Ethylene là gì? Các nghiên cứu khoa học về Ethylene

Ethylene là gì?

Ethylene, còn gọi là etilen, là một hydrocarbon không no thuộc nhóm alkene, có công thức phân tử $C_2H_4$. Đây là hợp chất đơn giản nhất trong nhóm alkene với một liên kết đôi giữa hai nguyên tử carbon. Ở điều kiện thường, ethylene là một chất khí không màu, dễ cháy, có mùi ngọt nhẹ. Ethylene là một trong những hóa chất nền quan trọng nhất trong công nghiệp hóa dầu và cũng đóng vai trò là hormone thực vật điều khiển nhiều quá trình sinh học như chín quả, rụng lá và phản ứng với stress.

Theo số liệu của Cơ quan Năng lượng Quốc tế (IEA), ethylene là một trong những hóa chất hữu cơ được sản xuất nhiều nhất trên thế giới với sản lượng hơn 200 triệu tấn mỗi năm. Việc hiểu rõ tính chất và ứng dụng của ethylene là nền tảng để nghiên cứu, vận hành và phát triển các quy trình công nghiệp hiện đại.

Cấu trúc phân tử và tính chất hóa học

Phân tử ethylene có cấu trúc phẳng do các nguyên tử carbon trong phân tử đều lai hóa $sp^2$. Mỗi nguyên tử carbon tạo ba liên kết sigma: hai liên kết với nguyên tử hydro và một liên kết với nguyên tử carbon còn lại. Liên kết đôi giữa hai nguyên tử carbon gồm một liên kết sigma và một liên kết pi yếu hơn, dễ bị phá vỡ trong phản ứng hóa học.

Góc liên kết trong phân tử gần bằng 120°, đặc trưng của lai hóa $sp^2$, tạo thành một cấu trúc hình tam giác phẳng. Công thức cấu tạo của ethylene là:

$H_2C=CH_2$

Tính chất hóa học đặc trưng của ethylene là phản ứng cộng (addition) vào liên kết đôi, ví dụ như:

• Phản ứng cộng hydro: $C_2H_4 + H_2 \rightarrow C_2H_6$ (xúc tác kim loại như Ni hoặc Pt)
• Phản ứng cộng halogen: $C_2H_4 + Br_2 \rightarrow C_2H_4Br_2$
• Phản ứng trùng hợp: tạo polymer như polyethylene, chiếm tỷ trọng lớn trong ngành nhựa

Tính chất vật lý

• Trạng thái: khí
• Mùi: ngọt nhẹ, dễ nhận biết ở nồng độ cao
• Khối lượng phân tử: 28.05 g/mol
• Mật độ: khoảng 1.18 kg/m³ ở 15°C
• Nhiệt độ nóng chảy: -169.4°C
• Nhiệt độ sôi: -103.7°C
• Áp suất hơi: rất cao ở nhiệt độ phòng, nên ethylene thường được hóa lỏng dưới áp suất cao để vận chuyển
• Tan rất ít trong nước, nhưng tan tốt trong dung môi hữu cơ không phân cực như hexane, benzene

Ứng dụng công nghiệp

Ethylene là nguyên liệu nền cho nhiều quá trình hóa học và sản phẩm công nghiệp. Các ứng dụng phổ biến bao gồm:

1. Sản xuất polyethylene: chiếm hơn 60% lượng ethylene tiêu thụ toàn cầu. Polyethylene là loại nhựa phổ biến nhất, dùng để sản xuất túi nilon, màng bọc, chai lọ, ống nhựa, v.v. Có ba dạng chính là LDPE, HDPE và LLDPE, mỗi loại có ứng dụng và đặc tính cơ lý khác nhau. Chi tiết thêm có thể tham khảo tại Encyclopaedia Britannica.
2. Tổng hợp ethylene oxide: nguyên liệu để sản xuất ethylene glycol – hợp chất được dùng trong chất chống đông, sợi polyester, và sản xuất PET (nhựa dùng làm chai nước).
3. Sản xuất ethanol công nghiệp: qua phản ứng thủy hóa ethylene: $C_2H_4 + H_2O \rightarrow C_2H_5OH$ (xúc tác acid hoặc zeolite).
4. Nguyên liệu để tổng hợp các hóa chất khác: như styrene, vinyl chloride (sản xuất PVC), acetic acid, acrylonitrile, v.v.

Vai trò sinh học trong thực vật

Ethylene là một trong năm hormone thực vật chính (cùng với auxin, gibberellin, cytokinin và abscisic acid). Không giống các hormone thực vật khác tồn tại ở dạng lỏng hoặc rắn, ethylene là khí và có thể phát tán nhanh trong môi trường, ảnh hưởng đến nhiều bộ phận của cây.

Các chức năng sinh học chính của ethylene bao gồm:

• Thúc đẩy chín quả (đặc biệt ở chuối, xoài, cà chua)
• Gây rụng lá và hoa, nhất là trong giai đoạn cuối của chu kỳ sinh trưởng
• Kích hoạt phản ứng phòng vệ khi cây bị stress do cơ học, bệnh, hoặc thiếu oxy
• Điều hòa sự kéo dài tế bào và phân chia tế bào trong rễ và thân

Người nông dân và các nhà kho bảo quản thương phẩm thường sử dụng ethylene nhân tạo hoặc các tiền chất của nó như ethephon để điều khiển thời gian chín quả. Việc kiểm soát ethylene giúp tối ưu hóa thời gian thu hoạch, bảo quản và phân phối nông sản.

Tham khảo thêm tại Journal of Experimental Botany.

Quá trình sản xuất ethylene

Phương pháp chính để sản xuất ethylene trong công nghiệp là cracking nhiệt hydrocacbon nhẹ, đặc biệt là ethane, propane và naphta. Đây là quá trình dị thể xảy ra trong lò phản ứng ở nhiệt độ rất cao (750–950°C) trong điều kiện có hơi nước, giúp hạn chế tạo muội than và làm tăng hiệu suất.

Ví dụ về phản ứng cracking ethane:

$C_2H_6 \rightarrow C_2H_4 + H_2$

Sau phản ứng, hỗn hợp khí được làm nguội cực nhanh (quenching) để “khóa” sản phẩm, rồi được phân tách qua hệ thống chưng cất đông lạnh để thu ethylene tinh khiết.

Chi tiết kỹ thuật về quy trình này có thể tìm thấy tại trang Shell Chemicals - Ethylene Fact Sheet.

An toàn và tác động môi trường

Ethylene là khí dễ cháy và có thể gây nổ nếu nồng độ trong không khí đạt từ 2.7% đến 36% theo thể tích. Mặc dù không độc ở nồng độ thấp, ethylene có thể gây ra tình trạng thiếu oxy nếu tích tụ trong không gian kín do chiếm chỗ oxy. Việc tiếp xúc lâu dài với nồng độ ethylene cao trong môi trường công nghiệp cũng đòi hỏi các biện pháp bảo hộ thích hợp.

Về mặt môi trường, ethylene không phải là khí nhà kính mạnh, nhưng các sản phẩm từ ethylene như nhựa và hóa chất có thể tạo ra chất thải khó phân hủy. Ngoài ra, việc giải phóng ethylene trong vùng canh tác có thể ảnh hưởng tiêu cực đến quá trình sinh trưởng của cây trồng nhạy cảm với hormone này.

Kết luận

Ethylene là hợp chất nhỏ nhưng có vai trò rất lớn trong nền kinh tế hiện đại. Từ ngành nhựa, hóa chất đến nông nghiệp, ethylene là nền tảng của nhiều quy trình sản xuất. Ngoài ra, vai trò sinh học của ethylene trong thực vật giúp con người kiểm soát và tối ưu hóa chuỗi cung ứng nông nghiệp. Tuy nhiên, việc sản xuất và sử dụng ethylene cũng cần được kiểm soát để đảm bảo an toàn và giảm thiểu tác động môi trường.