La sintesi dell'etanolo può avvenire per idratazione dell'etene secondo una reazione di equilibrio che ha una resa piuttosto bassa
La reazione della sintesi dell'etanolo è:
CH2=CH2(g) + H2O(g) ⇄ CH3CH2OH(g) ΔH = – 45 kJ/mol
La reazione è reversibile ed esotermica; solo il 5% di etene è convertito in etanolo attraverso ogni passaggio attraverso il reattore. Per aumentare la resa si sfrutta il Principio di Le Chatelier e, per spostare a destra l'equilibrio e ottenere una resa fino al 95% l'etanolo, man mano che viene prodotto, è rimosso dal recipiente di reazione.
La reazione ècondotta a 3oo °C e alla pressione di 60-70 atm usando l'acido fosforico quale catalizzatore.
Tecnicamente il processo è più complesso in quanto quando i gas provenienti dal reattore vengono raffreddati condensa anche il vapore acqueo e pertanto l'etanolo può essere separato dall'acqua tramite distillazione frazionata.
Dai coefficienti stechiometrici della reazione il rapporto tra etene e vapore acqueo è di 1:1 e, poiché le condizioni di reazione (pressione e temperatura sono le stesse) si dovrebbero usare gli stessi volumi dei due reagenti. Tuttavia, stante il minor prezzo dell'acqua rispetto all'etene sembrerebbe normale usare un eccesso di acqua anche al fine di spostare verso destra l'equilibrio. Infatti aumentando uno dei reagenti infatti l'equilibrio si sposta a destra. Tuttavia si usa l'etene in eccesso a causa della natura del catalizzatore. L'acido fosforico, infatti, è messo su un supporto di biossido di silicio e una quantità eccessiva di vapore acqueo lo farebbe allontanare dal supporto stesso vanificando l'azione del catalizzatore.
Effetto competitivo
Al fine di spostare a destra la reazione di equilibrio e, tenuto conto della sua esotermicità, occorrerebbe per il principio di Le Chatelier, lavorare alla temperatura più bassa possibile. Come accade spesso nelle reazioni di sintesi, tuttavia, non sempre l'aspetto cinetico e quello termodinamico agiscono in sinergia, anzi si verifica che essi siano competitivi.
Una bassa temperatura, infatti, che favorisce la reazione da un punto di vista termodinamico la sfavorisce da un punto di vista cinetico. In pratica l'equilibrio, a basse temperature è spostato verso destra, ma la reazione avviene in tempi lunghi, non compatibili con una sintesi industriale.
La temperatura di 300 °C costituisce un valido compromesso tra i due aspetti: in tali condizioni infatti si ha una resa del 5% ad ogni passaggio sul catalizzatore.
La stechiometria della reazione mostra che da due molecole di reagenti si ottiene una molecola di prodotto quindi, sulla base del Principio di Le Chatelier, un aumento della pressione favorisce il prodotto ed inoltre le alte pressioni agiscono nello stesso senso anche da un punto di vista cinetico. Tuttavia si devono considerare due aspetti:
1) Lavorare ad alte pressioni è costoso sia per la progettazione ed esecuzione dell'impianto. Inoltre vi sono alti costi energetici e ciò rende antieconomica la sintesi dell'etanolo
2) Alle alte pressioni l'etene polimerizza per dare polietilene
Pertanto come per la temperatura si giunge ad un valore di pressione tale da evitare gli aspetti che sfavorirebbero la sintesi dell'etanolo.
Per quanto attiene il catalizzatore esso, come per tutte le reazioni, ha il solo effetto di accelerare la reazione ma è ininfluente ai fini della resa e della posizione dell'equilibrio agendo solo sull'aspetto cinetico. In assenza di catalizzatore la reazione avverrebbe in tempi talmente lunghi da poter dire che essa non avviene
