Phản ứng hydrat hóa etilen (C2H4) là một quy trình công nghiệp quan trọng để sản xuất ethanol (C2H5OH). Quá trình này liên quan đến việc cộng nước (H2O) vào etilen, thường được xúc tác bởi axit. Để hiểu rõ hơn về phản ứng này, chúng ta sẽ xem xét các khía cạnh nhiệt động lực học và ứng dụng thực tiễn của nó.
Để xác định sự thay đổi enthalpy của phản ứng sau:
C2H4(g) + H2O(l) → C2H5OH(l)
Chúng ta có thể sử dụng định luật Hess, phát biểu rằng sự thay đổi enthalpy của một phản ứng là như nhau bất kể nó xảy ra trong một bước hay nhiều bước.
Giả sử chúng ta có các phản ứng sau:
-
C2H4(g) + 3O2(g) → 2CO2(g) + 2H2O(l) với ΔH1 = -1411.1 kJ
alt: Phương trình hóa học mô tả quá trình đốt cháy hoàn toàn etilen (C2H4) tạo ra khí CO2 và nước (H2O), giải phóng nhiệt lượng.
-
C2H5OH(l) + 3O2(g) → 2CO2(g) + 3H2O(l) với ΔH2 = -1367.1 kJ
alt: Sơ đồ phản ứng hóa học biểu diễn quá trình đốt cháy ethanol (C2H5OH) trong oxy (O2) tạo thành khí carbon dioxide (CO2) và nước (H2O).
Để có được phản ứng mong muốn, chúng ta cần biến đổi các phản ứng đã cho:
-
Đảo ngược phản ứng 2:
2CO2(g) + 3H2O(l) → C2H5OH(l) + 3O2(g) với ΔH’2 = -(-1367.1 kJ) = 1367.1 kJ
Cộng phản ứng 1 và phản ứng đảo ngược 2:
C2H4(g) + 3O2(g) + 2CO2(g) + 3H2O(l) → 2CO2(g) + 2H2O(l) + C2H5OH(l) + 3O2(g)
Loại bỏ các chất giống nhau ở cả hai vế:
C2H4(g) + H2O(l) → C2H5OH(l)
Tính sự thay đổi enthalpy:
ΔH = ΔH1 + ΔH’2 = -1411.1 kJ + 1367.1 kJ = -44 kJ
Vậy, sự thay đổi enthalpy cho phản ứng C2H4(g) + H2O(l) → C2H5OH(l) là -44 kJ. Phản ứng này tỏa nhiệt, tức là nó giải phóng năng lượng.
Phản ứng hydrat hóa etilen thường được thực hiện trong điều kiện nhiệt độ và áp suất cao, với sự có mặt của chất xúc tác axit như axit photphoric (H3PO4) được hấp phụ trên chất mang rắn như silica gel. Chất xúc tác giúp tăng tốc độ phản ứng và cải thiện hiệu suất.
C2H4 và C2H5OH đóng vai trò quan trọng trong nhiều ngành công nghiệp. Etilen là một nguyên liệu quan trọng để sản xuất polyethylene và nhiều loại hóa chất khác. Ethanol được sử dụng làm dung môi, chất khử trùng và nhiên liệu sinh học. Việc hiểu rõ về phản ứng giữa C2H4 và H2O để tạo ra C2H5OH có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển các quy trình sản xuất hiệu quả và bền vững hơn.
