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Ethylenoxid

organische Verbindung, Epoxid

Ethylenoxid (kurz EO) ist ein farbloses, hochentzündliches Gas mit süßlichem Geruch und das einfachste Epoxid. Es ist ein wichtiges Zwischenprodukt bei der Herstellung von Ethylenglycol und anderen Chemikalien. Ethylenoxid wird als Desinfektionsmittel für Nahrungsmittel, organische Dämmstoffe (Wolle, Pflanzenfasern), Textilfasern und medizinische Geräte verwendet.

Strukturformel
Struktur von Ethylenoxid
Allgemeines
Name Ethylenoxid
Andere Namen
  • 1,2-Epoxyethan (IUPAC)
  • Oxiran
  • Dimethylenoxid
  • Oxacyclopropan
Summenformel C2H4O
Kurzbeschreibung

farbloses Gas mit süßlich-etherischem Geruch[1]

Externe Identifikatoren/Datenbanken
CAS-Nummer 75-21-8
EG-Nummer 200-849-9
ECHA-InfoCard 100.000.773
PubChem 6354
Wikidata Q407473
Eigenschaften
Molare Masse 44,05 g·mol−1
Aggregatzustand

gasförmig

Dichte

1,965 kg·m−3 (0 °C, 1013 hPa)[1]

Schmelzpunkt

−112,55 °C[1]

Siedepunkt

10,5 °C[1]

Dampfdruck
  • 0,14 bar (20 °C)[1]
  • 2,1 bar (30 °C)[1]
  • 4,0 bar (50 °C)[1]
Löslichkeit

leicht löslich in Wasser[1]

Brechungsindex

1,3597 (7 °C)[2]

Sicherheitshinweise
GHS-Gefahrstoffkennzeichnung aus Verordnung (EG) Nr. 1272/2008 (CLP),[3] ggf. erweitert[1]
02 – Leicht-/Hochentzündlich 04 – Gasflasche 06 – Giftig oder sehr giftig 08 – Gesundheitsgefährdend

Gefahr

H- und P-Sätze H: 220​‐​280​‐​315​‐​319​‐​331​‐​335​‐​340​‐​350
P: 201​‐​210​‐​261​‐​305+351+338​‐​311​‐​410+403 [1]
MAK
Thermodynamische Eigenschaften
ΔHf0

−78,0 kJ/mol (l)
−52,6 kJ/mol (g)[5]

Soweit möglich und gebräuchlich, werden SI-Einheiten verwendet. Wenn nicht anders vermerkt, gelten die angegebenen Daten bei Standardbedingungen. Brechungsindex: Na-D-Linie, 20 °C

Als mutagenes Klastogen ist Ethylenoxid ein Gift, welches Chromosomenaberrationen hervorrufen kann. Ihm ist die UN-Nummer 1040 zugewiesen.

Nach IUPAC wird Ethylenoxid 1,2-Epoxyethan, nach dem Hantzsch-Widman-System Oxiran genannt.

GeschichteBearbeiten

Ethylenoxid wurde erstmals 1859 durch Charles Adolphe Wurtz hergestellt, er behandelte dazu 2-Chlorethanol mit einer Base.

 

Im Ersten Weltkrieg erlangte Ethylenoxid industrielle Bedeutung als Ausgangsprodukt für das Kühlmittel Ethylenglycol. Da mit Ethylenoxid die chemische Waffe Senfgas (Lost) hergestellt werden kann, fällt es unter das Außenwirtschaftsgesetz.[6]

1931 entdeckte der französische Chemiker Theodore Lefort die Herstellung von Ethylenoxid direkt aus Ethen und Sauerstoff mit Silber als Katalysator.

Gewinnung und DarstellungBearbeiten

Historisches VerfahrenBearbeiten

Ethylenoxid wurde erstmals 1925 von der Firma Union Carbide Chemicals nach dem Chlorhydrinverfahren hergestellt. Hierzu wurde Ethylen zunächst mit Chlor in alkalischer wässriger Lösung zu Ethylenchlorhydrin umgesetzt, das anschließend mit Calciumhydroxid zu Ethylenoxid reagierte. Nachteile des Verfahrens waren eine beträchtliche Abwasserbelastung mit Chloriden und die Bildung von Halogenkohlenwasserstoffen (z. B. 1,2-Dichlorethan) als Nebenprodukte. Die erste katalytische Direktoxidation von Ethylen zu Ethylenoxid wurde in den 1930er Jahren ebenfalls von der Union Carbide technisch eingeführt.

Industrielle SyntheseBearbeiten

Die großtechnische Herstellung von Ethylenoxid erfolgt heute ausschließlich durch die katalytische Oxidation von Ethen mit Sauerstoff bei Temperaturen von 230–270 °C und Drücken von 10–20 bar. Als Katalysator wird fein verteiltes Silberpulver, welches auf einem anorganischen, oxidhaltigen Träger (bevorzugt Aluminiumoxid) aufgebracht ist, eingesetzt.[7]

Die komplette Reaktion wird dabei in einem Rohrbündelreaktor, bei dem die beträchtliche Reaktionswärme (ΔHR= –119,7 kJ·mol−1 der Haupt- und ΔHR= –1324 kJ·mol−1 der Nebenreaktion) mithilfe von Salzschmelzen abgeführt und zur Erzeugung von überhitztem Hochdruckdampf genutzt wird, durchgeführt. Der Katalysator ist bei diesem Verfahren als Festbett angeordnet. Die Ausbeute an reinem Ethylenoxid liegt bei 85 %. Als Nebenreaktion tritt die vollständige Oxidation des Ethens zur Kohlenstoffdioxid und Wasser auf.[7]

Im Jahr 2010 wurden weltweit etwa 21 Millionen Tonnen an Ethylenoxid verbraucht.[7]

EigenschaftenBearbeiten

Ethylenoxid ist ein hochentzündliches Gas. Der Flammpunkt beträgt −57 °C[1] und die Zündtemperatur liegt bei 435 °C.[1] Es bildet mit Luft explosionsfähige Gemische, die untere Explosionsgrenze (UEG) liegt bei 2,6 %, die obere (OEG) bei 100 %.[1]

VerwendungBearbeiten

Ethylenoxidgas tötet Bakterien, Viren und Pilze ab, daher kann es zur Begasung von hitzeempfindlichen Substanzen verwendet werden. Die Sterilisation von Gewürzen mit EO wurde 1938 durch den amerikanischen Chemiker Lloyd Hall patentiert und wird auch heute noch in einigen Ländern praktiziert. In Deutschland ist der Einsatz von Ethylenoxid im Lebensmittelbereich seit 1981 verboten,[8] da hierbei giftiges 2-Chlorethanol entstehen kann. Die Sterilisation mit Ethylenoxid ist heute ein weit verbreitetes Verfahren in der industriellen Herstellung von Medizinprodukten, insbesondere von Einmalprodukten wie Verbandstoffen, Nahtmaterial oder Spritzen und Kathetern, aber auch von chirurgischen Instrumenten und empfindlichen Medizinprodukten (z. B. Cochleaimplantaten). Das Verfahren ist hochgradig standardisiert (u. a. ISO 11135, ISO 10993-7, EN 1422). Die Behandlung von Wattestäbchen mit Ethylenoxidgas kann DNS-Spuren so zersetzen, dass sie mit forensischen Methoden nicht mehr nachweisbar sind.[9]

Das meiste Ethylenoxid dient als Zwischenprodukt bei der Herstellung anderer Chemikalien. Ein Großteil des Ethylenoxids wird für die Produktion von Ethylenglycol eingesetzt, heute durch den OMEGA-Prozess. Weiter wird es für die Herstellung von Polyestern (beispielsweise PET) oder Hydroxyethylcellulose (HEC) benötigt. Lediglich etwa 2 % der Weltproduktion wird für die Sterilisation mit gasförmigem EO verwendet.

Ethylenoxid kann zu Polyethylenglycol (auch Polyethylenoxid) polymerisieren, welches ein ungiftiges und gut wasserlösliches Polymer darstellt. Es ist ebenfalls wichtig für die Herstellung von Tensiden (siehe Nichtionische Tenside), z. B. Polyalkylenglycolether.

Eine Kategorie von Ethylenoxidderivaten, die große wissenschaftliche Aufmerksamkeit erregt hat, sind die Kronenether, welche zyklische Oligomere des Ethylenoxids sind. Diese Verbindungen haben die Fähigkeit, ionische Substanzen in unpolaren Lösungsmitteln löslich zu machen, in welchen sie sonst unlöslich sind. Aufgrund hoher Kosten bleibt die Verwendung dieser Substanzen auf Laboranwendungen begrenzt.

Im militärischen Bereich wird Ethylenoxid als Brennstoff in Aerosol-Kleinbomben, die z. B. in Streubomben des Typs CBU-55 enthalten sind, verwendet.[10]

Verwendung im VorratsschutzBearbeiten

Ethylenoxid wurde – um die Brennbarkeit herabzusetzen – zusammen mit einem höheren Anteil Kohlendioxid unter den Handelsnamen Cartox und T-Gas als Begasungsmittel von z. B. Silos, Lagerräumen und Containern verwendet.

SicherheitshinweiseBearbeiten

Ethylenoxid ist giftig und krebserregend beim Einatmen. Symptome einer Vergiftung sind Kopfschmerzen, Schwindel und Übelkeit/Erbrechen. Mit zunehmender Dosis kommt es zu Zuckungen, Krämpfen und schlussendlich zum Koma. Es ist für die Haut und die Atemwege reizend. Die Lunge kann sich Stunden nach dem Einatmen mit Flüssigkeit füllen (Lungenödem).

Ethylenoxid wird normalerweise druckverflüssigt in Kombination mit 10 % Kohlenstoffdioxid gelagert. Bei Normaldruck und Zimmertemperatur verdunstet es sehr schnell und verursacht Frostverbrennungen auf der Haut.

Bei Tieren hat es zahlreiche Fortpflanzungsdefekte wie Mutationen oder Fehlgeburten ausgelöst. Der Einfluss auf die menschliche Fortpflanzung ist noch nicht genau untersucht, es ist aber wahrscheinlich, dass die gleichen Effekte wie im Tierversuch auftreten.

Ethylenoxid wurde 2012 von der EU gemäß der Verordnung (EG) Nr. 1907/2006 (REACH) im Rahmen der Stoffbewertung in den fortlaufenden Aktionsplan der Gemeinschaft (CoRAP) aufgenommen. Hierbei werden die Auswirkungen des Stoffs auf die menschliche Gesundheit bzw. die Umwelt neu bewertet und ggf. Folgemaßnahmen eingeleitet. Ursächlich für die Aufnahme von Ethylenoxid waren die Besorgnisse bezüglich der Einstufung als CMR-Substanz, hoher (aggregierter) Tonnage. Die Neubewertung fand ab 2012 statt und wurde von Österreich durchgeführt. Anschließend wurde ein Abschlussbericht veröffentlicht.[11][12]

Siehe auchBearbeiten

LiteraturBearbeiten

  • Wolfgang Swodenk, Helmut Waldmann: Moderne Verfahren der Großchemie: Ethylenoxid und Propylenoxid. In: Chemie in unserer Zeit. 12. Jg., Nr. 3, 1978, ISSN 0009-2851, S. 65–70

EinzelnachweiseBearbeiten

  1. a b c d e f g h i j k l m n Eintrag zu Ethylenoxid in der GESTIS-Stoffdatenbank des IFA, abgerufen am 1. Februar 2016 (JavaScript erforderlich).
  2. David R. Lide (Hrsg.): CRC Handbook of Chemistry and Physics. 90. Auflage. (Internet-Version: 2010), CRC Press/Taylor and Francis, Boca Raton, FL, Physical Constants of Organic Compounds, S. 3-408.
  3. Eintrag zu Ethylene oxide im Classification and Labelling Inventory der Europäischen Chemikalienagentur (ECHA), abgerufen am 1. Februar 2016. Hersteller bzw. Inverkehrbringer können die harmonisierte Einstufung und Kennzeichnung erweitern.
  4. Schweizerische Unfallversicherungsanstalt (SUVA): Grenzwerte – Aktuelle MAK- und BAT-Werte für Ethylenoxid, abgerufen am 13. September 2019.
  5. CRC-Handbook 90. Aufl. (2009–2010), S. 5–22 (Memento vom 26. April 2015 im Internet Archive). – siehe auch Eintrag zu Ethylenoxid. In: P. J. Linstrom, W. G. Mallard (Hrsg.): NIST Chemistry WebBook, NIST Standard Reference Database Number 69. National Institute of Standards and Technology, Gaithersburg MD, abgerufen am 22. März 2010..
  6. Außenwirtschaftsgesetz (Memento des Originals vom 6. Juni 2014 im Internet Archive)   Info: Der Archivlink wurde automatisch eingesetzt und noch nicht geprüft. Bitte prüfe Original- und Archivlink gemäß Anleitung und entferne dann diesen Hinweis.@1@2Vorlage:Webachiv/IABot/www.ra-moellenhoff.de (PDF; 1,3 MB) in der Fassung der Bekanntmachung vom 27. Mai 2009 (BGBl. I S. 1150), das durch Artikel 1 der Verordnung vom 12. Dezember 2012 (BAnz. 2012) geändert worden ist. S. 200.
  7. a b c Manfred Baerns, Arno Behr, Axel Brehm, Jürgen Gmehling, Kai-Olaf Hinrichsen, Hanns Hofmann, Regina Palkovits, Ulfert Onken, Albert Renken: Technische Chemie. 2. Auflage. Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim, Germany 2013, ISBN 978-3-527-33072-0, S. 16 f., 592.
  8. Max Daunderer: Handbuch der Umweltgifte. Verlagsgruppe Hüthig Jehle Rehm, Ausgabe 6/2006.
  9. Jens Lubbadeh: Forensische DNA-Analyse – Schwachstelle Wattestäbchen, Meldung vom 26. März 2009 in Spiegel Online Wissenschaft.
  10. BAK to BSU/BSG – Equipment Listing Designation-Systems.net, Zugriff 30. Mai 2013.
  11. Europäische Chemikalienagentur (ECHA): Substance Evaluation Conclusion and Evaluation Report.
  12. Community rolling action plan (CoRAP) der Europäischen Chemikalienagentur (ECHA): Ethylene oxide, abgerufen am 26. März 2019.