Αιθίνιο

Ονοματολογία

Η ονομασία «αιθίνιο» προέρχεται από την ονοματολογία κατά IUPAC. Συγκεκριμένα, το πρόθεμα «αιθ-» δηλώνει την παρουσία δύο (2) ατόμων άνθρακα ανά μόριο της ένωσης, το ενδιάμεσο «-ιν-» δείχνει την παρουσία ενός (1) τριπλού δεσμού μεταξύ ατόμων άνθρακα στο μόριο και η κατάληξη «-ιο» φανερώνει ότι δεν περιέχει χαρακτηριστικές ομάδες, δηλαδή ότι είναι υδρογονάνθρακας.

Ανακάλυψη

Το αιθίνιο ανακαλύφθηκε το 1836 από τον Έντμουντ Νταίυβυ (Edmund Davy) που το ταυτοποίησε ως «νέο ανθρακούχο υδρογόνο» (new carburet of hydrogen). Ανακαλύφθηκε ξανά το 1860 από τον Γάλλο χημικό Μαρσελέν Μπερτελό, που χρησιμοποίησε την ονομασία «ακετυλένιο». Το παρασκεύασε περνώντας ατμούς από οργανικές ενώσεις (π.χ. μεθανόλη, αιθανόλη, κ.ά.. ) μέσα από ερυθροπυρωμένο σωλήνα, και συλλέγοντας τα προϊόντα που παράγονταν. Συνέθεσε ακόμη αιθίνιο με ηλεκτρική εκκένωση, μέσα σε μίγμα δικυανίου και υδρογόνου, και αργότερα διαπερνώντας το υδρογόνο ανάμεσα από τους πόλους «ανθρακικού τόξου».

Φυσική παρουσία

Το αιθίνιο είναι μέτρια συνηθιμένο χημικό είδος στο Σύμπαν, που συχνά βρίσκεται στις ατμόσφαιρες των αέριων γιγάντων πλανητών. Μια περίεργη ανακάλυψη αιθινίου έγινε στον Εγκέλαδο, τον δορυφόρο του Κρόνου. Το φυσικό αιθίνιο πιστεύεται ότι σχηματίζεται από την καταλυτική (μερική) αποσύνθεση υδρογονανθράκων μακρύτερης αλυσίδας σε θερμοκρασίες 1.500°C και πάνω. Επειδή τέτοιες θερμοκρασίες είναι απίθανο να συμβούν σε ένα τόσο μικρό και μακρυνό ουράνιο σώμα (όπως ο Εγκέλαδος), η ανακάλυψη αιθινίου εκεί (δηλαδή στον Εγκέλαδο) εν δυνάμει υποθέτει ότι (σχετικές) καταλυτικές αντιδράσεις έγιναν στο εσωτερικό του δορυφόρου, γεγονός που (τον κάνει) κάνει ενδιαφέρουσα τοποθεσία για έρευνα πάνω στην «προβιοτική χημεία»

Με απόσπαση υδραλογόνων

Με απόσπαση δύο ισοδυνάμων υδραλογόνου από 1,1- ή 1,2- διαλαιθάνιο, με χρήση υδροξειδίου του νατρίου (NaOH), παράγεται αιθίνιο:

Με απόσπαση αλογόνων

Με απόσπαση δύο ισοδυνάμων αλογόνου από 1,1,2,2-τετραλοαιθάνιο, με χρήση ψευδαργύρου (Zn), παράγεται αιθίνιο:

Αλλαγές καταστάσεων της ύλης

Διαλύεται δύσκολα στο νερό και πολύ πιο εύκολα σε οργανικούς διαλύτες. Ιδιαίτερα διαλυτό είναι σε ακετόνη, μέσα στην οποία και μεταφέρεται διαλελυμένο υπό πίεση, επειδή, αν και υγροποιείται εύκολα, αυτό γενικά αποφεύγεται, γιατί σε υγρή κατάσταση είναι ιδιαίτερα εκρηκτικό. Υπό κανονική ατμοσφαιρική πίεση, δηλαδή πίεση 1 atm, το αιθίνιο δεν μπορεί να υπάρξει στην υγρή κατάσταση, και γι' αυτό δεν έχει πραγματικό (κανονικό) σημείο τήξης. Το τριπλό σημείο του, στο διάγραμμα φάσεών του, αντιστοιχεί στο φερόμενο ως σημείο τήξης του αιθινίου, δηλαδή τους −80,8 °C, αλλά υπό την ελάχιστη πίεση στην οποία μπορεί να υπάρξει υγρό αιθίνιο, δηλαδή υπό πίεση 1,27 atm. Σε θερμοκρασίες κάτω από το τριπλό σημείο, το στερεό αιθίνιο μπορεί να γίνει απευθείας αέριο, με εξάχνωση. Το σημείο εξάχνωσης, υπό πίεση 1 atm, είναι −84 °C.

Άλλες

Η θερμοκρασία της αδιαβατικής φλόγας του αιθινίου στον αέρα, υπό πίεση 1 atm, είναι 2.534 °C.
Το αιθίνιο μπορεί να διαλυθεί σε προπανόνη ή διμεθυλομεθαναμίδιο, σε θερμοκρασία δωματίου και υπό πίεση 1 atm.

Καύση

Μια σημαντική αντίδραση του αιθινίου είναι η καύση του, που είναι η βάση των τεχνολογιών συγκόλλησης. Με το οξυγόνο του αέρα καίγεται παρέχοντας κυανή φλόγα υψηλότατης θερμοκρασίας (οξυακετυλενική φλόγα), θερμοκρασίας ως και περίπου 3.000οC, που αξιοποιείται στην κοπή, στην τήξη και συγκόλληση μετάλλων και μεταλλικών κατασκευών. Μίγματα ακετυλενίου με αέρα είναι ιδιαίτερα εύφλεκτα και εκρηκτικά:

Καταλυτική υδρογόνωση

Μια (σχετικά) νέα πρακτική εφαρμογή των χημικών ιδιοτήτων του αιθίνου είναι η μετατροπή του σε αιθένιο, που είναι κατάλληλο για μια ποικιλία πολυαιθυλενικών πλαστικών. Με καταλυτική υδρογόνωση αιθινίου σχηματίζεται αρχικά αιθένιο, και στη συνέχεια, με περίσσεια υδρογόνου, αιθάνιο.:

Αλογόνωση

Με επίδραση αλογόνου (X₂) (αλογόνωση) σε αιθίνιο έχουμε προσθήκη στον τριπλό δεσμό. Παράγεται αρχικά 1,2-διαλαιθένιο και στη συνέχεια (με περίσσεια αλογόνου) 1,1,2,2-τετραλαιθάνιο.:

Υδραλογόνωση

Με προσθήκη υδραλογόνων (HX) (υδραλογόνωση) σε αιθίνιο παράγεται  αρχικά  αλαιθένιο και στη συνέχεια (με περίσσεια υδραλογόνου) 1,1-διαλαιθάνιο.:

Οζονόλυση

Με επίδραση όζοντος (οζονόλυση) σε αιθίνιο, παράγεται αρχικά ασταθές οζονίδιο που τελικά διασπάται σε αιθανοδιάλη:

Επίδραση πυκνού υπερμαγγανικού καλίου

Με επίδραση πυκνού διαλύματος υπερμαγγανικού καλίου (KMnO₄) παράγεται οξαλικό οξύ:

Μεταλλουργία

Περίπου το 20% της παγκόσμιας παραγωγής αιθινίου χρησιμοποιείται από τη βιομηχανία για αέριο οξυγονοκόλλησης και κοπής μετάλλων, εξαιτίας της υψηλής θερμοκρασίας που δίνει η φλόγα του. Η καύση αιθινίου με οξυγόνο παράγει φλόγα θερμοκρασίας πάνω από 3.300°C, απελευθερώνοντας (κατά την καύση) 11,8 kJ/g αιθινίου. Η φλόγα αιθινίου-οξυγόνου ονομάζεται «οξυακετυλενική» και είναι η θερμότερη που λαμβάνεται από την καύση συνηθισμένων αερίων καυσίμων. Συνολοικά είναι η 3η κατά σειρά θερμότερη φλόγα, μετά από τη φλόγα του βουτινοδινιτρίλιου (NCC≡CCN), που δίνει φλόγα θερμοκρασίας ως 4.990°C, και του δικυανίου [(CN)₂], που δίνει φλόγα θερμοκρασίας ως 4.525°C. Η οξυγονοκόλληση με οξυακετυλενική φλόγα ήταν πολύ χρησιμοποιούμενη για τη συγκόλληση και κοπή μετάλλων τις προηγούμενες δεκαετίες, αλλά η ανάπτυξη άλλων πιο εξελιγμένων τεχνολογιών με βάση συγκόλληση - κοπή με χρήση ηλεκτρικού τόξου  έκαναν την οξυγονοκόλληση - κοπή με οξυακετυλενική φλόγα να εκλείψει, σχεδόν, από πολλές τέτοιες εφαρμογές. Η χρήση αιθινίου για συγκόλληση - κοπή είναι σημαντικά φθίνουσα. Από την άλλη, ο εξοπλισμός που απαιτεί η οξυακετυλενική φλόγα είναι (σχετικά) πιο ευέλικτος, όχι μόνο γιατί η φλόγα αυτή προτιμάται για κάποια είδη συγκόλλησης - κοπής σιδήρου ή και χάλυβα, ιδιαίτερα σε κάποιες καλλιτεχνικές εφαρμογές, αλλά επίσης κάνει το ίδιο ευκολότερη τη συγκόλληση, τη συγκόλληση με ορείχαλκο και τη θέρμανση μετάλλων, για ανόπτηση ή σκλήρυνση, κάμψη ή διαμόρφωση, η χαλάρωση των διαβρωμένων «καρυδιών»  και των μπουλονιών, και άλλες εφαρμογές. Συνεργεία τεχνικών επιδιόρθωσης καλωδίων στον Καναδά συνεχίζουν να χρησιμοποιούν φορητές συσκευές οξυγονοκόλλησης με αιθίνιο ως εργαλείο συγκόλλησης για τη σφράγιση συναρμογών μολύβδου σε καμπές φρεατίων, καθώς και σε κάποιες τοποθεσίες με εναέρια καλώδια. Η οξυακετυλενική συγκόλληση - κοπή είναι επίσης διαθέσιμη σε περιοχές που δεν υπάρχει άμεσα ηλεκτρικό δίκτυο. Σε κάθε περίπτωση, η οξυακετυλενική συγκόλληση - κοπή είναι διαθέσιμη πολύ συχνά σχεδόν σε κάθε κατάστημα επεξεργασίας μετάλλων. Για τη χρήση της συγκόλλησης - κοπής οι πιέσεις εργασίας πρέπει να ελέγχονται από ρυθμιστή, αφού πάνω από τα 15 psi, το αιθίνιο διασπάται εκρηκτικά σε άνθρακα και υδρογόνο, με αποτέλεσμα κρουστικό κύμα. Το αιθίνιο χρησιμοποιήθηκε, ακόμη, για τη «βαφή» χάλυβα, όταν τα αντικείμενα που έπρεπε να την υποστούν ήταν πολύ μεγάλα για να χωρέσουν στους (ειδικούς) κλιβάνους.

Φωτισμός

Η υδρόλυση του ανθρακασβεστίου χρησιμοποιήθηκε για να παράγει αιθίνιο για φορητές λάμπες ή άλλες φωτιστικές εφαρμογές σε (σχετικά) απομονωμένες περιοχές. Χρησιμοποιήθηκε από εργαζόμενους σε ορυχεία , από εξερευνητές σπηλαίων, σε φάρους και από πλανόδιους πωλητές, κύρια ως φωτιστικό, αλλά ενίοτε και ως καύσιμο ψησίματος (γι' αυτό έφερε και την επωνυμία «αέριο των καστανάδων»). Αργότερα, η χρήση φακών με λαμπτήρες πυρακτώσεως, και ακόμη μεταγενέστερα, με λαμπτήρες LED αντικατέστησαν τις φωτιστικές εφαρμογές του αιθινίου. Κατά τον πρώιμο 20ό αιώνα το αιθίνιο χρησιμοποιούνταν για το φωτισμός, ακόμη και των δρόμων σε κάποιες πόλεις. Μερικά από τα πρώτα αυτοκίνητα  χρησιμοποιούσαν επίσης λάμπες αιθινίου, πριν τελικά υιοθετηθούν οι ηλεκτρικοί προβολείς.

Άλλες εφαρμογές

Το 1881, ο Ρώσος χημικός Μιιχαήλ Κουτσέροφ (Mikhail Kucherov) περιέγραψε την αντίδραση ενυδάτωσης του αιθινίου με (τελικό) αποτέλεσμα την παραγωγή αιθανάλης, χρησιμοποιώντας καταλύτες όπως το διβρωμιούχο υδράργυρο (HgBr₂, δείτε παραπάνω, στις χημικές ιδιότητες) . Πριν από την ανακάλυψη της διεργασίας Βάκερ (Wacker process), η παραγωγή της αιθανάλης, σε βιομηχανική κλίμακα, γινόταν με καταλυτική ενυδάτωση αιθινίου.
Ο πολυμερισμός του αιθινίου με καταλύτες Ζίγκλερ - Νάττα (Ziegler-Natta catalysts) παράγει λεπτά φύλλα πολυακετυλένιου. Το πολυακετυλένιο δομικά αποτελείται από κέντρα CH με εναλλάξ απλούς και διπλούς δεσμούς και αποτελεί έναν από τους πρώτους, κατά σειρά ανακάλυψης, οργανικούς ημιαγωγούς. Μετά από αντίδραση (πολυακετυλενίου) με ιώδιο παράγεται ένα υλικό με πολύ καλή ηλεκτρική αγωγιμότητα. Παρόλο που τέτοια υλικά δεν είναι πλέον άμεσα χρήσιμα, αυτές οι ανακαλύψεις οδήγησαν στην ανάπτυξη οργανικών ημιαγωγών, όπως αναγνωριστηκε από το βραβείο Νόμπελ χημείας του 2000, που δόθηκε γι' αυτόν το σκοπό στους Άλαν Χίγκερ (Alan J. Heeger), Άλαν Μακ Νταρμίντ (Alan G MacDiarmid) και Χιντέκι Σιρακάβε (Hideki Shirakawa). 
Το αιθίνιο χρησιμοποιείται για την «πτητικοποίηση άνθρακα» (volatilize carbon) κατά τη ραδιοχρονολόγηση με άνθρακα-14: Το ανθρακούχο υλικό από ένα αρχαιολογικό δείγμα επιδράται με μεταλλικό λίθιο σε ένα μικρό ειδικό κλίβανο για να σχηματίσει καρβίδιο του λιθίου (Li₂C₂). Το καρβίδιο αυτό μετά υδρολύεται σχηματίζοντας αέριο αιθίνιο που χρησιμοποιείται ως δείγμα σε φασματόμετρο μάζας για να μετρηθεί η αναλογία μεταξύ άνθρακα-14 και άνθρακα-12.

Ασφάλεια και χειρισμός

Το αιθίνιο δεν είναι ιδιαίτερα τοξικό, αλλά όταν παράγεται απο το ανθρακασβέστιο μπορεί να περιέχει τοξικές προσμείξεις, όπως ίχνη φωσφίνης (PH₃) και αρσίνης (AsH₃), οι οποίες δίνουν στο εκλυόμενο αέριο οσμή που μοιάζει με αυτήν του σκόρδου. Επίσης, το αιθίνιο είναι πολύ εύφλεκτο, όσο οι πιο εύφλεκτοι από τους υδρογονάνθρακες, και γι' αυτό άλλωστε χρησιμοποιείται στη μεταλλουργία. Ο πιο εξειδικευμένος κίνδυνος του αιθινίου είναι η αστάθειά του, ιδιαίτερα όταν χρησιμοποιείται υπό πίεση ή και σε διάφορες άλλες συνθήκες, σχηματίζοντας ένα σωρό παράγωγα εξώθερμης αντίδρασης προσθήκης ή και ολιγομερισμού, παράγοντας βουτενίνιο ή και βενζόλιο. Μπορεί, ακόμη, να διασπαστεί σε άνθρακα και υδρογόνο. Το αιθίνιο μπορεί να αναφλεγεί με έντονη θέρμανση ή και με κρούση. Συνήθως η ανάφλεξή του δίνει έκρηξη με πίεση αερίων πάνω από 200 kPa (29 psi). Οι περισσότεροι εξοπλισμοί χρήσης φλόγας αιθινίου έχουν ρυθμιστές πίεσης και μανόμετρα. Το όριο ασφαλούς συμπίεσης για το αιθίνιο θεωρείται ότι είναι η πίεση των 101 kPa ή 15 psi. Εξαιτίας της αστάθειάς του το αιθίνιο μεταφέρεται και αποθηκεύεται όχι χημικά καθαρό, αλλά σε διαλύματα προπανόνης ή διμεθυλοφορμαμίδιου (DMF), που περιέχονται σε κυλίνδρους αερίων με πορώδες γέμισμα (Agamassan), για την ασφαλέστερη μεταφορά, χειρισμό και χρήση. Ο χαλκός καταλύει τη διάσπαση του αιθινίου σε άνθρακα και υδρογόνο, και γι' αυτό οι χάλκινοι σωλήνες πρέπει να αποφεύγονται για τη μεταφορά του αιθινίου. Οι μπρούτζινοι σωλήνες ή διασυνδέσεις αυτών επίσης πρέπει να αποφεύγονται.