Ethen (auch Äthen, Ethylen oder älter Äthylen) ist eine gasförmige, farblose, hochentzündliche, süßlich riechende organische Verbindung mit der Summenformel C2H4. Es handelt sich um das einfachste Alken, einen ungesättigten Kohlenwasserstoff mit einer Kohlenstoff-Kohlenstoff-Doppelbindung.
Mit einer Jahresproduktion von über 100 Millionen Tonnen ist Ethen die meistproduzierte organische Basischemikalie. Ethen ist ein wichtiger Baustein, der in der chemischen Industrie zur Herstellung einer Vielzahl von Folgeprodukten verwendet wird. Etwa die Hälfte des Ethens wird für die Produktion von Polyethylen und anderen Polyolefinen verwendet. Weitere großtechnisch hergestellte Folgeprodukte sind Ethylenoxid, Styrol, Vinylchlorid, Ethanol oder α-Olefine.
Großwirtschaftlich wird Ethen durch Steamcracken einer Vielzahl von Kohlenwasserstoffen hergestellt. In Europa und Asien wird Ethen hauptsächlich auf Naphtha- oder Gasöl-Basis hergestellt, in den Vereinigten Staaten, Kanada und im Nahen Osten zudem aus Ethan, Propan und Flüssiggas. Andere Verfahren wie das Methanol-to-Olefins-Verfahren oder die Fischer-Tropsch-Synthese bieten die Möglichkeit, Ethen aus Erdgas, Kohle, Erdölprodukten oder Biomasse zu gewinnen. Die Ethenherstellung auf Basis von Bioethanol bietet die Möglichkeit, Ethen aus nachwachsenden Rohstoffen herzustellen. Im Vergleich zum Steamcracken haben diese Verfahren jedoch nur eine untergeordnete Bedeutung.
Ethen ist ein Pflanzenhormon, das viele Aspekte der pflanzlichen Morphogenese reguliert und für die Beschleunigung der Reifung klimakterischer Früchte verantwortlich ist. Bei der Verbrennung fossiler Brennstoffe, bei Waldbränden oder der Verbrennung von Ernterückständen entsteht Ethen, in Städten sind Kraftfahrzeugabgase eine Quelle für Ethen in der Umgebungsluft. Das Einatmen von Ethen in hohen Konzentrationen kann beim Menschen zu Sehstörungen und narkotischen Wirkungen führen. In Gegenwart von Oxidationsmitteln wie Ozon oder Chlor kann Ethen explosiv reagieren.
Nomenklatur Die Bezeichnung Ethylen ist in Nordamerika und Europa gebräuchlich, die offizielle IUPAC-Bezeichnung lautet jedoch Ethen. In den IUPAC-Nomenklaturregeln von 1979 wurde der Name Ethylen zunächst belassen, diese Entscheidung wurde jedoch 1993 rückgängig gemacht. In der IUPAC-Nomenklatur ist der Name Ethylen für die Gruppe –CH2CH2– reserviert. Daher sind Bezeichnungen wie Ethylenoxid oder Ethylendibromid zulässig und üblich.
Geschichte Antike mini|Ruinen des Apollo-Tempels in Delphi Im alten Ägypten wurde Ethen unbewusst zum Reifen von Maulbeer-Feigen genutzt. Dazu wurden einige Feigen angeritzt, um einen ganzen Strauch reifen zu lassen. Im alten China wurden Räucherstäbchen, die beim Verbrennen geringe Mengen Ethen freisetzen, in einem Lagerraum für Birnen abgebrannt, um die Früchte reifen zu lassen.
Möglicherweise war Ethen Bestandteil eines Gasgemisches aus Kohlenwasserstoffen und Kohlenstoffdioxid, das im Adyton des Apollon-Tempels in Delphi austrat und die Pythia in Trance versetzte, die daraufhin die Orakelsprüche des Gottes verkündete. Dies wurde bereits von Cicero beschrieben, der in seinem Werk De divinatione (Über die Weissagung) auf die Existenz dieser Gase hinwies: „Im Übrigen meine ich, dass es auch gewisse Ausdünstungen der Erde gab, die in den Geist eindrangen, so dass er Orakel ausstieß.“ Das Erwachen aus der Trance soll schnell erfolgt sein, und außer dem Gefühl, vom Gott Apollon besessen zu sein, hatte Pythia keine Erinnerung an die Ereignisse während der Trance. Diese Wirkungen ähneln denen, die von Toxikologen für Patienten unter leichter Ethen-Narkose beschrieben wurden.
Frühe Arbeiten mini|Johann Joachim Becher Die erste Erwähnung von Ethen als Gas findet sich im Jahr 1669 in dem Werk Actorum Laboratorii Chymici Monacensis, seu Physicae subterraneae des deutschen Alchemisten Johann Joachim Becher. Becher erhielt das Gas durch Erhitzen von Ethanol mit Schwefelsäure. Bereits 1777 soll der niederländische Mediziner Jan Ingenhousz von der in Amsterdam erfolgten Synthese von Ethen durch Henricus Aeneae (Enée) und dessen Mitarbeiter John Cuthbertson erfahren haben.
Im Jahr 1795 wurde von den niederländischen Chemikern Johan Rudolph Deiman, Adriaan Paets van Troostwijk, Anthonie Lauwerenburgh und Nicolaas Bondt die Synthese von 1,2-Dichlorethan aus Ethen und Chlor entdeckt. Da das Produkt als Öl der holländischen Chemiker bezeichnet wurde, wurde das 1669 von Becker entdeckte und 1799 von Joseph Priestley untersuchte Ethen (im Deutschen ursprünglich Äthylen) im Französischen gaz oléfiant („ölbildendes Gas“), im Englischen olefiant gas, genannt. 1807 versuchte John Dalton eine Strukturformel aufzustellen. In der zweiten Hälfte des 19. Jahrhunderts gelang die synthetische Darstellung pflanzlicher Säuren wie zum Beispiel der Bernsteinsäure aus Ethen.
Auf die anästhetischen Eigenschaften von Ethen hatte 1864 der Physiologe Ludimar Hermann hingewiesen. Das Gas war als Anästhetikum neben Lachgas vor allem bei schwachen Betäubungen in Gebrauch. Es wirkt narkotisch und muskelentspannend. Im Jahr 1923 wurde es in Chicago zum ersten Mal öffentlich benutzt. Die narkotische Wirkung des Ethens ist etwas stärker als die des Lachgases und hat einen ähnlichen Wirkmechanismus. Nach der 1923A. B. Luckhardt, J. B. Carter: The physiologic effects of ethylene: A new gas anesthetic. In: Journal of the American Medical Association. Band 80, (17. März) 1923, S. 765–770. erschienenen Publikation von Arno Benedict Luckhardt (1885–1957) und Jay Bailey Carter (* 1899) von der University of Chicago über Narkosen mit Ethen bei über 100 Operationen fand es zunächst vermehrt Anwendung.Albert Faulconer, Thomas Edward Keys: Ethylene. In: Foundations of Anesthesiology. 2 Bände, Charles C Thomas, Springfield (Illinois) 1965, Band 1, S. 494–521. Später wurde es jedoch nicht mehr verwendet, da es brennbar und in Verbindung mit Sauerstoff hoch explosiv ist und unangenehm riecht. Außerdem war die Narkosewirkung des Ethens im Vergleich zu anderen gebräuchlichen Narkosemitteln nicht sehr gut; um eine gute Wirkung zu erzielen, musste das Narkosegemisch etwa 90 % Ethen enthalten.
Entdeckung der Reifewirkung mini|Reifende grüne Bananen Ende des 19. Jahrhunderts studierte der russische Biologe Dimitri Nelyubov die Reaktion der Erbse auf Leuchtgas. Dabei entdeckte er, dass das im Leuchtgas enthaltene Ethen der Bestandteil war, auf den die Erbsen reagierten. Der Wissenschaftler Frank Denny vom Landwirtschaftsministerium der Vereinigten Staaten erkannte, dass die unter Landwirten verbreitete Praxis, Zitrusfrüchte in Schuppen unter Kerosinbeleuchtung reifen zu lassen, ebenfalls auf das bei der Verbrennung von Kerosin in Spuren entstehende Ethen zurückzuführen ist. Er hatte festgestellt, dass die Kerosinabgase unwirksam wurden, wenn sie durch eine Bromwasserlösung geleitet wurden, wobei das Ethen zu 1,2-Dibromethan reagiert.
Nach der Entdeckung der reifungsfördernden Wirkung von Ethen bei Zitrusfrüchten wurde es bald bei anderen Früchten eingesetzt. Da reife Bananen wegen ihrer Empfindlichkeit nicht aus den Tropen zu den Märkten in Europa und den USA transportiert werden konnten, war es üblich, grüne Bananen zu verschiffen. Diese wurden am Bestimmungsort zunächst mit Hilfe von Kerosinöfen nachgereift. Da die Ethenreifung bei niedrigeren Temperaturen erfolgt und dadurch weniger Fäulnis auftritt, wurde die Kerosinreifung bald verdrängt. Das Verfahren wurde schließlich für die Reifung von Tomaten, Ananas, Melonen, Birnen, Mangos, Paprika, Avocados, Äpfeln, Pflaumen und vielen anderen Früchten eingesetzt.
In den 1930er Jahren entdeckte Richard Gane, dass Pflanzen Ethen synthetisieren, und er bewies, dass Ethen ein endogenes Pflanzenhormon ist. Von den 1960er bis zu den frühen 1980er Jahren wurde die Ethen-Biosynthese in Pflanzen aufgeklärt und membrangebundene Ethenbindungsstellen entdeckt und charakterisiert. In den 1990er Jahren begann die Aufklärung des Wirkungsmechanismus.
Technische Herstellung mini|hochkant=1.6|Steamcracker der Shell in Beaver County Technisch wurde Ethen zunächst durch Dehydratisierung von Ethanol oder durch Isolierung aus Kokereigas gewonnen. Eine erste großtechnische Herstellung von Ethen aus Ethanol erfolgte 1913 in den Elektrochemischen Werken in Bitterfeld. Das so gewonnene Ethen wurde zu Kühlzwecken benutzt. Die Firma Imperial Chemical Industries entdeckte 1933 in Laborversuchen die Hochdruckpolymerisation von Ethen. Nach der Patenterteilung 1937 begann 1938 der Bau der ersten Polyethylenanlage in Großbritannien. In den Vereinigten Staaten begann die industrielle Produktion 1943 durch DuPont. Mit der Möglichkeit, Polyethylen durch Hochdruckpolymerisation herzustellen, stieg die Nachfrage nach Ethen sprunghaft an.
Der deutsche Inlandsbedarf an Ethen, der 1944 bei 200.000 Tonnen pro Jahr lag, stieg in der Nachkriegszeit rasch an. Als Rohstoff für eine Vielzahl von Produkten, darunter Glycole, Polyglycole, Ethylenoxid und Ethanol, gewann Ethen schnell an Bedeutung. Diese Entwicklung wurde durch die Entdeckung der Niederdruckpolyethylensynthese durch Karl Ziegler Anfang der 1950er Jahre noch verstärkt. In den ersten Nachkriegsjahren standen für die Produktion die Teilhydrierung von Ethin, das über die Carbidroute aus Kohle und Kalk hergestellt wurde, die Dehydratisierung von Ethanol und die Abtrennung aus Kokerei- und Crackgasen durch Verflüssigung zur Verfügung. In Frankreich wurde ein Verfahren angewandt, bei dem Kokereigase durch eine Schwefelsäurelösung geleitet wurden. Das Ethen wurde dabei als Schwefelsäureester abgefangen und durch Hydrolyse zu Ethanol freigesetzt.
Das technisch relevante Verfahren ist das Steamcracken von Naphtha oder höheren Kohlenwasserstoffgemischen wie Hydrowax. Während in den Vereinigten Staaten die Ethenproduktion 1950 noch bei 675.000 Tonnen lag, stieg sie bis 1962 bereits auf etwa 1.800.000 Tonnen.
mini|hochkant=1.4|Streckenverlauf der ARG-Pipeline
Aufgrund des steigenden Bedarfs wurde in den 1960er Jahren eine Ethen-Pipeline konzipiert, die Ethen zwischen den Herstellern und Verbrauchern in den Niederlanden, Belgien und Deutschland transportiert. Aus Gründen der Wirtschaftlichkeit und der Sicherheit wird Ethen grundsätzlich nur per Pipeline transportiert. In Deutschland und Teilen der Niederlande und Belgiens wurde 1974 die Ethylene-Pipeline ARG zum Transport von Ethen zwischen den Chemiestandorten von Rotterdam über Antwerpen in den Raum Köln und in die Emscher-Lippe-Region sowie in das Rhein-Main-Gebiet und nach Ludwigshafen am Rhein in Betrieb genommen. Die Ethylene-Pipeline ARG hat eine Länge von etwa 500 Kilometern und transportiert jährlich bis 2,0 Millionen Tonnen Ethen zu etwa 20 direkt angeschlossenen petrochemischen Unternehmen.
In Bayern verbindet die Ethylen-Pipeline Münchsmünster-Gendorf das Bayrische Chemiedreieck im Südosten mit dem Chemiestandort bei Ingolstadt. Nach einer sechsjährigen Bauzeit wurde 2013 die 370 Kilometer lange Ethylen-Pipeline Süd von Münchsmünster nach Ludwigshafen am Rhein in Betrieb genommen, eines der größten Infrastrukturprojekte der deutschen chemischen Industrie im 21. Jahrhundert. Sie verbindet das nordwest-deutsche Netz mit den bayerischen Chemiestandorten. Sie verläuft von Münchsmünster weitgehend in westlicher Richtung entlang der Transalpinen Ölleitung, quert den Rhein bei Karlsruhe und führt dann nach Norden bis Ludwigshafen. Die Ethylen-Pipeline Süd hat eine Kapazität von 400.000 Tonnen Ethen pro Jahr und kann sowohl von Münchsmünster nach Ludwigshafen als auch in umgekehrter Richtung pumpen.
Neuere Entwicklungen mini|Schiefergasbohrstation in der Marcellus-Formation im östlichen Lycoming County, Pennsylvania