Tlenek etylenu

Charakterystyka i właściwości

Tlenek etylenu jest bezbarwnym gazem o charakterystycznym zapachu. Poniżej temperatury 10ᵒC występuje w ciekłym stanie skupienia. Zbudowany jest z dwóch atomów węgla, czterech atomów wodoru oraz jednego atomu tlenu. Kształt tego związku przyjmuje postać trójkąta. Biorąc pod uwagę tą specyficzną budowę cząsteczki, tlenek etylenu jest zaliczany do grupy pierścieniowych eterów, powszechnie nazywanych epoksydami. Związek ten jest gazem łatwo rozpuszczalnym w wodzie. Jest reaktywny – bardzo łatwo oddziałuje z innymi związkami chemicznymi. Pary tlenku etylenu są silnie toksyczne. Dla tego związku wyznaczane są wartości najwyższych dopuszczalnych stężeń w powietrzu, bezpiecznych dla człowieka. Ponadto tlenek etylenu w ciekłym stanie skupienia, w obecności wilgoci powoduje silne oparzenia. Należy również pamiętać, że mieszaniny par tlenku etylenu z powietrzem są wybuchowe, w szerokim zakresie stężeń od 3 do 100 %.

Tlenek etylenu jest otrzymywany w reakcji bezpośredniego utleniania etylenu. Etylen to najprostszy węglowodór nienasycony, należący do alkenów. Jego cząsteczka zbudowana jest z dwóch atomów węgla, połączonych wiązaniem podwójnym oraz z czterech atomów wodoru. Występujące wiązanie podwójne jest bardzo nietrwałe i łatwo ulega rozerwaniu. Stąd też wynika to, że cząsteczki zawierające w swojej budowie wiązania podwójne lub potrójne, znacznie chętniej wchodzą w reakcje z innymi związkami chemicznymi, w porównaniu np. do alkanów, w których wszystkie atomy połączone są ze sobą wiązaniami pojedynczymi, sigma. Etylen dzięki temu chętnie reaguje z cząsteczką tlenu. Przy zastosowaniu specyficznych warunków reakcji, wiązanie podwójne w etylenie ulega rozerwaniu i związek ten przyjmuje atom tlenu, bez oddawania atomów wodoru. Aby proces ten zachodził z wymaganą wydajnością w warunkach przemysłowych, konieczne jest zastosowanie katalizatora srebrowo-platynowego. Reakcja otrzymywania tlenku etylenu jest procesem wysokotemperaturowym – zachodzi w zakresie temperatur od 200 do 300ᵒC. Możliwe jest także otrzymywanie tlenku etylenu poprzez działanie na etylen chlorem i wodą.

Zastosowanie

Niewielka ilość wytwarzanego przemysłowo tlenku etylenu przeznaczona jest do sterylizacji, fumigacji oraz zwalczania insektów. Do tego zastosowania wykorzystywany jest produkt w formie gazowej, również w połączeniu z innymi substancjami (w formie mieszaniny gazowej), takimi jak np. azot, dwutlenek węgla czy dichlorofluorometan. Za pomocą tlenku etylenu sterylizuje się między innymi sprzęt medyczny, opakowania, żywność, leki, eksponaty muzealne, książki i wiele innych. Proces sterylizacji tym związkiem posiada szereg zalet. Przede wszystkim jest bardzo skuteczny, ze względu na wysoką stabilność molekularną cząsteczek tlenku etylenu. To z kolei przekłada się na głębszą i bardziej skuteczną penetrację materiału. Co ważne, jest efektywny w niskich temperaturach. Pozwala to przeciwdziałać degradacji termicznej sterylizowanych produktów. Ponadto, mimo, że pary tlenku etylenu są toksyczne, to produkty poddawane sterylizacji tym związkiem nie stanowią zagrożenia dla użytkowników.

Tlenek etylenu jest ważnym surowcem mającym szerokie zastosowanie w technologii chemicznej. Stosowany jest do produkcji między innymi etanoloamin oraz etoksylatów alkoholi tłuszczowych. W większości jednak jest przeznaczany do wytwarzania glikoli etylenowych, w wyniku zachodzenia reakcji tlenku etylenu najpierw z protonem, a następnie z cząsteczką wody. Istotne znaczenie dla przemysłu mają również pochodne tlenku etylenu. Stosowane są w oczyszczaniu gazu ziemnego w celu zmniejszenia korozji elementów wykorzystywanych w przetwórstwie ropy naftowej i gazu oraz rekultywacji szybów naftowych. Tlenek etylenu stanowi jeden ze składników środków wspomagających pozyskiwanie ropy naftowej, a także zabezpiecza przed zamarzaniem gotowych towarów, co w konsekwencji prowadzi do skuteczniejszej transformacji energetycznej.

Tlenek etylenu i jego pochodne znalazły także swoje zainteresowanie w rolnictwie. Służą do wytwarzania szerokiej gamy substancji aktywnych i obojętnych składników, stosowanych w insektycydach, pestycydach i herbicydach. Każdy z tych składników jest ukierunkowany na specyficzne potrzeby przemysłu rolnego, pomagając chronić uprawy i zwiększyć produkcję roślinną. W przetwórstwie roślin rolniczych, środki emulgujące oparte na tlenku etylenu, są stosowane w celu poprawy separacji fazy olejowej od fazy wodnej, na przykład w ekstrakcji oleju kukurydzianego w procesie produkcji bioetanolu. Olej ten może być następnie stosowany w paszach dla zwierząt lub do produkcji biodiesla. Tlenek etylenu jest stosowany także do produkcji skrobi przemysłowej z materiałów rolniczych, które są wszechstronnym surowcem wykorzystywanym w wielu gałęziach przemysłu, w tym do produkcji klejów papierniczych. W punktach weterynaryjnych i pomocy dla zwierząt, tlenek etylenu jest używany do sterylizacji wyrobów medycznych, zestawów zabiegowych, tacek i instrumentów chirurgicznych.

Poli(tlenek etylenu)

Tlenek etylenu chętnie poddaje się reakcji polimeryzacji, w wyniku której powstają makrocząsteczki o specyficznych właściwościach. W zależności od metody i masy cząsteczkowej otrzymanego polimeru, obserwuje się ich różne właściwości i zastosowania. Wielkocząsteczkowe polimery tlenku etylenu otrzymywane są w postaci proszku lub drobnych granulek w procesach polimeryzacji suspensyjnej, w obecności katalizatorów. Stopień ich krystalizacji mieści się w zakresie od 92 do 95%. Poli(tlenek etylenu) ma elastyczną, woskowatą strukturę. Jego temperatura topnienia mieści się w zakresie od 65 do 70ᵒC. Polimer ten w stanie ciekłym wykazuje nieograniczoną rozpuszczalność w wodzie. Jest to spowodowane identycznymi rozmiarami merów w łańcuchu, a także skłonnością do tworzenia wiązań wodorowych.

Poli(tlenek etylenu) jest chętnie wykorzystywany w wielu branżach przemysłowych. Polimer ten łatwo daje się przetwarzać w procesach wytłaczania, wtryskiwania, tłoczenia czy kalandrowania. Materiały wykonane z tego materiału, np. nici czy folie, charakteryzują się dużą wytrzymałością oraz elastycznością. Jednak przy dużej wilgotności powietrza (przekraczającej nawet 90%) właściwości te ulegają znacznemu pogorszeniu. Poli(tlenek etylenu) wykazuje odporność na oleje i smary. Wielkocząsteczkowy tlenek etylenu cechuje się dobrymi właściwościami koagulującymi i flokulującymi. Wykazuje także zdolność do zmniejszania oporów hydrodynamicznych roztworów wodnych.

Polimer tlenku etylenu znajduje zastosowanie głównie w przemyśle włókienniczym, gdzie wykorzystywany jest do wyrobu materiałów. W lakiernictwie jest substratem o właściwościach zagęszczających, do produkcji farb emulsyjnych. Dużą popularność znalazł w przemyśle spożywczym. Poli(tlenek etylenu) wchodzi w skład opakowań produktów spożywczych.