Acetylen. Tlakové láhve s acetylenem. Toxicita acetylenu

Transkript

1 Acetylen Acetylen je triviální název pro nejjednodušší alkyn ethyn (dříve psáno ethin). Acetylen je za normálního tlaku a teploty bezbarvý plyn. Jeho teplota varu je -80,8 C. Čistý acetylen je bez zápachu, technický acetylen má česnekový zápach, který je způsoben nečistotami, zejména fosfanem a fosfidy. Se vzduchem tvoří výbušnou směs, mez výbušnosti se pohybuje mezi 2 až 85 %. Minimální teplota vznícení je 335 C. Acetylen byl objeven v roce 1836 Edmundem Davym ( ), který ho označil jako novou uhlíkatou sloučeninu vodíku. Znovuobjeven byl v roce 1860 francouzským chemikem Marcellinem Berthelotem ( ), který vymyslel název acetylen. Tlakové láhve s acetylenem Stlačování Pokud je acetylen stlačován (tlak větší než 200 kpa), stává se nestabilním a může explodovat. Proto se ukládá rozpuštěný v acetonu nebo dimethylformamidu (DMF) v kovové láhvi naplněné porézní látkou (křemelinou). Nils Gustaf Dalén ( ) byl švédský chemik, který se zabýval využitím plynů. V roce 1909 se stal ředitelem společnosti Gas Accumulator Company a vynalezl agamassan látku pohlcující acetylen a umožňující koncentrovat plyn bez nebezpečí výbuchu. Paradoxně však byl právě při explozi acetylenu v roce 1913 zraněn a oslepl. Značení láhví Tlakové láhve s plyny se označují barevnými pruhy pro snadnou a rychlou identifikaci, například v případě požáru. V Česku a dalších státech se používají pruhy o šířce 80 mm, umísťované pod hrdlo láhve nebo pod hrdlový kroužek. Od roku 2008 se acetylen označuje kaštanově hnědou barvou, podle starého značení se používala barva bílá. Toxicita acetylenu Vdechování acetylenu může způsobovat závratě, bolesti hlavy, nevolnost a nutkání ke zvracení. Technický acetylen může také obsahovat toxické nečistoty fosfan, arsan a sulfan. Acetylen má narkotické účinky. Při vysokých koncentracích může způsobit udušení. Postižený si dušení nemusí uvědomovat, poté může následovat ztráta pohyblivosti a bezvědomí. V poslední době bývá acetylen občas zneužíván pro své narkotické účinky podobně jako oxid dusný. Takové zneužívání může vést ke smrti vzhledem k toxicitě obsažených nečistot (fosfan, arsan a sulfan). Protože je plyn rozpuštěn v acetonu, určité množství acetonu se uvolňuje spolu s plynem a to přispívá k otravě.

2 Výroba a příprava acetylenu Výroba acetylenu hydrolýzou karbidu vápenatého Hlavní surovinou je karbid vápenatý (acetylid vápenatý), který se nechá reagovat s vodou. Produktem reakce je acetylen a hydroxid vápenatý. Tuto reakci objevil Friedrich Wöhler v roce V současné době slouží tato reakce pro laboratorní přípravu a pro výrobu acetylenu se příliš nepoužívá. CaC H 2 O Ca(OH) 2 + C 2 H 2 Technický karbid vápenatý je tvrdá, šedá až černá pevná látka. Při reakci se vzdušnou vlhkostí se pokrývá světlehnědou vrstvou hydroxidu vápenatého. V přírodě se vyskytuje jen velmi vzácně. Průmyslově se vyrábí z vápence (uhličitan vápenatý) a koksu (velmi kvalitní černé uhlí). Vápenec se nejdříve převede na oxid vápenatý, který se nechá reagovat s koksem za vzniku karbidu vápenatého a oxidu uhelnatého. Syntéza karbidu vápenatého se provádí v elektrické obloukové peci, při teplotě okolo C. CaO + 3 C CaC 2 + CO H = 486 kj mol 1 Výroba acetylenu z methanu Dnes se acetylen vyrábí termickým rozkladem methanu při teplotě 1400 C nebo částečnou katalytickou oxidací methanu. 2 CH 4 C 2 H H 2 Další způsoby přípravy acetylenu Berthelot dokázal připravit acetylen z methanolu, ethanolu, ethenu a etheru, když zaváděl tyto látky ve formě plynu či par do trubice rozžhavené do červena. Dokázal jej připravit také přímým slučováním čistého vodíku s uhlíkem pomocí elektrického výboje. Reakce acetylenu U alkynů tedy i u acetylenu mohou probíhat adice elektrofilní, nukleofilní i radikálové. Trojná vazba nejprve zaniká za vzniku dvojné vazby (produkt lze izolovat), avšak reakce může probíhat dále do vzniku jednoduchých vazeb. Spalování acetylenu Dokonalým spalováním acetylenu vzniká voda (ve formě páry) a oxid uhličitý. Při nedokonalém spalování vzniká namísto oxidu uhličitého oxid uhelnatý. V případě nedostatku kyslíku mohou vznikat i saze (uhlík). Dokonalé spalování acetylenu: 2 C 2 H O 2 4 CO H 2 O Nedokonalé spalování acetylenu: 2 C 2 H O 2 4 CO + 2 H 2 O Nedostatek kyslíku při spalování acetylenu: 2 C 2 H 2 + O 2 4 C + 2 H 2 O

3 Halogenace a hydrogenhalogenace acetylenu Halogenace a hydrogenhalogenace acetylenu probíhá jako elektrofilní adice a řídí se Markovnikovovým pravidlem. Reakce acetylenu s bromovou vodu se běžně využívá pro důkaz trojné vazby. Červenohnědá bromová voda se odbarví, neboť reakcí vzniká bezbarvý halogenderivát. Reakce s bromovou vodou: HC CH + HC CH + HC CH 1,2-dibromethen 1,1,2,2-tetrabromethan Hydratace acetylenu (Kučerovova reakce) Hydratace acetylenu je příkladem nukleofilní adice a je katalyzována kyselinou sírovou a rtuťnatou solí. Nejprve vzniká vinylalkohol (enol-forma), který se stabilizuje přesmykem na acetaldehyd (keto-forma). Tato reakce byla objevena v roce 1881 ruských chemikem Michailem Kučerovem. H 2 SO 4, Hg 2 + HC CH + H 2 O H 2 C CH OH C H 3 C O H vinylalkohol acetaldehyd Hydrogenace acetylenu Hydrogenace acetylenu probíhá jako radikálová adice a je katalyzována platinou nebo palladiem. Lze tak získat ethen nebo ethan. HC CH + H 2 H 2 C=CH 2 + H 2 H 3 C-CH 3 ethen ethan Oxidace acetylenu Acetylen snadno podléhá působení oxidačních činidel, jako například KMnO 4, K 2 Cr 2 O 7 nebo O 3 (ozonolýza). Tyto reakce probíhají jako adice a jejich produktem jsou různé kyslíkaté deriváty, jako například alkoholy, aldehydy, ketony či karboxylové kyseliny (produkty se liší v závislosti na použitém oxidačním činidle a podmínkách reakce). Odbarvení slabého, okyseleného roztoku manganistanu draselného se používá pro důkaz trojné vazby. Anionty manganistanové MnO 4 - jsou fialové a působením acetylenu se mangan v oxidačním čísle VII redukuje na mangan v oxidačním čísle II (Mn 2+ ), který je slabě růžový až bezbarvý.

4 Substituce acetylenu Vodíkové atomy acetylenu mají kyselý charakter, mohou se odštěpit a být nahrazeny některými kovy. Vznikají tak acetylidy, které dělíme na acetylidy s-prvků a acetylidy d-prvků. Acetylidy s-prvků (například acetylid vápenatý CaC 2 ) jsou teplotně stabilní a jejich reakcí s vodou vzniká plynný acetylen. Acetylidy d-prvků (například acetylid stříbrný Ag 2 C 2 ) jsou v suchém stavu výbušné a s vodou nereagují. Dimerizace, trimerizace a tetramerizace acetylenu Acetylen může dimerovat za vzniku but-1-en-3-ynu, trimerovat za vzniku benzenu či tetramerovat za vzniku styrenu. Právě pomocí acetylenu Berthelot jako první ukázal, že lze z alifatické sloučeniny udělat aromatickou, když zahříval acetylen ve skleněné trubici a získal benzen s určitým množstvím toluenu. Dimerizace: 2 C 2 H 2 H 2 C=CH-C CH Trimerizace: 3 C 2 H 2 C 6 H 6 Tetramerizace: 4 C 2 H 2 C 6 H 5 -CH=CH Polymerace acetylenu Polymerací acetylenu za přítomnosti Ziegler-Nattova katalyzátoru lze vyrobit polyacetylenový film. Polyacetylen je řetězec uhlíkových atomů, ve kterém se střídají dvojné a jednoduché vazby. Polyacetylen byl prvním objeveným organickým polovodičem. CH CH CH 2 n Použití acetylenu Svařování a řezání kovů kyslíko-acetylenovým plamenem (autogenem) Spalováním acetylenu s kyslíkem vzniká plamen o teplotě okolo 3300 C. Charakter a vzhled plamene je závislý na poměru kyslíku a acetylenu. Neutrální plamen obsahuje kyslík a acetylen v poměru přibližně 1:1 a plamen je ostře ohraničený a oslnivě bílý. Používá se při svařování ocelí. Redukční plamen je charakteristický přebytkem acetylenu, je oslnivě bílý a překrytý bělavým závojem. Čím více acetylenu směs obsahuje, tím je bělavý závoj delší. Používá pro svařování hořčíku, hliníku a jejich slitin. Oxidační plamen obsahuje přebytek kyslíku, plamen je velmi krátký a modrofialový. Oxidační plamen není vhodný pro svařování ocelí ani hliníku, používá se jen pro svařování některých mosazí a bronzů. Karbidové lampy Karbidové (acetylenové) lampy měly v dolní části karbid vápenatý, na který z horní nádoby pomalu kapala voda. Vznikal acetylen, který se na vrcholu lampy zapálil. Acetylenové světlo bylo při porovnání světla petrolejek dvacetkrát vydatnější, ve srovnání s běžným

5 plynovým hořákem patnáctkrát vydatnější. Tyto přednosti vyrovnávaly nebezpečí spojená s používáním karbidových lamp. Pro svou jednoduchost se karbidové lampy používaly v době před první světovou válkou jako svítilny v domácnostech, v průmyslu, na kolech, u prvních automobilů, drožek a kočárů, své místo našly i v železniční dopravě (zde bylo později používáno bezpečnější Pintschovo světlo směs acetylenového a olejového plynu) a v hornictví. Karbidové lampy byly používány i v době mezi světovými válkami a zejména pak během druhé světové války, kdy byl nedostatek petroleje. Ještě po druhé světové válce byly přenosné karbidové lampy využívány tam, kde nebyl zaveden elektrický proud. Postupně avšak byly nahrazovány pokročilejšími typy elektrických světel. Nyní jsou součástí cenných sbírek mnoha sběratelů nebo jsou občas používány jeskyňáři. V minulosti se acetylen používal i pro osvětlování ulic a veřejných místností, kde bylo možné využít jeden vyvíječ s řadou rozvodů. Byl tehdy doporučován zejména pro hostince a nemocnice, protože při dobrém zacházení se spalovalo méně kyslíku v místnosti a uvolňoval se také menší zápach než při spalování běžného svítiplynu. Cementování oceli Cementování (povrchové kalení) je v metalurgii označení pro proces povrchového zušlechťování oceli tím, že se v povrchové vrstvě výrobku zvyšuje obsah uhlíku (do 0,25 %) Nauhličená vrstva bývá 0,5 až 1,5 mm tlustá, hotový výrobek zůstává uvnitř houževnatý a na povrchu je tvrdý. K cementování se nejčastěji používá propan, butan nebo acetylen, smíšený s neutrální atmosférou, aby nevybuchl. Cementování se využívá pro výrobu otěru vzdorných ocelí.