Etilen: Khái niệm, tính chất và ứng dụng

Etilen, hay còn gọi là etylen hoặc eten, là một hợp chất hữu cơ đơn giản nhất thuộc nhóm anken với công thức hóa học C2H4. Etilen đóng vai trò thiết yếu trong nhiều lĩnh vực của đời sống và sản xuất, là nguyên liệu đầu vào cho sản xuất các hợp chất hữu cơ quan trọng, cao su tổng hợp và đóng vai trò hormone thực vật ảnh hưởng đến quá trình sinh trưởng và phát triển của cây. Bài viết này, yeuhoahoc.edu.vn sẽ cung cấp cho bạn những thông tin chi tiết về etilen, bao gồm tính chất vật lý và hóa học, phương pháp điều chế, ứng dụng và các biện pháp an toàn khi sử dụng.

Etilen là gì?

Etilen (hay còn gọi là ethylene, tên IUPAC: ethene) là một hợp chất hữu cơ thuộc nhóm anken, có công thức hóa học là C2H4 hoặc H2C=CH2. Etilen là chất khí không màu, không mùi, hơi nhẹ hơn không khí, ít tan trong nước nhưng tan nhiều trong ether và một số dung môi hữu cơ. Etilen dễ cháy và khi đốt cháy sẽ tạo ra ngọn lửa màu vàng.

Etilen là một trong những hợp chất hữu cơ quan trọng nhất trong ngành công nghiệp hóa chất. Etilen được dùng để chế tạo nhiều loại sản phẩm như:

• Nhựa: Polyethylene (PE), Polyvinyl chloride (PVC), Polystyrene (PS),…
• Xơ: Polyester, Polyamide,…
• Chất dẻo: Ethylene glycol, Glycol ether,…
• Alcool: Ethanol
• Cao su: Cao su tổng hợp

Công thức hóa học và cấu trúc phân tử của etilen

$\mathrm{Công} \mathrm{thức} \mathrm{hóa} \mathrm{học} \mathrm{của} \mathrm{etilen}: {\mathrm{C}}_2{\mathrm{H}}_4 \mathrm{hoặc} {\mathrm{H}}_2\mathrm{C}={\mathrm{CH}}_2$

Cấu trúc phân tử của etilen:

• Phân tử etilen có cấu trúc hình tứ diện với 4 nguyên tử C và 4 nguyên tử H.
• Hai nguyên tử C liên kết với nhau bằng một liên kết đôi covalent (c=c)
• Mỗi nguyên tử C còn liên kết với 2 nguyên tử H bằng liên kết đơn covalent (c-h)

Đặc điểm cấu trúc:

• Liên kết đôi covalent ngắn hơn và bền hơn liên kết đơn covalent.
• Do có liên kết đôi covalent mà phân tử etilen phẳng và có thể xoay tự do.

Nguồn gốc và phương pháp sản xuất etilen

Nguồn gốc tự nhiên của etilen

Etilen, hay còn gọi là etylen, là một hợp chất hữu cơ khí không màu, có mùi hăng nhẹ. Nó là một trong những hóa chất cơ bản quan trọng nhất trong ngành công nghiệp hóa chất, được sử dụng để sản xuất nhiều loại sản phẩm như nhựa, cao su, dung môi, và chất chống đông.

Etilen được tìm thấy trong tự nhiên trong một số loại trái cây chín, hoa, và rau. Nó cũng được tạo ra bởi một số vi sinh vật và thực vật như một phần của quá trình sinh trưởng và phát triển. Tuy nhiên, nguồn cung cấp etilen tự nhiên này không đủ để đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng của ngành công nghiệp hóa chất.

Phương pháp sản xuất etilen từ dầu mỏ

Phương pháp sản xuất etilen phổ biến nhất hiện nay là từ dầu mỏ. Quá trình này được gọi là phá nứt hơi nước (steam cracking). Trong quá trình này, naphtha, một sản phẩm chưng cất của dầu mỏ, được nung nóng ở nhiệt độ cao (khoảng 800°C) với sự hiện diện của hơi nước. Nhiệt độ và hơi nước phá vỡ các phân tử naphtha lớn thành các phân tử nhỏ hơn, bao gồm cả etilen.

Phương pháp phá nứt hơi nước có hiệu quả cao và tương đối rẻ tiền, do đó nó là phương pháp sản xuất etilen được lựa chọn cho hầu hết các nhà máy trên thế giới. Tuy nhiên, quá trình này cũng tạo ra một lượng lớn khí thải nhà kính, bao gồm carbon dioxide và methane.

Phương pháp sản xuất etilen từ khí thiên nhiên

Một phương pháp sản xuất etilen ngày càng phổ biến hơn là từ khí thiên nhiên. Quá trình này được gọi là phá nứt bằng xúc tác (catalytic cracking). Trong quá trình này, khí thiên nhiên được đưa qua một buồng xúc tác ở nhiệt độ cao (khoảng 500°C). Xúc tác giúp phá vỡ các phân tử khí thiên nhiên thành các phân tử nhỏ hơn, bao gồm cả etilen.

Phương pháp phá nứt bằng xúc tác ít gây ô nhiễm môi trường hơn so với phương pháp phá nứt hơi nước. Tuy nhiên, nó cũng đắt hơn và yêu cầu công nghệ phức tạp hơn.

Ngoài hai phương pháp chính này, còn có một số phương pháp sản xuất etilen khác ít phổ biến hơn, chẳng hạn như phân hủy nhiệt và khử hydro hóa ankan.

Tính chất của etilen

Tính chất vật lý

• Trạng thái: Chất khí không màu, không mùi, nhẹ hơn không khí (d = 28/29).
• Điểm sôi: -103,7 °C
• Điểm nóng chảy: -169,2 °C
• Độ tan: Ít tan trong nước, tan nhiều trong các dung môi hữu cơ như ether, benzene,…
• Dễ cháy: Cháy trong không khí với ngọn lửa màu vàng.

Tính chất hóa học

Phản ứng đặc trưng: Phản ứng cộng

Phản ứng cộng với halogen:

${\mathrm{C}}_2{\mathrm{H}}_4 + {\mathrm{Br}}_2 ––> {\mathrm{CH}}_2\mathrm{Br}–{\mathrm{CH}}_2\mathrm{Br} \left(\mathrm{đibrometan}\right)$

Phản ứng cộng với hidro:

${\mathrm{C}}_2{\mathrm{H}}_4 + {\mathrm{H}}_2 (\mathrm{Ni}, \mathrm{t}°) ––> {\mathrm{CH}}_3–{\mathrm{CH}}_3 \left(\mathrm{etan}\right)$

Phản ứng cộng với HX (X = Cl, Br, I):

${\mathrm{C}}_2{\mathrm{H}}_4 + \mathrm{HX} ––> {\mathrm{CH}}_3–{\mathrm{CH}}_2\mathrm{X} (\mathrm{alkyl} \mathrm{halogenua})$

Phản ứng trùng hợp:

$\mathrm{n} {\mathrm{C}}_2{\mathrm{H}}_4 ––> (–{\mathrm{CH}}_2–{\mathrm{CH}}_2–)\mathrm{n} \left(\mathrm{polyethylene}\right)$

Phản ứng khác:

Phản ứng oxi hóa:

${\mathrm{C}}_2{\mathrm{H}}_4 + 3{\mathrm{O}}_2 ––> 2{\mathrm{CO}}_2 + 2{\mathrm{H}}_2\mathrm{O} (\mathrm{tỏa} \mathrm{nhiệt})$

Phản ứng khử:

${\mathrm{C}}_2{\mathrm{H}}_4 + {\mathrm{H}}_{2 }––> {\mathrm{CH}}_3–{\mathrm{CH}}_3 (\mathrm{Ni}, \mathrm{t}°)$

Ứng dụng của etilen

Etilen là một hợp chất hữu cơ quan trọng với nhiều ứng dụng trong đời sống. 

Sản xuất nhựa polyethylene:

• Polyethylene (PE) là loại nhựa được sản xuất từ etilen với sản lượng lớn nhất trên thế giới. PE được sử dụng để sản xuất nhiều loại sản phẩm như:
  • Túi nilon, màng bọc thực phẩm, chai lọ nhựa,…
  • Ống nước, dây điện, cáp quang,…
  • Các bộ phận của xe hơi, đồ chơi trẻ em,…

Sản xuất cao su tổng hợp:

• Cao su tổng hợp được sản xuất từ etilen và các chất khác. Cao su tổng hợp có nhiều ưu điểm so với cao su thiên nhiên như:
  • Độ bền cao, chịu được mài mòn tốt.
  • Chịu được nhiệt độ và hóa chất tốt.
  • Có thể sản xuất với nhiều tính chất khác nhau theo yêu cầu sử dụng.
• Cao su tổng hợp được sử dụng để sản xuất nhiều loại sản phẩm như:
  • Lốp xe, săm xe,…
  • Các bộ phận của máy móc, thiết bị,…
  • Giày dép, quần áo,…

Sản xuất ethylene glycol:

• Ethylene glycol là một hợp chất hữu cơ quan trọng được sử dụng trong nhiều ngành công nghiệp như:
  • Ngành sản xuất nước làm mát động cơ ô tô.
  • Ngành sản xuất polyester.
  • Ngành sản xuất mỹ phẩm.
  • Ngành sản xuất dược phẩm.

Sản xuất các hóa chất khác:

• Etilen được sử dụng để sản xuất nhiều loại hóa chất khác như:
  • Ethanol
  • Acetaldehyde
  • Vinyl chloride
  • Styrene

Ứng dụng của etilen trong sản xuất thuốc trừ sâu, thuốc diệt cỏ:

• Etilen là nguyên liệu quan trọng để sản xuất nhiều loại thuốc trừ sâu, thuốc diệt cỏ. Một số ví dụ điển hình như:
  • 2,4-D
  • Paraquat
  • Glyphosate

An toàn khi sử dụng etilen

Etilen là một hợp chất khí không màu, không mùi, dễ cháy nổ và có thể gây độc nếu hít phải với nồng độ cao. Do đó, việc sử dụng etilen cần được thực hiện một cách an toàn để bảo vệ sức khỏe của người lao động và môi trường.

Nguy cơ tiềm ẩn khi sử dụng etilen

• Độc hại: Hít phải etilen với nồng độ cao có thể gây ra các triệu chứng như buồn nôn, nôn mửa, chóng mặt, nhức đầu, mất ý thức và thậm chí tử vong.
• Dễ cháy nổ: Etilen là một khí dễ cháy nổ và có thể hình thành hỗn hợp nguy hiểm với không khí. Nguy cơ cháy nổ tăng cao khi có mặt tia lửa điện, ngọn lửa hoặc nhiệt độ cao.
• Đông lạnh: Etilen ở dạng lỏng có thể gây tê và đông lạnh da và các mô tiếp xúc.

Biện pháp an toàn khi sử dụng etilen

Bảo hộ lao động:

• Cung cấp cho người lao động trang phục bảo hộ phù hợp, bao gồm găng tay, kính bảo hộ, mặt nạ phòng độc và quần áo bảo hộ.
• Huấn luyện người lao động về cách sử dụng etilen an toàn và các biện pháp phòng ngừa tai nạn.
• Đặt biển cảnh báo nguy hiểm tại khu vực sử dụng etilen.

Phòng chống cháy nổ:

• Lắp đặt hệ thống thông gió phù hợp để đảm bảo nồng độ etilen trong không khí luôn ở mức an toàn.
• Sử dụng các thiết bị điện an toàn chống cháy nổ.
• Cấm hút thuốc và sử dụng ngọn lửa trong khu vực sử dụng etilen.
• Thường xuyên kiểm tra và bảo dưỡng các thiết bị và hệ thống liên quan đến việc sử dụng etilen.

Lưu trữ và vận chuyển:

• Lưu trữ etilen trong các bình chứa kín và có áp suất phù hợp.
• Bảo quản etilen ở nơi khô ráo, thoáng mát, tránh ánh nắng trực tiếp và xa nguồn nhiệt.
• Vận chuyển etilen bằng các phương tiện chuyên dụng và tuân thủ các quy định an toàn vận chuyển.

Xử lý sự cố:

• Có kế hoạch và quy trình xử lý sự cố rõ ràng trong trường hợp rò rỉ etilen.
• Trang bị các thiết bị và vật liệu phù hợp để xử lý sự cố rò rỉ etilen.
• Huấn luyện nhân viên về cách xử lý sự cố rò rỉ etilen.

Etilen là một hợp chất hữu cơ quan trọng với nhiều ứng dụng đa dạng trong đời sống và sản xuất. Hiểu rõ về tính chất, điều chế, ứng dụng và an toàn khi sử dụng etilen sẽ giúp chúng ta khai thác tối ưu tiềm năng của hợp chất này và góp phần thúc đẩy sự phát triển của các ngành công nghiệp liên quan.