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에틸렌

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목차

1. 개요

에틸렌은 무색의 기체로, 냄새가 나며 인화성이 높은 탄화수소이다. 상온에서 기체 상태로 존재하며, 다양한 화학 반응에 참여하여 여러 화합물의 원료로 사용된다. 폴리에틸렌 생산에 가장 많이 사용되며, 식물 호르몬으로 작용하여 과일의 성숙을 촉진하기도 한다. 에틸렌은 공업적으로 에테인 열분해, 석유 열분해 등의 방법으로 생산되며, 환경 문제와 안전성에 유의해야 한다. 대한민국은 에틸렌 생산 세계 3위 국가이다.

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에틸렌 - [화학 물질]에 관한 문서
일반 정보
에틸렌
에틸렌 분자 구조
에틸렌
에틸렌 분자 3D 모델
에틸렌
에틸렌 반데르발스 모델
IUPAC 명칭에텐
다른 이름냉매 R-1150
식별 정보
CAS 등록번호74-85-1
ChEBI18153
ChEMBL117822
ChemSpider ID6085
EC 번호200-815-3
Gmelin214
KEGGC06547
PubChem CID6325
RTECSKU5340000
UN 번호1962, 1038
UNII91GW059KN7
SMILESC=C
InChI1/C2H4/c1-2/h1-2H2
InChIKeyVGGSQFUCUMXWEO-UHFFFAOYAE
표준 InChI1S/C2H4/c1-2/h1-2H2
표준 InChIKeyVGGSQFUCUMXWEO-UHFFFAOYSA-N
물리화학적 성질
분자식C₂H₄
분자량28.0 g/mol
외관무색 기체
밀도1.178 kg/m³ (15 °C, 기체)
녹는점-169.2 °C
끓는점-103.7 °C
용해도131 mg/L (25 °C), 2.9 mg/L
에탄올 용해도4.22 mg/L
디에틸 에테르 용해도좋음
pKa44
짝산에테늄
자기 감수율-15.30·10⁻⁶ cm³/mol
점성10.28 μPa·s
분자 구조
분자 모양D₂h
쌍극자 모멘트0
열화학
표준 생성 엔탈피+52.47 kJ/mol
엔트로피219.32 J·K⁻¹·mol⁻¹
위험성
신호어위험
NFPA 704NFPA-H: "2"
NFPA-F: "4"
NFPA-R: "2"
NFPA-S: ""
인화점-136 °C
자연 발화점542.8 °C
관련 화합물
관련 화합물에테인
아세틸렌
프로펜

2. 구조 및 성질

에틸렌(Ethylene, 화학식: C2H4)은 가장 간단한 알켄으로, 탄소-탄소 이중 결합을 가진 탄화수소이다. 상온에서는 무색의 약간 단 냄새가 나는 기체 상태로 존재하며, 인화성이 매우 높다. 분자를 구성하는 탄소 원자와 수소 원자는 모두 같은 평면 위에 위치한다.

분자 내 이중 결합, 특히 상대적으로 약한 π-결합으로 인해 반응성이 풍부하여 친전자체의 공격을 받기 쉬우며 다양한 화학 반응에 참여한다. 이는 석유화학 공업에서 매우 중요한 기본 원료로 사용되는 이유 중 하나이다. 예를 들어, 치글러-나타 촉매를 이용한 중합 반응으로 폴리에틸렌을 만들거나, 수화 반응을 통해 에탄올을 합성하는 등 다양한 화합물의 원료로 사용된다.[60][61]

에틸렌의 자세한 구조와 물리적, 화학적 성질은 아래 하위 섹션에서 더 상세하게 다룬다.

2. 1. 구조

에틸렌의 분자 모델


에틸렌의 구조


에틸렌은 탄화수소의 일종으로, 이중 결합으로 연결된 두 개의 탄소 원자와 각 탄소에 결합된 두 개의 수소 원자로 이루어져 있다. 즉, 에틸렌 분자는 총 6개의 원자로 구성되며, 이 원자들은 모두 같은 평면 위에 존재하는 평면 구조를 가진다. H-C-H 결합각은 117.4°로, 이상적인 sp² 혼성 탄소의 결합각인 120°에 가깝다. 분자는 또한 비교적 약하다. C-C 결합에 대한 회전은 50°C에서 열을 가하여 π-결합을 파괴해야 하는 매우 낮은 에너지 과정이다.

에틸렌의 탄소-탄소 간 이중 결합은 하나의 시그마 결합과 하나의 파이 결합으로 구성된다.

  • 시그마(σ) 결합: 탄소 원자의 sp² 혼성 궤도에 있는 전자들이 정면으로 겹쳐지면서 형성된다. 이는 매우 강하고 안정적인 결합이다.
  • 파이(π) 결합: 혼성화에 참여하지 않은 각 탄소 원자의 p 궤도에 있는 전자들이 측면으로 겹쳐지면서 형성된다. 시그마 결합보다 약하며 상대적으로 끊어지기 쉬워 에틸렌의 반응성에 중요한 역할을 한다.


이중 결합, 특히 파이 결합의 존재 때문에 에테인과 같은 단일 결합 화합물과 달리 탄소-탄소 결합을 축으로 한 분자 내 회전이 자유롭지 않다. 이 회전을 일으키려면 파이 결합을 끊어야 하므로 상당한 에너지가 필요하다. 이러한 구조적 특징 때문에 1,2-다이클로로에텐과 같이 치환된 에틸렌 유도체는 기하 이성질체(시스-트랜스 이성질체)를 가질 수 있다.

파이 결합은 전자 밀도가 높은 영역이므로, 친전자체(전자를 좋아하는 화학종)의 공격을 받기 쉽다. 에틸렌이 참여하는 많은 화학 반응은 전이 금속 촉매에 의해 진행되는데, 이는 전이 금속이 에틸렌의 파이 결합 전자 및 비어있는 파이* 오비탈과 상호작용하여 일시적으로 결합을 형성하기 때문이다.

구조가 단순하기 때문에 에틸렌은 분광학적으로도 비교적 단순한 특징을 보인다. 자외선-가시광선(UV-vis) 분광법 스펙트럼은 여전히 분자 구조와 전자 상태에 대한 이론적인 계산 방법을 검증하는 데 사용된다.[11]

2. 2. 물리적 성질

상온에서 무색의 기체 상태로 존재하며, 특유의 약간 단 냄새가 난다. 인화성이 높아 강력한 산화제와는 반응하기 쉽다. 녹는점은 -169.15°C, 끓는점은 -103.71°C이다. 임계 온도는 9.5°C, 임계 압력은 49.98atm이다. 밀도는 0°C, 760mmHg에서 1.26g/L이다. 물에는 약간 녹으며, 공기 중에서 태우면 밝은 빛을 내며 연소한다.

에틸렌 분자를 구성하는 6개의 원자(탄소 2개, 수소 4개)는 모두 같은 평면 위에 존재하는 공면 구조를 가진다. 탄소=탄소 이중 결합 길이는 1.35Å, 탄소-수소 결합 길이는 1.07Å이다. H-C-H 결합각은 117.4°로, 이상적인 sp² 혼성화 탄소의 120°에 가깝다. 분자는 비교적 유연하며, 탄소-탄소 결합 축을 중심으로 회전시키려면 50°C 정도의 열로 π 결합을 끊어야 하는데, 이는 상대적으로 낮은 에너지 과정이다.

에틸렌 분자의 π-결합은 유용한 반응성을 담당한다. 이중 결합은 높은 전자 밀도 영역이므로 친전자체의 공격을 받기 쉽다. 에틸렌의 많은 반응은 π 및 π* 오비탈을 모두 사용하여 에틸렌에 일시적으로 결합하는 전이 금속에 의해 촉매된다.

단순한 분자인 에틸렌은 분광학적으로 단순하다. UV-vis 분광법은 여전히 이론적 방법의 테스트로 사용된다.[11]

2. 3. 화학적 성질

에틸렌은 분자 내 이중 결합의 존재 때문에 반응성이 크며, 다양한 화학 반응에서 중요한 역할을 한다. 에틸렌이 참여하는 대표적인 반응들은 다음과 같다.
:: CH2=CH2 + HCl → CH3-CH2Cl

  • 산화 반응:
  • O2와 반응하여 CH3CHO를 생성한다.

:: CH2=CH2 + 1/2 O2 → CH3CHO

  • 산화를 통해 산화 에틸렌을 생성할 수도 있다.
  • 과망간산 칼륨으로 산화시키면 에틸렌 글리콜을 만들 수 있다. 하지만 실제 공정에서는 이염화 에틸렌이나 클로로하이드린으로부터 에틸렌 글리콜을 만드는 방법이 더 선호된다.
  • 물과의 첨가 반응: H2O과 반응하여 CH3CH2OH을 생성한다.

:: CH2=CH2 + H2O → CH3CH2OH
:: CH2=CH2 + 2 HCl + 1/2 O2 → C2H4Cl2 + H2O

  • 할로젠과의 첨가 반응: 할로젠과 반응하여 할로젠화합물을 형성한다.

알켄의 브로민수와의 첨가반응

  • 하이포할로젠산과의 반응: 하이포아염소산이나 하이포아브로민산과 반응하여 각각 에틸렌 클로로하이드린과 에틸렌 브로모하이드린을 생성한다.
  • 할로젠화 수소와의 반응: HI나 HBr와 반응하여 각각 아이오딘화 에틸과 브로민화 에틸을 생성한다.
  • 수소화 반응: 촉매 존재 하에(예: 150°C에서 니켈 촉매) H2와 반응하여 에테인을 생성한다.
  • 황산과의 반응: 진한 H2SO4과 160°C에서 반응하여 황산 수소 에틸을 만든다.


에틸렌 분자는 이중 결합으로 연결된 두 개의 탄소 원자에 네 개의 수소 원자가 결합된 구조이다. 에틸렌을 구성하는 여섯 개의 모든 원자는 동일 평면 상에 위치하는 공면 구조를 이룬다. H-C-H 각도는 117.4°로, 이상적인 sp² 혼성화 탄소의 결합각인 120°에 가깝다. 분자는 비교적 유연하며, C-C 이중 결합 중 π-결합은 상대적으로 약하여 50°C 정도의 열에너지로도 결합이 끊어지며 회전이 일어날 수 있는 매우 낮은 에너지 과정이다.

에틸렌 분자의 π-결합은 에틸렌의 다양한 반응성을 나타내는 주된 요인이다. 이중 결합 부위는 전자 밀도가 높아 친전자체의 공격을 받기 쉽다. 에틸렌이 참여하는 많은 반응들은 전이 금속에 의해 촉매되는데, 이 금속들은 π 및 π* 오비탈을 모두 사용하여 에틸렌과 일시적으로 결합한다.

단순한 분자 구조 덕분에 에틸렌은 분광학적으로도 단순한 특성을 보이며, UV-vis 분광법과 같은 이론적 방법의 유효성을 검증하는 데 사용되기도 한다.[11] 에틸렌은 무색의 기체로 약간 단 냄새가 나며, 강력한 산화제와 쉽게 반응하고 인화성이 매우 높다.

치글러-나타 촉매를 사용하면 에틸렌이 중합하여 폴리에틸렌을 형성한다. 이처럼 에틸렌은 반응성이 높아 다양한 화합물을 합성하는 중요한 원료로 사용된다. 예를 들어, 아세틸렌은 에틸렌을 할로젠과 반응시켜 1,2-디할로에탄을 만들고, 이를 수산화 칼륨으로 처리한 뒤 수소화 알루미늄 리튬으로 환원하여 만들 수 있다. 또한, 에탄올을 160°C–170°C 정도의 온도에서 분자 내 탈수시켜 에틸렌을 얻을 수도 있다.

바커 산화 과정을 통해서는 아세트알데하이드를 생성할 수 있다.

수화 반응을 통해 에탄올을 생성할 수도 있지만, 이 반응은 고온 및 고압 조건[60]을 필요로 한다. 이는 공업적으로 에탄올을 합성하는 방법 중 하나이다.[61]

  • 직접 수화법:

: C2H4 + H2O → C2H5OH

  • 간접 수화법:

: C2H4 + H2SO4 → C2H5OSO3H

: C2H5OSO3H + H2O → C2H5OH + H2SO4

3. 제법

일반적으로 탄소수 2 이상의 탄화수소를 700°C~900°C 정도의 고온에서 열분해하면 에틸렌을 주성분으로 하는 가스를 얻을 수 있다. 에틸렌을 만드는 방법은 크게 공업적인 방법과 실험실 환경에서의 방법으로 나눌 수 있다.

공업적으로 에틸렌을 생산하는 방법은 여러 가지가 있으며, 사용할 수 있는 원료, 제조 규모, 공장 입지 조건 등에 따라 다양한 방식이 선택된다. 가장 널리 사용되는 방법은 탄화수소와 수증기를 고온으로 가열하여 분해하는 스팀 크래킹(SC, Steam Cracking)이다.[28] 이 방법은 사용하는 원료(주로 에테인이나 나프타)에 따라 세부 공정이 달라진다. 스팀 크래킹 외에도 원료의 일부를 연소시켜 얻은 열로 분해하는 부분 연소법, 아세틸렌을 수소화하는 방법, 에탄올을 탈수시키는 방법, 코크스로가스에서 분리하는 방법 등이 있다. 최근에는 피셔-트롭쉬 공정이나 메탄올-올레핀(MTO)과 같은 새로운 기술도 에틸렌 생산에 활용되고 있다.[30] 이러한 공업적 에틸렌 생산 설비는 석유 화학 공장의 핵심인 에틸렌 플랜트에서 이루어진다.

실험실 환경에서는 주로 에탄올을 진한 황산이나 활성 알루미나와 같은 촉매를 이용하여 탈수시켜 에틸렌을 얻을 수 있다.[32] 하지만 에틸렌은 산업적으로 매우 중요하고 대량으로 사용되는 물질이므로, 실험실에서 직접 합성하기보다는 필요한 경우 구매하여 사용하는 것이 일반적이다.[31]

3. 1. 공업적 제법

일반적으로 탄소수 2 이상의 탄화수소를 700°C~900°C 정도의 고온에서 열분해하면 에틸렌을 주성분으로 하는 가스를 얻을 수 있다. 공업적으로 에틸렌을 생산하는 방법은 여러 가지가 있으며, 사용할 수 있는 원료, 제조 규모, 공장 입지 조건 등에 따라 선택된다.

가장 널리 사용되는 에틸렌 생산 방법은 스팀 크래킹(SC, Steam Cracking)이다.[28] 이 공정은 탄화수소와 증기를 750°C–950°C로 가열하여 큰 탄화수소를 더 작은 탄화수소로 분해하고 불포화 결합을 만드는 방식이다. 생성된 혼합물에서 에틸렌은 반복적인 압축과 증류 과정을 통해 분리된다.[28] 스팀 크래킹은 사용하는 원료에 따라 다음과 같이 나눌 수 있다.

  • 에테인 크래킹: 에테인을 주 원료로 사용하며, 700°C~750°C에서 열분해한다. 프로페인, 뷰테인 등이 포함되어도 가능하다. 주로 미국이나 중동처럼 습성 가스(천연가스 포함)를 비교적 쉽게 구할 수 있는 지역에서 사용된다. 에틸렌이 주 생성물이다. 반응식의 예는 다음과 같다.
  • CH3CH3 → C2H4 + H2
  • CH3CH2CH3 → C2H4 + CH4
  • 나프타/가스 오일 크래킹: 나프타, 가스 오일, 응축액 등을 원료로 사용한다. 주로 유럽과 아시아(일본 포함)처럼 습성 가스를 구하기 어려운 지역에서 사용된다. 에틸렌 외에도 프로필렌, C4 올레핀, 방향족 화합물(열분해 가솔린) 등이 함께 생산된다.[29] 일본에서는 주로 나프타를 수증기와 혼합하여 800°C~900°C 정도의 고온에서 열분해하고 증류하여 에틸렌을 생산한다. 최근에는 에테인 열분해법보다 더 선호되는 경향이 있다.


스팀 크래킹 외에 다른 공업적 생산 방법은 다음과 같다.

  • 부분 연소법: 원료 탄화수소의 일부를 연소시켜 발생하는 열로 나머지 부분을 분해하는 방식이다. 에틸렌과 아세틸렌을 함께 얻을 수 있으며, 남은 가스는 합성가스로 이용할 수 있다.
  • 아세틸렌 수소화: 아세틸렌에 수소를 첨가하여 에틸렌을 얻는 방법이지만, 스팀 크래킹이 활발해진 오늘날에는 거의 사용되지 않는다.
  • 에탄올 탈수: 에탄올에서 물 분자를 제거하여 에틸렌을 얻는다.
  • 코크스로가스 분리: 코크스로가스에 포함된 에틸렌을 분리하여 얻는다.
  • 기타 기술: 피셔-트롭쉬 공정이나 메탄올-올레핀(MTO) 공정을 통해서도 에틸렌을 생산할 수 있다.[30]


공업적으로 에틸렌을 생산하는 설비는 에틸렌 플랜트라고 불리며, 석유 화학 공장의 핵심 설비이다.

2016년 기준 일본 내 에틸렌 생산량은 6278821ton, 공업 소비량은 1344762ton이다.[62]

한편, 실험실 환경에서는 에탄올을 진한 황산으로 탈수시키거나, 활성 알루미나를 촉매로 사용하여 기체 상태에서 탈수시켜 에틸렌을 만들 수 있다.

3. 2. 실험실 제법

실험실 환경에서는 에탄올을 탈수시켜 에틸렌을 만들 수 있다. 이 방법에는 진한 황산을 탈수제로 사용하거나, 활성 알루미나를 촉매로 사용하여 기체 상태에서 탈수 반응을 일으키는 방식이 있다.[32]

하지만 에틸렌은 산업적으로 매우 중요한 물질임에도 불구하고, 실험실에서 직접 합성하는 경우는 드물다. 일반적으로 필요한 경우 구매하여 사용하는 것이 일반적이다.[31]

4. 용도

에틸렌은 다양한 산업 분야에서 핵심적인 역할을 수행하는 물질이다. 가장 중요한 용도는 각종 화합물 합성의 원료로 사용되는 것으로, 특히 세계적으로 가장 널리 쓰이는 플라스틱인 폴리에틸렌 제조에 대량으로 투입된다.[12] 이 외에도 에틸렌옥사이드, 에틸렌 디클로라이드, 에틸벤젠 등 수많은 석유화학 제품 생산의 기초 원료가 된다.[12]

또한, 식물 호르몬으로서 과일의 성숙을 촉진하는 특성이 있어 농업 분야에서 토마토, 감귤 등의 후숙 처리에 활용된다.[65]

그 밖에도 가스 절단 및 용접용 연료,[12][22] 마취제,[21] 저온 냉매(R-1150)[23] 등 특수한 목적으로도 사용된다. 이처럼 에틸렌은 석유화학 산업의 기초 소재부터 농업, 기타 산업 분야에 이르기까지 광범위하게 이용되는 중요한 물질이다.

4. 1. 화학 원료

에틸렌은 주로 가스 절단 및 용접 외에도 각종 화합물 합성의 핵심 원료로 사용된다. 에틸렌을 기반으로 합성되는 주요 화합물로는 산화 에틸렌, 에틸 벤젠, 염화 에틸, 이염화 에틸렌 (에틸렌 디클로라이드), 에탄올, 폴리에틸렌 등이 있다. 특히 합성수지인 폴리에틸렌 제조에 가장 많이 사용된다. 또한, 에틸렌은 식물 호르몬으로 작용하여 과일의 성숙을 촉진하는 성질이 있어, 감귤류나 토마토의 숙성 촉진 목적으로도 활용된다.

에틸렌의 주요 산업 반응은 규모 순서대로 다음과 같다.[12]

# 중합: 전 세계 에틸렌 공급량의 절반 이상이 폴리에틸렌 생산에 사용된다. 폴리에틸렌은 '폴리에텐' 또는 '폴리텐'이라고도 불리며, 세계에서 가장 널리 사용되는 플라스틱으로 주로 포장재, 쇼핑백, 쓰레기 봉투 등을 만드는 데 쓰인다. 지글러-나타 촉매 등을 이용한 중합 반응을 통해 생산된다.

# 산화: 에틸렌을 산화시켜 에틸렌 옥사이드를 생산한다. 이는 에톡실화를 통해 계면활성제 및 세제 생산의 핵심 원료가 된다. 또한, 에틸렌 옥사이드를 가수분해하여 얻는 에틸렌 글리콜은 자동차 부동액뿐만 아니라 고분자량 글리콜, 글리콜 에테르, 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 등의 원료로 널리 사용된다.[13][14] 팔라듐 촉매 존재 하에서 에틸렌을 산화시키면 아세트알데히드를 얻을 수 있는데, 이는 바커 공정으로 알려진 주요 산업 공정 중 하나이다.[15]

# 할로젠화 및 하이드로할로겐화: 에틸렌 디클로라이드, 에틸 클로라이드, 에틸렌 디브로마이드 등이 주요 중간체이다. 특히 염소를 첨가하는 반응은 염소 기체를 직접 사용하지 않는 "옥시염소화" 방식을 포함한다. 이 반응들을 통해 폴리염화 비닐(PVC), 트리클로로에틸렌, 테트라클로로에틸렌, 메틸 클로로포름, 폴리비닐리덴 클로라이드 및 공중합체, 에틸 브로마이드 등 다양한 제품이 생산된다.[28]

# 알킬화: 가장 중요한 생성물은 스티렌의 전구체인 에틸벤젠이다. 스티렌은 주로 포장 및 단열재용 폴리스티렌과 타이어 및 신발용 스티렌-부타디엔 고무(SBR) 생산에 사용된다. 이 외에도 에틸톨루엔, 에틸아닐린, 1,4-헥사디엔, 알루미늄 알킬 등이 알킬화 반응을 통해 생성되며, 이들은 폴리스티렌, 불포화 폴리에스터, 에틸렌-프로필렌 3원 공중합체(EPDM) 등의 원료가 된다.[28]

# 수화: 에틸렌은 오랫동안 에탄올 생산의 주요 비발효 원료였다. 과거에는 황산을 이용한 간접 수화법이 사용되었으나, 1990년대 중반 이후로는 고체 산 촉매를 이용한 에틸렌의 직접 수화 반응이 주로 사용된다.[16] 반응식은 다음과 같다.

#:C2H4 + H2O → CH3CH2OH

# 올리고머화: 짧은 사슬 분자인 선형 알파-올레핀을 생성한다. 이들은 다른 화학 물질의 전구체, 세제, 가소제, 합성 윤활제, 첨가제로 사용되며, 폴리에틸렌 생산 시 공중합체로도 투입된다.[12]

# 하이드로포밀화: 옥소 반응이라고도 불리며, 에틸렌으로부터 프로피온알데히드를 생성한다. 이는 프로피온산과 n-프로필 알코올의 전구체이다.[28]

에틸렌의 주요 산업적 용도. 오른쪽 위부터 시계 방향으로: 에틸렌 글리콜의 전구체인 에틸렌옥사이드로의 전환; 스티렌의 전구체인 에틸벤젠으로의 전환; 다양한 종류의 폴리에틸렌으로의 전환; 비닐 클로라이드의 전구체인 에틸렌 디클로라이드로의 전환.


에틸렌은 무색의 기체로 약간 단 냄새가 나며, 강력한 산화제와 쉽게 반응하고 인화성이 매우 높다. 이처럼 반응성이 높아 다양한 화합물의 원료로 사용된다. 예를 들어, 아세틸렌은 에틸렌을 할로젠과 반응시켜 1,2-디할로에탄을 만든 후, 수산화 칼륨 처리 및 수소화 알루미늄 리튬 환원을 통해 제조될 수 있다. 또한, 에탄올을 160°C~170°C 정도로 가열하여 분자 내 탈수 반응을 통해 얻을 수도 있다.

에틸렌은 석유화학 콤비나트의 생산 능력을 나타내는 지표가 될 정도로 대부분의 석유화학 제품 생산에 있어 핵심적인 원재료이다. 염화 비닐, 아크릴로니트릴, 초산 비닐 등 수많은 중요한 화학 제품들이 에틸렌을 기반으로 만들어진다.[63]

4. 2. 기타 용도

에틸렌은 가스 절단 및 용접에 사용된다.[12][22] 또한, 에틸렌이 식물 호르몬으로 작용하여 과일의 성숙을 촉진하는 성질을 이용하여 감귤류나 토마토의 성숙을 촉진하기 위한 목적으로도 사용된다.

에틸렌의 용도 다이어그램


특수한 용도의 예로는 마취제 (85% 에틸렌/15% 산소 비율)가 있다.[21] R-1150이라는 이름으로 저온 응용 분야의 냉매 가스로도 사용된다.[23]

5. 식물에서의 역할

에틸렌은 식물호르몬의 한 종류로, 과일 성숙 호르몬 또는 스트레스 호르몬으로도 불린다.

=== 발견 ===

1800년대 가스관에서 누출된 가스로 인해 주변 나무의 잎이 평소보다 일찍 떨어지는 현상이 관찰되었다. 이후 1901년, 러시아의 과학자 넬류보프(Neljubow)는 이 현상의 원인이 에틸렌이라는 것을 밝혀냈다.

=== 합성 ===

에틸렌은 식물 내에서 합성되는 양이 매우 적은 기체 호르몬이다. 식물은 씨의 발아, 식물의 노화, 과일의 성숙과 같은 생장 과정뿐만 아니라, 상처를 입거나 병원체의 공격을 받았을 때, 또는 산소 부족, 가뭄, 냉해와 같은 다양한 스트레스 상황에 처했을 때 에틸렌을 합성한다. 또한 과일이 성숙할 때나 예정세포사(programmed cell death)가 일어날 때도 합성된다.

식물 내 에틸렌 합성 경로는 메티오닌 → S-아데노실메티오닌(SAM) → 1-아미노사이클로프로판-1-카르복실산(ACC) → 에틸렌 순서로 이루어진다.[64] 이 과정에서 SAM에서 ACC로의 전환에는 ACC 합성 효소가, ACC에서 에틸렌으로의 전환에는 ACC 산화 효소가 관여한다.

=== 작용 및 영향 ===

에틸렌은 매우 낮은 농도(0.1ppm)에서도 식물의 생장과 발생에 중요한 영향을 미친다. 많은 식물의 숙성과 개화 과정에 관여하며, 이러한 특성 때문에 원예 및 과일의 신선도 유지에 널리 활용된다.[18] 자연적으로 발생하는 에틸렌을 제거하면 과일의 숙성을 늦출 수 있으며,[19] 이산화 티타늄 젤을 코팅한 그물로 에틸렌을 흡착하는 방법도 효과적인 것으로 알려져 있다.[20]

일반적으로 에틸렌은 식물의 생장을 저해하고 꽃눈 형성을 억제하는 역할을 한다. 예를 들어, 감자는 에틸렌에 의해 싹이 트는 것이 억제된다. 하지만 파인애플과 같은 일부 식물에서는 오히려 에틸렌이 꽃눈 형성을 촉진하기도 한다.

식물에 물이 과도하게 주어지면, 에틸렌은 뿌리 세포 일부의 세포 자멸사를 유도하여 공기가 통할 수 있는 통로(에어 튜브)를 형성하는데, 이는 마치 스노클과 유사한 기능을 한다.

또한 에틸렌은 과실의 색깔 변화나 물러짐과 같은 성숙 과정에도 깊이 관여한다. 이는 에틸렌이 셀룰라아제의 작용에 영향을 주어 세포벽 조직의 분해를 유도하기 때문으로 여겨진다. 바나나와 같이 수확 후에도 스스로 숙성하는 클라이마테릭형 과실의 경우, 일반적으로 성숙이 시작될 때 에틸렌 생성량이 최고조에 달했다가 점차 감소하는 경향을 보인다. 사과는 에틸렌 가스를 많이 방출하므로, 바나나 옆에 두면 바나나의 숙성이 빨라진다. 같은 원리로 사과와 감자를 함께 보관하면 감자의 발아가 억제되며, 사과와 시금치를 함께 두면 시금치의 변색이 촉진된다.[65]

에틸렌을 특히 많이 방출하는 과일[65]
과일 종류
사과
멜론
서양배
아보카도



에틸렌은 식물이 곰팡이나 세균과 같은 병원균에 감염되거나 조직이 손상되었을 때도 생성된다. 이때 에틸렌은 식물의 방어 반응을 유도하는 역할을 한다. 예를 들어, 에틸렌은 항균 작용을 하는 단백질의 생성을 유도하여 병원균의 확산을 막는 데 기여한다. 또한 에틸렌은 기체 상태이기 때문에, 병해를 입은 식물에서 방출된 에틸렌이 주변의 건강한 다른 식물에게 전달되어 해당 식물에서도 방어 반응을 미리 유도할 수 있는 것으로 생각된다.

6. 환경 문제 및 안전성

에틸렌은 불이 매우 붙기 쉽고 쉽게 기화되는 가연성 질식 가스이므로 취급에 주의가 필요하며, 흡입 시 산소 부족을 유발할 수 있다.[58] 또한, 주요 생산 방식인 스팀 크래킹 과정에서 상당한 양의 이산화탄소를 배출하여 환경 문제를 야기한다.[55][56][57]

6. 1. 환경 문제

석유화학 제품의 수명 주기 배출량에 영향을 미치는 주요 요인은 원료의 메탄 강도이며, 특히 생산 부문에서 중요하다.[52] 나프타 및 천연가스(미국에서는 가격 경쟁력 때문에 일반적임)의 크래킹으로 인한 배출량은 고온을 만드는 데 사용되는 에너지원(예: 연소되는 가스[53])에 따라 크게 달라진다. 다만, 나프타를 원료로 사용할 때의 배출량이 원료 킬로그램당 기준으로 더 많다.[54]

스팀 크래킹과 에탄을 통한 천연가스 생산 과정에서는 에틸렌 1kg당 1.8kg에서 2kg 사이의 CO2가 배출되는 것으로 추정된다.[55] 이는 연간 총 2.6억ton 이상의 배출량에 해당하며,[56] 시멘트와 암모니아 생산을 제외하면 다른 어떤 화학 물질 제조 과정보다 많은 양이다.[57] 2022년 보고서에 따르면 재생 에너지 또는 원자력 에너지를 활용할 경우, 에틸렌 생산 과정에서의 탄소 배출량을 거의 절반까지 줄일 수 있는 가능성이 제시되었다.[54]

6. 2. 안전성

에틸렌은 불이 매우 붙기 쉽고 쉽게 기화되므로 취급 시 주의가 필요하다.

흡입할 경우 산소 부족으로 인해 숨이 가빠지거나 정신적 경계심 감소, 근육 조정 능력 저하, 판단력 상실, 감각 둔화, 정신적 불안정, 피로감 등을 유발할 수 있다. 질식 과정에서는 구역질, 구토, 피로, 의식 상실 등이 나타날 수 있으며, 심각한 경우 발작, 혼수상태, 사망에 이를 수도 있다. 임산부가 산소 부족 상태에 놓이면 태아 발육에 영향을 줄 수 있다.

모든 탄화수소와 마찬가지로 에틸렌은 가연성이 있는 질식 가스이다. 현재까지 사람에게 암을 유발한다는 증거는 없어 국제 암 연구 기구(IARC)는 에틸렌을 그룹 3 물질로 분류하고 있다.[58]

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