Etilen là gì? Các bài báo nghiên cứu khoa học liên quan

Định nghĩa và cấu trúc phân tử

Etilen (ethylene) là hợp chất hữu cơ không no thuộc nhóm olefin, công thức phân tử C₂H₄. Đây là hydrocarbon đơn giản nhất có liên kết đôi, đóng vai trò nền tảng trong hóa dầu và sinh học thực vật. Tính chất phản ứng của etilen xuất phát từ liên kết đôi C=C, tạo điều kiện cho nhiều phản ứng cộng và trùng hợp.

Cấu trúc phân tử của etilen phẳng (planar), các nguyên tử cacbon và hydro nằm trên cùng một mặt phẳng với độ đối xứng D_2h. Góc liên kết H–C–H xấp xỉ 117,4°, chiều dài liên kết C=C ~133 pm, ngắn hơn liên kết đơn C–C (~154 pm) do tính chất pi bond.

Mô hình hóa bằng KaTeX:

$\mathrm{H_2C=CH_2}$

Thông tin chi tiết về cấu trúc và dữ liệu phân tử có thể tham khảo trên PubChem (pubchem.ncbi.nlm.nih.gov) và IUPAC (iupac.org).

Tính chất vật lý

Etilen tồn tại ở điều kiện chuẩn dưới dạng khí không màu, không mùi, nhẹ hơn không khí với khối lượng riêng khoảng 0,978 kg/m³ (0 °C, 1 atm). Sự khác biệt giữa nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ sôi thể hiện phạm vi điều kiện vận chuyển và lưu trữ an toàn.

Thuộc tính	Giá trị
Khối lượng phân tử	28,05 g/mol
Nhiệt độ nóng chảy	−169,2 °C
Nhiệt độ sôi	−103,7 °C
Áp suất hơi	10 atm tại −18 °C
Khả năng hòa tan trong nước	0,11 g/L (20 °C)

Khả năng truyền nhiệt và độ nhớt thấp, cùng với tính không phân cực, khiến etilen dễ dàng phân tán trong khí quyển và trong các dung môi không phân cực. Việc nén hóa lỏng etilen đòi hỏi điều kiện nhiệt độ rất thấp hoặc áp suất cao.

Tính chất hóa học

Liên kết đôi C=C là trung tâm của phản ứng cộng, trùng hợp và oxy hóa. Etilen tham gia phản ứng cộng hydro (hydrogenation) để tạo etan, phản ứng cộng halogen (halogenation) cho dihalogen, và phản ứng cộng acid (hydrohalogenation) sinh ra halogen etyl.

• Phản ứng cộng H₂ (Hydrogenation): $H_2C=CH_2 + H_2 \rightarrow C_2H_6$
• Phản ứng trùng hợp (Polymerization): $n\,C_2H_4 \rightarrow \,(C_2H_4)_n$
• Phản ứng oxy hóa sinh học (trên quả chín): enzyme ethylene oxidase chuyển C₂H₄ → CO₂ + H₂O

Cơ chế phản ứng cộng thường diễn ra theo đường phức hợp Kim loại chuyển tiếp (Pd, Pt, Ni) hoặc xúc tác acid Lewis trong môi trường dung môi vô cơ. Đối với trùng hợp, xúc tác Ziegler–Natta hay metallocene kiểm soát khối lượng phân tử và cấu trúc phân nhánh của polyethylene.

Các phương pháp tổng hợp

Trong phòng thí nghiệm, etilen có thể tạo ra từ etanol hoặc halogen etyl:

• Khử nước etanol trên Al₂O₃ nung nóng (300–400 °C): $C_2H_5OH \xrightarrow[\text{Al}_2\text{O}_3}]{\Delta} H_2C=CH_2 + H_2O$
• Khử halogen từ 1,2-đibrometan bằng bazơ mạnh: $BrCH_2CH_2Br + 2\,KOH \rightarrow H_2C=CH_2 + 2\,KBr + 2\,H_2O$

Công nghiệp chủ yếu sản xuất etilen qua cracking hơi (steam cracking) các hydrocacbon nhẹ như etan, naphta ở nhiệt độ 750–950 °C, áp suất thấp và không cần xúc tác kim loại. Hiệu suất chuyển hóa etan thành etilen dao động 65–75% tùy điều kiện phản ứng và thiết kế lò cracker.

Thông tin chi tiết về quy trình cracking hơi và quy mô ngành có thể tham khảo tại ExxonMobil (exxonmobil.com) và Shell (shell.com).

Sản xuất công nghiệp

Quy trình chủ yếu để sản xuất etilen ở quy mô công nghiệp là cracking hơi (steam cracking) các hydrocacbon nhẹ, đặc biệt etan và naphta, trong lò cracker ở nhiệt độ rất cao (750–950 °C) và áp suất thấp (0,1–0,2 MPa). Khí đầu vào gồm etan tinh khiết hoặc hỗn hợp khí tự nhiên, đôi khi kèm propen, buten để tận dụng toàn bộ chuỗi C₂–C₄.

Nguyên lý phản ứng cracking hơi dựa trên cơ chế gốc tự do nhiệt phân (thermal pyrolysis), không cần xúc tác kim loại, với thời gian lưu hơi ngắn (0,1–0,5 s) để tối ưu hóa độ chọn lọc etilen. Sản phẩm đầu ra sau khi làm mát nhanh sẽ được tách trong tháp chưng cất phân đoạn, thu etilen với độ tinh khiết ≥ 99,5%.

Thông số	Giá trị điển hình
Nhiệt độ cracking	750–950 °C
Áp suất phản ứng	0,1–0,2 MPa
Thời gian lưu hơi	0,1–0,5 s
Hiệu suất chuyển hóa	65–75%

Các tập đoàn hóa dầu hàng đầu như ExxonMobil (exxonmobil.com) và Shell (shell.com) áp dụng công nghệ cracker tiên tiến, tích hợp thu hồi nhiệt và quản lý khí thải, đồng thời tối ưu hóa chu trình tái sinh hơi nước để nâng cao hiệu quả năng lượng.

Cơ chế phản ứng

Cơ chế cracking hơi etan chủ yếu diễn ra qua chuỗi phản ứng gốc tự do:

1. Sinh gốc: nhiệt phân etan tạo gốc etyl và gốc hydro tự do: $C_2H_6 \xrightarrow{\Delta} CH_3CH_2^\bullet + H^\bullet$
2. Phân ly gốc: gốc etyl tiếp tục phân ly tạo etilen và gốc hydro: $CH_3CH_2^\bullet \rightarrow H^\bullet + H_2C=CH_2$
3. Tái tổ hợp: gốc H và gốc methyl kết hợp sinh khí H₂ và các gốc khác, kiểm soát tốc độ phản ứng:

Tỷ lệ gốc tự do, nhiệt độ và thời gian lưu ảnh hưởng trực tiếp đến thành phần sản phẩm. Cơ chế này giải thích tại sao điều kiện nhiệt độ càng cao hoặc thời gian lưu càng dài sẽ gia tăng sản phẩm không mong muốn như methane, ethylene oxide và olefin nặng.

Ứng dụng chính

Etilen là chất nền quan trọng trong công nghiệp hóa dầu, đóng vai trò nguyên liệu đầu vào cho nhiều sản phẩm polymer và hóa chất cơ bản:

• Polyethylene (PE): etilen được trùng hợp để tạo HDPE, LDPE, LLDPE—vật liệu nhựa đóng gói, ống dẫn và màng bọc với sản lượng toàn cầu > 100 triệu tấn/năm.
• Ethylene oxide (EO): oxy hóa etilen cho EO, tiếp tục hydrolyze thành ethylene glycol—chất làm mát, chất chống đông và nguyên liệu sản xuất polyester.
• Styrene, PVC, acrylonitrile: etilen là tiền chất tạo butadien (qua cracking), sau đó tổng hợp styrene; phối liệu với vinyl chloride cho PVC, acrylonitrile trong sản xuất sợi tổng hợp.
• Nông nghiệp: etilen là hormone thực vật, điều chỉnh chín trái cây, kích thích nảy mầm và rụng lá; ứng dụng trong kho lưu trữ rau quả để kiểm soát thời gian thu hoạch và vận chuyển.

Chỉ riêng thị trường polyethylene ước tính đạt giá trị > 200 tỷ USD vào năm 2025, thể hiện tầm quan trọng chiến lược của etilen trong chuỗi giá trị hóa dầu toàn cầu.

Phương pháp phân tích và định lượng

Khí sắc ký (GC) là phương pháp chuẩn để định lượng etilen trong hỗn hợp khí, sử dụng detector TCD (Thermal Conductivity Detector) hoặc FID (Flame Ionization Detector). Giới hạn phát hiện của GC–FID đạt ~ 0,1 ppm, đáp ứng yêu cầu kiểm soát chất lượng và an toàn.

Phối hợp khối phổ (GC–MS) cho phép xác định tạp chất, đồng phân và sản phẩm phụ với dải khối lượng lên đến 500 Da. Ngoài ra, quang phổ hồng ngoại (FTIR) và laser diode tunable diode laser absorption spectroscopy (TDLAS) được sử dụng để giám sát trực tuyến nồng độ etilen trong nhà máy và ứng dụng nông nghiệp.

Phương pháp	Độ nhạy	Ứng dụng chính
GC–TCD	1–5 ppm	Phân tích khí công nghiệp
GC–FID	0,1–1 ppm	Kiểm soát chất lượng sản phẩm
GC–MS	ngưỡng ppb	Phân tích tạp chất, nghiên cứu hóa cơ bản
FTIR	10–50 ppm	Giám sát trực tuyến, ứng dụng nông nghiệp

Môi trường và an toàn

Etilen là khí dễ cháy, với phạm vi nổ trong không khí 2,7–36% thể tích. Nồng độ cao (> 1%) có thể gây thiếu oxy, ngạt thở do displacement effect. Tiếp xúc trực tiếp với khí lỏng có thể gây bỏng lạnh (frostbite).

• Phòng chống cháy nổ: hệ thống thông gió, cảm biến gas, van xả áp tự động.
• An toàn lao động: khẩu trang phòng độc A (TLV–TWA ≤ 100 ppm), trang bị găng tay, kính bảo hộ khi tiếp xúc với etilen lỏng.
• Quản lý khí thải: đốt cháy xúc tác (flare), rửa khí (scrubber) để giảm phát thải hydrocarbon và CO₂ (osha.gov).

Đánh giá tác động môi trường tập trung vào khí nhà kính (CO₂ tương đương), khả năng ozone depletion và photochemical ozone creation potential (POCP) do etilen có thể hình thành ozone tầng mặt đất.

Xu hướng nghiên cứu và ứng dụng tương lai

Công nghệ “green ethylene” (bioethylene) từ sinh khối hoặc khí thải sinh học đang được nghiên cứu tại các phòng thí nghiệm và nhà máy thử nghiệm. Nghiên cứu vi sinh (E. coli, Saccharomyces cerevisiae) chuyển hóa glucose hoặc glycerol thành etilen với năng suất ngày càng cải thiện (nrel.gov).

Phát triển xúc tác cracking hơi thế hệ mới, sử dụng zeolite biến tính và xúc tác nano để giảm nhiệt độ phản ứng xuống còn 600–700 °C, đồng nghĩa tiết kiệm năng lượng và giảm phát thải CO₂. Các xúc tác Lewis acid và base hỗn hợp cũng cho kết quả hứa hẹn trong thử nghiệm pilot.

Ứng dụng AI và machine learning trong tối ưu hóa vận hành cracker, dự báo bảo trì tự động, phân tích dữ liệu lớn về hiệu suất và sự cố. Mô hình kỹ thuật số twin (digital twin) của nhà máy giúp mô phỏng phản ứng, tối ưu điều kiện và quản lý an toàn.

Tài liệu tham khảo

• International Union of Pure and Applied Chemistry. “Nomenclature of Organic Chemistry.” iupac.org
• PubChem. “Ethylene.” pubchem.ncbi.nlm.nih.gov
• ExxonMobil. “Steam Cracking Technology.” corporate.exxonmobil.com
• OSHA. “Ethylene.” osha.gov
• National Renewable Energy Laboratory. “Bioethylene Production.” nrel.gov