Ossido di etilene

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Ossido di etilene
formula di struttura
modello molecolare
Nome IUPAC
ossirano
Nomi alternativi
1,2-epossietano


dimetilene ossido

Caratteristiche generali
Formula bruta o molecolare C2H4O
Massa molecolare (u) 44,05
Aspetto gas incolore
Numero CAS [75-21-8]
Proprietà chimico-fisiche
Densità (g/cm3, in c.s.) 0,87
Solubilità in acqua completamente solubile
Temperatura di fusione −112 °C (161 K)
Temperatura di ebollizione 11 °C (284 K)
Tensione di vapore (Pa) a 293 K 145300
Proprietà termochimiche
ΔfH0 (kJ·mol−1) −52,6
ΔfG0 (kJ·mol−1) −13
S0m(J·K−1mol−1) 242,5
C0p,m(J·K−1mol−1) 47,9
Indicazioni di sicurezza
Flash point −30 °C (243 K)
Limiti di esplosione 2,6 - 99% vol.
Temperatura di autoignizione 440 °C (713 K)
Simboli di rischio chimico
estremamente infiammabile tossicità acuta tossico a lungo termine gas compresso

pericolo

Frasi H 280 - 220 - 350 - 340 - 331 - 319 - 335 - 315 - EUH006
Consigli P 210 - 260 - 202 - 280 - 304+340+315 - 305+351+338+315 - 308+313 - 377 - 381 - 302+352 - 332+313 - 403 - 405 [1][2]

L'ossido di etilene (o ossirano) è il più semplice composto eterociclico contenente ossigeno, e più specificamente è il più semplice degli epossidi (eteri ciclici in cui l'ossigeno è uno degli atomi di un anello a tre termini).

A temperatura e pressione ambiente è un gas incolore dall'odore dolciastro, estremamente infiammabile, esplosivo se mescolato all'aria.

È utilizzato dall'industria chimica per la produzione di numerosi materiali.

Cenni storici[modifica | modifica sorgente]

L'ossido di etilene è stato preparato per la prima volta nel 1859 dal chimico francese Charles Wurtz, che lo ottenne per reazione tra il 2-cloroetanolo (chiamato anche "cloridrina etilenica") e una base.[3][4] A sua volta la cloridrina etilenica veniva prodotta dall'etilene, quindi la reazione globale del processo era:

CH2=CH2 + Cl2 + Ca(OH)2 → C2H4O + CaCl2 + HCl

L'ossido di etilene inizio ad essere prodotto su scala industriale a partire dal 1914[4] e la sua produzione aumentò durante gli anni della Prima guerra mondiale, come precursore del glicol etilenico e dell'iprite.

Nel 1931 un altro chimico francese, Theodore Lefort, scoprì il metodo per produrlo direttamente per reazione diretta tra l'etene e l'ossigeno usando l'argento come catalizzatore.[4] Il processo, denominato "ossidazione parziale diretta" (in inglese "direct partial oxydation") fu industrializzato successivamente dalla multinazionale chimica Union Carbide.[5] Dal 1975 tutto l'ossido di etilene prodotto industrialmente si basa su questa reazione.[5]

Produzione[modifica | modifica sorgente]

Ogni anno vengono prodotte a livello mondiale milioni di tonnellate di ossido di etilene (nel 2000, ad esempio, sono state prodotte 15 milioni di tonnellate di ossido di etilene[6]). L'ossido di etilene viene prodotto industrialmente per "ossidazione parziale diretta" tra etene e ossigeno su un catalizzatore d'argento (supportato da allumina) a temperature comprese tra 250 °C e 300 °C e pressioni comprese tra 10 e 20 bar.[7]

2 CH2=CH2 + O2 → 2 C2H4O

Accanto a questa reazione si hanno le seguenti due reazioni competitive indesiderate:[8]

2 CH2=CH2 + 3O2 → 2 CO2 + 2 H2O
C2H4O + 52 O2 → 2 CO2 + 2 H2O
Rappresentazione dell'adsorbimento "a ponte" di una molecola biatomica.[9]

Allo scopo di favorire la reazione di produzione dell'ossido di etilene, si procede all'avvelenamento del catalizzatore con 1,2-dicloroetano, che diminuisce l'attività del catalizzatore ma ne aumenta la selettività, in quanto favorisce l'"adsorbimento lineare" dell'ossigeno rispetto a quello "a ponte". Le reazioni indesiderate di produzione di anidride carbonica avvengono infatti con un meccanismo di reazione che sfrutta l'adsorbimento a ponte.[10]

Come agente ossidante si è utilizzato in passato aria ("impianto ad aria"), mentre quasi tutti i nuovi impianti utilizzano ossigeno ("impianto ad ossigeno"), infatti negli impianti ad aria bisogna effettuare uno spurgo dell'azoto accumulato, e durante lo spurgo si ha una perdita sostanziale di etilene, che invece è ridotta negli impianti ad ossigeno.[7]

Siccome l'ossido di etilene ha un intervallo di esplosività in aria molto ampio (2,6-99% in volume), si aggiunge una certa quantità di inerte gassoso all'interno del reattore, in modo a spostare tali limiti di esplosione. Si utilizza come gas inerte una miscela di metano e argon per l'impianto a ossigeno oppure di azoto per l'impianto ad aria.[7]

La resa tipica di questo processo è compresa tra il 65% e il 75% per il processo ad aria e tra il 70% e l'80% per il processo ad ossigeno; parte dell'etene viene infatti persa per via delle concorrenti reazioni di combustione e formazione di anidride carbonica.[11]

Rappresentazione del processo di produzione dell'ossido di etilene[12]

Usi[modifica | modifica sorgente]

Impieghi come intermedio di reazione[modifica | modifica sorgente]

La maggior parte dell'ossido di etilene trova impiego come intermedio nella produzione di numerosi altri composti chimici.[13] Il suo enorme impiego come intermedio di reazione è da attribuirsi alla sua elevata reattività, che è dovuta all'elevata tensione di anello della molecola di ossido di etilene, che tende ad aprire il legame rompendo la ciclicità della molecola.[4]

Il principale di essi è il glicol etilenico (prodotto per "catalisi acida" o per "via termica"), usato nell'industria automobilistica come antigelo e come liquido di raffreddamento. Viene usato anche nella preparazione dei poliesteri, ossietilati (e polietossilati) e etanolammine.[14]

L'ossido di etilene è anche un monomero e può polimerizzare a formare glicol polietilenico, un polimero atossico solubile in acqua.

L'ossido di etilene è il reagente usato per condurre reazioni di etossilazione, ovvero inserimento di un gruppo -CH2-CH2-OH su altre molecole.

Un'importante classe di derivati dell'ossido di etilene è quella degli eteri corona, che sono oligomeri ciclici dell'ossido di etilene.

A partire dall'ossirano vengono prodotti i silorani (impiegati in odontoiatria restaurativa), costituiti da molecole di ossirano, silossano (catene Si-O), riempitivi (per il 76%) ed altri composti chimici in percentuale minore (quali iniziatori, stabilizzatori, pigmenti). Il loro vantaggio rispetto ai classici materiali compositi è la riduzione della contrazione e dello stress da polimerizzazione dovuti al legame tra le catene di metacrilato.

Nello schema seguente sono riportati alcuni tra i più importanti processi chimici industriali che utilizzano l'ossido di etilene come reagente:


 
 
 
 
Ossido di etilene
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
(catalisi acida o via termica)
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Glicol etilenico
 
Glicoleteri
 
Etanolammine
 
Polietossilati
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
(polimerizzazione)
 
(polimerizzazione)
 
 
 
 
 
 
 
 
Polietilenglicole
 
Polietilene tereftalato

Impieghi in ambito medico[modifica | modifica sorgente]

L'ossido di etilene uccide batteri, muffe e funghi; trova uso come agente sterilizzante come alternativa alla pastorizzazione per quei prodotti termolabili che verrebbero danneggiati dal calore. Viene inoltre usato per la sterilizzazione dei materiali e degli strumenti usati in chirurgia.[13]

Tossicità[modifica | modifica sorgente]

L'ossido di etilene è tossico per inalazione; l'esposizione ad esso prolungata per alcuni minuti può provocare mal di testa e confusione seguiti da convulsioni, fino a colpi apoplettici e coma nel caso di un'esposizione più prolungata.[15] È anche un irritante delle vie respiratorie e può provocare in esse versamento di liquidi anche ore dopo l'avvenuta esposizione.

Sulle cavie, la sperimentazione ha dimostrato che l'ossido di etilene provoca cancro al fegato e problemi riproduttivi (aborti spontanei e mutazioni nella progenie).[15] Sugli esseri umani non sono disponibili dati certi, ma è probabile che gli effetti siano analoghi. È accertato invece che un'esposizione cronica all'ossido di etilene provochi la cataratta.[15]

Per ovviare agli effetti tossici dell'ossido di etilene su pesci e microorganismi, gli effluenti industriali contenenti ossido di etilene vengono sottoposti ad un particolare trattamento biologico, grazie al quale l'ossido di etilene viene convertito in glicol etilenico, al quale infatti competono valori molto maggiori di LD50 (84 mg/L per l'ossido di etilene e più di 10.000 mg/L per il glicol etilenico).[16]

Inquinamento[modifica | modifica sorgente]

L'ossido di etilene è presente come inquinante nel gas naturale, nel fumo di sigaretta e negli scarichi degli autoveicoli.[4]

Note[modifica | modifica sorgente]

  1. ^ scheda dell'ossido di etilene sostanza su IFA-GESTIS
  2. ^ BOC Limited; rev. del 20.05.2011 [1]
  3. ^ Weissermel-Arpe, op. cit., p.145
  4. ^ a b c d e Ullmann's, op. cit., cap. 1
  5. ^ a b Weissermel-Arpe, op. cit., p.146
  6. ^ Ullmann's, op. cit., cap. 10
  7. ^ a b c Weissermel-Arpe, op. cit., p.149
  8. ^ Ullmann's, op. cit., cap. 4.2
  9. ^ Nell'adsorbimento lineare invece la molecola è posta in maniera ortogonale alla superficie, e solo un atomo della molecola risulta legato alla superficie del solido adsorbente.
  10. ^ Weissermel-Arpe, op. cit., p.148
  11. ^ Weissermel-Arpe, op. cit., p.147
  12. ^ Ullmann's, op. cit., cap. 4.3
  13. ^ a b Ullmann's, op. cit., cap. 9
  14. ^ Weissermel-Arpe, op. cit., p.151
  15. ^ a b c Ullmann's, op. cit., cap. 11
  16. ^ Ullmann's, op. cit., cap. 5

Bibliografia[modifica | modifica sorgente]

Altri progetti[modifica | modifica sorgente]

Collegamenti esterni[modifica | modifica sorgente]

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