C2H4 ra C2H5OH: Phương Trình, Cơ Chế & Ứng Dụng Công Nghiệp | Trường Lê Hồng Phong

Chu Văn An

Trong công nghiệp hóa chất hiện đại, phản ứng chuyển hóa Ethylene (C2H4) thành Ethanol (C2H5OH) được coi là một trong những quy trình “xương sống” để sản xuất ethanol sinh học, dung môi công nghiệp và nhiên liệu sạch.

Không chỉ là phương trình hóa học trong sách giáo khoa, quy trình này tại các nhà máy đòi hỏi phải kiểm soát chặt chẽ nhiệt độ, áp suất và chất xúc tác. Trong bài viết này Trường Chu Văn An sẽ cùng các bạn phân tích chuyên sâu từ lý thuyết cơ bản đến ứng dụng thực tế của phản ứng hydrat hóa Ethylene.

1. Phương trình phản ứng C2H4 thành C2H5OH (Phản ứng hydrat hóa)

Phản ứng điều chế Ethanol từ Ethylene thực chất là phản ứng thêm nước (Hydration) vào liên kết đôi của Alkene. Đây là phương pháp chính để tổng hợp rượu Ethyl ở quy mô công nghiệp.

phương trình tổng quát

C2H4 + H2O (H2SO4/H3PO4, t0, P) → C2H5OH

Trong đó:

• Các chất liên quan: Ethylene (CH2=CH2) và Nước (H2O – thường ở dạng hơi quá nhiệt).
• Sản phẩm: Ethanol (C2H5OH – Rượu Ethyl).

Điều kiện phản ứng tiêu chuẩn

Để phản ứng xảy ra với hiệu suất cao nhất trong công nghiệp, các kỹ sư hóa học cần thiết lập các thông số sau:

• Nhiệt độ: Khoảng 300 độ C.
• Áp suất: 70 – 80 atm.
• Chất xúc tác: Axit sunfuric (H2SO4) hoặc Axit photphoric (H3PO4) được tẩm trên chất mang (như Zeolite hoặc Silica).

Lưu ý của chuyên gia vietchem: Phản ứng này thuận nghịch và tỏa nhiệt. Vì vậy, việc duy trì áp suất cao là cần thiết để chuyển dịch cân bằng theo chiều thuận (tạo ra Ethanol) theo nguyên lý Le Chatelier.

2. Cơ chế phản ứng thêm nước vào Ethylene (Góc nhìn chuyên sâu)

Tại sao cần có chất xúc tác Axit (H+)? Nước là chất phân cực nhưng có khả năng phân ly yếu, không đủ mạnh để tấn công vào liên kết đôi ổn định của Ethylene. Dưới đây là cơ chế bổ sung Electrophile (AE) chi tiết:

• Bước 1: Protonation (Tạo Carbocation). Ion H+ từ axit xúc tác sẽ tấn công liên kết đôi pi giàu electron của C2H4, phá vỡ liên kết này và tạo thành Carbocation trung gian không ổn định (C2H5+).CH2=CH2 + H+ → CH3-CH2+
• Bước 2: Tấn công Nucleophin. Phân tử nước (H2O – đóng vai trò là tác nhân Nucleophin) mang cặp electron tự do sẽ tấn công vào Carbocation tích điện dương.CH3-CH2+ + H2O → CH3-CH2-OH2+
• Bước 3: Tách proton (Hoàn trả xúc tác). Ion oxonium (CH3-CH2-OH2+) sẽ tách một proton H+ thành phân tử Ethanol ổn định. Ion H+ này quay trở lại chu trình phản ứng, đó là lý do tại sao chất xúc tác không bị tiêu hao.

3. Quy trình sản xuất Ethanol từ Ethylene trong ngành hóa chất

Khác với quy mô phòng thí nghiệm, tại các nhà máy hóa chất (như Shell, Total…), việc sản xuất hàng ngàn tấn Ethanol mỗi ngày đòi hỏi phải có công nghệ tối ưu. Hiện nay có hai phương pháp chính:

Phương pháp Hydrat hóa trực tiếp (Direct Hydration)

Đây là công nghệ hiện đại nhất, sử dụng xúc tác rắn (H3PO4 trên chất mang Silica hoặc Diatomite).

• Quy trình: Hỗn hợp khí Ethylene và hơi nước (tỷ lệ mol 1:0,6) được nén và đưa qua tháp phản ứng chứa chất xúc tác ở nhiệt độ 300 độ C.
• Ưu điểm: Hiệu suất chuyển đổi cao, ít sản phẩm phụ, không gây ăn mòn thiết bị nghiêm trọng.

Phương pháp Hydrat hóa gián tiếp (Indirect Hydration)

Đây là phương pháp cổ điển (được phát minh vào năm 1930), sử dụng H2SO4 đậm đặc.

• Quy trình: Ethylene được hấp thụ vào Axit Sulfuric đậm đặc tạo thành Ester (Ethyl Sulfate), sau đó thủy phân Ester này để tạo ra Ethanol.
• Nhược điểm: Môi trường axit đậm đặc gây ăn mòn đường ống, chi phí tái sinh axit rất cao. Hiện nay công nghệ này hiếm khi được sử dụng trên quy mô lớn.

Bảng so sánh 2 công nghệ sản xuất Ethanol:

4. Phản ứng nghịch: Điều chế C2H4 từ C2H5OH (Tách nước)

Trong nhiều trường hợp, chúng ta cần thực hiện quy trình ngược lại: Tách nước khỏi cồn để thu được khí Ethylene. Đây là kiến ​​thức quan trọng thường xuất hiện trong các bài kiểm tra và thực hành pha chế khí trong phòng thí nghiệm.

Phương trình phản ứng:

C2H5OH(H2SO4 đậm đặc, 170 độ C) → C2H4 ↑ + H2O

Những lưu ý đặc biệt về nhiệt độ (Kỹ thuật viên cần ghi nhớ)

Sự chênh lệch nhiệt độ sẽ quyết định sản phẩm tạo thành. Nhiều người nhầm lẫn giữa hai mốc nhiệt độ sau:

• Ở 170 độ C: Xảy ra phản ứng khử → Tạo ra Ethylene (C2H4).
• Ở 140 độ C: Xảy ra phản ứng thế → Tạo ra Ether (C2H5-O-C2H5 – Diethyl Ete).

Vì vậy, khi điều chế C2H4 cần phải kiểm soát nhiệt độ > 170 độ C. Khí sinh ra thường được đưa qua dung dịch NaOH để loại bỏ tạp chất CO2, SO2 trước khi thu gom.

5. Ứng dụng thực tế và thị trường

Sản phẩm của phản ứng này – Ethanol và Ethylene – đều là những hóa chất thương mại có doanh số rất lớn.

• Etanol (C2H5OH):
• Dung môi công nghiệp: Dùng để pha chế sơn, vecni, mực in (hiện tại ENGCHEM cung cấp các dòng dung môi này với độ tinh khiết >99%).
• Nhiên liệu: Trộn nhiên liệu sinh học E5 và E10 giúp giảm phát thải khí nhà kính.
• Y tế & Dược phẩm: Rượu sát trùng 70 độ, 90 độ; Dung môi chiết xuất dược liệu.
• Ethylene (C2H4): Nguyên liệu đầu vào để sản xuất nhựa Polyethylene (PE), nhựa PVC, kích thích chín trái cây trong nông nghiệp.

6. Cảnh báo an toàn & Bảo quản (Theo tiêu chuẩn MSDS/GHS)

Là nhà cung cấp hóa chất chuyên nghiệp, Trường Chu Văn An luôn khuyến cáo khách hàng tuân thủ nghiêm ngặt các quy định an toàn khi xử lý Ethylene và Ethanol.

1. Nguy cơ cháy nổ:

• Ethylene: Là loại khí dễ cháy, có thể tạo hỗn hợp dễ nổ với không khí ở nồng độ dao động từ 2,7% – 36%.
• Ethanol: Chất lỏng dễ cháy (Điểm bốc cháy khoảng 13 độ C). Ngọn lửa cồn có màu xanh nhạt, khó quan sát dưới ánh sáng mạnh, tiềm ẩn nguy hiểm.

• Bảo quản ở nơi thoáng mát, tránh xa nguồn nhiệt và tia lửa điện.
• Sử dụng thùng chứa chuyên dụng có dán nhãn cảnh báo theo tiêu chuẩn GHS.
• Khi có sự cố cháy nổ: Sử dụng bột hóa chất khô, bọt chịu cồn, phun sương nước hoặc CO2. Tuyệt đối không dùng vòi phun nước trực tiếp vào đám cháy cồn lỏng vì có thể làm lửa lan rộng.

7. Mua hóa chất dung môi Ethanol (Cồn công nghiệp) ở đâu uy tín?

Việc lựa chọn nguồn cung cấp Ethanol và dung môi công nghiệp quyết định trực tiếp đến chất lượng sản phẩm đầu ra của doanh nghiệp (sơn, mực in, chất tẩy rửa…).

ENGCHEM tự hào là nhà cung cấp hóa chất hàng đầu Việt Nam với hơn 20 năm kinh nghiệm:

• Hệ thống kho bãi: Quy mô lớn tại Hà Nội, TP.HCM, Cần Thơ, đảm bảo nguồn hàng ổn định.
• Vận chuyển chuyên nghiệp: Đội ngũ xe bồn, xe tải chuyên dụng, tuân thủ quy định vận chuyển hàng nguy hiểm.
• Chất lượng cam kết: Ethanol công nghiệp, Cồn thực phẩm, Dung môi sơn đạt tiêu chuẩn quốc tế.

Nếu bạn cần tư vấn kỹ thuật hoặc báo giá dung môi, vui lòng liên hệ:

• Đường dây nóng: 0826 010 010
• Website: https://vietchem.com.vn
• Trụ sở chính: Số 41 Đường Trầm, Phường Long Biên, Thành phố Hà Nội

Tài liệu tham khảo:

1. PubChem – Tóm tắt hợp chất Ethanol.
2. Thông tin an toàn hóa chất – Sản xuất Ethylene.
3. Cẩm nang an toàn hóa chất Trường Chu Văn An.