Αιθίνιο

Αιθίνιο
Γενικά
Όνομα IUPAC	Αιθίνιο
Άλλες ονομασίες	Ακετυλένιο Ασετυλίνη
Χημικά αναγνωριστικά
Χημικός τύπος	C2H2
Μοριακή μάζα	26,04 amu
Σύντομος συντακτικός τύπος	HC≡CH
Αριθμός CAS	74-86-2
SMILES	C#C
InChI	1/C2H2/c1-2/h1-2H
Αριθμός UN	1001 3138
ChemSpider ID	6086
Δομή
Μήκος δεσμού	C-H: 106 pm C≡C: 120,6 pm
Είδος δεσμού	C-H: σ (2sp-1s) C≡C: σ (2sp-2sp) π (2py-2py) π (2pz-2pz)
Πόλωση δεσμού	C--H+: 3%
Μοριακή γεωμετρία	Ευθύγραμμη
Φυσικές ιδιότητες
Σημείο τήξης	−84 °C
Σημείο βρασμού	-80,8 °C
Πυκνότητα	1,097 kg/m3
Εμφάνιση	Άχρωμο αέριο
Χημικές ιδιότητες
pKa	25
Θερμότητα πλήρους καύσης	1.067 kJ
Επικινδυνότητα
Εξαιρετικά εύφλεκτο (F+)
Κίνδυνοι κατά NFPA 704	4 1 3
Εκτός αν σημειώνεται διαφορετικά, τα δεδομένα αφορούν υλικά υπό κανονικές συνθήκες περιβάλλοντος (25°C, 100 kPa).

Το αιθίνιο ή ακετυλένιο (αγγλικά ethyne) είναι οργανική χημική ένωση, που περιέχει άνθρακα και υδρογόνο, με μοριακό τύπο C₂H₂ και ημισυντακτικό τύπο HC≡CH. Είναι υδρογονάνθρακας και, πιο συγκεκριμένα, το απλούστερο μέλος της ομόλογης σειράς των αλκινίων. Το χημικά καθαρό αιθίνιο, στις «κανονικές συνθήκες», δηλαδή θερμοκρασία 25 °C και υπό πίεση 1 atm, είναι εξαιρετικά εύφλεκτο άχρωμο αέριο. Χρησιμοποιείται ως καύσιμο και ως πρόδρομη ένωση για την παραγωγή άλλων χημικών προϊόντων. Είναι ασταθές σε χημικά καθαρή μορφή και γι' αυτό συνήθως διατίθεται και χρησιμοποιείται σε διαλύματα. Το χημικά καθαρό αιθίνιο είναι άοσμο, αλλά το εμπορικού βαθμού καθαρότητας αιθίνιο έχει μια χαρακτηριστική οσμή, εξαιτίας προσμείξεων.

Ονοματολογία

Η ονομασία «αιθίνιο» προέρχεται από την ονοματολογία κατά IUPAC. Συγκεκριμένα, το πρόθεμα «αιθ-» δηλώνει την παρουσία δύο (2) ατόμων άνθρακα ανά μόριο της ένωσης, το ενδιάμεσο «-ιν-» δείχνει την παρουσία ενός (1) τριπλού δεσμού μεταξύ ατόμων άνθρακα στο μόριο και η κατάληξη «-ιο» φανερώνει ότι δεν περιέχει χαρακτηριστικές ομάδες, δηλαδή ότι είναι υδρογονάνθρακας.

Ανακάλυψη

Το αιθίνιο ανακαλύφθηκε το 1836 από τον Έντμουντ Νταίυβυ (Edmund Davy) που το ταυτοποίησε ως «νέο ανθρακούχο υδρογόνο» (new carburet of hydrogen). Ανακαλύφθηκε ξανά το 1860 από τον Γάλλο χημικό Μαρσελέν Μπερτελό, που χρησιμοποίησε την ονομασία «ακετυλένιο». Το παρασκεύασε περνώντας ατμούς από οργανικές ενώσεις (π.χ. μεθανόλη, αιθανόλη, κ.ά.. ) μέσα από ερυθροπυρωμένο σωλήνα, και συλλέγοντας τα προϊόντα που παράγονταν. Συνέθεσε ακόμη αιθίνιο με ηλεκτρική εκκένωση, μέσα σε μίγμα δικυανίου και υδρογόνου, και αργότερα διαπερνώντας το υδρογόνο ανάμεσα από τους πόλους «ανθρακικού τόξου».

Φυσική παρουσία

Το αιθίνιο είναι μέτρια συνηθισμένο χημικό είδος στο Σύμπαν, που συχνά βρίσκεται στις ατμόσφαιρες των αέριων γιγάντων πλανητών. Μια περίεργη ανακάλυψη αιθινίου έγινε στον Εγκέλαδο, τον δορυφόρο του Κρόνου. Το φυσικό αιθίνιο πιστεύεται ότι σχηματίζεται από την καταλυτική (μερική) αποσύνθεση υδρογονανθράκων μακρύτερης αλυσίδας σε θερμοκρασίες 1.500 °C και πάνω. Επειδή τέτοιες θερμοκρασίες είναι απίθανο να συμβούν σε ένα τόσο μικρό και μακρυνό ουράνιο σώμα (όπως ο Εγκέλαδος), η ανακάλυψη αιθινίου εκεί (δηλαδή στον Εγκέλαδο) εν δυνάμει υποθέτει ότι (σχετικές) καταλυτικές αντιδράσεις έγιναν στο εσωτερικό του δορυφόρου, γεγονός που (τον κάνει) κάνει ενδιαφέρουσα τοποθεσία για έρευνα πάνω στην «προβιοτική χημεία»

Δομή, δεσμολογία και ιδιότητες

Ως ένα αλκίνιο, το αιθίνιο είναι ακόρεστο, γιατί τα δυο άτομα άνθρακα, που περιέχει, συνδέονται μεταξύ τους με έναν (1) τριπλό δεσμό C≡C, που τοποθετεί και τα τέσσερα (4) άτομα του μορίου του (2 άνθρακα + 2 υδρογόνου), σε (νοητή) ευθεία γραμμή, δηλαδή οι γωνίες CCH είναι 180°. Επομένως, η μοριακή συμμετρία του αιθινίου βρίσκεται στην ομάδα σημείων D_∞h.

Σε όρους της θεωρίας σθένους - δεσμού, σε κάθε ένα από τα άτομα άνθρακα της ένωσης υβριδίζονται τα 2s και τα 2p_x ατομικά τροχιακά, σχηματίζοντας ένα 2sp υβριδισμένο ατομικό τροχιακό. Τα ατομικά τροχιακά 2p_y και 2p_z παραμένουν χωρίς υβριδισμό. Οι δυο άκρες των δυο 2sp ατομικών υβριδισμένων τροχιακών των δυο ατόμων άνθρακα επικαλύπτονται σχηματίζοντας έναν ισχυρό ομοιοπολικό δεσμό τύπου σ, μεταξύ των δυο ατόμων άνθρακα, ενώ το καθένα από τα δυο άλλα άκρα των άλλων 2sp ατομικών υβριδισμένων τροχιακών των δυο ατόμων άνθρακα επικαλύπτονται το καθένα με τα 1s ατομικά τροχιακά των ατόμων υδρογόνου, σχηματίζοντας έτσι δυο δεσμούς C-H, επίσης τύπου σ. Τα μη υβριδισμένα ατομικά τροχιακά 2p_y και 2p_z των δυο ατόμων άνθρακα σχηματίζουν, αντίστοιχα, δυο ασθενέστερους (από τους σ) δεσμούς τύπου π, σε δυο κάθετα μεταξύ τους επίπεδα. Η περιστροφή του δεσμού C≡C απαιτεί (σχετικά) υψηλή ποσότητα ενέργειας, γιατί απαιτεί την (προσωρινή) διάσπαση των δύο (2) π-δεσμών.

Οι π-δεσμοί στο μόριο του αιθινίου είναι υπεύθυνοι για τη χρήσιμη χημική δραστικότητά του. Η περιοχή του τριπλού δεσμού χαρακτηρίζεται από (σχετικά) υψηλή ηλεκτρονιακή πυκνότητα, που επομένως είναι ευάλωτη σε επιδράσεις ηλεκτρονιόφιλων. Πολλές αντιδράσεις του αιθινίου καταλύoνται από διάφορα μέταλλα μετάπτωσης, που σχηματίζουν προσωρινά σύμπλοκα με τα π και τα π* μοριακά τροχιακά του αιθινίου.

Δεσμοί
Δεσμός	τύπος δεσμού	ηλεκτρονική δομή	Μήκος δεσμού	Ιονισμός
C-H	σ	2sp-1s	106 pm	3% C- H+
C≡C	σ	2sp-2sp	120,6 pm
C≡C	π	2py-2py	120,6 pm
C≡C	π	2pz-2pz	120,6 pm
Κατανομή φορτίων σε ουδέτερο μόριο
C	-0,03
H	+0,03

Παραγωγή

Από ανθρακασβέστιο

Με υδρόλυση ανθρακασβέστιου (CaC₂) παράγεται αιθίνιο:

$\mathrm {CaC_{2}+2H_{2}O{\xrightarrow {}}HC\equiv CH\uparrow +Ca(OH)_{2}\downarrow }$

• Το ανθρακασβέστιο προέρχεται από τον ασβεστόλιθο (CaCO₃), με την ακόλουθη διαδικασία:

$\mathrm {CaCO_{3}{\xrightarrow {\triangle }}CaO+CO_{2}\uparrow }$
$\mathrm {CaO+3C{\xrightarrow {\triangle }}CaC_{2}+CO\uparrow }$

Με απόσπαση υδραλογόνων

Με απόσπαση δύο ισοδυνάμων υδραλογόνου από 1,1- ή 1,2- διαλαιθάνιο, με χρήση υδροξειδίου του νατρίου (NaOH), παράγεται αιθίνιο:

$\mathrm {CH_{3}CHX_{2}+2NaOH\xrightarrow {} HC\equiv CH\uparrow +2NaX+2H_{2}O}$
ή
$\mathrm {XCH_{2}CH_{2}X+2NaOH\xrightarrow {} HC\equiv CH\uparrow +2NaX+2H_{2}O}$

Με απόσπαση αλογόνων

Με απόσπαση δύο ισοδυνάμων αλογόνου από 1,1,2,2-τετραλοαιθάνιο, με χρήση ψευδαργύρου (Zn), παράγεται αιθίνιο:

$\mathrm {X_{2}CHCHX_{2}+2Zn\xrightarrow {} HC\equiv CH\uparrow +2ZnX_{2}}$

Φυσικές ιδιότητες

Αλλαγές καταστάσεων της ύλης

Διαλύεται δύσκολα στο νερό και πολύ πιο εύκολα σε οργανικούς διαλύτες. Ιδιαίτερα διαλυτό είναι σε ακετόνη, μέσα στην οποία και μεταφέρεται διαλελυμένο υπό πίεση, επειδή, αν και υγροποιείται εύκολα, αυτό γενικά αποφεύγεται, γιατί σε υγρή κατάσταση είναι ιδιαίτερα εκρηκτικό. Υπό κανονική ατμοσφαιρική πίεση, δηλαδή πίεση 1 atm, το αιθίνιο δεν μπορεί να υπάρξει στην υγρή κατάσταση, και γι' αυτό δεν έχει πραγματικό (κανονικό) σημείο τήξης. Το τριπλό σημείο του, στο διάγραμμα φάσεών του, αντιστοιχεί στο φερόμενο ως σημείο τήξης του αιθινίου, δηλαδή τους −80,8 °C, αλλά υπό την ελάχιστη πίεση στην οποία μπορεί να υπάρξει υγρό αιθίνιο, δηλαδή υπό πίεση 1,27 atm. Σε θερμοκρασίες κάτω από το τριπλό σημείο, το στερεό αιθίνιο μπορεί να γίνει απευθείας αέριο, με εξάχνωση. Το σημείο εξάχνωσης, υπό πίεση 1 atm, είναι −84 °C.

Άλλες

Η θερμοκρασία της αδιαβατικής φλόγας του αιθινίου στον αέρα, υπό πίεση 1 atm, είναι 2.534 °C.

Το αιθίνιο μπορεί να διαλυθεί σε προπανόνη ή διμεθυλομεθαναμίδιο, σε θερμοκρασία δωματίου και υπό πίεση 1 atm.

Χημικές ιδιότητες, παράγωγα και εφαρμογές

Καύση

Μια σημαντική αντίδραση του αιθινίου είναι η καύση του, που είναι η βάση των τεχνολογιών συγκόλλησης. Με το οξυγόνο του αέρα καίγεται παρέχοντας κυανή φλόγα υψηλότατης θερμοκρασίας (οξυακετυλενική φλόγα), θερμοκρασίας ως και περίπου 3.000^οC, που αξιοποιείται στην κοπή, στην τήξη και συγκόλληση μετάλλων και μεταλλικών κατασκευών. Μίγματα ακετυλενίου με αέρα είναι ιδιαίτερα εύφλεκτα και εκρηκτικά:

$\mathrm {2HC\equiv CH+5O_{2}{\xrightarrow {}}4CO_{2}+2H_{2}O+2.134\;kJ}$

Καταλυτική υδρογόνωση

Μια (σχετικά) νέα πρακτική εφαρμογή των χημικών ιδιοτήτων του αιθίνου είναι η μετατροπή του σε αιθένιο, που είναι κατάλληλο για μια ποικιλία πολυαιθυλενικών πλαστικών. Με καταλυτική υδρογόνωση αιθινίου σχηματίζεται αρχικά αιθένιο, και στη συνέχεια, με περίσσεια υδρογόνου, αιθάνιο.:

$\mathrm {HC\equiv CH+H_{2}{\xrightarrow {Ni\;{\acute {\eta }}\;Pd\;{\acute {\eta }}\;Pt}}CH_{2}=CH_{2}{\xrightarrow[{+H_{2}}]{Ni\;{\acute {\eta }}\;Pd\;{\acute {\eta }}\;Pt}}CH_{3}CH_{3}}$

Όξινη συμπεριφορά

Σε σύγκριση με τους περισσότερους υδρογονάνθρακες, το αιθίνιο είναι σχετικά όξινο, αν και είναι πολύ λιγότερο όξινο σε σύγκριση με το νερό ή την αιθανόλη. Πάντως αντιδρά με ισχυρές βάσεις και με ορισμένα μέταλλα, σχηματίζοντας αιθινικά άλατα. Παραδείγματα:

1. Αντιδρά με το νατραμίδιο, σε υγρή αμμωνία, σχηματίζοντας αιθινικό νάτριο:

$\mathrm {HC\equiv CH+NaNH_{2}{\xrightarrow {\upsilon \gamma \rho {\acute {\eta }}\;NH_{3}}}HC\equiv CNa+NH_{3}}$

2. Αντιδρά με το βουτυλολίθιο, σε ψυχρό τετραϋδροφουράνιο, σχηματίζοντας αιθινικό λίθιο και βουτάνιο:

$\mathrm {HC\equiv CH+BuLi{\xrightarrow[{-78^{o}C}]{THF}}HC\equiv CLi+BuH}$

3. Αντιδρά με το μεταλλικό νάτριο, σχηματίζοντας αιθινικό νάτριο:

$\mathrm {HC\equiv CH+Na{\xrightarrow {}}HC\equiv CNa+{\frac {1}{2}}H_{2}}$

• Το αιθινικό νάτριο αποτελεί πρόδρομη ύλη για την παραγωγή άλλων παραγώγων με τριπλό δεσμό, γιατί αντιδρά με αλκυλαλογονίδια (RX):

$\mathrm {HC\equiv CNa+RX{\xrightarrow {}}HC\equiv CR+NaX}$

4. Με επίδραση ιόντων αργύρου (Ag⁺) και παρουσία αμμωνίας (NH₃) παράγεται ένα λευκό στερεό, ο αιθινικός άργυρος:

$\mathrm {HC\equiv CH+Ag^{+}+NH_{3}{\xrightarrow {}}HC\equiv CAg\downarrow +NH_{4}^{+}}$

5. Με επίδραση ιόντων μονοσθενούς χαλκού (Cu⁺) και παρουσία αμμωνίας (NH₃) παράγεται ένα κεραμιδί στερεό, ο αιθινικός υποχαλκός:

$\mathrm {HC\equiv CH+Cu^{+}+NH_{3}{\xrightarrow {}}HC\equiv CCu\downarrow +NH_{4}^{+}}$

• Οι αντιδράσεις #4 και #5 χρησιμοποιούνται γενικά για την ανίχνευση της ομάδας -C ≡ CH.

Χημεία Reppe

Ο Γουώλτερ Ρέππε (Walter Reppe) ανακάλυψε ότι, παρουσία διαφόρων καταλυτών, το αιθίνιο μπορεί να αντιδράσει με διάφορα αντιδραστήρια παράγοντας μια ευρεία ποικιλία βιομηχανικά σημαντικών χημικών.

1. Με αλκοόλες (ROH), με το υδροκυάνιο (HCN), με το υδροχλώριο (HCl) και με καρβοξυλικά οξέα (RCOOH), το αιθίνιο παράγει βινυλενώσεις (δηλαδή ενώσεις γενικού τύπου ACH=CH₂, όπου A οποιαδήποτε μονοσθενής ρίζα):

$\mathrm {HC\equiv CH+ROH{\xrightarrow {\kappa \alpha \tau .}}ROCH=CH_{2}}$
$\mathrm {HC\equiv CH+HCN{\xrightarrow {\kappa \alpha \tau .}}CH_{2}=CHCN}$
$\mathrm {HC\equiv CH+HCl{\xrightarrow {\kappa \alpha \tau .}}CH_{2}=CHCl}$
$\mathrm {HC\equiv CH+RCOOH{\xrightarrow {\kappa \alpha \tau .}}RCOOCH=CH_{2}}$

2. Με αλδεΰδες (RCHO) δίνει αιθινυλοδιόλες, σύμφωνα με την αντίδραση Φαβόρσκιυ (Favorskii reaction):

$\mathrm {HC\equiv CH+RCHO{\xrightarrow {\kappa \alpha \tau .}}HC\equiv CCH(OH)R}$
$\mathrm {HC\equiv C(OH)R+RCHO{\xrightarrow {\kappa \alpha \tau .}}RCH(OH)C\equiv CCH(OH)R}$

• Με τον παραπάνω τρόπο παράγεται (μεταξύ άλλων) η 1,4-βουτινοδιόλη, με αντίδραση Φαβόρσκιυ μεταξύ μεθανάλης και αιθινίου:

$\mathrm {HC\equiv CH+HCHO{\xrightarrow {\kappa \alpha \tau .}}HC\equiv CCH_{2}OH}$
$\mathrm {HC\equiv CCH_{2}OH+HCHO{\xrightarrow {\kappa \alpha \tau .}}HOCH_{2}C\equiv CCH_{2}OH}$

3. Με αντίδραση αιθινίου με μονοξείδιο του άνθρακα και νερό ή αλκοόλη παράγεται προπενικό οξύ ή προπενικός εστέρας, αντιστοίχως, που χρησιμοποιούνται, με τη σειρά τους, για την παραγωγή ακρυλικού γυαλιού και άλλων ακρυλικών προϊόντων:

$\mathrm {HC\equiv CH+CO+H_{2}O{\xrightarrow {\kappa \alpha \tau .}}CH_{2}=CHCOOH}$
$\mathrm {HC\equiv CH+CO+ROH{\xrightarrow {\kappa \alpha \tau .}}CH_{2}=CHCOOR}$

4. Με κυκλοποίηση (μαζί με ολιμερισμό) αιθινίου παράγονται το βενζόλιο, το κυκλοοκτατετραένιο και η υδροκινόνη:

$\mathrm {3HC\equiv CH{\xrightarrow {Fe}}PhH}$
$\mathrm {4HC\equiv CH{\xrightarrow[{60^{o}C,\;15\;bar}]{Ni(CN)_{2},\;CaC_{2},\;THF}}}$
$\mathrm {Fe(CO)_{5}+4HC\equiv CH+2H_{2}O{\xrightarrow[{\beta \alpha \sigma \iota \kappa {\acute {\epsilon }}\varsigma \;\sigma \upsilon \nu \theta {\acute {\eta }}\kappa \epsilon \varsigma }]{50-80^{o}C,\;20-25\;atm}}FeCO_{3}+2}$

Ενυδάτωση

Με επίδραση θειικού οξέος και στη συνέχεια νερού (ενυδάτωση) σε αιθίνιο, παρουσία ιόντων υδραργύρου (Hg²⁺), παράγεται αιθανάλη (CH₃CHO):

$\mathrm {HC\equiv CH+H_{2}O{\xrightarrow[{H_{2}SO_{4}}]{Hg^{2+}}}CH_{3}CHO}$

• Ενδιάμεσα παράγεται αιθενόλη (ασταθής ενόλη), που ισομερειώνεται στην ταυτομερή της αιθανάλη.

Προσθήκη υπαλογονώδους οξέος

Με επίδραση (προσθήκη) υποαλογονώδους οξέος (HOX) σε αιθίνιο παράγεται αλαιθανάλη:

$\mathrm {HC\equiv CH+HOX{\xrightarrow {}}XCH_{2}CHO}$

• Ενδιάμεσα παράγεται αλαιθενόλη (ασταθής ενόλη) που ισομερειώνεται σε αλαιθανάλη.

Αλογόνωση

Με επίδραση αλογόνου (X₂) (αλογόνωση) σε αιθίνιο έχουμε προσθήκη στον τριπλό δεσμό. Παράγεται αρχικά 1,2-διαλαιθένιο και στη συνέχεια (με περίσσεια αλογόνου) 1,1,2,2-τετραλαιθάνιο.:

$\mathrm {HC\equiv CH+X_{2}\xrightarrow {CCl_{4}} XCH=CHX{\xrightarrow[{+X_{2}}]{CCl_{4}}}X_{2}CHCHX_{2}}$

Υδραλογόνωση

Με προσθήκη υδραλογόνων (HX) (υδραλογόνωση) σε αιθίνιο παράγεται αρχικά αλαιθένιο και στη συνέχεια (με περίσσεια υδραλογόνου) 1,1-διαλαιθάνιο.:

$\mathrm {HC\equiv CH+HX\xrightarrow {} CH_{2}=CHX\xrightarrow {+HX} CH_{3}CHX_{2}}$

Διυδροξυλίωση

Η διυδροξυλίωση αιθινίου, αντιστοιχεί σε προσθήκη H₂O₂ και παράγει υδροξυαιθανάλη. Πρακτικά, αυτό μπορεί να γίνει με τις ακόλουθες δυο μεθόδους:

1. Επίδραση αραιού διαλύματος υπερμαγγανικού καλίου (KMnO₄). Π.χ.:

$\mathrm {5HC\equiv CH+4KMnO_{4}+2H_{2}SO_{4}{\xrightarrow {}}5HOCH_{2}CHO+4MnO+2K_{2}SO_{4}+2H_{2}O}$

2. Επίδραση καρβοξυλικού οξέος και υπεροξείδιου του υδρογόνου:

$\mathrm {HC\equiv CH+H_{2}O_{2}{\xrightarrow {RCOOH}}HOCH_{2}CHO}$

• Ενδιάμεσα παράγεται 1,2-αιθενοδιόλη (η ασταθή ταυτομερή ενόλη), που ισομερειώνεται σε υδροξυαιθανάλη.

Οζονόλυση

Με επίδραση όζοντος (οζονόλυση) σε αιθίνιο, παράγεται αρχικά ασταθές οζονίδιο που τελικά διασπάται σε αιθανοδιάλη:

$\mathrm {HC\equiv CH+{\frac {2}{3}}O_{3}{\xrightarrow {H_{2}O}}OCHCHO}$

Επίδραση πυκνού υπερμαγγανικού καλίου

Με επίδραση πυκνού διαλύματος υπερμαγγανικού καλίου (KMnO₄) παράγεται οξαλικό οξύ:

$\mathrm {5HC\equiv CH+8KMnO_{4}+4H_{2}SO_{4}{\xrightarrow {}}5HOOCCOOH+8MnO_{2}+4K_{2}SO_{4}+4H_{2}O}$

Επίδραση καρβονυλικών ενώσεων

Με επίδραση καρβονυλικής ένωσης (RCOR') παράγεται αιθινυλοαλκοόλη:

$\mathrm {HC\equiv CH+RCOR{\acute {}}{\xrightarrow {}}HC\equiv CC(OH)(R)R{\acute {}}}$

• όπου R,R' μπορεί να είναι και υδρογόνα.
• Αν η καρβονυλική ένωση είναι αλδεΰδη (RCHO) και υπάρχει σε περίσσεια και με την παρουσία του κατάλληλου καταλύτη, μπορεί να παραχθεί και διόλη:

$\mathrm {HC\equiv CH+RCHO{\xrightarrow {}}HC\equiv CCH(OH)R{\xrightarrow {+RCHO}}RCH(OH)C\equiv CCH(OH)R}$

Πολυμερισμός

• Τα προϊόντα πολυμερισμού του αιθινίου ποικίλλουν ανάλογα με τις συνθήκες, που περιλαμβάνουν και την παρουσία (διαφορετικών κατά περίπτωση) καταλυτών:

1. Το αιθίνιο διμερίζεται προς βουτενίνιο παρουσία χλωριούχου υποχαλκού (Cu₂Cl₂):

$\mathrm {2HC\equiv CH{\xrightarrow {Cu_{2}Cl_{2}}}HC\equiv CCH=CH_{2}}$

2. Το αιθίνιο διμερίζεται προς βουταδιίνιο παρουσία οξειδωτικών μέσων, όπως τα ιόντα δισθενούς χαλκού (Cu²⁺). Αποσπούνται δύο πρωτόνια:

$\mathrm {2HC\equiv CH+Cu^{2+}{\xrightarrow {}}HC\equiv CC\equiv CH+Cu+2H^{+}}$

• Ο τριμερισμός και ο τετραμερισμός αναφέρθηκαν παραπάνω, στα πλαίσια της ενότητας «Χημεία Reppe».

Προσθήκη καρβενίων

Κατά την προσθήκη μεθυλενίου σε αιθίνιο σχηματίζονται προπίνιο και κυκλοπροπένιο:

$\mathrm {HC\equiv CH+CH_{3}Cl+KOH{\xrightarrow {}}KCl+H_{2}O+{\frac {2}{3}}CH_{3}C\equiv CH+{\frac {1}{3}}}$

• Η αντίδραση είναι ελάχιστα εκλεκτική και αυτό σημαίνει ότι κατά προσέγγιση έχουμε:

1. Παρεμβολή στους δύο (2) δεσμούς C-H: Προκύπτει προπίνιο, ένα αλκίνιο.

2. Προσθήκη στον έναν (1) τριπλό δεσμό: Προκύπτει κυκλοπροπένιο, ένα κυκλοαλκένιο.

• Προκύπτει επομένως μίγμα προπινίου ~67% και κυκλοπροπενιου ~33%.
• Με τη χρήση μεθυλενοδιιωδιδίου (CH₂I₂) και ψευδαργύρου (Zn) επικρατεί η προσθήκη, οπότε είναι:

$\mathrm {HC\equiv CH+CH_{2}I_{2}+Zn{\xrightarrow {}}ZnI_{2}+}$

Εφαρμογές

Μεταλλουργία

Περίπου το 20% της παγκόσμιας παραγωγής αιθινίου χρησιμοποιείται από τη βιομηχανία για αέριο οξυγονοκόλλησης και κοπής μετάλλων, εξαιτίας της υψηλής θερμοκρασίας που δίνει η φλόγα του. Η καύση αιθινίου με οξυγόνο παράγει φλόγα θερμοκρασίας πάνω από 3.300 °C, απελευθερώνοντας (κατά την καύση) 11,8 kJ/g αιθινίου. Η φλόγα αιθινίου-οξυγόνου ονομάζεται «οξυακετυλενική» και είναι η θερμότερη που λαμβάνεται από την καύση συνηθισμένων αερίων καυσίμων. Συνολικά είναι η 3^η κατά σειρά θερμότερη φλόγα, μετά από τη φλόγα του βουτινοδινιτρίλιου (NCC≡CCN), που δίνει φλόγα θερμοκρασίας ως 4.990 °C, και του δικυανίου [(CN)₂], που δίνει φλόγα θερμοκρασίας ως 4.525 °C. Η οξυγονοκόλληση με οξυακετυλενική φλόγα ήταν πολύ χρησιμοποιούμενη για τη συγκόλληση και κοπή μετάλλων τις προηγούμενες δεκαετίες, αλλά η ανάπτυξη άλλων πιο εξελιγμένων τεχνολογιών με βάση συγκόλληση - κοπή με χρήση ηλεκτρικού τόξου έκαναν την οξυγονοκόλληση - κοπή με οξυακετυλενική φλόγα να εκλείψει, σχεδόν, από πολλές τέτοιες εφαρμογές. Η χρήση αιθινίου για συγκόλληση - κοπή είναι σημαντικά φθίνουσα. Από την άλλη, ο εξοπλισμός που απαιτεί η οξυακετυλενική φλόγα είναι (σχετικά) πιο ευέλικτος, όχι μόνο γιατί η φλόγα αυτή προτιμάται για κάποια είδη συγκόλλησης - κοπής σιδήρου ή και χάλυβα, ιδιαίτερα σε κάποιες καλλιτεχνικές εφαρμογές, αλλά επίσης κάνει το ίδιο ευκολότερη τη συγκόλληση, τη συγκόλληση με ορείχαλκο και τη θέρμανση μετάλλων, για ανόπτηση ή σκλήρυνση, κάμψη ή διαμόρφωση, η χαλάρωση των διαβρωμένων «καρυδιών» και των μπουλονιών, και άλλες εφαρμογές. Συνεργεία τεχνικών επιδιόρθωσης καλωδίων στον Καναδά συνεχίζουν να χρησιμοποιούν φορητές συσκευές οξυγονοκόλλησης με αιθίνιο ως εργαλείο συγκόλλησης για τη σφράγιση συναρμογών μολύβδου σε καμπές φρεατίων, καθώς και σε κάποιες τοποθεσίες με εναέρια καλώδια. Η οξυακετυλενική συγκόλληση - κοπή είναι επίσης διαθέσιμη σε περιοχές που δεν υπάρχει άμεσα ηλεκτρικό δίκτυο. Σε κάθε περίπτωση, η οξυακετυλενική συγκόλληση - κοπή είναι διαθέσιμη πολύ συχνά σχεδόν σε κάθε κατάστημα επεξεργασίας μετάλλων. Για τη χρήση της συγκόλλησης - κοπής οι πιέσεις εργασίας πρέπει να ελέγχονται από ρυθμιστή, αφού πάνω από τα 15 psi, το αιθίνιο διασπάται εκρηκτικά σε άνθρακα και υδρογόνο, με αποτέλεσμα κρουστικό κύμα. Το αιθίνιο χρησιμοποιήθηκε, ακόμη, για τη «βαφή» χάλυβα, όταν τα αντικείμενα που έπρεπε να την υποστούν ήταν πολύ μεγάλα για να χωρέσουν στους (ειδικούς) κλιβάνους.

Φωτισμός

Η υδρόλυση του ανθρακασβεστίου χρησιμοποιήθηκε για να παράγει αιθίνιο για φορητές λάμπες ή άλλες φωτιστικές εφαρμογές σε (σχετικά) απομονωμένες περιοχές. Χρησιμοποιήθηκε από εργαζόμενους σε ορυχεία, από εξερευνητές σπηλαίων, σε φάρους και από πλανόδιους πωλητές, κύρια ως φωτιστικό, αλλά ενίοτε και ως καύσιμο ψησίματος (γι' αυτό έφερε και την επωνυμία «αέριο των καστανάδων»). Αργότερα, η χρήση φακών με λαμπτήρες πυρακτώσεως, και ακόμη μεταγενέστερα, με λαμπτήρες LED αντικατέστησαν τις φωτιστικές εφαρμογές του αιθινίου. Κατά τον πρώιμο 20^ό αιώνα το αιθίνιο χρησιμοποιούνταν για το φωτισμός, ακόμη και των δρόμων σε κάποιες πόλεις. Μερικά από τα πρώτα αυτοκίνητα χρησιμοποιούσαν επίσης λάμπες αιθινίου, πριν τελικά υιοθετηθούν οι ηλεκτρικοί προβολείς.

Άλλες εφαρμογές

Το 1881, ο Ρώσος χημικός Μιιχαήλ Κουτσέροφ (Mikhail Kucherov) περιέγραψε την αντίδραση ενυδάτωσης του αιθινίου με (τελικό) αποτέλεσμα την παραγωγή αιθανάλης, χρησιμοποιώντας καταλύτες όπως το διβρωμιούχο υδράργυρο (HgBr₂, δείτε παραπάνω, στις χημικές ιδιότητες). Πριν από την ανακάλυψη της διεργασίας Βάκερ (Wacker process), η παραγωγή της αιθανάλης, σε βιομηχανική κλίμακα, γινόταν με καταλυτική ενυδάτωση αιθινίου.

Ο πολυμερισμός του αιθινίου με καταλύτες Ζίγκλερ - Νάττα (Ziegler-Natta catalysts) παράγει λεπτά φύλλα πολυακετυλένιου. Το πολυακετυλένιο δομικά αποτελείται από κέντρα CH με εναλλάξ απλούς και διπλούς δεσμούς και αποτελεί έναν από τους πρώτους, κατά σειρά ανακάλυψης, οργανικούς ημιαγωγούς. Μετά από αντίδραση (πολυακετυλενίου) με ιώδιο παράγεται ένα υλικό με πολύ καλή ηλεκτρική αγωγιμότητα. Παρόλο που τέτοια υλικά δεν είναι πλέον άμεσα χρήσιμα, αυτές οι ανακαλύψεις οδήγησαν στην ανάπτυξη οργανικών ημιαγωγών, όπως αναγνωριστηκε από το βραβείο Νόμπελ χημείας του 2000, που δόθηκε γι' αυτόν το σκοπό στους Άλαν Χίγκερ (Alan J. Heeger), Άλαν Μακ Νταρμίντ (Alan G MacDiarmid) και Χιντέκι Σιρακάβε (Hideki Shirakawa).

Το αιθίνιο χρησιμοποιείται για την «πτητικοποίηση άνθρακα» (volatilize carbon) κατά τη ραδιοχρονολόγηση με άνθρακα-14: Το ανθρακούχο υλικό από ένα αρχαιολογικό δείγμα επιδράται με μεταλλικό λίθιο σε ένα μικρό ειδικό κλίβανο για να σχηματίσει καρβίδιο του λιθίου (Li₂C₂). Το καρβίδιο αυτό μετά υδρολύεται σχηματίζοντας αέριο αιθίνιο που χρησιμοποιείται ως δείγμα σε φασματόμετρο μάζας για να μετρηθεί η αναλογία μεταξύ άνθρακα-14 και άνθρακα-12.

Ασφάλεια και χειρισμός

Το αιθίνιο δεν είναι ιδιαίτερα τοξικό, αλλά όταν παράγεται απο το ανθρακασβέστιο μπορεί να περιέχει τοξικές προσμείξεις, όπως ίχνη φωσφίνης (PH₃) και αρσίνης (AsH₃), οι οποίες δίνουν στο εκλυόμενο αέριο οσμή που μοιάζει με αυτήν του σκόρδου. Επίσης, το αιθίνιο είναι πολύ εύφλεκτο, όσο οι πιο εύφλεκτοι από τους υδρογονάνθρακες, και γι' αυτό άλλωστε χρησιμοποιείται στη μεταλλουργία. Ο πιο εξειδικευμένος κίνδυνος του αιθινίου είναι η αστάθειά του, ιδιαίτερα όταν χρησιμοποιείται υπό πίεση ή και σε διάφορες άλλες συνθήκες, σχηματίζοντας ένα σωρό παράγωγα εξώθερμης αντίδρασης προσθήκης ή και ολιγομερισμού, παράγοντας βουτενίνιο ή και βενζόλιο. Μπορεί, ακόμη, να διασπαστεί σε άνθρακα και υδρογόνο. Το αιθίνιο μπορεί να αναφλεγεί με έντονη θέρμανση ή και με κρούση. Συνήθως η ανάφλεξή του δίνει έκρηξη με πίεση αερίων πάνω από 200 kPa (29 psi). Οι περισσότεροι εξοπλισμοί χρήσης φλόγας αιθινίου έχουν ρυθμιστές πίεσης και μανόμετρα. Το όριο ασφαλούς συμπίεσης για το αιθίνιο θεωρείται ότι είναι η πίεση των 101 kPa ή 15 psi. Εξαιτίας της αστάθειάς του το αιθίνιο μεταφέρεται και αποθηκεύεται όχι χημικά καθαρό, αλλά σε διαλύματα προπανόνης ή διμεθυλοφορμαμίδιου (DMF), που περιέχονται σε κυλίνδρους αερίων με πορώδες γέμισμα (Agamassan), για την ασφαλέστερη μεταφορά, χειρισμό και χρήση. Ο χαλκός καταλύει τη διάσπαση του αιθινίου σε άνθρακα και υδρογόνο, και γι' αυτό οι χάλκινοι σωλήνες πρέπει να αποφεύγονται για τη μεταφορά του αιθινίου. Οι μπρούτζινοι σωλήνες ή διασυνδέσεις αυτών επίσης πρέπει να αποφεύγονται.

Πηγές

• Speight J. G., “Chemical and Process Design Handbook”, McGraw-Hill, 2002.
• Γ. Βάρβογλη, Ν. Αλεξάνδρου, Οργανική Χημεία, Αθήνα 1972
• Α. Βάρβογλη, «Χημεία Οργανικών Ενώσεων», παρατηρητής, Θεσσαλονίκη 1991
• SCHAUM'S OUTLINE SERIES, ΟΡΓΑΝΙΚΗ ΧΗΜΕΙΑ, Μτφ. Α. Βάρβογλη, 1999
• Ασκήσεις και προβλήματα Οργανικής Χημείας Ν. Α. Πετάση 1982
• University College of Cork