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
No CAS	74-86-2
No ECHA	100.000.743
No CE	200-816-9
No RTECS	AO9600000
PubChem	6326
ChEBI	27518
SMILES	C#C PubChem, vue 3D
InChI	InChI : vue 3D InChI=1S/C2H2/c1-2/h1-2H InChIKey : HSFWRNGVRCDJHI-UHFFFAOYSA-N
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] : ${\displaystyle \rho =2.4091/0.27223^{(1+(1-T/308.32)^{0.28477})}}$ 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
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] : ${\displaystyle P_{vs}=exp(172.06+{\frac {-5318.5}{T}}+(-27.223)\times ln(T)+(5.4619E-2)\times T^{1})}$ 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
S0gaz, 1 bar	200,93 J mol−1 K−1 (1 bar)[8]
ΔfH0gaz	226,73 kJ mol−1[8]
Cp	44,04 J mol−1 K−1 à 25 °C[8] équation[5] : ${\displaystyle C_{P}=(200110)+(-1198.8)\times T+(3.0027)\times T^{2}}$ 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) Cp ${\displaystyle ({\tfrac {J}{kmol\times K}})}$ Cp ${\displaystyle ({\tfrac {J}{kg\times K}})}$ 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) Cp ${\displaystyle ({\tfrac {J}{kmol\times K}})}$ Cp ${\displaystyle ({\tfrac {J}{kg\times K}})}$ 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 équation[9] : ${\displaystyle C_{P}=(19.360)+(1.1519E-1)\times T+(-1.2374E-4)\times T^{2}+(7.2370E-8)\times T^{3}+(-1.6590E-11)\times T^{4}}$ 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) Cp ${\displaystyle ({\tfrac {J}{kmol\times K}})}$ Cp ${\displaystyle ({\tfrac {J}{kg\times K}})}$ 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) Cp ${\displaystyle ({\tfrac {J}{kmol\times K}})}$ Cp ${\displaystyle ({\tfrac {J}{kg\times K}})}$ 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
1re énergie d'ionisation	11,400 ± 0,002 eV (gaz)[11]
Cristallographie
Classe cristalline ou groupe d’espace	Pa3[12]
Paramètres de maille	a = b = c = 614,0 pm, α = β = γ = 90,00°, Z = 1[12].
Volume	231,48 Å3[12]
Précautions
SGH[13]
Danger H220 et EUH006 H220 : Gaz extrêmement inflammable EUH006 : Danger d'explosion en contact ou sans contact avec l'air
SIMDUT[14]
A, B1, F, A : Gaz comprimé température critique = 36,3 °C B1 : Gaz inflammable limite inférieure d'inflammabilité = 2,5 % F : Matière dangereusement réactive sujet à une réaction violente de décomposition Divulgation à 1,0 % selon les critères de classification Consulter également la classification SIMDUT de l'acétylène dissous.
NFPA 704
4 0 3
Transport
239 1001 Code Kemler : 239 : gaz inflammable, pouvant produire spontanément une réaction violente Numéro ONU : 1001 : ACÉTYLÈNE DISSOUS Classe : 2.1 Code de classification : 4F :Gaz dissous sous pression, inflammable ; Étiquette : 2.1 : Gaz inflammables (correspond aux groupes désignés par un F majuscule); - 3374 Code Kemler : - Numéro ONU : 3374 : ACÉTYLÈNE SANS SOLVANT Classe : 2.1 Code de classification : 2F : Gaz liquéfié, inflammable ; Étiquette : 2.1 : Gaz inflammables (correspond aux groupes désignés par un F majuscule);
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.
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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^{[réf. souhaitée]}. 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 :

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

• Certains acétylénures comme ${\displaystyle {\mbox{Ag}}^{+}{}^{-}{\mbox{C}}\!\equiv \!{\mbox{C}}^{-}{\mbox{Ag}}^{+}}$ 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) :

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

• 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

Usines de la Compagnie universelle d'acétylène à Pierre-Ebesse, carte postale ancienne.

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.

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

2 CH₄→ C₂H₂+ 3 H₂

Cette dernière réaction est mise en œuvre dans le procédé de décomposition anaérobie du méthane par plasma micro-ondes^[18]. L'intérêt de cette technologie est l'absence d'émission de CO₂ et la production conjointe d'hydrogène en produit secondaire. Pour 32 t de méthane transformé, production de 26 t d'acétylène et 6 t d'hydrogène (selon la stoechiométrie).