Ethylenoxid ist chemisch gesehen der einfachste der cyclischen Ether, die als Epoxide bezeichnet werden. Seine Bedeutung in verschiedenen Industriezweigen wird durch das jährliche Produktionsvolumen dieser Chemikalie belegt. Es wird vor allem als Zwischenprodukt bei der Herstellung von Industriechemikalien wie z.B. Ethylenglykol, als Begasungsmittel in einigen landwirtschaftlichen Erzeugnissen und als Sterilisationsmittel für medizinische Geräte und Verbrauchsmaterialien verwendet. Zahlreiche Anwendungen finden sich auch für Ethylenoxid-Derivate.
Merkmale und Eigenschaften
Ethylenoxid ist ein farbloses Gas mit einem charakteristischen Geruch. Unterhalb einer Temperatur von 10ᵒC tritt es in einem flüssigen Aggregatzustand auf. Es ist aus zwei Kohlenstoffatomen, vier Wasserstoffatomen und einem Sauerstoffatom zusammengesetzt. Die Form dieser Verbindung hat die eines Dreiecks. Aufgrund dieser besonderen Molekülstruktur gehört Ethylenoxid zur Gruppe der Ringether, die gemeinhin als Epoxide bezeichnet werden. Diese Verbindung ist ein Gas, das leicht in Wasser löslich ist. Sie ist reaktiv – sie geht sehr leicht Wechselwirkungen mit anderen chemischen Verbindungen ein. Ethylenoxiddämpfe sind hochgiftig. Für diese Verbindung sind für den Menschen unbedenkliche Höchstkonzentrationen in der Luft festgelegt. Darüber hinaus verursacht Ethylenoxid in flüssigem Zustand in Gegenwart von Feuchtigkeit schwere Verbrennungen. Außerdem darf nicht vergessen werden, dass Gemische aus Ethylenoxiddämpfen und Luft in einem weiten Konzentrationsbereich von 3 bis 100 % explosiv sind.
Ethylenoxid wird durch die direkte Oxidationsreaktion von Ethylen gewonnen. Ethylen ist der einfachste ungesättigte Kohlenwasserstoff, der zu der Gruppe der Alkene gehört. Sein Molekül besteht aus zwei Kohlenstoffatomen, die durch eine Doppelbindung verbunden sind, und vier Wasserstoffatomen. Die auftretende Doppelbindung ist sehr instabil und leicht zu brechen. Daraus folgt, dass Moleküle, die Doppel- oder Dreifachbindungen in ihrer Struktur enthalten, viel eher mit anderen chemischen Verbindungen reagieren, als beispielsweise Alkane, bei denen alle Atome durch einfache Sigma-Bindungen miteinander verbunden sind. Ethylen reagiert daher gerne mit einem Sauerstoffmolekül. Unter bestimmten Reaktionsbedingungen wird die Doppelbindung im Ethylen gebrochen und die Verbindung nimmt ein Sauerstoffatom auf, ohne Wasserstoffatome abzugeben. Damit dieser Prozess unter industriellen Bedingungen mit der erforderlichen Effizienz abläuft, ist ein Silber-Platin-Katalysator erforderlich. Die Reaktion zur Gewinnung von Ethylenoxid ist ein Hochtemperaturprozess – sie findet im Temperaturbereich von 200 bis 300ᵒC statt. Es ist auch möglich, Ethylenoxid durch Einwirkung von Chlor und Wasser auf Ethylen zu erhalten.
Anwendungsbereiche
Die geringe Menge des industriell hergestellten Ethylenoxids wird zur Sterilisation, Begasung und Insektenbekämpfung verwendet. Für diese Anwendungen wird das Produkt in Form von Gasen verwendet, auch in Kombination mit anderen Substanzen (in Form eines Gasgemisches), wie z.B. Stickstoff, Kohlendioxid oder Dichlorfluormethan. Mit Ethylenoxid werden unter anderem medizinische Geräte, Verpackungen, Lebensmittel, Medikamente, Museumsexponate, Bücher und vieles mehr sterilisiert. Das Sterilisationsverfahren mit dieser Verbindung hat eine Reihe von Vorteilen. Zunächst einmal ist es aufgrund der hohen molekularen Stabilität der Ethylenoxidmoleküle sehr effektiv. Dies wiederum schlägt sich in einer tieferen und effektiveren Materialdurchdringung nieder. Was wichtig ist: es ist auch bei niedrigen Temperaturen wirksam. Dies trägt dazu bei, dem thermischen Abbau der sterilisierten Produkte entgegenzuwirken. Außerdem, obwohl die Dämpfe von Ethylenoxid giftig sind, stellen die mit dieser Verbindung sterilisierten Produkte kein Risiko für die Benutzer dar.
Ethylenoxid ist ein wichtiger Rohstoff mit einer vielfältigen Anwendung in der chemischen Technologie. Es wird u.a. zur Herstellung von Ethanolaminen und Ethoxylaten von Fettalkoholen verwendet. Meistens wird es jedoch für die Herstellung von Ethylenglykolen verwendet, die durch die Reaktion von Ethylenoxid zunächst mit einem Proton und dann mit einem Wassermolekül entstehen. Eine erhebliche Bedeutung für die Industrie haben auch die Derivate von Ethylenoxid. Sie werden bei der Reinigung von Erdgas eingesetzt, um die Korrosion von Bauteilen in der Öl- und Gasverarbeitung zu verringern, sowie bei der Rekultivierung von Borlocher. Ethylenoxid ist einer der Bestandteile von Hilfsmitteln zur Ölgewinnung und schützt auch vor dem Einfrieren von Fertigprodukten, was zu einer effizienteren Energieumwandlung führt.
Ethylenoxid und seine Derivate sind auch für die Landwirtschaft von Interesse. Sie werden zur Herstellung einer breiten Palette von Wirkstoffen und inerten Bestandteilen verwendet, die in Insektiziden, Pestiziden und Herbiziden verwendet werden. Jeder dieser Inhaltsstoffe zielt auf die spezifischen Bedürfnisse der Agrarindustrie ab und trägt dazu bei, Nutzpflanzen zu schützen und die Ernteerträge zu steigern. Bei der Verarbeitung landwirtschaftlicher Erzeugnisse werden Emulgatoren auf Ethylenoxidbasis eingesetzt, um die Trennung der Ölphase von der wässrigen Phase zu verbessern, beispielsweise bei der Extraktion von Maisöl im Rahmen der Bioethanolproduktion. Dieses Öl kann dann als Futtermittel oder zur Herstellung von Biodiesel verwendet werden. Ethylenoxid wird auch zur Herstellung von Industriestärke aus landwirtschaftlichen Materialien verwendet, die ein vielseitiger Rohstoff ist, der in vielen Industriezweigen verwendet wird, z.B. für Papierklebstoffe. In Tierarztpraxen und bei der Tierhilfe wird Ethylenoxid zur Sterilisierung von medizinischen Geräten, Behandlungssets, Tabletts und chirurgischen Instrumenten verwendet.
Poly(ethylenoxid)
Ethylenoxid unterzieht sich gerne einer Polymerisationsreaktion infolge derer Makromoleküle mit spezifischen Eigenschaften entstehen. Je nach Verfahren und Molekülmasse des erhaltenen Polymers werden unterschiedliche Eigenschaften und Anwendungen beobachtet. Hochmolekulare Ethylenoxidpolymere werden in Form von Pulver oder feinem Granulat durch Suspensionspolymerisationsverfahren in Gegenwart von Katalysatoren gewonnen. Ihr Kristallisationsgrad liegt zwischen 92 und 95 %. Poly(ethylenoxid) hat eine elastische, wachsartige Struktur. Sein Schmelzpunkt liegt zwischen 65 und 70ᵒC. In flüssigem Zustand ist dieses Polymer unbegrenzt wasserlöslich. Dies ist auf die identischen Größen der Mere in der Kette sowie auf die Neigung zur Bildung von Wasserstoffbrücken zurückzuführen.
Poly(ethylenoxid) wird in vielen Industriezweigen gerne verwendet. Das Polymer lässt sich leicht durch Extrusion, Spritzgießen, Prägen oder Kalandrieren verarbeiten. Aus diesem Material hergestellte Stoffe, wie Fäden und Folien, zeichnen sich durch hohe Festigkeit und Flexibilität aus. Allerdings verschlechtern sich diese Eigenschaften bei hoher Luftfeuchtigkeit (sogar über 90 Prozent) erheblich. Poly(ethylenoxid) weist eine gute Beständigkeit gegen Öle und Fette auf. Hochmolekulares Polyethylenoxid hat gute Koagulations- und Flockungseigenschaften. Es ist auch in der Lage, den hydrodynamischen Widerstand von wässrigen Lösungen zu verringern.
Das Polymer des Ethylenoxids wird hauptsächlich in der Textilindustrie verwendet, wo es zur Herstellung von Stoffen eingesetzt wird. In der Farbenindustrie ist es ein Substrat mit Verdickungseigenschaften für die Herstellung von Emulsionsfarben. Auch in der Lebensmittelindustrie ist es sehr beliebt. Poly(ethylenoxid) wird für die Verpackung von Lebensmitteln verwendet.