エチレンとは｜定義・化学構造・産業用途と植物ホルモンとしての役割
エチレンの定義・化学構造からポリエチレン等の産業用途、植物ホルモンとしての役割までをわかりやすく解説。大量生産と最新知見も紹介。
エチレンまたはエテンは、1分子中に炭素原子2個と水素原子4個を持つ化合物である。これらの分子は二重結合でまとめられ、炭化水素となる。エチレンは産業界で非常に重要な物質であり、生物学ではホルモンとして利用されてきました。また、最も多く作られた化学物質でもある。2005年以降、毎年約7500万トンが作られています。その最大の用途はポリエチレンの製造です。
基本的な性質と化学構造
エチレンは化学式 C2H4（エテン）で、2個の炭素原子が二重結合（C=C）で結ばれ、各炭素に水素が2つずつ結合した直線的で平面性を持つ分子です。IUPAC名は「ethene（エテン）」。常温では無色の可燃性気体で、かすかな甘い匂いを持ちます。主な物性値は以下の通りです（代表値）。
- 分子量: 約28.05 g·mol−1
- 融点: 約 −169.2 °C
- 沸点: 約 −103.7 °C
- 可燃性範囲（空気中）: 約 2.7–36 vol%（引火性あり）
工業的製造と主要用途
現在の工業的製造法の中心は、ナフサやエタンなどの炭化水素を高温で熱分解（スチームクラッキング）して得る方法です。石油化学の原料として非常に重要で、世界の大量合成化学品の出発原料となっています。
主な用途:
- ポリエチレン（PE）：エチレンの重合により得られる最大の用途。高密度（HDPE）や低密度（LDPE）、線状低密度（LLDPE）など多種のポリマーがある。
- エチレンオキシド：溶媒や中間体で、ポリエチレングリコールや界面活性剤、エチレングリコール（不凍液、ポリエステル原料）へと展開される。
- スチレン、塩化ビニル（VCM）、α-オレフィン類などの化学中間体。
- その他、アルキル化やオキシ化などを経て様々な化学品の前駆体となる。
ポリエチレン製造では、触媒（ジーグラー・ナッタ触媒やメタロセン触媒など）を使って重合条件を制御し、物性の異なる製品を作り分けます。
植物ホルモンとしての役割（エチレンの生物学）
エチレンは植物ホルモンの一つで、低分子の気体ホルモンとして植物の成長・分化・老化・応答に重要な役割を果たします。具体的には果実の成熟（軟化、糖化、色づきの促進）、葉や花の離層（落葉・落花）、老化促進（senescence）や傷害・病害応答などを制御します。
植物内での合成経路は主に以下の通りです：
- メチオニン → S-アデノシルメチオニン（SAM） → 1-アミノシクロプロパン-1-カルボン酸（ACC） （ACC合成酵素：ACS）→ エチレン（ACC酸化酵素：ACO）
このACC経路は植物特有で、ACSおよびACOの発現・活性がエチレン合成の律速段階となることが多いです。エチレンの作用は受容体（例：ETR1など）で感知され、シグナル伝達を通じて遺伝子発現が変化します。古典的な生理学的反応としては、シードリングにおける「トリプルレスポンス」（茎伸長の抑制、胴部の肥厚、曲がった成長）があります。
農業・流通分野では、エチレンは果実の人工成熟（例：バナナの追熟）に利用される一方、貯蔵中の野菜・果物の品質保持のためにエチレンの除去や作用阻害が行われます。代表的な阻害法には1-メチルシクロプロペン（1-MCP: エチレン受容体を遮断）や、銀化合物による受容体の不活性化、ACC合成阻害剤（AVG）などがあります。
安全性と取り扱い
- エチレンは可燃性ガスであり、空気と爆発性混合物を形成する可能性があるため、換気、火気厳禁、静電気対策などが必要です。
- 高濃度では酸素欠乏（窒息）を引き起こす危険があり、密閉空間での取り扱いは注意が必要です。
- 産業用には高圧容器や配管で取り扱われ、適切な圧力・温度管理と漏洩検知（可燃性ガス検知器）が求められます。
環境影響
エチレンは揮発性有機化合物（VOC）の一種であり、大気中で光化学反応を経てオゾン（地上オゾン）生成に関与することがあります。排出源は工業プロセス、車両やバイオマス燃焼、果樹園などの植物生産現場からの生物起源放出など多岐にわたります。大気中での反応性は高く、寿命は比較的短く数時間〜数日程度とされています。
まとめと実用上のポイント
- エチレンは化学産業で最も重要な基礎原料の一つで、特にポリエチレン生産に不可欠である。
- 植物ホルモンとしては果実成熟や老化、ストレス応答を調節し、農業・流通での品質管理に直接関わる。
- 取り扱いは可燃性と窒息・爆発のリスク管理が重要で、貯蔵・輸送には厳格な安全対策が必要である。
歴史
1795年以来、エチレンはolefiant gas、つまり石油を作るガスと呼ばれていた。これは、塩素と一緒になってオランダの化学者たちのオイルを作るからである。
1866年、ドイツの化学者アウグスト・ヴィルヘルム・フォン・ホフマンは、炭化水素の命名法を考え出した。アルカンより水素原子の数が0、2、4、6、8個少ない炭化水素を、-ane、-ene、-ine、-one、-uneという接尾辞で呼ぶことにしたのである。この制度により、エチレンはエテンとなった。
1979年、IUPACはエチレンをエチレンのままとすることを決定した。
作り方
エチレンは、化学工業において水蒸気分解によって作られる。エチレンプラントの部品には、以下のようなものがある。
エチレンプラントには、ほかにもさまざまなシステムがある。上に挙げたのは、エチレンプラントで最も重要なシステムです。
エチレンを作るには多くのエネルギーを使うので、エチレンを作っている人たちは、ガスから出る熱を炉から出さないように必死になっているのです。
質問と回答
Q: エチレンとは何ですか。A: エチレンは2個の炭素原子と4個の水素原子からなる化合物で、二重結合を持つ炭化水素です。
Q:工業におけるエチレンの意義は何ですか。
A:エチレンは、様々な化学物質の製造に幅広く使用されるため、産業界では必要不可欠な存在です。
Q:エチレンは生物学に利用できますか?
A:はい、エチレンはホルモンとして生物学に利用できます。
Q:エチレンの年間生産量は?
A:2005年以来、エチレンは毎年約7500万トン生産されており、最も多く生産されている化学物質である。
Q:エチレンの主な用途は何ですか?
A:エチレンの主な用途はポリエチレンの製造です。
Q:エチレンはどのような結合を持っていますか?
A: エチレンは二重結合を持っており、炭化水素です。
Q: エチレン分子1個に含まれる水素原子の数は?
A: エチレン分子には4個の水素原子が含まれています。
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