-20 минутного нагревания при 190°С и 100 атм давления, чтобы получить с выходом 80-85% (А.Л. Клебанский и И.М. Долгопольский, 1933г.).

Хорошие результаты получают при омылении в автоклаве формиатом  натрия в присутствии метанола:

СН2Сl-СН2Сl +2НСООNa + 2СН3ОН = СН2ОН-СН2ОН +2NaCl +2НСООСН3

Образующийся муравьино-метиловый  эфир действием щелочи переводится  в формиат натрия и метиловый  спирт, которые снова реагируют  с дихлорэтаном. Процесс проводится непрерывно.

Практический интерес  представляют также некоторые непредельные хлорфторпроизводные углеводородов, которые можно получить дихлорированием хлорфторпроизводных предельных углеводородов при действии цинковой пыли, например:

CCl2F-CCl2F + Zn = ZnCl2 + CClF = CF2

CCl2F-CCl2F+ Zn = ZnCl2 + CF2 = CF2

Эти непредельные соединения способны полимеризоваться под влиянием перекисей и других инициаторов с образованием важных в практическом отношении продуктов. Как непредельные соединения перфторолефины могут быть использованы и для ряда других синтезов.

- Гидратация этена

Гидратация этена является сейчас одним из основных производственных методов получения этилового спирта. Она осуществляется в промышленности двумя путями:

1) В жидкой фазе при  помощи серной кислоты;

2) Прямым присоединением  воды в газовой фазе с участием  твёрдых Катализаторов.

Способность этена присоединять элементы воды была известна ещё в конце ХVIII века. А.М. Бутлеров в 60-тых годах прошлого столетия применил реакцию гидратации при помощи серной кислоты к различным этиленовым углеводородам.

Реакции, приводящие к образованию  спирта при взаимодействии этена с серной кислотой,могут быть в общем виде представлены следующими уравнениями:

1) СН2 = СН2 + НОSО2ОН = СН3СН2ОSО2ОН  

2) СН3-СН2ОSО2ОН + Н2О = СН3СН2ОН+НОSО2ОН

3) 2СН2 = СН2 + НОSО2ОН = СН3СН2НОSО2ОСН2СН3 

4) СН3СН2НОSО2ОСН2СН3 + 2Н2О = 2С2Н3ОН +НОSО2ОН

Побочными продуктами являются диэтиловый эфир, продукты полимеризации и обугливания этена и др.

Эфир образовывается главным  образом при реакции между  диэтилсульфатом и спиртом

(С2Н3)2SО4 + С2Н3ОН = (С2Н5)2О + С2Н5НSО4

На ход реакции большое  влияние оказывает концентрация этена в исходном газе. При уменьшении концентрации соляной кислоты, t° реакции, парциального давления этена и интенсивности перемешивания реагирующих веществ. С повышением концентрации кислоты скорость поглощения этена увеличивается (93%-ная кислота поглощает в 10 раз медленнее, чем 97,5%-ная), так как увеличивается скорость образования диэтилсульфата. В таком же направлении действует и повышение температуры до определённого предела. На рисунке 2 изображена схема производства спирта непрерывным способом.

Газовая смесь, содержащая не менее 30% этена, или чистый этен, подаётся в нижнюю часть абсорбционной колонны 1 и поднимается вверх навстречу орошающей смеси из серной кислоты и этилсульфатов.  

Абсорбционная колонна представляет собой вертикальный цилиндрический аппарат, выложенный внутри кислотоупорным кирпичом. Внутри цилиндра имеются тарелки с колпачками и змеевиковые холодильники, изготовленные из хромоникелевой стали. На верхнюю тарелку абсорбера подаётся насосом 97-98%-ная серная кислота. К этой кислоте уже в абсорбере добавляется некоторое количество кислоты, содержащей диэтилсульфат и этилсульфат. Такая смесь лучше поглощает этен, чем чистая серная кислота. Происходит поглощение этена с образованием этилсерной кислоты и диэтилсульфата. Эта реакция экзотермическая. Для поддержания нужной температуры необходимо непрерывно отводить избыточное тепло, что и осуществляется при помощи водяных холодильников.

Газ, отходящий из верхней части абсорбера, промывается в специальных скрубберах 2 - водой и 3 - щёлочью и используется или для пиролиза, или в качестве топлива.

Вытекающий из нижней части  абсорбера экстракт, представляющий собой смесь соляной кислоты  с этил- и диэтилсульфатом, охлаждается в холодильнике 4 до 40°С и смешивается с водой. Из смесителя 5 охлаждённый экстракт направляется в гидролизёр 6 типа тарельчатой колонны, где при t°=80-90°С идёт реакция гидролиза с образованием спирта.

Гидролизат, содержащий, кроме спирта, ещё и диэтиловый эфир, соляную кислоту и небольшое количество побочных продуктов, подаётся в отгонную колонну 7. Здесь происходит отгонка эфира, спирта и других легколетучих веществ и одновременно заканчивается гидролиз оставшейся этилсерной кислоты. В нижнюю часть колоны 7 подаётся острый пар.