Acétylène

L’acétylène (appelé éthyne par la nomenclature IUPAC) est un hydrocarbure de la classe des alcynes de formule brute C₂H₂. Il a été découvert par Edmund Davy en Angleterre en 1836. C’est l’alcyne le plus simple, constitué de deux atomes de carbone et deux d’hydrogène. Les deux atomes de carbone sont reliés par une triple liaison qui contient la majorité de son énergie chimique.

Acétylène

Formule et structure 3D de l'acétylène.

Identification

Nom UICPA

éthyne

N^o CAS

74-86-2

N^o ECHA

100.000.743

N^o CE

200-816-9

AO9600000

ChEBI

Apparence

gaz incolore dissous dans l'acétone sous pression[1]

Propriétés chimiques

Formule

C₂H₂ [Isomères]

Masse molaire[2]

26,037 3 ± 0,001 7 g/mol
C 92,26 %, H 7,74 %,

Propriétés physiques

T° fusion

−80,7 °C (point triple)[3]

T° ébullition

−84,7 °C[3]

Solubilité

1,185 g l⁻¹ (eau, 20 °C)[4]

Masse volumique

équation[5] : $\rho =2.4091/0.27223^{(1+(1-T/308.32)^{0.28477})}$
Masse volumique du liquide en kmol·m^-3 et température en kelvins, de 192,40 à 308,32 K.
Valeurs calculées :
0,37705 g·cm^-3 à 25 °C.

T (K)	T (°C)	ρ (kmol·m^-3)	ρ (g·cm^-3)
192,40	−80,75	23,692	0,61689
200,13	−73,02	23,24205	0,60518
203,99	−69,16	23,01197	0,59919
207,86	−65,29	22,77808	0,5931
211,72	−61,43	22,54015	0,5869
215,58	−57,57	22,2979	0,58059
219,45	−53,7	22,05104	0,57417
223,31	−49,84	21,79925	0,56761
227,18	−45,97	21,54215	0,56091
231,04	−42,11	21,27933	0,55407
234,9	−38,25	21,01032	0,54707
238,77	−34,38	20,73458	0,53989
242,63	−30,52	20,4515	0,53252
246,5	−26,65	20,16036	0,52494
250,36	−22,79	19,86033	0,51712

T (K)	T (°C)	ρ (kmol·m^-3)	ρ (g·cm^-3)
254,22	−18,93	19,55043	0,50905
258,09	−15,06	19,22949	0,5007
261,95	−11,2	18,89609	0,49202
265,82	−7,33	18,54851	0,48297
269,68	−3,47	18,18458	0,47349
273,54	0,39	17,80156	0,46352
277,41	4,26	17,39586	0,45295
281,27	8,12	16,96266	0,44167
285,14	11,99	16,49521	0,4295
289	15,85	15,98362	0,41618
292,86	19,71	15,41229	0,40131
296,73	23,58	14,75417	0,38417
300,59	27,44	13,95425	0,36334
304,46	31,31	12,86108	0,33488
308,32	35,17	8,850	0,23044

Graphique P=f(T)

T° d'auto-inflammation

305 °C[4]

Point d’éclair

Gaz Inflammable[1]

Limites d’explosivité dans l’air

2,3–100 %vol[4]

Pression de vapeur saturante

à 20 °C : 4 460 kPa[1]

équation[5] : $P_{vs}=exp(172.06+{\frac {-5318.5}{T}}+(-27.223)\times ln(T)+(5.4619E-2)\times T^{1})$
Pression en pascals et température en kelvins, de 192,4 à 308,32 K.
Valeurs calculées :
4 879 937,91 Pa à 25 °C.

T (K)	T (°C)	P (Pa)
192,4	−80,75	126 030
200,13	−73,02	191 336,46
203,99	−69,16	232 262,9
207,86	−65,29	279 432,22
211,72	−61,43	333 408,29
215,58	−57,57	394 770,66
219,45	−53,7	464 115,44
223,31	−49,84	542 056,61
227,18	−45,97	629 228,09
231,04	−42,11	726 286,24
234,9	−38,25	833 912,89
238,77	−34,38	952 818,95
242,63	−30,52	1 083 748,42
246,5	−26,65	1 227 482,89
250,36	−22,79	1 384 846,5

T (K)	T (°C)	P (Pa)
254,22	−18,93	1 556 711,31
258,09	−15,06	1 744 003,13
261,95	−11,2	1 947 707,74
265,82	−7,33	2 168 877,68
269,68	−3,47	2 408 639,34
273,54	0,39	2 668 200,76
277,41	4,26	2 948 859,78
281,27	8,12	3 252 012,92
285,14	11,99	3 579 164,81
289	15,85	3 931 938,36
292,86	19,71	4 312 085,65
296,73	23,58	4 721 499,76
300,59	27,44	5 162 227,34
304,46	31,31	5 636 482,44
308,32	35,17	6 146 700

Point critique

35,2 °C
61,38 bar
0,1122 l/mol[6]

Point triple

−80,8 °C à 1,282 5 bar[7]

Thermochimie

S⁰_{gaz, 1 bar}

200,93 J mol⁻¹ K⁻¹ (1 bar)[8]

Δ_fH⁰_gaz

226,73 kJ mol⁻¹[8]

C_p

44,04 J mol⁻¹ K⁻¹ à 25 °C[8]

équation[5] : $C_{P}=(200110)+(-1198.8)\times T+(3.0027)\times T^{2}$
Capacité thermique du liquide en J·kmol^-1·K^-1 et température en kelvins, de 192,4 à 250 K.
Valeurs calculées :

T (K)	T (°C)	C_p $({\tfrac {J}{kmol\times K}})$	C_p $({\tfrac {J}{kg\times K}})$
192,4	−80,75	80 610	3 096
196	−77,15	80 497	3 092
198	−75,15	80 465	3 090
200	−73,15	80 458	3 090
202	−71,15	80 475	3 091
203	−70,15	80 492	3 091
205	−68,15	80 544	3 093
207	−66,15	80 621	3 096
209	−64,15	80 722	3 100
211	−62,15	80 846	3 105
213	−60,15	80 995	3 111
215	−58,15	81 168	3 117
217	−56,15	81 365	3 125
219	−54,15	81 585	3 133
221	−52,15	81 830	3 143

T (K)	T (°C)	C_p $({\tfrac {J}{kmol\times K}})$	C_p $({\tfrac {J}{kg\times K}})$
223	−50,15	82 099	3 153
225	−48,15	82 392	3 164
226	−47,15	82 547	3 170
228	−45,15	82 876	3 183
230	−43,15	83 229	3 196
232	−41,15	83 606	3 211
234	−39,15	84 007	3 226
236	−37,15	84 432	3 243
238	−35,15	84 881	3 260
240	−33,15	85 354	3 278
242	−31,15	85 851	3 297
244	−29,15	86 372	3 317
246	−27,15	86 917	3 338
248	−25,15	87 486	3 360
250	−23,15	88 080	3 383

P=f(T)

équation[9] : $C_{P}=(19.360)+(1.1519E-1)\times T+(-1.2374E-4)\times T^{2}+(7.2370E-8)\times T^{3}+(-1.6590E-11)\times T^{4}$
Capacité thermique du gaz en J•mol^-1•K^-1 et température en kelvins, de 200 à 1 500 K.
Valeurs calculées :
44,491 J·mol^-1·K^-1 à 25 °C.

T (K)	T (°C)	C_p $({\tfrac {J}{kmol\times K}})$	C_p $({\tfrac {J}{kg\times K}})$
200	−73,15	38 001	1 459
286	12,85	43 765	1 681
330	56,85	46 301	1 778
373	99,85	48 545	1 864
416	142,85	50 578	1 943
460	186,85	52 465	2 015
503	229,85	54 141	2 079
546	272,85	55 670	2 138
590	316,85	57 101	2 193
633	359,85	58 386	2 242
676	402,85	59 574	2 288
720	446,85	60 704	2 331
763	489,85	61 736	2 371
806	532,85	62 709	2 408
850	576,85	63 653	2 445

T (K)	T (°C)	C_p $({\tfrac {J}{kmol\times K}})$	C_p $({\tfrac {J}{kg\times K}})$
893	619,85	64 535	2 479
936	662,85	65 381	2 511
980	706,85	66 218	2 543
1 023	749,85	67 011	2 574
1 066	792,85	67 783	2 603
1 110	836,85	68 552	2 633
1 153	879,85	69 282	2 661
1 196	922,85	69 992	2 688
1 240	966,85	70 693	2 715
1 283	1 009,85	71 350	2 740
1 326	1 052,85	71 973	2 764
1 370	1 096,85	72 569	2 787
1 413	1 139,85	73 102	2 808
1 456	1 182,85	73 577	2 826
1 500	1 226,85	73 992	2 842

PCS

1 301,1 kJ mol⁻¹[10] (25 °C, gaz)

Propriétés électroniques

1^re énergie d'ionisation

11,400 ± 0,002 eV (gaz)[11]

Cristallographie

Classe cristalline ou groupe d’espace

Pa3[12]

Paramètres de maille

a = 6,140 Å

b = 6,140 Å
c = 6,140 Å
α = 90,00°
β = 90,00°
γ = 90,00°
Z = 1[12]

Volume

231,48 Å³[12]

Précautions

SGH[13]

Danger

H220 et EUH006

SIMDUT[14]

A, B1, F,

NFPA 704

Symbole NFPA 704.

Transport

239
1001

-
3374

Écotoxicologie

LogP

0,37[1]

Seuil de l’odorat

bas : 226 ppm
haut : 2 584 ppm[15]

Unités du SI et CNTP, sauf indication contraire.

Description

Sa structure est linéaire : .

Il a été dit que Berthelot, en 1862, fut le premier à synthétiser l’acétylène, dans un appareil surnommé « œuf de Berthelot », par la production d'un arc voltaïque entre deux électrodes de graphite baignant dans une atmosphère d’hydrogène :

2 C + H₂ → C₂H₂.

Toutefois, le professeur Morren, doyen de la faculté des sciences de Marseille, avait publié avant lui la découverte de la production de carbures dans un tel dispositif (et Berthelot se comporta d'ailleurs de façon honteuse vis-à-vis de ce collègue)[16].

L’acétylène est un gaz incolore, pratiquement inodore quand il est pur (mais on lui attribue généralement une odeur d'ail caractéristique qui provient des impuretés, notamment la phosphine lorsqu'il est produit à partir du carbure de calcium).

L'acétylène est extrêmement inflammable aux conditions normales de température et de pression. Il est endoénergétique par rapport au carbone et à l'hydrogène, et peut se décomposer spontanément, de façon explosive lorsque la pression est supérieure à 100 kPa, et jusqu'à quelques bars où cette décomposition spontanée se produit immanquablement. C'est pour cette raison qu’il est stocké dissous dans l’acétone ou le diméthylformamide (DMF), eux-mêmes inclus dans une matière poreuse stabilisatrice.

Utilisation

La forte teneur en carbone donne une flamme très éclairante utilisée par exemple dans les lampes à acétylène (calebombe) des mineurs ou des spéléologues.
La haute chaleur de combustion de l’acétylène permet d'atteindre de hautes températures (3 200 °C dans l'oxygène pur), ce qui en fait un candidat idéal comme combustible pour la soudure. Une des particularités de la combustion de l'acétylène est sa combustion en deux temps : l'acétylène réagit en premier avec l'oxygène pour donner du monoxyde de carbone et de l'hydrogène, puis ces produits réagissent dans un second temps pour former du dioxyde de carbone et de l'eau. Le monoxyde de carbone et l'hydrogène sont des gaz réducteurs, ce qui en fait des réactifs appréciés en soudure de l'acier pour réduire les oxydes de fer issus de la réaction entre le fer et l'oxygène à haute température, permettant ainsi une meilleure homogénéisation de la soudure et donc une meilleure qualité de cette dernière. La soudure à l'acétylène permet l'assemblage de métaux variés (aciers, inox, alliages de cuivre), mais aussi sous certaines conditions l'aluminium allié au silicium.
L'acétylène est également utilisé comme combustible dans des appareils d'analyse. En effet, en spectrométrie d'absorption atomique (SAA), associé à différents comburants (air, oxygène pur, protoxyde d'azote), il permet l'ionisation d'éléments typiquement alcalino-terreux et d'en déterminer la concentration grâce à la loi de Beer-Lambert.
L'acétylène est aussi utilisé dans les chalumeaux oxycoupeurs. Cependant, le propane lui est préféré, car moins coûteux. Mais pour les découpes de forte épaisseur, l'acétylène est indispensable pour chauffer suffisamment l'acier et initier l'oxycoupage sur une faible largeur.
La réaction de l'acétylène avec l'acide chlorhydrique est une manière de produire du chlorure de vinyle (monomère du polychlorure de vinyle).

Propriétés physico-chimiques

Les propriétés chimiques de l'acétylène s'expliquent en grande partie par la présence dans sa molécule d'une triple liaison résultant de la superposition d'une liaison simple s (provenant de la fusion de deux orbitales sp) et de deux liaisons p résultant de la fusion de deux orbitales 2p. Cette liaison, de longueur 0,124 nm et caractérisée par une énergie de 811 kJ, est moins stable que les liaisons simples (614 kJ) et doubles (347,3 kJ), et par conséquent plus réactive.

Réactions de l'acétylène

L’acétylène et les monoalkylacétylènes sont les seuls hydrocarbures qui ont un hydrogène ayant un caractère acide et qui peut être échangé par un métal :

{\mbox{HC}}\!\equiv \!{\mbox{CH}}+{\mbox{Na}}\quad {\xrightarrow {N\!H_{3}}}\quad {\mbox{HC}}\!\equiv \!{\mbox{CNa}}+{\frac {1}{2}}{\mbox{H}}_{2}

Certains acétylénures comme ${\mbox{Ag}}^{+}{}^{-}{\mbox{C}}\!\equiv \!{\mbox{C}}^{-}{\mbox{Ag}}^{+}$ sont détonants au choc.
L’acétylène réagit avec l’acide cyanhydrique pour former de l’acrylonitrile, monomère de l’acrylonitrile butadiène styrène (ABS) et du styrène-acrylonitrile (SAN) :

{\mbox{HC}}\!\equiv \!{\mbox{CH}}+{\mbox{HCN}}\quad {\xrightarrow {}}\quad {\mbox{H}}_{2}{\mbox{C}}\!=\!{\begin{matrix}\\{\mbox{C}}\\{\mbox{H}}\end{matrix}}\!-\!{\mbox{CN}}

L'acétylène donne le benzène par polymérisation sous l'action de la chaleur.
Par dimérisation en présence de catalyseurs, on obtient du vinylacétylène auquel on ajoute du chlorure d'hydrogène pour obtenir du chloroprène, monomère du polychloroprène ou Néoprène.

Production et synthèse

L’acétylène n’existe pas à l'état naturel (d'autres alcynes existent ponctuellement dans les hydrocarbures). Les principales méthodes industrielles pour produire l’acétylène sont :

Méthode carbochimique

On utilise comme matière première le calcaire et le coke ou du charbon de bois. Dans un four à haute température (1 700 °C minimum) chauffé par un courant électrique passant dans le milieu réactionnel en fusion, il se produit du carbure de calcium selon les réactions :

CaCO₃ → CaO + CO₂ ;

CaO + 3 C + 108 300 cal → CaC₂ + CO.

Chez l’utilisateur, le carbure réagit avec l’eau pour produire l’acétylène, 1 kg de carbure se combinant avec 562,5 g d’eau pour dégager 350 l d’acétylène[17] :

CaC₂ + 2 H₂O → C₂H₂ + Ca(OH)₂ + 31 000 cal.

Site de production d'acétylène de BASF.

Combustion partielle du méthane

La combustion partielle du méthane produit aussi de l’acétylène :

3 CH₄ + 3 O₂ → C₂H₂ + CO + 5 H₂O.

Déshydrogénation des alcanes

Les alcanes les plus lourds du pétrole et du gaz naturel sont craqués en molécules plus légères qui sont déshydrogénées à haute température :

C₂H₆ → C₂H₂ + 2 H₂.

Notes et références

ACETYLENE, Fiches internationales de sécurité chimique .
Masse molaire calculée d’après « Atomic weights of the elements 2007 », sur www.chem.qmul.ac.uk.
(en) David R. Lide, CRC Handbook of Chemistry and Physics, Boca Raton, CRC Press/Taylor & Francis, 17 juin 2008, 89^e éd., 2736 p. (ISBN 9781420066791, présentation en ligne), chap. Physical Constants of Organic Compounds.
Entrée « Acetylene » dans la base de données de produits chimiques GESTIS de la IFA (organisme allemand responsable de la sécurité et de la santé au travail) (allemand, anglais), accès le 14 avril 2009 (JavaScript nécessaire).
(en) Robert H. Perry et Donald W. Green, Perry's Chemical Engineers' Handbook, États-Unis, McGraw-Hill, 1997, 7^e éd., 2400 p. (ISBN 0-07-049841-5), p. 2-50.
Clark, A.M. et Din, F., Equilibria Between Solid, Liquid, and Gaseous Phases at Low Temperature binary systems acetylene - carbon dioxide, acetylene - ethylene and acetylene - ethane, Trans. Faraday Soc., 1950, 46, 901.
Tsonopoulos, C. et Ambrose, D., Vapor-Liquid Critical Properties of Elements and Compounds. 6. Unsaturated Aliphatic Hydrocarbons, J. Chem. Eng. Data, 1996, 41, 645-656.
« Acetylene », sur webbook.nist.gov (consulté le 14 avril 2009).
(en) Carl L. Yaws, Handbook of Thermodynamic Diagrams, vol. 1, 2 et 3, Huston, Texas, Gulf Pub., 1996 (ISBN 0-88415-857-8, 978-0-88415-858-5 et 978-0-88415-859-2).
(en) David R. Lide, CRC Handbook of Chemistry and Physics, Boca Raton, CRC Press, 18 juin 2002, 83^e éd., 2664 p. (ISBN 0849304830, présentation en ligne), p. 5-89.
(en) David R. Lide, CRC Handbook of Chemistry and Physics, Boca Raton, CRC Press/Taylor & Francis, 17 juin 2008, 89^e éd., 2736 p. (ISBN 9781420066791, présentation en ligne), p. 10-205.
« Acetylene », sur reciprocalnet.org (consulté le 12 décembre 2009).
Numéro index 601-015-00-0 dans le tableau 3.1 de l'annexe VI du règlement CE N° 1272/2008 (16 décembre 2008).
« Acétylène » dans la base de données de produits chimiques Reptox de la CSST (organisme québécois responsable de la sécurité et de la santé au travail), consulté le 24 avril 2009.
« Acetylene », sur hazmap.nlm.nih.gov (consulté le 14 novembre 2009).
Jean Jacques, Berthelot, 1827-1907 : autopsie d'un mythe, Belin, 1987 (OCLC 573258823, lire en ligne), chap. 7, p. 62.
Philippe Nowak, « L’acétylène », Le P'tit Usania, n^o 7, mars 1999 (ISSN 1292-5950), USAN, Nancy, p. 1.

Voir aussi

Liens externes

Fiche toxicologique FT 212, INRS

Cet article est issu de wikipedia. Text licence: CC BY-SA 4.0, Des conditions supplémentaires peuvent s’appliquer aux fichiers multimédias.

Acétylène

Description

Utilisation

Propriétés physico-chimiques

Réactions de l'acétylène

Production et synthèse

Méthode carbochimique

Combustion partielle du méthane

Déshydrogénation des alcanes

Notes et références

Voir aussi

Articles connexes

Liens externes