Acetylen là một trong những loại khí công nghiệp được ưa chuộng nhất trên thị trường hiện nay. Loại khí này khá thân thiện, gần gũi với đời sống con người và hầu hết được sử dụng trong các ngành sản xuất. Vậy khí acetylen là gì? Quy trình sản xuất cũng như ứng dụng của chúng như thế nào? Hãy cùng Dakhien tìm hiểu ngay trong thông tin bài viết sau đây.
>>>> XEM THÊM: Khí công nghiệp là gì? 6 loại khí công nghiệp phổ biến
1. Tổng quan về acetylen (C2H2)
Acetylen (công thức hóa học - C2H2) là một hiđrocacbon không no thuộc nhóm ankenin (alkyne), có chứa một liên kết ba giữa hai nguyên tử cacbon. Loại khí này không màu, có mùi nhẹ đặc trưng và có khối lượng nhẹ hơn không khí. Tên gọi “acetylen” bắt nguồn từ tiếng Pháp “acétylène”, được nhà hóa học người Pháp Marcellin Berthelot đặt vào năm 1864.
Năm 1836, Edmund Davy (nhà hóa học người Anh) là người đầu tiên phát hiện axetilen khi ông phân lập được một hợp chất khí dễ cháy từ phản ứng giữa cacbon và nước. Tuy nhiên, mãi đến năm 1860, Marcellin Berthelot mới chính thức mô tả axetilen, xác định công thức phân tử và đặt tên cho chúng. Ông cũng là người đầu tiên điều chế axetilen bằng cách nhiệt phân metan (CH4) và tổng hợp nó từ các nguyên tố cơ bản.
Axetilen là một hợp chất công nghiệp quan trọng nhờ tính dễ cháy, phản ứng mạnh và khả năng chuyển hóa thành nhiều hóa chất khác. Do vậy, chúng được ứng dụng rộng rãi trong việc hàn cắt kim loại, sản xuất polymer và là tiền chất để sản xuất hàng loạt hóa chất cơ bản và vật liệu tổng hợp như: nhựa PVC, axit axetic, nguyên liệu làm cao su, sợi tổng hợp,...
Trong hóa học hữu cơ, acetylen đóng vai trò là một hợp chất đầu dãy ankin, có hoạt tính cao do chứa liên kết ba giữa hai nguyên tử cacbon. Loại khí này dễ dàng tham gia các phản ứng cộng (với hidro, halogenua, HX), phản ứng thế nguyên tử hidro ở vị trí liên kết ba và phản ứng trùng hợp để tạo các hợp chất có khối lượng phân tử lớn. Ngoài ra, axetilen còn là nguyên liệu quan trọng để tổng hợp nhiều hợp chất hữu cơ như: anđehit axetic, rượu etylic, vinyl clorua và các monome dùng trong sản xuất,...
>>>> THAM KHẢO: Ứng dụng của axetilen và một vài lưu ý
2. Cấu trúc phân tử và tính chất hóa học của Acetylen
Trong thực tế, acetylen không ổn định ở dạng nguyên chất, do vậy chúng thường tồn tại ở dạng dung dịch.
Cấu trúc phân tử của acetylen được thể hiện như sau:
- Công thức phân tử: C2H2.
- Cấu trúc electron: Bao gồm hai nguyên tử cacbon liên kết với nhau bằng một liên kết ba (≡), gồm 1 liên kết sigma (σ) và 2 liên kết pi (π). Mỗi nguyên tử cacbon còn liên kết với một nguyên tử hiđro bằng liên kết sigma.
- Công thức cấu tạo: H-C≡C-H
- Hình học phân tử: Thẳng hàng (góc liên kết 180°).
Axetilen có tính chất hóa học đặc trưng của ankin, cụ thể như sau:
Phản ứng cộng:
- Cộng hidro (H2):
C2H2 + H2 → C2H4 (etilen)
C2H4 + H2 → C2H6 (etan)
- Cộng halogen (Cl2, Br2):
C2H2 + Br2 → CHBr=CHBr (đibrometan)
Cộng tiếp → CHBr2-CHBr2 (tetrabrometan)
- Cộng HX (HCl, HBr):
C2H2 + HCl → CH2=CHCl (vinyl clorua)
Cộng tiếp → CH3-CHCl2
Phản ứng thế nguyên tử H-acetylenic:
- Axetilen có tính axit yếu (H gắn trực tiếp vào C≡C), có thể bị kim loại kiềm thay thế:
C2H2 + Na → NaC≡CH + 1/2 H₂↑
Phản ứng trùng hợp:
- Trùng hợp 3 phân tử axetilen (dưới xúc tác và nhiệt độ) tạo benzen:
3C2H2 → C6H6
- Trùng hợp mạch thẳng tạo polymer:
nC2H2 → –[CH=CH]ₙ - (polyacetylene)
3. Quy trình sản xuất acetylen
Acetylen có thể được sản xuất theo phương pháp sử dụng các hợp chất carbide và Cracking ở nhiệt độ cao. Cụ thể quy trình sản xuất của chất khí này như sau:
3.1. Phương pháp Carbide
Phương pháp Carbide là một quy trình sản xuất axetilen dựa trên phản ứng giữa canxi cacbua (CaC2) và nước. Khi cho CaC2 phản ứng với nước, axetilen được giải phóng dưới dạng khí, đồng thời tạo ra canxi hidroxit (Ca(OH)2). Phản ứng xảy ra theo phương trình:
CaC2 + 2H2O → C2H2 + Ca(OH)2.
Trong thực tế, canxi cacbua thường được điều chế bằng cách nung đá vôi (CaCO3) với than cốc ở nhiệt độ cao để tạo ra CaC2. Sau khi khí axetilen được sinh ra, nó sẽ được lọc và sau đó làm sạch rồi thu gom để sử dụng.
Phương pháp này có ưu điểm là quy trình đơn giản, dễ thực hiện. Tuy nhiên, chúng tiêu tốn nhiều năng lượng và tạo ra chất thải gây ô nhiễm môi trường. Do đó, phương pháp này hiện nay ít được sử dụng trong sản xuất công nghiệp quy mô lớn.
3.2. Phương pháp Cracking nhiệt
Phương pháp Cracking nhiệt là quy trình sản xuất axetylen hiện đại bằng cách phân hủy các hydrocacbon nhẹ như metan ở nhiệt độ cao (khoảng 1500°C) trong thời gian rất ngắn. Sau khi khí nguyên liệu được đốt nóng trong lò nhiệt phân, sản phẩm sinh ra bao gồm axetilen và khí hiđro sẽ được làm nguội đột ngột để tránh phản ứng phụ. Cuối cùng, khí axetilen được làm sạch và thu hồi để sử dụng.
Sản xuất acetylen theo phương pháp này có ưu điểm là hiệu suất cao và ít chất thải. Tuy nhiên, đòi hỏi thiết bị chịu nhiệt tốt và kiểm soát kỹ thuật nghiêm ngặt. Đây là phương pháp phổ biến trong công nghiệp hóa dầu hiện đại.
4. Ứng dụng của khí Acetylen
Khí acetylen là một hợp chất hữu cơ quan trọng được ứng dụng phổ biến trong đời sống nhờ vào tính dễ cháy, nhiệt lượng lớn và khả năng tham gia nhiều phản ứng hóa học. Một số ứng dụng tiêu biểu của loại khí này có thể kể đến như:
- Hàn và cắt kim loại: Axetilen cháy trong khí oxy tạo ra ngọn lửa có nhiệt độ rất cao (khoảng 3100°C). Do vậy, chúng được sử dụng phổ biến trong hàn gió đá, cắt và gia công kim loại bằng phương pháp hàn oxy-axetilen.
- Sản xuất khí công nghiệp: Acetylen còn được dùng như nguyên liệu cho quá trình sản xuất một số khí chuyên dụng trong công nghiệp hóa chất.
- Làm nguyên liệu sản xuất hóa chất: Loại khí này còn là nguyên liệu để tổng hợp nhiều hợp chất hữu cơ quan trọng như: vinyl clorua, anđehit axetic, rượu etylic, butadien, styren,...
- Sản xuất polymer và vật liệu mới: Axetilen có thể trùng hợp thành polyacetylene - một loại polymer dẫn điện phổ biến được ứng dụng trong pin mặt trời, cảm biến và các thiết bị điện tử.
- Ứng dụng trong nghiên cứu hóa học: Được sử dụng là chất mẫu để nghiên cứu các phản ứng cộng, thế và trùng hợp trong hóa học hữu cơ.
- Chiếu sáng trong điều kiện đặc biệt: Trước khi có điện, đèn axetilen được sử dụng trong mỏ than, tàu thủy, xe đạp do khả năng cháy sáng mạnh và ổn định.
5. Lưu ý khi sử dụng Axetilen
Để sử dụng acetylen đảm bảo an toàn và hiệu quả cao, hãy tuân thủ một số lưu ý dưới đây:
- Không dùng axetilen ở áp suất cao: Ở áp suất trên 2atm, axetilen có thể phân hủy tự phát gây nổ ngay cả khi không có oxy. Do vậy, không được nén trực tiếp axetilen như các khí khác mà thường được hòa tan trong axeton trong bình chứa đặc biệt (bình sắt xốp).
- Chỉ sử dụng thiết bị chuyên dụng: Các thiết bị chứa, dẫn và sử dụng axetilen cần được làm bằng vật liệu không phản ứng với C2H2. Đặc biệt tránh dùng đồng nguyên chất vì dễ tạo hợp chất nổ với axetilen.
- Đảm bảo thông gió tốt và tránh nguồn nhiệt: Phải sử dụng axetilen ở nơi thoáng khí, xa nguồn lửa, thiết bị điện có tia lửa hoặc vật liệu nóng.
- Không bảo quản chung với chất oxy hóa mạnh: Axetilen có thể phản ứng mạnh với clo, flo, peroxit và các chất oxy hóa khác có thể gây cháy nổ.
- Không hàn gần bình chứa axetilen: Bình khí phải được đặt cách xa khu vực hàn/cắt, được cố định chắc chắn và tránh rung động hoặc va đập mạnh.
- Vận chuyển và bảo quản đúng quy định: Bình chứa axetilen phải được bảo quản đứng thẳng, để ở nơi mát mẻ, tránh ánh nắng trực tiếp và theo đúng tiêu chuẩn an toàn PCCC.
Với các thông tin trong bài viết trên, hy vọng bạn đã có thêm những thông tin hữu ích về khí acetylen đang phổ biến hiện nay. Nếu còn bất cứ thắc mắc nào cần được tư vấn, hãy liên hệ trực tiếp tới Dakhien theo số Hotline: 0906.666.858 để được giải đáp chi tiết nhất.
