Etilen là gì? Tính chất, ứng dụng và vai trò sinh học

Etilen (hay ethylene) là anken đơn giản nhất, sở hữu công thức hóa học C2H4 hoặc CH2=CH2. Chất này tồn tại ở dạng khí không màu, không mùi, dễ cháy và có khối lượng riêng nhẹ hơn không khí. Là một hydrocarbon, etilen đặc trưng bởi một liên kết đôi kém bền, điều này khiến nó dễ dàng tham gia vào nhiều phản ứng hóa học. Etilen được sản xuất trên quy mô công nghiệp lớn và giữ vai trò thiết yếu trong nhiều lĩnh vực đời sống, bao gồm sản xuất nhựa, sợi tổng hợp, chất tẩy rửa, và đặc biệt là khả năng thúc đẩy quá trình chín của trái cây trong nông nghiệp.

Tính chất của Etilen

Etilen thể hiện cả tính chất hóa học và vật lý đặc trưng:

Tính chất hóa học

Etilen là anken cơ bản nhất, với cấu trúc C2H4 (CH2=CH2). Sở hữu một liên kết đôi cacbon-cacbon, trong đó có một liên kết pi kém bền. Liên kết này dễ dàng bị phá vỡ trong các phản ứng hóa học, tạo điều kiện cho các phản ứng cộng và trùng hợp.

• Phản ứng cộng: Liên kết đôi của etilen dễ dàng cộng hợp với nhiều chất khác như hydro (phản ứng hydro hóa), halogen (brom, clo), hydro halogenua (HCl, HBr), và nước. Ví dụ, khi etilen tác dụng với brom, liên kết đôi bị phá vỡ và hai nguyên tử brom sẽ gắn vào hai nguyên tử cacbon, tạo thành 1,2-dibromoetan.
• Phản ứng trùng hợp: Đây là một trong những phản ứng quan trọng nhất của etilen. Dưới điều kiện nhiệt độ, áp suất và xúc tác phù hợp, các phân tử etilen có thể cộng hợp với nhau tạo thành các chuỗi dài, hình thành polyme. Sản phẩm phổ biến nhất của phản ứng này là polyetylen (PE) – một loại nhựa nhiệt dẻo được sử dụng rộng rãi.
• Phản ứng oxy hóa: Etilen có thể bị oxy hóa hoàn toàn (cháy) tạo thành CO2 và H2O, hoặc oxy hóa không hoàn toàn tùy thuộc vào điều kiện. Phản ứng cháy của etilen tỏa nhiều nhiệt và cần được kiểm soát chặt chẽ trong công nghiệp.

Tính chất vật lý

• Là chất khí ở điều kiện nhiệt độ và áp suất phòng thông thường.
• Không màu, không mùi và có tỷ trọng nhẹ hơn không khí (khối lượng mol 28 g/mol, nhẹ hơn không khí có khối lượng mol trung bình khoảng 29 g/mol).
• Điểm sôi của etilen là khoảng -103.7 °C và điểm nóng chảy là khoảng -169.2 °C.
• Dễ bắt lửa và cháy, tạo ngọn lửa sáng. Giới hạn nổ trong không khí của etilen là từ 2.7% đến 36% thể tích, cần lưu ý khi lưu trữ và sử dụng để tránh nguy cơ cháy nổ.
• Tan ít trong nước nhưng tan tốt trong các dung môi hữu cơ như ethanol, ete.

Ứng dụng quan trọng của Etilen

Etilen được xem là một hợp chất hữu cơ có sản lượng sản xuất lớn nhất toàn cầu, mang lại nhiều ứng dụng chiến lược. Theo thống kê, sản lượng etilen toàn cầu đạt hàng trăm triệu tấn mỗi năm, với mức giá dao động tùy thuộc vào nguồn cung và nhu cầu thị trường, thường rơi vào khoảng 800 – 1200 USD/tấn.

Trong ngành công nghiệp hóa chất

Etilen là nguyên liệu đầu vào không thể thiếu để kiến tạo ra hàng loạt sản phẩm hóa chất quan trọng:

• Sản xuất nhựa: Đây là ứng dụng lớn nhất của etilen. Etilen là monome chính để sản xuất polyetylen (PE), một trong những loại nhựa phổ biến nhất trên thế giới. PE được dùng để sản xuất túi nilon, màng bọc thực phẩm, chai lọ, đồ gia dụng, ống dẫn nước… Các công ty hóa dầu lớn tại Việt Nam như PetroVietnam cũng đầu tư vào các nhà máy sản xuất PE, đáp ứng nhu cầu tiêu thụ trong nước và xuất khẩu.
• Sản xuất các hợp chất hữu cơ khác: Etilen là tiền chất để tổng hợp nhiều hợp chất hữu cơ quan trọng khác như:
• Etanol: Được sản xuất thông qua phản ứng hydrat hóa etilen, dùng làm dung môi, nhiên liệu sinh học (như xăng E5, E10 ở Việt Nam) hoặc nguyên liệu trong ngành công nghiệp hóa chất.
• Etilen oxit: Dùng để sản xuất etylen glycol (chất chống đông, nguyên liệu sản xuất polyester), chất tẩy rửa và chất khử trùng.
• Vinyl clorua: Monome để sản xuất polyvinyl clorua (PVC), loại nhựa dùng làm ống nước, dây cáp điện, vật liệu xây dựng.
• Styren: Monome để sản xuất polystyren (PS), dùng làm vật liệu cách nhiệt, bao bì.
• Sợi tổng hợp và chất tẩy rửa: Etilen được dùng làm nguyên liệu cho một số loại sợi tổng hợp và các thành phần trong sản xuất chất tẩy rửa, thuốc trừ sâu.

Trong lĩnh vực nông nghiệp

Etilen được áp dụng rộng rãi để kích thích các quá trình sinh học ở thực vật:

• Kích thích trái cây chín: Hoạt động như một hormone thực vật dạng khí, etilen được áp dụng rộng rãi để kích thích quá trình chín của trái cây, đồng thời thay đổi màu sắc tự nhiên của vỏ các loại quả như cam, quýt, xoài, chuối, giúp chúng đạt được vẻ ngoài và hương vị hấp dẫn hơn. Tại Việt Nam, nhiều nhà vườn sử dụng phương pháp ủ trái cây bằng etilen (thường dưới dạng khí etyl axetilen hoặc ethephon giải phóng etilen) để kiểm soát thời điểm thu hoạch và phân phối, đặc biệt với các loại quả xuất khẩu như thanh long, v.v.
• Kích thích nảy mầm và sinh trưởng: Ngoài ra, nó còn hỗ trợ kích thích sự nảy mầm của hạt giống và thúc đẩy sự sinh trưởng của cây trồng, từ đó góp phần nâng cao năng suất thu hoạch.
• Điều khiển ra hoa: Trong một số trường hợp, etilen cũng được sử dụng để điều khiển quá trình ra hoa của cây, ví dụ như ở cây dứa.

Vai trò sinh học của Etilen

Etilen là một trong những phytohormone (hormone thực vật) chủ chốt, đóng góp vào nhiều quá trình sinh học của cây. Khác với các hormone thực vật khác thường tồn tại ở dạng lỏng, etilen là hormone duy nhất tồn tại ở dạng khí, cho phép nó dễ dàng khuếch tán trong mô thực vật và giữa các tế bào.

• Sự hình thành tự nhiên: Chất này được hình thành một cách tự nhiên trong quá trình trao đổi chất phức tạp của thực vật. Nó được tổng hợp từ axit amin methionine thông qua một chuỗi các phản ứng enzym trong các mô thực vật, đặc biệt là trong các mô già hóa, mô bị tổn thương hoặc mô đang chín.
• Thúc đẩy quá trình chín của trái cây: Etilen là tác nhân chính thúc đẩy sự già hóa của các bộ phận cây và làm cho trái cây chín nhanh hơn đáng kể. Cơ chế hoạt động của nó liên quan đến việc kích thích mạnh mẽ quá trình hô hấp của tế bào, dẫn đến những thay đổi sinh hóa cần thiết cho sự chín. Những thay đổi này bao gồm sự phân hủy tinh bột thành đường (làm trái cây ngọt hơn), sự mềm hóa tế bào (làm trái cây mềm hơn), sự phân hủy chất diệp lục (làm thay đổi màu sắc) và sự hình thành các hợp chất bay hơi tạo mùi hương đặc trưng.
• Phản ứng với stress: Etilen còn đóng vai trò quan trọng trong phản ứng của cây đối với các tác nhân stress từ môi trường như hạn hán, lũ lụt, nhiễm mặn, tổn thương cơ học hoặc sự tấn công của mầm bệnh. Khi cây bị stress, sự sản xuất etilen tăng lên, kích hoạt các cơ chế phòng vệ hoặc thích nghi.
• Rụng lá và rụng hoa: Etilen cũng thúc đẩy quá trình rụng lá, rụng hoa và rụng quả ở cây. Nó kích hoạt sự hình thành một lớp tế bào đặc biệt ở cuống lá/hoa/quả, làm yếu liên kết và dẫn đến sự tách rời.
• Ức chế sinh trưởng: Ở nồng độ cao, etilen có thể ức chế sự kéo dài của thân và rễ, đặc biệt là trong điều kiện thiếu oxy, giúp cây thích nghi với môi trường ngập úng.

Tóm lại, etilen không chỉ là một hóa chất công nghiệp quan trọng mà còn là một yếu tố sinh học không thể thiếu đối với đời sống thực vật. Sự hiểu biết về etilen đã mở ra nhiều ứng dụng thực tiễn trong cả công nghiệp và nông nghiệp, góp phần nâng cao chất lượng cuộc sống.