Acetylen
|
|
|
|
|
|
|
|
| Nazwy | |
|---|---|
|
Preferowana nazwa IUPAC
Acetylen |
|
|
Systematyczna nazwa IUPAC
Etyn |
|
| Identyfikatory | |
|
Model 3D ( JSmol )
|
|
| 906677 | |
| CHEBI | |
| CHEMBL | |
| ChemSpider | |
| Karta informacyjna ECHA | 100.000.743 |
| Numer WE |
|
| 210 | |
| KEGG | |
|
Identyfikator klienta PubChem
|
|
| Numer RTECS |
|
| UNII | |
| Numer ONZ |
1001 (rozpuszczony) 3138 (w mieszaninie z etylenem i propylenem ) |
|
Pulpit nawigacyjny CompTox ( EPA )
|
|
|
|
|
|
| Nieruchomości | |
| C 2 H 2 | |
| Masa cząsteczkowa | 26,038 g · mol -1 |
| Wygląd | Bezbarwny gaz |
| Zapach | Bezwonny |
| Gęstość | 1,1772 g/l = 1,1772 kg/m3 ( 0°C, 101,3 kPa) |
| Temperatura topnienia | -80,8 ° C (-113,4 ° F; 192,3 K) Punkt potrójny przy 1,27 atm |
| −84°C; −119 ° F; 189 K (1 atm) | |
| słabo rozpuszczalny | |
| Rozpuszczalność |
słabo rozpuszczalny w alkoholu rozpuszczalny w acetonie , benzenie |
| Ciśnienie pary | 44,2 atmosfer (20 ° C) |
| Kwasowość ( p Ka ) | 25 |
| Kwas sprzężony | Etyn |
| −20,8 × 10 −6 cm3 / mol | |
| Przewodność cieplna | 21,4 mW·m −1 ·K −1 (300 K) |
| Struktura | |
| Liniowy | |
| Termochemia | |
|
Pojemność cieplna ( C )
|
44,036 J·mol -1 ·K -1 |
|
Standardowa entropia molowa ( S ⦵ 298 ) |
200,927 J · mol -1 · K -1 |
|
Standardowa entalpia formowania (Δ f H ⦵ 298 ) |
227,400 kJ · mol -1 |
|
Energia swobodna Gibbsa (Δ f G ⦵ )
|
209,879 kJ · mol -1 |
|
Standardowa entalpia spalania (Δ c H ⦵ 298 ) |
1300 kJ · mol -1 |
| Zagrożenia | |
| Oznakowanie GHS : | |
 
|
|
| Niebezpieczeństwo | |
| H220 , H336 | |
| P202 , P210 , P233 , P261 , P271 , P304 , P312 , P340 , P377 , P381 , P403 , P405 , P501 | |
| NFPA 704 (ognisty diament) | |
| 300 ° C (572 ° F; 573 K) | |
| Wybuchowe granice | 2,5–100% |
| NIOSH (limity narażenia na zdrowie w USA): | |
|
PEL (dopuszczalny)
|
nic |
|
REL (zalecane)
|
C 2500 ppm (2662 mg/ m3 ) |
|
IDLH (bezpośrednie zagrożenie)
|
ND |
|
O ile nie zaznaczono inaczej, dane podano dla materiałów w stanie normalnym (przy 25°C [77°F], 100 kPa).
|
|
Acetylen ( nazwa systematyczna : etyn ) jest związkiem chemicznym o wzorze C 2 H 2 i strukturze H−C≡C−H . Jest to węglowodór i najprostszy alkin . Ten bezbarwny gaz jest szeroko stosowany jako paliwo i chemiczny budulec. Jest niestabilny w czystej postaci i dlatego jest zwykle traktowany jako roztwór. Czysty acetylen jest bezwonny, ale gatunki handlowe zwykle mają wyraźny zapach z powodu zanieczyszczeń, takich jak siarczek diwinylu i fosfina .
Jako alkin acetylen jest nienasycony , ponieważ jego dwa atomy węgla są połączone ze sobą potrójnym wiązaniem . Potrójne wiązanie węgiel-węgiel umieszcza wszystkie cztery atomy w tej samej linii prostej, z kątami wiązania CCH wynoszącymi 180 °.
Odkrycie
Acetylen został odkryty w 1836 roku przez Edmunda Davy'ego , który zidentyfikował go jako „nowy gaźnik wodoru”. Było to przypadkowe odkrycie podczas próby wyizolowania potasu . Ogrzewając węglan potasu z węglem w bardzo wysokich temperaturach, wytworzył pozostałość tak zwanego węglika potasu (K 2 C 2 ), który reagował z wodą, uwalniając nowy gaz. Został ponownie odkryty w 1860 roku przez francuskiego chemika Marcellina Berthelota , który ukuł nazwę acétylène . Empiryczny wzór Berthelota na acetylen (C 4 H 2 ), jak również alternatywna nazwa „ quadricarbure d'hydrogène ” (wodór czterowęglikowy), były błędne, ponieważ wielu chemików w tamtym czasie używało niewłaściwej masy atomowej dla węgla (6 zamiast 12) . Berthelot był w stanie przygotować ten gaz, przepuszczając opary związków organicznych (metanol, etanol itp.) Przez rozgrzaną do czerwoności rurę i zbierając ścieki . Odkrył również, że acetylen powstał w wyniku iskrzenia elektryczności przez mieszane cyjanu i wodoru . Berthelot później uzyskał acetylen bezpośrednio przepuszczając wodór między biegunami łuku węglowego .
Przygotowanie
lat pięćdziesiątych XX wieku acetylen jest wytwarzany głównie przez częściowe spalanie metanu . Jest to produkt uboczny odzysku przy produkcji etylenu z krakingu węglowodorów . W 1983 roku tą metodą wyprodukowano około 400 000 ton. Jego obecność w etylenie jest zwykle niepożądana ze względu na jego wybuchowy charakter i zdolność do zatruwania katalizatorów Zieglera-Natty . Jest selektywnie uwodorniany do etylenu , zwykle przy użyciu katalizatorów Pd - Ag .
Aż do lat pięćdziesiątych XX wieku, kiedy ropa wyparła węgiel jako główne źródło redukcji węgla, acetylen (i frakcja aromatyczna ze smoły węglowej ) był głównym źródłem chemikaliów organicznych w przemyśle chemicznym. Został przygotowany przez hydrolizę węglika wapnia , reakcję odkrytą przez Friedricha Wöhlera w 1862 roku i nadal znaną studentom:
Produkcja węglika wapnia wymaga ekstremalnie wysokich temperatur, ~2000 °C, co wymaga użycia elektrycznego pieca łukowego . W Stanach Zjednoczonych proces ten był ważną częścią rewolucji chemicznej pod koniec XIX wieku, którą umożliwił ogromny elektrowni wodnej w wodospadzie Niagara .
Klejenie
Jeśli chodzi o teorię wiązań walencyjnych , w każdym atomie węgla orbital 2s hybrydyzuje z jednym orbitalem 2p, tworząc w ten sposób hybrydę sp. Pozostałe dwa orbitale 2p pozostają niezhybrydyzowane. Dwa końce dwóch orbitalów hybrydowych sp nakładają się , tworząc silne wiązanie walencyjne σ między atomami węgla, podczas gdy na każdym z pozostałych dwóch końców atomy wodoru przyłączają się również wiązaniami σ. Dwa niezmienione orbitale 2p tworzą parę słabszych wiązań π .
Ponieważ acetylen jest cząsteczką liniowo-symetryczną , posiada grupę punktową D ∞h .
Właściwości fizyczne
Zmiany stanu
Pod ciśnieniem atmosferycznym acetylen nie może istnieć jako ciecz i nie ma temperatury topnienia. Punkt potrójny na diagramie fazowym odpowiada temperaturze topnienia (-80,8 ° C) przy minimalnym ciśnieniu, przy którym może istnieć ciekły acetylen (1,27 atm). W temperaturach poniżej punktu potrójnego acetylen w stanie stałym może zmienić się bezpośrednio w parę (gaz) poprzez sublimację . Punkt sublimacji pod ciśnieniem atmosferycznym wynosi -84,0 ° C.
Inny
W temperaturze pokojowej rozpuszczalność acetylenu w acetonie wynosi 27,9 g na kg. Dla tej samej ilości dimetyloformamidu (DMF) rozpuszczalność wynosi 51 g. Przy 20,26 bara rozpuszczalność wzrasta odpowiednio do 689,0 i 628,0 g dla acetonu i DMF. Rozpuszczalniki te są stosowane w butlach gazowych pod ciśnieniem.
Aplikacje
Spawalniczy
Około 20% acetylenu jest dostarczane przez przemysł gazów przemysłowych do spawania i cięcia gazem acetylenowym ze względu na wysoką temperaturę płomienia. Spalanie acetylenu z tlenem wytwarza płomień o temperaturze ponad 3600 K (3330 ° C; 6020 ° F), uwalniając 11,8 kJ / g. Tlenoacetylen jest najgorętszym palącym się powszechnym paliwem gazowym. Acetylen jest trzecim najgorętszym naturalnym płomieniem chemicznym po dicyjanoacetylenie o temperaturze 5260 K (4990 ° C; 9010 ° F) i cyjanowie o temperaturze 4798 K (4525 ° C; 8177 ° F). Spawanie tlenowo-acetylenowe było popularnym procesem spawalniczym w poprzednich dziesięcioleciach. Rozwój i zalety procesów spawania łukowego sprawiły, że spawanie tlenowo-paliwowe prawie wymarło w wielu zastosowaniach. Zużycie acetylenu do spawania znacznie spadło. Z drugiej strony sprzęt do spawania acetylenowo-tlenowego jest dość wszechstronny – nie tylko dlatego, że palnik jest preferowany do niektórych rodzajów spawania żelaza lub stali (jak w niektórych zastosowaniach artystycznych), ale także dlatego, że łatwo nadaje się do lutowania twardego, lutospawania , podgrzewanie metalu (do wyżarzania lub odpuszczania, gięcia lub formowania), odkręcanie skorodowanych nakrętek i śrub oraz inne zastosowania. Technicy zajmujący się naprawą kabli firmy Bell Canada nadal używają przenośnych zestawów palników zasilanych acetylenem jako narzędzi lutowniczych do uszczelniania połączeń ołowianych tulei w studzienkach i niektórych miejscach napowietrznych. Spawanie acetylenowo-tlenowe może być również stosowane w obszarach, w których energia elektryczna nie jest łatwo dostępna. Cięcie tlenowo-acetylenowe jest stosowane w wielu zakładach zajmujących się obróbką metali. Podczas spawania i cięcia ciśnienie robocze musi być kontrolowane przez regulator, ponieważ powyżej 15 psi (100 kPa) pod wpływem fali uderzeniowej (spowodowanej na przykład cofnięciem się płomienia) acetylen rozkłada się wybuchowo na wodór i węgiel .
Przenośne oświetlenie
Spalanie acetylenu wytwarza silne, jasne światło, a wszechobecność lamp karbidowych przyczyniła się do znacznej komercjalizacji acetylenu na początku XX wieku. Typowe zastosowania obejmowały nadmorskie latarnie morskie , latarnie uliczne oraz reflektory samochodowe i górnicze . W większości tych zastosowań bezpośrednie spalanie stwarza zagrożenie pożarowe , dlatego acetylen został zastąpiony najpierw oświetleniem żarowym , a wiele lat później diodami LED o małej mocy i dużym strumieniu świetlnym. Niemniej jednak lampy acetylenowe są nadal w ograniczonym użyciu w odległych lub niedostępnych w inny sposób obszarach oraz w krajach o słabej lub zawodnej centralnej sieci elektrycznej .
Tworzywa sztuczne i pochodne kwasu akrylowego
Acetylen można częściowo uwodornić do etylenu , dostarczając surowiec do różnych tworzyw polietylenowych . Innym ważnym zastosowaniem acetylenu, zwłaszcza w Chinach, jest jego konwersja do pochodnych kwasu akrylowego . Te pochodne tworzą produkty, takie jak włókna akrylowe , szkło , farby , żywice i polimery .
Z wyjątkiem Chin, zużycie acetylenu jako surowca chemicznego spadło o 70% w latach 1965-2007 ze względu na koszty i względy środowiskowe.
Aplikacje niszowe
W 1881 roku rosyjski chemik Michaił Kucherow opisał uwodnienie acetylenu do aldehydu octowego przy użyciu katalizatorów, takich jak bromek rtęci (II) . Przed pojawieniem się procesu Wackera reakcja ta była prowadzona na skalę przemysłową.
W wyniku polimeryzacji acetylenu z katalizatorami Zieglera-Natty powstają folie poliacetylenowe . Poliacetylen, łańcuch centrów CH z naprzemiennymi wiązaniami pojedynczymi i podwójnymi, był jednym z pierwszych odkrytych półprzewodników organicznych . Jego reakcja z jodem daje materiał o dużej przewodności elektrycznej. Chociaż takie materiały nie są przydatne, odkrycia te doprowadziły do rozwoju półprzewodników organicznych , co zostało przyznane Nagrodzie Nobla w dziedzinie chemii w 2000 r. Alanowi J. Heegerowi , Alanowi G. MacDiarmidowi i Hidekiemu Shirakawie .
W latach dwudziestych XX wieku czysty acetylen był eksperymentalnie stosowany jako środek znieczulający wziewnie .
Acetylen jest czasami używany do nawęglania (czyli utwardzania) stali, gdy przedmiot jest zbyt duży, aby zmieścić się w piecu.
Acetylen jest używany do ulatniania węgla w datowaniu radiowęglowym . Materiał węglowy w próbce archeologicznej jest traktowany litem w małym specjalistycznym piecu badawczym w celu utworzenia węglika litu (znanego również jako acetylenek litu). Węglik można następnie poddać reakcji z wodą, jak zwykle, z wytworzeniem gazowego acetylenu do wprowadzenia do spektrometru masowego w celu zmierzenia stosunku izotopowego węgla-14 do węgla-12.
Występowanie naturalne
Bogactwo energii potrójnego wiązania C≡C i dość wysoka rozpuszczalność acetylenu w wodzie sprawiają, że jest on odpowiednim substratem dla bakterii, pod warunkiem, że dostępne jest odpowiednie źródło. Zidentyfikowano wiele bakterii żyjących na acetylenie. Enzym hydrataza acetylenowa katalizuje uwodnienie acetylenu do aldehydu octowego :
Acetylen jest umiarkowanie powszechnym związkiem chemicznym we wszechświecie, często związanym z atmosferami gazowych olbrzymów . Ciekawym odkryciem acetylenu jest Enceladus , księżyc Saturna . Uważa się, że naturalny acetylen powstaje w wyniku katalitycznego rozkładu długołańcuchowych węglowodorów w temperaturach 1700 K (1430 ° C; 2600 ° F) i wyższych. Ponieważ takie temperatury są wysoce nieprawdopodobne na tak małym odległym ciele, odkrycie to potencjalnie sugeruje reakcje katalityczne w obrębie tego księżyca, co czyni go obiecującym miejscem do poszukiwań chemii prebiotycznej.
Reakcje
Reakcje winylowania
W „reakcjach winylowania związki H-X dodają się do potrójnego wiązania. Alkohole i fenole dodają się do acetylenu, dając etery winylowe . Tiole dają tioetery winylowe. Podobnie winylopirolidon i winylokarbazol są wytwarzane przemysłowo przez winylowanie 2-pirolidonu i karbazolu .
Uwodnienie acetylenu jest reakcją winylowania, ale powstały alkohol winylowy izomeryzuje do aldehydu octowego . Reakcję katalizują sole rtęci. Ta reakcja była niegdyś dominującą technologią produkcji aldehydu octowego, ale została wyparta przez proces Wackera , który daje aldehyd octowy poprzez utlenianie etylenu , tańszego surowca. Podobna sytuacja dotyczy konwersji acetylenu do cennego chlorku winylu przez chlorowodorowanie w porównaniu z oksychlorowaniem etylenu.
Octan winylu jest używany zamiast acetylenu do niektórych winylacji, które są dokładniej określane jako transwinylacje . Wyższe estry octanu winylu stosowano w syntezie mrówczanu winylu .
Etynylacja
Acetylen dodaje się do aldehydów i ketonów , tworząc alkohole α-etynylowe:
Reakcja z formaldehydem jest wykorzystywana przemysłowo do produkcji butynodiolu , tworząc jako produkt uboczny alkohol propargilowy . Jako katalizator stosuje się acetylenek miedzi .
Ponieważ halogeny dodają się do potrójnego wiązania, podstawione acetyleny difluoroacetylen , dichloroacetylen , dibromoacetylen i dijodoacetylen nie mogą być wytwarzane bezpośrednio z acetylenu. Typowym obejściem jest odwodnienie winylodihaloetenoli.
karbonylowanie
Walter Reppe odkrył, że w obecności katalizatorów acetylen reaguje, dając szeroką gamę chemikaliów o znaczeniu przemysłowym.
Z tlenkiem węgla acetylen reaguje dając kwas akrylowy lub estry akrylowe, które można wykorzystać do produkcji szkła akrylowego .
Chemia metaloorganiczna
Acetylen i jego pochodne (2-butyn, difenyloacetylen itp.) tworzą kompleksy z metalami przejściowymi . Jego wiązanie z metalem jest nieco podobne do wiązania kompleksów etylenu. Kompleksy te są półproduktami w wielu reakcjach katalitycznych, takich jak trimeryzacja alkinu do benzenu, tetrameryzacja do cyklooktatetraenu i karbonylowanie do hydrochinonu :
- w warunkach zasadowych (50–80 °C , 20–25 atm ).
W obecności niektórych metali przejściowych alkiny ulegają metatezie alkinów .
Powszechne są również LnM - C2R . acetylenki metali , związki o wzorze Acetylenek miedzi (I) i acetylenek srebra można łatwo tworzyć w roztworach wodnych ze względu na słabą równowagę rozpuszczalności .
Reakcje kwasowo-zasadowe
Acetylen ma p Ka 25 , acetylen można zdeprotonować superzasadą , tworząc acetylenek :
Skuteczne są różne odczynniki metaloorganiczne i nieorganiczne .
Bezpieczeństwo i obsługa
Acetylen nie jest szczególnie toksyczny, ale wytwarzany z węglika wapnia może zawierać toksyczne zanieczyszczenia, takie jak śladowe ilości fosforowodoru i arsenu , które nadają mu wyraźny zapach czosnku . Jest również wysoce łatwopalny, podobnie jak większość lekkich węglowodorów, stąd jego zastosowanie w spawaniu. Jego najbardziej osobliwe zagrożenie wiąże się z jego wewnętrzną niestabilnością, zwłaszcza gdy jest pod ciśnieniem: w pewnych warunkach acetylen może reagować w egzotermicznej reakcji typu addycji, tworząc szereg produktów, zwykle benzen i/lub winyloacetylen , prawdopodobnie oprócz węgla i wodór . [ Potrzebne źródło ] W związku z tym acetylen, jeśli zostanie zainicjowany przez intensywne ciepło lub falę uderzeniową, może ulec wybuchowemu rozkładowi, jeśli ciśnienie bezwzględne gazu przekroczy około 200 kilopaskali (29 psi). Większość regulatorów i manometrów na sprzęcie podaje ciśnienie manometryczne , dlatego bezpieczny limit dla acetylenu wynosi 101 kPa nadciśnienia lub 15 psig. Dlatego jest dostarczany i przechowywany rozpuszczony w acetonie lub dimetyloformamidzie (DMF), zawarty w butli gazowej z porowatym wypełnieniem ( Agamassan ), co sprawia, że jest bezpieczny w transporcie i użytkowaniu, pod warunkiem prawidłowego obchodzenia się z nim. Butle z acetylenem powinny być używane w pozycji pionowej, aby uniknąć wycofania acetonu podczas użytkowania.
Informacje na temat bezpiecznego przechowywania acetylenu w pionowych butlach są dostarczane przez OSHA, Compressed Gas Association, United States Mine Safety and Health Administration (MSHA), EIGA i inne agencje.
Miedź katalizuje rozkład acetylenu, w związku z czym acetylen nie powinien być transportowany rurami miedzianymi.
Butle należy przechowywać w miejscu odseparowanym od utleniaczy, aby uniknąć zaostrzenia reakcji w przypadku pożaru/wycieku. Butle z acetylenem nie powinny być przechowywane w zamkniętych przestrzeniach, zamkniętych pojazdach, garażach i budynkach, aby uniknąć niezamierzonego wycieku prowadzącego do atmosfery wybuchowej. W Stanach Zjednoczonych przepisy National Electric Code (NEC) wymagają uwzględnienia obszarów niebezpiecznych, w tym miejsc, w których może dojść do uwolnienia acetylenu podczas wypadków lub wycieków. Rozważenie może obejmować klasyfikację elektryczną i użycie wymienionych komponentów elektrycznych grupy A w USA. Dalsze informacje na temat określania obszarów wymagających szczególnej uwagi znajdują się w NFPA 497. W Europie ATEX wymaga również uwzględnienia obszarów niebezpiecznych, w których palne gazy mogą być uwalniane podczas wypadków lub wycieków.
Linki zewnętrzne
- Zakład produkcji acetylenu i szczegółowy proces zarchiwizowano 11 kwietnia 2015 r. W Wayback Machine
- Acetylen w chemii ożywa!
- Acetylen, zasady jego wytwarzania i wykorzystania w Projekcie Gutenberg
- Film wyjaśniający powstawanie acetylenu z węglika wapnia oraz granice wybuchowości tworzące zagrożenie pożarowe
- Węglik wapnia i acetylen w układzie okresowym filmów (University of Nottingham)
- CDC – kieszonkowy przewodnik NIOSH po zagrożeniach chemicznych – acetylen
| Kontrola władz : Biblioteki narodowe |
|---|