Éthylène

L'éthylène ou, selon la nomenclature de l'IUPAC, éthène, est un hydrocarbure insaturé.

Éthylène
Formule brute et représentation 3D de l'éthylène
Identification
Synonymes	éthène
No CAS	74-85-1
No ECHA	100.000.742
No CE	200-815-3
SMILES	C=C PubChem, vue 3D
InChI	InChI : vue 3D InChI=1/C2H4/c1-2/h1-2H2
Apparence	gaz incolore, d'odeur caractéristique
Propriétés chimiques
Formule	C2H4  [Isomères]
Masse molaire	28,053 2 ± 0,001 9 g/mol C 85,63 %, H 14,37 %,
Propriétés physiques
T° fusion	−169,2 °C
T° ébullition	−103,9 °C
Solubilité	dans l'eau : nulle
Masse volumique	équation : $\rho =2.0961/0.27657^{(1 (1-T/282.34)^{0.29147})}$ Masse volumique du liquide en kmol·m-3 et température en kelvins, de 104,00 à 282,34 K. Valeurs calculées : T (K) T (°C) ρ (kmol·m-3) ρ (g·cm-3) 104,00 −169,15 23,326 0,65439 115,89 −157,26 22,80993 0,63991 121,83 −151,32 22,54646 0,63252 127,78 −145,37 22,27915 0,62502 133,72 −139,43 22,00776 0,61741 139,67 −133,48 21,73201 0,60967 145,61 −127,54 21,4516 0,6018 151,56 −121,59 21,16621 0,5938 157,5 −115,65 20,87546 0,58564 163,45 −109,7 20,57893 0,57732 169,39 −103,76 20,27614 0,56883 175,34 −97,81 19,96655 0,56014 181,28 −91,87 19,64954 0,55125 187,23 −85,92 19,32438 0,54213 193,17 −79,98 18,99023 0,53275 T (K) T (°C) ρ (kmol·m-3) ρ (g·cm-3) 199,11 −74,04 18,64612 0,5231 205,06 −68,09 18,29084 0,51313 211 −62,15 17,92298 0,50281 216,95 −56,2 17,5408 0,49209 222,89 −50,26 17,14212 0,4809 228,84 −44,31 16,72418 0,46918 234,78 −38,37 16,28337 0,45681 240,73 −32,42 15,81488 0,44367 246,67 −26,48 15,31193 0,42956 252,62 −20,53 14,76465 0,41421 258,56 −14,59 14,15749 0,39717 264,51 −8,64 13,46352 0,37771 270,45 −2,7 12,62823 0,35427 276,4 3,25 11,50218 0,32268 282,34 9,19 7,579 0,21262
T° d'auto-inflammation	490 °C
Point d’éclair	gaz inflammable
Limites d’explosivité dans l’air	2,7–36,0 %vol
Pression de vapeur saturante	à 15 °C : 8 100 kPa équation : $P_{vs}=exp(74.242 {\frac {-2707.2}{T}} (-9.8462)\times ln(T) (2.2457E-2)\times T^{1})$ Pression en pascals et température en kelvins, de 104 à 282,34 K. Valeurs calculées : T (K) T (°C) P (Pa) 104 −169,15 123,61 115,89 −157,26 803,44 121,83 −151,32 1 754,05 127,78 −145,37 3 525,83 133,72 −139,43 6 604,33 139,67 −133,48 11 642,22 145,61 −127,54 19 473,37 151,56 −121,59 31 118,58 157,5 −115,65 47 783,19 163,45 −109,7 70 848,07 169,39 −103,76 101 855,63 175,34 −97,81 142 493,12 181,28 −91,87 194 575,04 187,23 −85,92 260 026,42 193,17 −79,98 340 868,15 T (K) T (°C) P (Pa) 199,11 −74,04 439 205,39 205,06 −68,09 557 219,56 211 −62,15 697 164,09 216,95 −56,2 861 363,97 222,89 −50,26 1 052 218,96 228,84 −44,31 1 272 210,18 234,78 −38,37 1 523 909,82 240,73 −32,42 1 809 993,49 246,67 −26,48 2 133 255,19 252,62 −20,53 2 496 624,35 258,56 −14,59 2 903 184,95 264,51 −8,64 3 356 196,36 270,45 −2,7 3 859 115,99 276,4 3,25 4 415 623,57 282,34 9,19 5 029 600
Point critique	5 060 kPa, 9,19 °C
Vitesse du son	1 309 m s−1 (liquide, −103,8 °C) 331 m s−1 (gaz, −103,8 °C, 1 atm)
Thermochimie
ΔfH0gaz	52,38 kJ mol−1
Cp	équation : $C_{P}=(247390) (-4428.0)\times T (40.936)\times T^{2} (-0.16970)\times T^{3} (2.6816E-4)\times T^{4}$ Capacité thermique du liquide en J·kmol-1·K-1 et température en kelvins, de 103,97 à 252,7 K. Valeurs calculées : T (K) T (°C) Cp $({\tfrac {J}{kmol\times K}})$ Cp $({\tfrac {J}{kg\times K}})$ 103,97 −169,18 70 130 2 500 113 −160,15 68 601 2 445 118 −155,15 68 047 2 426 123 −150,15 67 656 2 412 128 −145,15 67 398 2 402 133 −140,15 67 248 2 397 138 −135,15 67 182 2 395 143 −130,15 67 183 2 395 148 −125,15 67 235 2 397 153 −120,15 67 330 2 400 158 −115,15 67 460 2 405 163 −110,15 67 624 2 410 168 −105,15 67 823 2 418 173 −100,15 68 064 2 426 178 −95,15 68 356 2 437 T (K) T (°C) Cp $({\tfrac {J}{kmol\times K}})$ Cp $({\tfrac {J}{kg\times K}})$ 183 −90,15 68 712 2 449 188 −85,15 69 152 2 465 193 −80,15 69 697 2 484 198 −75,15 70 373 2 508 203 −70,15 71 209 2 538 208 −65,15 72 241 2 575 213 −60,15 73 505 2 620 217 −56,15 74 713 2 663 222 −51,15 76 505 2 727 227 −46,15 78 659 2 804 232 −41,15 81 227 2 895 237 −36,15 84 266 3 004 242 −31,15 87 838 3 131 247 −26,15 92 009 3 280 252,7 −20,45 97 580 3 478 équation : $C_{P}=(32.083) (-1.4831E-2)\times T (2.4774E-4)\times T^{2} (-2.3766E-7)\times T^{3} (6.8274E-11)\times T^{4}$ Capacité thermique du gaz en J·mol-1·K-1 et température en kelvins, de 60 à 1 500 K. Valeurs calculées : 43,924 J·mol-1·K-1 à 25 °C. T (K) T (°C) Cp $({\tfrac {J}{kmol\times K}})$ Cp $({\tfrac {J}{kg\times K}})$ 60 −213,15 32 035 1 142 156 −117,15 34 937 1 245 204 −69,15 37 468 1 336 252 −21,15 40 550 1 445 300 26,85 44 066 1 571 348 74,85 47 909 1 708 396 122,85 51 980 1 853 444 170,85 56 188 2 003 492 218,85 60 451 2 155 540 266,85 64 698 2 306 588 314,85 68 863 2 455 636 362,85 72 891 2 598 684 410,85 76 735 2 735 732 458,85 80 358 2 864 780 506,85 83 729 2 985 T (K) T (°C) Cp $({\tfrac {J}{kmol\times K}})$ Cp $({\tfrac {J}{kg\times K}})$ 828 554,85 86 829 3 095 876 602,85 89 645 3 196 924 650,85 92 173 3 286 972 698,85 94 420 3 366 1 020 746,85 96 399 3 436 1 068 794,85 98 134 3 498 1 116 842,85 99 654 3 552 1 164 890,85 101 002 3 600 1 212 938,85 102 225 3 644 1 260 986,85 103 381 3 685 1 308 1 034,85 104 537 3 726 1 356 1 082,85 105 768 3 770 1 404 1 130,85 107 156 3 820 1 452 1 178,85 108 795 3 878 1 500 1 226,85 110 786 3 949
PCS	1 411,2 kJ·mol-1 (25 °C, gaz)
Propriétés électroniques
1re énergie d'ionisation	10,513 8 eV ± 0,0006 (gaz)
Cristallographie
Système cristallin	Monoclinique
Classe cristalline ou groupe d’espace	P21/n
Paramètres de maille	a = 4,626 Å b = 6,620 Å c = 4,067 Å α = 90,00° β = 94,39° γ = 90,00° Z = 2
Volume	124,18 Å3
Précautions
SGH
Danger H220 et H336 H220 : Gaz extrêmement inflammable H336 : Peut provoquer somnolence ou vertiges
SIMDUT
A, B1, D2B, A : Gaz comprimé température critique = 9,6 °C B1 : Gaz inflammable limite inférieure d'inflammabilité = 2,7 % D2B : Matière toxique ayant d'autres effets toxiques mutagénicité chez l'animal Divulgation à 1,0 % selon les critères de classification
Transport
23    1962    Code Kemler : 23 : gaz inflammable Numéro ONU : 1962 : ÉTHYLÈNE COMPRIMÉ Classe : 2.1 Étiquette : 2.1 : Gaz inflammables (correspond aux groupes désignés par un F majuscule); 223    1038    Code Kemler : 223 : gaz liquéfié réfrigéré, inflammable Numéro ONU : 1038 : ÉTHYLÈNE LIQUIDE RÉFRIGÉRÉ Classe : 2.1 Étiquette : 2.1 : Gaz inflammables (correspond aux groupes désignés par un F majuscule);
Classification du CIRC
Groupe 3 : Inclassable quant à sa cancérogénicité pour l'Homme
Écotoxicologie
Seuil de l’odorat	bas : 17 ppm haut : 959 ppm
Unités du SI et CNTP, sauf indication contraire.

Comme fluide frigorigène, il porte la dénomination « R1150 » dans la nomenclature des réfrigérants, régie par la norme 34-1992 d'ANSI/ASHRAE.

Chimie

Propriétés physiques

L'éthylène est le plus simple des alcènes.

Formule de l'éthylène

• brute :	C2H4
• semi-développée :	H2C=CH2
• développée :
• représenté généralement par une double liaison :

C'est un gaz incolore, volatil, de densité proche de l'air avec lequel il forme des mélanges explosifs. À partir de 425 °C, il s'enflamme et brûle avec une flamme claire ; la chaleur de combustion vaut 47 200 kJ/kg.

Propriétés chimiques

C'est un gaz très réactif.

Hydratation L'éthylène peut être hydraté en éthanol par addition d'une molécule d'eau en milieu acide.

H₂C=CH₂ H₂O ⇒ H₃C-CH₂OH

Halogénation Par halogénation, l'éthylène conduit au dibromoéthane.

H₂C=CH₂ Br₂ ⇒ BrH₂C-CH₂Br

Hydroxylation L'éthylène est hydroxylé en 1,2-éthanediol (glycol) en présence de catalyseurs.

Polymérisation La polymérisation de l'éthylène en polyéthylène basse densité s'effectue par une polymérisation radicalaire à haute pression. Quant à la production de polyéthylène haute densité, ou basse densité linéaire, elle est possible grâce à la polymérisation coordinative en utilisant des catalyseurs type Ziegler-Natta, métallocène ou post-métallocène.

Production et synthèse

La production globale d´éthylène a été de 138 Mt en 2010 et 141 Mt en 2011. L'Europe de l'Ouest en a produit 25 Mt en 2011, dont 2,46 Mt en Belgique, 3,37 Mt en France, 5,74 Mt en Allemagne, 2,17 Mt en Italie, 3,96 Mt aux Pays-Bas, 1,43 Mt en Espagne et 2,85 Mt au Royaume-Uni.

Dans l'industrie pétrochimique, l'éthylène est obtenu :

• à partir de gaz naturel riche en éthane (États-Unis) par pyrolyse ou craquage à température élevée. Dans ce procédé, la proportion d'éthylène dans le mélange gazeux résultant est environ 45 % ;
• à partir du naphta provenant de la distillation fractionnée du pétrole (Europe) par vapocraquage. La proportion d'éthylène dans le mélange obtenu est d'environ 25 %.

Les principales sociétés fabriquant l'éthylène sont Sabic, Dow Chemical, ExxonMobil Chemical, Royal Dutch Shell, Sinopec et Total. Technip est le leader mondial de la conception d’unités de production d’éthylène, de la conception à la construction et la mise en service.

Les sous-produits gazeux obtenus sont : le dihydrogène, le méthane, l'acétylène, l'éthane, le propadiène, le propène. Ces gaz sont ensuite séparés.

Utilisation

L'éthylène est à la base d'un grand nombre de molécules dans l'industrie chimique. Avec ses dérivés immédiats, il est à la source d'un grand nombre de polymères et de matières plastiques.

Les produits issus de l'éthylène sont entre autres :

• le chlorure de vinyle ;
• l'éthylbenzène ;
• l'oxyde d'éthylène ;
• l'éthanol (ou alcool éthylique).

Le monomère peut être utilisé directement pour produire du polyéthylène.

Le chlorure de vinyle est polymérisé en polychlorure de vinyle (PVC), matière plastique bien connue et l'une des plus anciennes.

L'éthylbenzène donne deux produits : du styrène et du caoutchouc styrène-butadiène (SBR). Le styrène est polymérisé en polystyrène, avec lequel on produit du polystyrène expansé ou des matières plastiques. À partir du caoutchouc SBR, on obtient d'autres copolymères, comme le styrène-butadiène-styrène (SBS)

L'oxyde d'éthylène ((CH₂)₂O) donne de l'éthylène glycol, qui lui-même, combiné à l'acide téréphtalique, fournit des fibres polyesters. L'oxyde d'éthylène est un produit très instable à cause de l'« insaturation » de sa structure chimique. Il explose immédiatement en présence d'oxygène, c’est-à-dire qu'il cherche à combler le vide atomique de sa structure en captant les atomes d'oxygène de l'air. En 1957, un réacteur pilote d'oxyde d'éthylène a explosé à Anvers (Belgique), faisant plusieurs morts. Le souffle de l'explosion a déplacé un spectromètre de masse (de plus de cent tonnes) de plusieurs dizaines de mètres. L'éthylène glycol sert également dans la fabrication des antigels.

L'éthylène peut être utilisé comme simple solvant.

Le polytétrafluoroéthylène (PTFE), plus connu sous son nom commercial de Téflon, est un polymère technique utilisé industriellement dans une grande variété d'applications — il est notamment l'un des meilleurs isolants électriques connus à ce jour, est chimiquement inerte, et a des propriétés tribologiques hors du commun. Il est également connu du grand public comme joint de plomberie ou comme revêtement anti-adhérent pour les poêles de cuisson.

Hormone végétale

L'éthylène est également une phytohormone (hormone végétale) aux effets multiples.

Histoire

Le rôle d'hormone végétale de l'éthylène a été découvert en 1901 : on remarqua que les feuilles des plantes situées à proximité des lampadaires (à bec de gaz) tombaient prématurément.

En 1910, on s'aperçoit qu'un fruit confiné mûrit plus vite qu'un fruit à l'air libre. On fait alors un premier rapprochement avec l'éthylène. En 1934 on découvre les voies métaboliques de l'éthylène.

En 1960, par chromatographie en phase gazeuse, on arrive à doser l'éthylène émis par les plantes.

En 2015, Voesenek et al. supposent que la capacité de production d'éthylène a été sélectivement perdue au cours de l'évolution chez certaines plantes terrestres qui sont devenues entièrement aquatiques, peut-être parce que l'éthylène pourrait interférer avec la croissance dans les environnements perpétuellement subaquatiques.

Biosynthèse

Le cycle de Yang.

L'éthylène a pour origine la méthionine. Dans son cycle de biosynthèse (qui se nomme « cycle de Yang ») la méthionine est transformée en S-adénosylméthionine (SAM) par la SAM synthétase :

méthionine ATP → SAM PPi P (SAM synthétase)

La SAM est ensuite dégradée en 5'méthylthioadénosine (qui est réutilisé par le cycle de Yang) et en acide 1-aminocyclopropane-1-carboxylique (ACC) par l'ACC synthase. Une partie de l'ACC est ensuite convertie en éthylène (volatil) grâce à l'ACC oxydase, le reste va se conjuguer avec du N-malonyl pour donner du N-malonyl ACC (non volatil) stocké en une réserve métabolique qui pourra être hydrolysée en fonction des besoins de la plante.

Facteurs inducteurs

Le facteur limitant est la production d'acide 1-aminocyclopropane-1-carboxylique (ACC) par l'ACC synthase. Cette hormone est présente en quantité très faible dans le cytosol, dans les fruits en maturation (au moment où l'éthylène est le plus abondant), elle représente environ 0,0001 %. Sa production est régulée par des facteurs environnementaux comme une blessure, le froid, un stress hydrique, une diminution de l'O₂ (immersion dans l'eau) ; ainsi que par des facteurs endogènes : l'auxine ou les cytokinines, mais aussi l'éthylène. Pour cela, la production d'éthylène est un phénomène autocatalytique.

Inhibiteurs

L'acide aminooxyacétique (AOA) et l'aminoéthoxyvinyglycine (AVG) bloquent le fonctionnement de l'ACC synthase.

Une absence d'oxygène (anaérobie), des températures élevées (supérieures à 35 °C), des ions cobalt Co² , inhibent le fonctionnement de l'ACC oxydase.

Le nitrate d'argent Ag NO₃⁻, l'ion complexe dithiosulfatoargent(I) [Ag(S₂O₃)₂]³⁻ (appelé improprement thiosulfate d'argent) ou un milieu enrichi en CO₂, inhibent en aval l'action de l'éthylène.

Le cyclopropène de méthyle (1-MCP) se fixe de façon presque irréversible sur les récepteurs éthylène, qui transmettent alors un signal conduisant à l'inactivité du système de perception, malgré la présence de molécules d'éthylène sur des récepteurs proches.

Effets

L'éthylène module de nombreux métabolismes (réponses des plantes aux stress biotiques et abiotiques), est impliqué dans les étapes de floraison et stimule la maturation de nombreux fruits. Cette molécule a des effets variés parce qu'elle est très simple et donc peu spécifique.

Maturation des fruits

L'éthylène est un catalyseur essentiel de la maturation des fruits. Par exemple, un avocat ne mûrit pas sur l'arbre mais six à huit jours après la cueillette. On observe alors un pic de production d'acide 1-aminocyclopropane-1-carboxylique (ACC), puis d'éthylène qui déclenche la maturation du fruit. Un fruit dont la maturation est dépendante de l'éthylène est classé comme fruit climactérique.

L'éthylène a un effet sur la maturation des fruits.

La banane produit de l'éthylène pour mûrir. Pour empêcher le mûrissement, le froid ne suffit pas. Il faut aussi ventiler pour éviter l'accumulation d'éthylène. Quand on veut redémarrer le mûrissement, il suffit de diffuser de l'éthylène.

On peut ajouter du permanganate de potassium dans les sachets contenant des bananes ou des tomates afin d'oxyder l’éthylène en éthylène glycol, ce qui arrête le mûrissement et prolonge la durée de vie des fruits jusqu'à quatre semaines sans nécessiter de réfrigération.

Sénescence des organes

La sénescence des organes est un processus génétiquement programmé influençant l'âge physiologique des entités vivantes. Un apport exogène d'ACC ou d'éthylène entraîne une sénescence prématurée, alors qu'un apport exogène de cytokinine retarde le processus.

Une augmentation de la production d'éthylène est associée à une perte de chlorophylle des feuilles, une dégradation des protéines et des acides ribonucléiques (ARN), une perte de pigmentation des fleurs, et autres symptômes de vieillissement.

Abscission des feuilles

L'abscission est la chute des feuilles, ou d'autres parties de la plante.

Ne pas confondre avec l'acide abscissique.

Les cellules des zones nécessitant une abscission répondent spécifiquement à l'éthylène. Une multitude d'enzymes hydrolytiques telles que des pectinases ou des polygalacturonases (qui dégradent l'acide galacturonique) sont alors stimulées, lysent les parois cellulaires et fragilisent la structure du végétal. Le plus souvent un agent extérieur tel que le vent, donne le coup de grâce et fait tomber l'organe.

Les jeunes feuilles produisent de l'auxine qui les insensibilise à l'éthylène. Après le développement de la feuille, la production d'auxine diminue puis s'arrête : les cellules du pétiole sont alors exposées à des concentrations de plus en plus fortes d'éthylène. Au bout d'un certain temps les zones d'abscission répondent par la synthèse d'enzymes hydrolytiques.

De très fortes concentrations d'auxine inhibent la production d'éthylène et donc la chute des feuilles, alors qu'avec de faibles concentrations d'auxine, l'inhibition de la synthèse d'éthylène n'a plus lieu, ce qui permet l'augmentation de la concentration d'éthylène et donc la chute des feuilles.

Mouvements d'épinastie

Les racines perçoivent l'inondation par une forte diminution de la concentration en dioxygène dans le milieu. L'anoxie stimule la production de SAM (SAM synthétase) et entraîne une augmentation de la teneur en ACC car l'ACC oxydase ne fonctionne pas : elle ne peut pas oxyder sans oxygène. L'ACC excédentaire des racines finit par se retrouver dans les feuilles pour être transformé en éthylène. C'est cet éthylène qui est responsable des mouvements d'épinastie.

Floraison

L'éthylène est une hormone qui inhibe la floraison sauf chez certaines espèces comme le manguier, chez lequel on synchronise la floraison des fruits en apportant de l'éthylène sur l'arbre.

L'éthylène peut changer la nature des organes floraux. Chez les espèces monoïques, c'est une hormone féminisante.

L'éthylène comme polluant de l'air

Flux d'éthylène réels et estimés (d'origine industrielle/industrie chimique) à Freeport (Texas, États-Unis). Source : NOAA ERSL (Regional Air Quality Field Study).

Éthylène, en aval d'industries chimiques texanes. Les triangles blancs signalent les sources industrielles repérées par l'Agence de l'environnement de l'État du Texas.

• L'éthylène, en tant que phyto-hormone pourrait avoir des effets altéragènes sur certaines espèces.
• En présence d'ultraviolets solaires, c'est-à-dire de jour, ce gaz est en outre un des précurseurs de l’ozone. L’éthylène étant très réactif et photosensible, sa durée de vie dans l'air est réduite (moins d'une heure à midi à la latitude du Texas). Il a donc longtemps été peu étudié et peu suivi en tant que polluant. Puis on a constaté qu'il pouvait persister bien plus longtemps la nuit. Des instruments ont été récemment développés pour mesurer en temps réel les panaches d’éthylène. Une étude (TexAQS2000) a été menée par la NOAA au Texas sur des panaches d'éthylène générés par l'industrie chimique (de Freeport).
  • Elle a d'abord montré que les émissions industrielles avaient été très fortement sous-estimées dans les inventaires conduits par l'État du Texas sur la base des déclarations des industriels.
  • Elle a aussi montré que des taux très supérieurs à la normale d'éthylène étaient encore présents sous le vent de ces sources, à grande distance (dizaines à centaines de kilomètres), la nuit notamment. Les auteurs de cette étude ont conclu qu'en conséquence, la production d’ozone troposphérique à partir de certains panaches industriels (contenant de l'éthylène) avait été sous-estimée par les modèles.

Voir aussi

Articles connexes

• Alcène
• Propène
• Trichloréthylène
• Ozone troposphérique
• Photochimie
• Phyto-hormone
• Liste d'hormones

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