Этилен или этен — это бесцветный горючий газ, обладающий слабым мускатным и сладким запахом. Его химическая формула C2H4. Этен является простейшим алкеном имеющие одну двойную связь между соседними атомами углерода). Молярная масса — 28,05 г/моль. Температура плавления — -169,2 °С, температура кипения — -103,7 °С. Температура вспышки — -136 °С, самовоспламенения — +542,8 °С. В 1680 году И. Берхером (немецкий врач и химик) из винного спирта при воздействии на него купоросным маслом (так в то время называлась было впервые осуществлено получение этилена из этилового спирта. Структурную формулу этилена в 1860 году установил А. М. Бутлеров в результате реакции йодистого метилена с медью. Этот газ чуть легче воздуха, он плохо растворяется в воде, в органических растворителях — хорошо.
После использования огня ферментация сахара в этанол, возможно, является самой ранней органической реакцией, известной человечеству, и опьяняющие эффекты потребления этанола известны с древних времен. В наше время этанол, предназначенный для промышленного использования, также производится из побочных продуктов нефтепереработки.
Этанол широко используется в качестве растворителя для веществ, предназначенных для контакта с человеком или потребления, включая ароматы, ароматизаторы, красители и лекарства. В химии он является как основным растворителем, так и сырьем для синтеза других продуктов. Этанол имеет долгую историю в качестве топлива, в том числе в качестве топлива для двигателей внутреннего сгорания.
Получение этилена и изучение его свойств, начало которого относится к середине 19 века, привело сегодня к тому, что этилен является самым востребованным органическим соединением. Его мировое производство достигло в 2006 году более 109 миллионов тонн. Сегодня получение этилена продолжает развиваться. К 2010 году его выпускали не менее 117 компаний в 55 странах. Этилен применяют в качестве сырья в производстве полиэтиленов высокого и низкого давления, сэвилена и других полимерных материалов, полученных в процессе сополимеризации с различными сомономерами. Также его используют для получения этилбензола и стирола, окиси этилена, винилхлорида, винилацетата, уксусной кислоты, и этиленгликоля.
Этанол используется людьми с предыстории в качестве опьяняющего ингредиента в алкогольных напитках. Его изоляция как относительно чистого соединения была впервые достигнута мусульманскими химиками, которые развили искусство дистилляции во время Халифата Аббасидов, наиболее известными из которых были Джабир ибн Хайян, Аль-Кинди и Аль-Рази. В статьях, связанных с Джабиром ибн Хайяном, упоминаются легковоспламеняющиеся пары вареного вина. Аль-Кинди недвусмысленно описал дистилляцию вина.
Этила галогениды также могут быть получены путем взаимодействия этанола с более специализированными галогенирующими агентами, такими как тионилхлорид для получения этилхлорида или трибромида фосфора для получения этилбромида. Для этой реакции для получения полезных выходов необходимо удалить воду из реакционной смеси по мере ее образования.
Чем вызван рост нацеленных на получение этилена? Главным образом расширением рынка полимерных материалов. Полиэтилены различных типов потребляют более половины мирового производства этилена. Этот полимерный материал является самым используемым в мире пластиком. Из него изготавливают пленки различного назначения. Линейные альфа-олефины, полученные путем олигомеризации (формирование коротких цепей полимеров) используются в качестве прекурсоров, моющих средств, пластификаторов, синтетических смазочных материалов, присадок, а также в качестве сомономеров в производстве полиэтиленов. Другое важнейшее направление использование этилена — это его окисление с целью получения окиси этилена, являющейся основным сырьем в производстве поверхностно-активные веществ и моющих средств. Окись этилена подвергается гидратации, в результате Он широко используется в качестве автомобильного антифриза.
Этанол также может образовывать сложные эфиры с неорганическими кислотами. Диэтилсульфат и триэтилфосфат, полученные реакцией этанола с серной и фосфорной кислотой, соответственно, являются полезными этилирующими агентами в органическом синтезе. Этилнитрит, полученный из реакции этанола с нитритом натрия и серной кислотой, ранее был широко используемым мочегонным средством.
Какой продукт, диэтиловый эфир или этилен, преобладает, зависит от конкретных условий реакции. Этанол может быть окислен до ацетальдегида и далее окислен до уксусной кислоты. В организме человека эти реакции окисления катализируются ферментами. В лаборатории водные растворы сильных окислителей, таких как хромовая кислота или перманганат калия, окисляют этанол до уксусной кислоты, и трудно остановить реакцию на ацетальдегиде с высоким выходом. Этанол может быть окислен до ацетальдегида без окисления до уксусной кислоты путем взаимодействия его с хлоридом хрома хлорида пиридиния.
Сегодня получение этилена осуществляется в основном в результате пиролиза прямогонного бензина или широкой фракции легких углеводородов. В России и бывших республиках СССР действуют установки различной мощности, построенные как по отечественным (Гипрокаучук, ВНИПИНефть, Башгипронефтехим), так и по зарубежным технологиям (Linde AG). Действующие производства можно разделить на три группы: небольшой мощности (30 и 60 тыс. тонн этилена в год), средней (100 и 200 тыс. тонн в год) и высокой (300 и 450 тыс. тонн этилена в год). Сейчас в мире эксплуатируются установки с гораздо большей мощностью: от 400 до 500 и даже до 800 тысяч тонн этилена в год. Такой рост производства позволяет сокращать удельные материальные, энергетические и капитальные затраты.
Продукт окисления этанола, уксусной кислоты расходуется в качестве питательного вещества организмом человека как ацетил-СоА, где ацетильная группа может быть израсходована в качестве энергии или использована для биосинтеза. Этанол для использования в алкогольных напитках и подавляющая часть этанола для использования в качестве топлива производится путем ферментации.
Процесс культивирования дрожжей в условиях производства спирта называется ферментацией. Токсичность этанола к дрожжам ограничивает концентрацию этанола, получаемую путем варки. Большинство устойчивых к этанолу штаммов дрожжей могут выдержать примерно до 15% этанола по объему.
Получение этилена осуществляется на химических производствах, включающих установку пиролиза, установку газоразделения, установку химводоочистки. Сырье - бензин или другая светлая фракция нефтедобычи или нефтепереработки в смеси с водяным паром (для снижения процесса образования кокса в трубах печей). Сырье поступает в печи пиролиза, где при температуре от 750 до 900 °С образуется пирогаз, состоящий из водорода и углеводородов, в молекулах которых содержится от одного (метан) до двадцати углеродных атомов. Тепло пирогаза утилизируется в специальных аппаратах, где вырабатывается из химочищенной воды пар высокого давления, а охлажденный пирогаз поступает на установку выделения смолы пиролизной (тяжелой) и пироконденсата. После этого пирогаз, содержащий в основном углеводороды от С1 до С4, подается на турбокомпрессор (турбины приводятся в действие паром высокого давления), откуда под давлением подается на установки газоразделения. Здесь происходит выделение таких основных продуктов, как этилен и пропилен (выход его, по сравнению с этиленом, всегда в 2 раза меньше), а также побочных продуктов: водород, метан, этан, пропан, бутилен-бутадиеновая фракция, смола пиролизная легкая или компоненты автмобильных бензинов.
Процесс ферментации должен исключать кислород. Если присутствует кислород, дрожжи подвергаются аэробному дыханию, которое продуцирует углекислый газ и воду, а не этанол. Для производства этанола из крахмальных материалов, таких как зерновые злаки, крахмал должен быть сначала превращен в сахара. В пивоваренном пиве это традиционно было достигнуто за счет того, что зерно прорастало, или солод, который производит фермент, амилазу. Когда солоденное зерно размалывается, амилаза превращает оставшиеся крахмалы в сахара.
Для топливного этанола гидролиз крахмала в глюкозу может быть достигнут быстрее путем обработки разбавленной серной кислотой, продуцируемой грибами амилазой или некоторой комбинации этих двух. Сахара для ферментации этанола можно получить из целлюлозы. Однако до недавнего времени стоимость ферментов целлюлазы, способных к гидролизу целлюлозы, была непомерно высокой. Развертывание этой технологии могло бы превратить целый ряд целлюлозосодержащих сельскохозяйственных побочных продуктов, таких как кукурузные початки, солома и опилки, в возобновляемые источники энергии.
Возможно также получение этилена каталитическим пиролизом. В промышленных масштабах этот метод не реализован, хотя его испытания в нашей стране в свое время проводились не только на лабораторных установках, но и в промышленных условиях. Преимуществом его является возможность снижения температуры пиролиза за счет применения катализаторов. В результате повышения избирательности (селективности) процесса повышается, по сравнению с термическим пиролизом, выход этилена и пропилена, сокращается образование побочных продуктов, а также кокса. В настоящее время исследователи в разных странах работают в направлении поиска эффективного катализатора и аппаратурного оформления процесса.
Другие ферментные компании разрабатывают генно-инженерные грибы, которые производят большие объемы ферментов целлюлазы, ксиланазы и гемицеллюлазы. Они превратили бы сельскохозяйственные остатки, такие как кукуруза, пшеничная солома и сахарный тростник и энергетические культуры, такие как перекись в ферментируемые сахара. Целлюлозосодержащие материалы обычно также содержат другие полисахариды, включая гемицеллюлозу. Когда гидролизуется, гемицеллюлоза разлагается в основном из пятиугольных сахаров, таких как ксилоза.
Другие дрожжи и бактерии находятся на стадии расследования, чтобы бросить ксилозу и другие пентозы в этанол. Партнерство планирует начать производство топлива в большом количестве к концу. Другой перспективной технологией является завод по производству этанола с замкнутым циклом. Этанол, произведенный из кукурузы, имеет ряд критиков, которые считают, что это прежде всего только переработанные ископаемые виды топлива из-за энергии, необходимой для выращивания зерна и превращения его в этанол. Существует также проблема конкуренции с использованием кукурузы для производства продуктов питания.
Наиболее доступный и распространенный лабораторный способ получения этилена - нагревание смеси этилового спирта с концентрированной серной кислотой. Однако первоначально взаимодействие спирта с кислотой приводит к образованию сложного эфира, который затем при нагревании распадается на этилен и серную кислоту:
Таким образом, серная кислота выходит из реакции, т.е. выполняет роль катализатора.
Тем не менее, завод по производству этанола с замкнутым циклом пытается решить эту критику. На заводе с замкнутым контуром энергия для дистилляции поступает из ферментированного навоза, произведенного из крупного рогатого скота, которые были переработаны побочными продуктами дистилляции. Затем остаточный навоз используется для удобрения почвы, используемой для выращивания зерна. Ожидается, что такой процесс будет иметь гораздо более низкое потребление ископаемого топлива.
Хотя на ранней стадии исследований существует некоторая разработка альтернативных методов производства, в которых используются кормовые запасы, такие как коммунальные отходы или переработанные продукты, рисовые корпуса, сахарный тростник, деревья с небольшим диаметром, древесная щепа и отходы.
Уравнение реакции получения этилена дается учащимся лишь в суммарном виде:
Чтобы увеличить выход этилена и тем самым обеспечить проведение всех опытов с ним при экономном расходовании спирта, необходимо учесть следующее.
Этилен, как было показано выше, образуется из кислого этилового эфира серной кислоты (этилсерной кислоты). Если в реакцию этерификации вступит не весь спирт, то при нагревании смеси он будет отгоняться вместе с этиленом, т.е. будет потерян для реакции. Реакция этерификации, как известно, обратима, и при эквимолекулярном соотношении спирта и серной кислоты, кроме эфира, в смеси будет содержаться известное количество спирта и кислоты. Чтобы сдвинуть равновесие в сторону образования эфира и полнее использовать спирт, следует увеличить содержание серной кислоты. Опыт показывает, что при увеличении количества кислоты количество этерифицируюшегося спирта в начале заметно возрастает, а после того как соотношение количеств кислоты и спирта достигнет примерно 3:1, оно возрастает уже незначительно. Поэтому практически наилучшие результаты получаются, если на 1 моль (46 г) спирта брать 3 моля (3 o 98 = 294 г) серной кислоты или на 1 объем спирта брать примерно тройной объем концентрированной серной кислоты. В таком случае спирт будет этерифицирован в значительной своей части, потери его будут очень невелики и выход этилена возрастет.
Другие способы получения абсолютного этанола включают высушивание с использованием адсорбентов, таких как крахмал или цеолиты, которые адсорбируют воду преимущественно, а также азеотропную перегонку и экстрактивную дистилляцию. Чистый этанол и алкогольные напитки сильно облагаются налогом. Этанол имеет много применений, которые не связаны с потреблением человеком. Чтобы уменьшить налоговую нагрузку на эти заявки, большинство юрисдикций отказываются от налога, когда агенты добавляются к этанолу, чтобы сделать его непригодным для потребления человеком.
По мере разложения эфира концентрация кислоты будет увеличиваться, и условия для более полного использования спирта будут улучшаться. Чтобы реакция шла без обильного пенообразования и сильных толчков, к смеси добавляют битое стекло или фарфоровую крошку, обеспечивающие равномерное кипение.
Демонстрационный опыт проводят следующим образом. В колбу емкостью 300-500 мл наливают 20 мл этилового спирта и постепенно добавляют 60 мл концентрированной серной кислоты. Смесь взбалтывают и охлаждают в струе воды. Затем насыпают фарфоровую крошку, закрывают колбу плотно пробкой с отводной трубкой и присоединяют промывные склянки (лучше склянки Тищенко) с концентрированной серной кислотой и с 10-процентным раствором щелочи. К склянке со щелочью присоединяют стеклянную трубку, опущенную в ванночку с водой для собирания газа:
К ним относятся горькие агенты, такие как бензоат денатония, а также токсины, такие как метанол, нафта и пиридин. Абсолютный или безводный спирт обычно относится к очищенному этанолу, содержащему не более одного процента воды. Абсолютный алкоголь, не предназначенный для потребления человеком, часто содержит следовые количества токсичного бензола. Как правило, этот тип этанола используется в качестве растворителей для лабораторных и промышленных установок, где вода нарушает желаемую реакцию.
Наибольшее одноразовое использование этанола является моторным топливом и топливной добавкой. Крупнейшие национальные отрасли топливного этанола существуют в Бразилии. Поверхностно этанол вызывает особое теплоподобное ощущение во рту и ощущение жжения на коже. В организме он метаболизируется с другими веществами, особенно в центральной нервной системе. Эффект варьируется между индивидуумами и может быть хуже при применении в дополнение к определенным лекарственным средствам, таким как опиоиды или бензодиазепины.
Колбу укрепляют в штативе на асбестированной сетке или на песочной бане и нагревают тем или иным способом, предварительно проверив прибор, как обычно, на герметичность. Вначале нагревание ведут довольно интенсивно, чтобы быстро перейти "порог" образования этилового эфира (140°С), затем, когда начнет выделяться этилен, нагревают медленно, поддерживая равномерный ток газа и по возможности не допуская вспенивания.
Чистый этанол не вызывает ощущения вкуса, но сильное и своеобразное ощущение запаха. С другой стороны, он вызывает характерное теплоподобное ощущение при введении в контакт с языком или слизистыми оболочками, что объясняет его влияние на алкогольные напитки. При нанесении на открытые раны он вызывает сильное ощущение жжения. Чистый или высококонцентрированный этанол может навсегда повредить живую ткань при контакте. Этанол, нанесенный на несломанную кожу, быстро охлаждает кожу путем испарения.
Этанол в организме человека превращается в ацетальдегид спиртовой дегидрогеназой, а затем в уксусную кислоту с помощью ацетальдегиддегидрогеназы. Продукт первой стадии этого разрушения, ацетальдегид, более токсичен, чем этанол. Ацетальдегид связан с большинством клинических эффектов алкоголя. Было показано, что увеличивается риск развития цирроза печени, множественных форм рака и алкоголизма.
Когда проба газа в пробирке покажет, что воздух полностью вытеснен из прибора, этилен собирают в цилиндры и газометр, как было описано выше, или непосредственно используют для опытов: поджигают у отводной трубки, пропускают и бромную воду и т.п. Для прекращения реакции удаляют газоотводную трубку из ванны, отделяют промывные склянки от колбы и только после этого прекращают нагревание. При получении больших количеств этилена (например, при наполнении газометра для опытов, проводимых в нескольких классах) следует взять больше исходной смеси веществ.
Основываясь на своих способностях изменить человеческое сознание, этанол считается лекарственным средством. Смерть от потребления этилового спирта возможна, когда уровень алкоголя в крови достигает 4%. Уровень крови в 5% и более обычно смертелен. Уровни даже менее 1% могут вызвать интоксикацию, при этом бессознательное часто встречается на 3-4%. Количество этанола в организме обычно количественно определяется содержанием алкоголя в крови, миллиграммами этанола на 100 миллилитров крови. В таблице справа суммируются симптомы потребления этанола.
Для постановки в качестве лабораторного опыта эксперимент можно значительно упростить. В пробирку, закрепленную в штативе, наливают 1 мл этилового спирта и осторожно прилипают 3 мл концентрированной серной кислоты. Добавляют несколько фарфоровых крупинок и закрывают пробирку пробкой, в которую вставлен узкий конец хлоркальциевой трубки, содержащей патронную известь (для улавливания оксидов серы и углерода). Широкий конец хлоркальциевой трубки закрывают пробкой с газоотводной трубкой, на конец которой надет резиновый шланг. Содержимое пробирки осторожно нагревают. Выждав некоторое время, необходимое для вытеснения из пробирки воздуха, этилен собирают в другую пробирку по принципу вытеснения или пропускают в реакционный раствор брома или перманганата калия.
Небольшие дозы этанола обычно вызывают эйфорию и расслабление; люди, испытывающие эти симптомы, как правило, становятся болтливыми и менее подавленными, и могут проявлять плохое суждение. В более высоких дозах этанол действует как депрессант центральной нервной системы, производя при прогрессивно более высоких дозировках, нарушенной сенсорной и двигательной функции, замедление познания, одурманивание, бессознательность и возможную смерть.
В Америке около половины смертей в автомобильных авариях приходится на аварии, связанные с алкоголем. Для вождения нет абсолютно безопасного уровня алкоголя; риск смертельной автомобильной аварии повышается с уровнем алкоголя в крови водителя. Однако большинство законов о вождении в нетрезвом состоянии, регулирующих допустимые уровни в крови при движении или эксплуатации тяжелой техники, устанавливают типичные верхние пределы между 05% или 08%.
