Этанол (также называемый этиловым спиртом , зерновым спиртом , питьевым спиртом или просто алкоголем ) — органическое соединение с химической формулой CH 3 CH 2 OH . Это спирт , его формула также записывается как C 2 H 5 OH , C 2 H 6 O или EtOH, где Et означает этил . Этанол — летучая , легковоспламеняющаяся , бесцветная жидкость с характерным запахом вина и острым вкусом. [13] [14] В природе виноградный сахар распадается под действием ферментации на спирт или угольную кислоту без каких-либо добавок. [15] Как психоактивный депрессант , он является активным ингредиентом алкогольных напитков и вторым по потреблению наркотиком в мире после кофеина . [16]
Этанол естественным образом производится в процессе ферментации сахаров дрожжами или посредством нефтехимических процессов, таких как гидратация этилена . Исторически он использовался в качестве общего анестетика и имеет современное медицинское применение в качестве антисептика , дезинфицирующего средства , растворителя для некоторых лекарств и противоядия при отравлении метанолом и этиленгликолем . [17] [18] Он используется в качестве химического растворителя и в синтезе органических соединений, а также в качестве источника топлива для ламп, печей и двигателей внутреннего сгорания. Этанол также может быть дегидратирован для получения этилена, важного химического сырья. По состоянию на 2023 год мировое производство этанолового топлива составило 29 590 000 000 галлонов США (112,0 гигалитров), в основном из США (51%) и Бразилии (26%). [19]
Этанол — систематическое название, определенное Международным союзом теоретической и прикладной химии для соединения, состоящего из алкильной группы с двумя атомами углерода (префикс «эт-»), имеющей одинарную связь между ними (инфикс «-ан-») и присоединенной функциональной группы −ОН (суффикс «-ол»). [20]
Префикс «эт-» и определитель «этил» в слове «этиловый спирт» изначально произошли от названия «этил», присвоенного в 1834 году группе C.
2ЧАС
5− Юстус Либих . Он придумал слово от немецкого названия эфира соединения C
2ЧАС
5−О− С
2ЧАС
5(обычно называемый «эфиром» в английском языке , более конкретно называемый « диэтиловым эфиром »). [21] Согласно Оксфордскому словарю английского языка , Ethyl является сокращением древнегреческого αἰθήρ ( aithḗr , «верхний воздух») и греческого слова ὕλη ( hýlē , «дерево, сырой материал», отсюда «материя, вещество»). [22]
Название «этанол» было придумано в результате резолюции о наименовании спиртов и фенолов, принятой на Международной конференции по химической номенклатуре , состоявшейся в апреле 1892 года в Женеве , Швейцария. [23]
Термин «алкоголь» теперь относится к более широкому классу веществ в химической номенклатуре, но в просторечии он остаётся названием этанола. Это средневековое заимствование из арабского al-kuḥl , порошкообразной руды сурьмы, используемой с древности в качестве косметического средства, и сохранившей это значение в среднелатинском языке . [24] Использование «алкоголя» для этанола (полностью «алкоголь вина») является современным и впервые было зафиксировано в 1753 году. До конца 18 века термин «алкоголь» обычно относился к любому сублимированному веществу. [25]
Этанол является старейшим известным седативным средством , использовавшимся в качестве орального общего анестетика во время хирургических операций в древней Месопотамии и в средние века . [17] [18] Легкая интоксикация начинается при концентрации алкоголя в крови 0,03-0,05% и вызывает анестезиологическую кому при 0,4%. [26] Однако такое использование несло высокий риск смертельной алкогольной интоксикации , легочной аспирации и рвоты, что привело к использованию альтернативных средств в древности, таких как опиум и каннабис , а позднее, начиная с 1840-х годов, диэтилового эфира. [27]
Этанол используется в качестве антисептика в медицинских салфетках и гелях для дезинфекции рук из -за его бактерицидного и противогрибкового действия. [28] Этанол убивает микроорганизмы , растворяя их мембранный липидный бислой и денатурируя их белки , и эффективен против большинства бактерий , грибков и вирусов . Однако он неэффективен против бактериальных спор , которые можно обработать перекисью водорода . [29]
Раствор 70% этанола более эффективен, чем чистый этанол, поскольку этанол полагается на молекулы воды для оптимальной антимикробной активности. Абсолютный этанол может инактивировать микробы, не уничтожая их, поскольку спирт не способен полностью проникнуть через мембрану микроба. [30] [31] Этанол также может использоваться как дезинфицирующее средство и антисептик, вызывая дегидратацию клеток посредством нарушения осмотического баланса через клеточную мембрану, заставляя воду покидать клетку, что приводит к гибели клетки. [32]
Этанол может быть назначен в качестве противоядия при отравлении этиленгликолем [33] и отравлении метанолом . [34] Он действует как конкурентный ингибитор метанола и этиленгликоля для алкогольдегидрогеназы (АДГ). [35] Хотя у него больше побочных эффектов, этанол менее дорог и более доступен, чем фомепизол в этой роли. [36]
Этанол используется для растворения многих нерастворимых в воде лекарств и родственных соединений. Жидкие препараты обезболивающих , лекарств от кашля и простуды , а также ополаскивателей для рта, например, могут содержать до 25% этанола [37] и их следует избегать лицам с побочными реакциями на этанол, такими как респираторные реакции, вызванные алкоголем . [38] Этанол в основном присутствует в качестве антимикробного консерванта в более чем 700 жидких препаратах лекарств, включая ацетаминофен , добавки железа , ранитидин , фуросемид , маннитол , фенобарбитал , триметоприм/сульфаметоксазол и безрецептурные лекарства от кашля . [39]
Некоторые лекарственные растворы этанола также известны как настойки .
У млекопитающих этанол в основном метаболизируется в печени и желудке ферментами АДГ. [40] Эти ферменты катализируют окисление этанола в ацетальдегид (этаналь): [41]
При наличии значительных концентраций этот метаболизм этанола дополнительно поддерживается ферментом цитохрома P450 CYP2E1 у людей, в то время как следовые количества также метаболизируются каталазой . [42]
Полученный промежуточный продукт, ацетальдегид, является известным канцерогеном и представляет значительно большую токсичность для людей, чем сам этанол. Многие симптомы, обычно связанные с алкогольной интоксикацией, а также многие опасности для здоровья, обычно связанные с длительным потреблением этанола, могут быть отнесены к токсичности ацетальдегида для людей. [43]
Последующее окисление ацетальдегида в ацетат осуществляется ферментами альдегиддегидрогеназы (ALDH). Мутация в гене ALDH2, которая кодирует неактивную или дисфункциональную форму этого фермента, затрагивает примерно 50 % населения Восточной Азии, способствуя характерной реакции алкогольного прилива , которая может вызывать временное покраснение кожи, а также ряд связанных и часто неприятных симптомов отравления ацетальдегидом. [44] Эта мутация обычно сопровождается другой мутацией в ферменте ADH ADH1B примерно у 80 % жителей Восточной Азии, что повышает каталитическую эффективность преобразования этанола в ацетальдегид. [44]
Будучи депрессантом центральной нервной системы , этанол является одним из наиболее часто употребляемых психоактивных препаратов . [45]
Несмотря на психоактивные, вызывающие привыкание и канцерогенные свойства алкоголя , он легко доступен и легален для продажи в большинстве стран. Существуют законы, регулирующие продажу, экспорт/импорт, налогообложение, производство, потребление и хранение алкогольных напитков. Наиболее распространенным регулированием является запрет для несовершеннолетних.
Наибольшее применение этанола — в качестве моторного топлива и топливной добавки . Бразилия, в частности, сильно зависит от использования этанола в качестве моторного топлива, отчасти из-за своей роли одного из ведущих мировых производителей этанола. [49] [50] Бензин, продаваемый в Бразилии, содержит не менее 25% безводного этанола. Гидратированный этанол (около 95% этанола и 5% воды) может использоваться в качестве топлива в более чем 90% новых автомобилей, работающих на бензине, продаваемых в стране.
США и многие другие страны в основном используют смеси этанола и бензина E10 (10% этанола, иногда называемого газохолом) и E85 (85% этанола). Со временем считается, что существенная часть рынка бензина объемом ≈150 миллиардов галлонов США (570 000 000 м 3 ) в год начнет заменяться топливным этанолом. [51]
Австралийский закон ограничивает использование чистого этанола из отходов сахарного тростника до 10 % в автомобилях. Старые автомобили (и винтажные автомобили, разработанные для использования более медленного горения топлива) должны иметь модернизированные или замененные клапаны двигателя. [52]
По данным группы по защите интересов отрасли , этанол в качестве топлива снижает вредные выбросы выхлопных газов оксида углерода, твердых частиц, оксидов азота и других загрязняющих веществ, образующих озон. [53] Аргоннская национальная лаборатория проанализировала выбросы парниковых газов многих различных комбинаций двигателей и топлива и обнаружила, что смесь биодизеля и петродизеля ( B20 ) показала снижение на 8%, обычная смесь этанола E85 - снижение на 17%, а целлюлозный этанол - на 64% по сравнению с чистым бензином. [54] Этанол имеет гораздо большее исследовательское октановое число (RON), чем бензин, что означает, что он менее склонен к преждевременному воспламенению, что обеспечивает лучшее опережение зажигания, что означает больший крутящий момент и эффективность в дополнение к более низким выбросам углерода. [55]
Сгорание этанола в двигателе внутреннего сгорания дает много продуктов неполного сгорания, производимых бензином, и значительно большее количество формальдегида и связанных с ним видов, таких как ацетальдегид. [56] Это приводит к значительно большей фотохимической реактивности и большему количеству озона на уровне земли . [57] Эти данные были собраны в The Clean Fuels Report, сравнивающем выбросы топлива [58], и показывают, что выхлопные газы этанола генерируют в 2,14 раза больше озона, чем выхлопные газы бензина. [59] Когда это добавляется в пользовательский индекс локализованного загрязнения The Clean Fuels Report, локальное загрязнение этанолом (загрязнение, которое способствует смогу) оценивается в 1,7, где бензин равен 1,0, а более высокие числа означают большее загрязнение. [60] Калифорнийский совет по воздушным ресурсам формализовал эту проблему в 2008 году, признав стандарты контроля для формальдегидов в качестве группы контроля выбросов, во многом подобно обычным NOx и реактивным органическим газам (ROG). [61]
Более 20% бразильских автомобилей могут использовать 100% этанол в качестве топлива, что включает двигатели, работающие только на этаноле, и двигатели с гибким топливом . [62] Двигатели с гибким топливом в Бразилии могут работать на любом этаноле, любом бензине или любой их смеси. В Соединенных Штатах автомобили с гибким топливом могут работать на 0% - 85% этанола (15% бензина), поскольку смеси с более высоким содержанием этанола пока не разрешены или неэффективны. Бразилия поддерживает этот парк автомобилей, работающих на этаноле, с помощью крупной национальной инфраструктуры, которая производит этанол из выращенного внутри страны сахарного тростника.
Высокая смешиваемость этанола с водой делает его непригодным для транспортировки по современным трубопроводам, как и жидкие углеводороды. [63] Механики наблюдают участившиеся случаи повреждения небольших двигателей (в частности, карбюратора ) и связывают повреждение с повышенным удержанием воды этанолом в топливе. [64]
Этанол обычно использовался в качестве топлива в ранних двухкомпонентных ракетных (жидкостных) транспортных средствах в сочетании с окислителем , таким как жидкий кислород. Немецкая баллистическая ракета A-4 Второй мировой войны (более известная под своим пропагандистским названием V-2 ), [65] которая считается началом космической эры, использовала этанол в качестве основного компонента B-Stoff . Согласно такой номенклатуре, этанол смешивался с 25% воды для снижения температуры камеры сгорания. [66] [67] Команда разработчиков V-2 помогала разрабатывать американские ракеты после Второй мировой войны, включая работающую на этаноле ракету Redstone , которая запустила первого американского астронавта в суборбитальный космический полет . [68] [69] Спирты вышли из употребления, поскольку были разработаны более энергоемкие ракетные топлива, [67] хотя этанол в настоящее время используется в легких гоночных самолетах с ракетным двигателем . [70]
Коммерческие топливные элементы работают на реформированном природном газе, водороде или метаноле. Этанол является привлекательной альтернативой из-за его широкой доступности, низкой стоимости, высокой чистоты и низкой токсичности. Существует широкий спектр концепций топливных элементов, которые прошли испытания, включая топливные элементы на прямом этаноле , системы автотермического реформинга и термически интегрированные системы. Большая часть работы проводится на исследовательском уровне, хотя есть ряд организаций, находящихся в начале коммерциализации топливных элементов на этаноле. [71]
Камины на этаноле можно использовать для отопления дома или для декора. Этанол также можно использовать в качестве топлива для печи при приготовлении пищи. [72] [73]
Этанол является важным промышленным ингредиентом. Он широко используется в качестве предшественника других органических соединений, таких как этилгалогениды , этиловые эфиры , диэтиловый эфир, уксусная кислота и этиламины .
Этанол считается универсальным растворителем , поскольку его молекулярная структура позволяет растворять как полярные , гидрофильные , так и неполярные , гидрофобные соединения. Поскольку этанол также имеет низкую температуру кипения , его легко удалить из раствора, который использовался для растворения других соединений, что делает его популярным экстрагирующим агентом для ботанических масел. Методы экстракции масла каннабиса часто используют этанол в качестве экстракционного растворителя, [74] а также в качестве растворителя для последующей обработки для удаления масел, восков и хлорофилла из раствора в процессе, известном как вымораживание .
Этанол содержится в красках , настойках, маркерах и средствах личной гигиены, таких как ополаскиватели для рта, духи и дезодоранты. Полисахариды осаждаются из водного раствора в присутствии спирта, и осаждение этанолом используется по этой причине при очистке ДНК и РНК .
Из-за низкой температуры замерзания −114 °C (−173 °F) и низкой токсичности этанол иногда используется в лабораториях (с сухим льдом или другими хладагентами) в качестве охлаждающей ванны для поддержания сосудов при температуре ниже точки замерзания воды. По той же причине он также используется в качестве активной жидкости в спиртовых термометрах .
Этанол — это 2-углеродный спирт . Его молекулярная формула — CH 3 CH 2 OH. Структура молекулы этанола — CH 3 −CH 2 −OH ( этильная группа, связанная с гидроксильной группой ), что указывает на то, что углерод метильной группы (CH 3 −) присоединен к углероду метиленовой группы (−CH 2 –), которая присоединена к кислороду гидроксильной группы (−OH). Это конституционный изомер диметилового эфира . Иногда этанол сокращают до EtOH , используя общепринятую в органической химии запись, представляющую этильную группу (C 2 H 5 −) с помощью Et .
Этанол — летучая, бесцветная жидкость со слабым запахом. Он горит бездымным синим пламенем, которое не всегда видно при обычном освещении. Физические свойства этанола обусловлены в первую очередь наличием в нем гидроксильной группы и короткой углеродной цепью. Гидроксильная группа этанола способна участвовать в образовании водородных связей, делая его более вязким и менее летучим, чем менее полярные органические соединения с аналогичной молекулярной массой, такие как пропан .
Адиабатическая температура пламени этанола при горении на воздухе составляет 2082 °C или 3779 °F. [75]
Этанол немного более преломляющий, чем вода, имея показатель преломления 1,36242 (при λ=589,3 нм и 18,35 °C или 65,03 °F). [76] Тройная точка для этанола составляет 150 ± 20 К. [77]
Этанол — универсальный растворитель, смешивающийся с водой и многими органическими растворителями, включая уксусную кислоту , ацетон , бензол , четыреххлористый углерод , хлороформ , диэтиловый эфир, этиленгликоль, глицерин , нитрометан , пиридин и толуол . Его основное применение в качестве растворителя — изготовление настойки йода, сиропов от кашля и т. д. [76] [78] Он также смешивается с легкими алифатическими углеводородами, такими как пентан и гексан , и с алифатическими хлоридами, такими как трихлорэтан и тетрахлорэтилен . [78]
Смешиваемость этанола с водой контрастирует с несмешиваемостью спиртов с более длинной цепью (пять или более атомов углерода), смешиваемость которых с водой резко уменьшается с увеличением числа атомов углерода. [79] Смешиваемость этанола с алканами ограничена алканами до ундекана : смеси с додеканом и высшими алканами показывают разрыв смешиваемости ниже определенной температуры (около 13 °C для додекана [80] ). Разрыв смешиваемости имеет тенденцию становиться шире с высшими алканами, а температура полной смешиваемости увеличивается.
Смеси этанола и воды имеют меньший объем, чем сумма их индивидуальных компонентов в данных фракциях. Смешивание равных объемов этанола и воды дает только 1,92 объема смеси. [76] [81] Смешивание этанола и воды является экзотермическим , при этом выделяется до 777 Дж/моль [82] при 298 К.
Водородные связи делают чистый этанол гигроскопичным до такой степени, что он легко поглощает воду из воздуха. Полярная природа гидроксильной группы заставляет этанол растворять многие ионные соединения, в частности гидроксиды натрия и калия , хлорид магния , хлорид кальция , хлорид аммония , бромид аммония и бромид натрия . [78] Хлориды натрия и калия слабо растворимы в этаноле. [78] Поскольку молекула этанола также имеет неполярный конец, она также растворяет неполярные вещества, включая большинство эфирных масел [83] и многочисленные ароматизаторы, красители и лекарственные средства.
Добавление даже нескольких процентов этанола в воду резко снижает поверхностное натяжение воды. Это свойство частично объясняет феномен « слез вина ». Когда вино взбалтывают в бокале, этанол быстро испаряется из тонкой пленки вина на стенке бокала. По мере снижения содержания этанола в вине его поверхностное натяжение увеличивается, и тонкая пленка «сворачивается» и стекает по бокалу по желобкам, а не гладким слоем.
При атмосферном давлении смеси этанола и воды образуют азеотроп при концентрации этанола около 89,4 мол.% (95,6% этанола по массе, [84] 97% спирта по объему ) с температурой кипения 351,3 К (78,1 °C). [85] При более низком давлении состав азеотропа этанол-вода смещается в сторону смесей с большим содержанием этанола. [86] Азеотроп минимального давления имеет долю этанола 100% [86] и температуру кипения 306 К (33 °C), [85] что соответствует давлению примерно 70 торр (9,333 кПа). [87] Ниже этого давления азеотроп отсутствует, и можно перегнать абсолютный этанол из смеси этанол-вода. [87]
Раствор этанола в воде загорится, если нагреть его выше температуры, называемой его точкой вспышки , а затем к нему применить источник возгорания. [88] Для 20% спирта по массе (около 25% по объему) это произойдет при температуре около 25 °C (77 °F). Температура вспышки чистого этанола составляет 13 °C (55 °F), [89], но на нее может очень слабо влиять состав атмосферы, такой как давление и влажность. Смеси этанола могут воспламеняться при температуре ниже средней комнатной. Этанол считается легковоспламеняющейся жидкостью (опасный материал класса 3) в концентрациях выше 2,35% по массе (3,0% по объему; 6 доказательств ). [90] [91] [92]
Блюда, в которых для кулинарного эффекта используется горящий алкоголь, называются фламбе .
Этанол является побочным продуктом метаболического процесса дрожжей. Таким образом, этанол будет присутствовать в любой среде обитания дрожжей. Этанол обычно можно найти в перезрелых фруктах. [95] Этанол, вырабатываемый симбиотическими дрожжами, можно найти в цветках пальмы бертам . Хотя некоторые виды животных, такие как пятихвостая тупайя , демонстрируют поведение, направленное на поиск этанола, большинство из них не проявляют интереса или избегания источников пищи, содержащих этанол. [96] Этанол также вырабатывается во время прорастания многих растений в результате естественного анаэробиоза . [97]
Этанол был обнаружен в открытом космосе , образуя ледяное покрытие вокруг пылевых частиц в межзвездных облаках . [98] Незначительные количества (в среднем 196 ppb ) эндогенного этанола и ацетальдегида были обнаружены в выдыхаемом воздухе здоровых добровольцев. [99] Синдром автопивоварни , также известный как синдром кишечной ферментации, является редким заболеванием, при котором опьяняющие количества этанола вырабатываются посредством эндогенной ферментации в пищеварительной системе . [100]
Этанол производится как нефтехимическим путем , путем гидратации этилена , так и биологическими способами, путем ферментации сахаров дрожжами . [101] Какой процесс более экономичен, зависит от преобладающих цен на нефть и зерновое сырье.
Мировое производство этанола в 2006 году составило 51 гигалитр (1,3 × 10 10 галлонов США), причем 69% мировых поставок приходится на Бразилию и США [19] Бразильский этанол производится из сахарного тростника, который имеет относительно высокую урожайность (на 830% больше топлива, чем ископаемое топливо, используемое для его производства) по сравнению с некоторыми другими энергетическими культурами . [102] Сахарный тростник не только имеет большую концентрацию сахарозы, чем кукуруза (примерно на 30%), но и его гораздо легче извлекать. Жом , образующийся в результате этого процесса, не выбрасывается, а сжигается на электростанциях для производства электроэнергии. Сжигание жома составляет около 9% электроэнергии, производимой в Бразилии. [103]
В 1970-х годах большая часть промышленного этанола в США производилась как нефтехимический продукт, но в 1980-х годах США ввели субсидии на этанол на основе кукурузы . [104] По данным Ассоциации возобновляемого топлива, по состоянию на 30 октября 2007 года 131 завод по биопереработке зернового этанола в США имели мощность для производства 7 × 10 9 галлонов США (26 000 000 м 3 ) этанола в год. Дополнительные 72 строительных проекта, находящихся в стадии реализации (в США), могут добавить 6,4 млрд галлонов США (24 000 000 м 3 ) новых мощностей в течение следующих 18 месяцев. [51]
В Индии этанол производится из сахарного тростника. [105] Сладкое сорго является еще одним потенциальным источником этанола и подходит для выращивания в засушливых условиях. Международный научно-исследовательский институт сельскохозяйственных культур для полузасушливых тропиков изучает возможность выращивания сорго в качестве источника топлива, продовольствия и корма для животных в засушливых частях Азии и Африки . [106] Сладкое сорго потребляет в три раза меньше воды, чем сахарный тростник за тот же период времени. Ему также требуется примерно на 22% меньше воды, чем кукурузе. Первый в мире завод по производству этанола из сладкого сорго начал коммерческое производство в 2007 году в Андхра-Прадеш , Индия . [107]
Этанол может быть получен из нефтехимического сырья, в первую очередь путем кислотно - катализируемой гидратации этилена. Его часто называют синтетическим этанолом.
Катализатором чаще всего является фосфорная кислота , [108] [109] адсорбированная на пористом носителе, таком как силикагель или диатомовая земля . Этот катализатор был впервые использован для крупномасштабного производства этанола компанией Shell Oil Company в 1947 году. [110] Реакция проводится в присутствии пара высокого давления при температуре 300 °C (572 °F), где поддерживается соотношение этилена к пару 5:3. [111] [112] Этот процесс использовался в промышленных масштабах корпорацией Union Carbide и другими. Он больше не практикуется в США, поскольку ферментационный этанол, полученный из кукурузы, более экономичен. [113]
В более старом процессе, впервые реализованном в промышленных масштабах в 1930 году компанией Union Carbide [114], но в настоящее время почти полностью устаревшим, этилен гидратировался косвенно путем его реакции с концентрированной серной кислотой для получения этилсульфата , который гидролизовался для получения этанола и регенерации серной кислоты: [115]
Этанол был получен в лабораторных условиях путем преобразования углекислого газа посредством биологических и электрохимических реакций. [116] [117]
Этанол в алкогольных напитках и топливе производится путем ферментации. Некоторые виды дрожжей (например, Saccharomyces cerevisiae ) метаболизируют сахар (а именно полисахариды ), производя этанол и углекислый газ. Химические уравнения ниже суммируют конверсию:
Ферментация — это процесс культивирования дрожжей в благоприятных температурных условиях для производства спирта. Этот процесс осуществляется при температуре около 35–40 °C (95–104 °F). Токсичность этанола для дрожжей ограничивает концентрацию этанола, получаемую при пивоварении; более высокие концентрации, следовательно, получаются путем фортификации или дистилляции . Наиболее устойчивые к этанолу штаммы дрожжей могут выживать при содержании этанола примерно до 18% по объему.
Для производства этанола из крахмалистых материалов, таких как злаки , крахмал сначала должен быть преобразован в сахара. В пивоварении это традиционно достигалось путем прорастания зерна или солода , который производит фермент амилазу . Когда соложеное зерно разминается , амилаза преобразует оставшийся крахмал в сахара.
Сахара для ферментации этанола могут быть получены из целлюлозы . Внедрение этой технологии может превратить ряд сельскохозяйственных побочных продуктов, содержащих целлюлозу, таких как кукурузные початки , солома и опилки , в возобновляемые источники энергии. Другие сельскохозяйственные отходы, такие как жом сахарного тростника и энергетические культуры, такие как просо, также могут быть источниками ферментируемого сахара. [118]
Пивоваренные заводы и биотопливные заводы используют два метода измерения концентрации этанола. Инфракрасные датчики этанола измеряют частоту колебаний растворенного этанола с использованием полосы C−H при 2900 см −1 . Этот метод использует относительно недорогой твердотельный датчик, который сравнивает полосу C−H с контрольной полосой для расчета содержания этанола. Расчет использует закон Бера-Ламберта . В качестве альтернативы, измеряя плотность исходного материала и плотность продукта с помощью ареометра , изменение удельного веса во время ферментации указывает на содержание алкоголя. Этот недорогой и косвенный метод имеет долгую историю в пивоваренной промышленности.
Гидратация этилена или пивоварение производит смесь этанола и воды. Для большинства промышленных и топливных применений этанол должен быть очищен. Фракционная перегонка при атмосферном давлении может концентрировать этанол до 95,6% по весу (89,5 моль). Эта смесь является азеотропом с температурой кипения 78,1 °C (172,6 °F) и не может быть дополнительно очищена перегонкой. Добавление увлекающего агента, такого как бензол , циклогексан или гептан , позволяет образовать новый тройной азеотроп, включающий этанол, воду и увлекающий агент. Этот низкокипящий тройной азеотроп удаляется преимущественно, что приводит к получению этанола без воды. [109]
Помимо дистилляции, этанол можно высушить добавлением осушителя , например, молекулярных сит , целлюлозы или кукурузной муки . Осушители можно высушить и использовать повторно. [109] Молекулярные сита можно использовать для селективного поглощения воды из 95,6% раствора этанола. [119] Молекулярные сита с размером пор 3 Ангстрема , тип цеолита , эффективно изолируют молекулы воды, исключая молекулы этанола. Нагревание влажных сит вытесняет воду, что позволяет восстановить их осушающие свойства. [120]
Мембраны также могут использоваться для разделения этанола и воды. Разделения на основе мембран не подвержены ограничениям азеотропа вода-этанол, поскольку разделения не основаны на равновесии пар-жидкость. Мембраны часто используются в так называемом гибридном мембранном процессе дистилляции. Этот процесс использует колонну предварительной концентрации в качестве первого шага разделения. Дальнейшее разделение затем выполняется с помощью мембраны, работающей либо в режиме паропроницаемости, либо в режиме первапорации. Паропроницаемость использует подачу паровой мембраны, а первапорация использует подачу жидкой мембраны.
Обсуждались и другие разнообразные методы, включая следующие: [109]
Чистый этанол и алкогольные напитки облагаются высоким налогом как психоактивные вещества, но этанол имеет много применений, которые не связаны с его потреблением. Чтобы облегчить налоговое бремя на эти применения, большинство юрисдикций отменяют налог, когда в этанол добавляется агент, делающий его непригодным для питья. К ним относятся горькие агенты, такие как денатониум бензоат , и токсины, такие как метанол, нафта и пиридин . Продукты такого рода называются денатурированным спиртом. [123] [124]
Абсолютный или безводный спирт относится к этанолу с низким содержанием воды. Существуют различные сорта с максимальным содержанием воды от 1% до нескольких частей на миллион (ppm). Если для удаления воды используется азеотропная перегонка , он будет содержать следовые количества разделяющего агента (например, бензола). [125] Абсолютный спирт не предназначен для потребления человеком. Абсолютный этанол используется в качестве растворителя для лабораторных и промышленных применений, где вода будет реагировать с другими химикатами, а также в качестве топливного спирта. Спектроскопический этанол — это абсолютный этанол с низкой поглощательной способностью в ультрафиолетовом и видимом свете, подходящий для использования в качестве растворителя в ультрафиолетово-видимой спектроскопии . [126]
Чистый этанол классифицируется как крепость 200 градусов в США, что эквивалентно крепости 175 градусов в британской системе. [127]
Ректификованный спирт, азеотропная композиция 96% этанола, содержащая 4% воды, используется вместо безводного этанола для различных целей. Винные спирты содержат около 94% этанола (188 proof). Примеси отличаются от примесей в 95% (190 proof) лабораторном этаноле. [128]
Этанол классифицируется как первичный спирт, что означает, что углерод, к которому присоединена его гидроксильная группа, также имеет по крайней мере два атома водорода, присоединенных к нему. Многие реакции этанола происходят на его гидроксильной группе.
В присутствии кислотных катализаторов этанол реагирует с карбоновыми кислотами с образованием этиловых эфиров и воды:
Эта реакция, которая проводится в промышленных масштабах, требует удаления воды из реакционной смеси по мере ее образования. Эфиры реагируют в присутствии кислоты или основания, чтобы дать обратно спирт и соль. Эта реакция известна как омыление , потому что она используется при приготовлении мыла. Этанол также может образовывать эфиры с неорганическими кислотами. Диэтилсульфат и триэтилфосфат получают путем обработки этанола триоксидом серы и пентоксидом фосфора соответственно. Диэтилсульфат является полезным этилирующим агентом в органическом синтезе . Этилнитрит , полученный в результате реакции этанола с нитритом натрия и серной кислотой, ранее использовался как диуретик .
В присутствии кислотных катализаторов спирты могут быть преобразованы в алкены, такие как этанол в этилен. Обычно используются твердые кислоты , такие как оксид алюминия . [129]
Поскольку вода удаляется из той же молекулы, реакция известна как внутримолекулярная дегидратация . Внутримолекулярная дегидратация спирта требует высокой температуры и присутствия кислотного катализатора, такого как серная кислота . [130]
Этилен, производимый из этанола, полученного из сахара (в основном в Бразилии), конкурирует с этиленом, производимым из нефтехимического сырья, такого как нафта и этан.
При более низкой температуре, чем внутримолекулярная дегидратация, может происходить межмолекулярная дегидратация спирта с образованием симметричного эфира. Это реакция конденсации . В следующем примере диэтиловый эфир получается из этанола:
При полном сгорании этанола образуются углекислый газ и вода:
Удельная теплоемкость = 2,44 кДж/(кг·К)
Этанол — нейтральная молекула, а pH раствора этанола в воде составляет около 7,00. Этанол можно количественно преобразовать в его сопряженное основание , ион этоксида (CH 3 CH 2 O − ), путем реакции со щелочным металлом, таким как натрий : [79]
или очень сильное основание, такое как гидрид натрия :
Кислотность воды и этанола почти одинакова, на что указывают их pKa 15,7 и 16 соответственно. Таким образом, этоксид натрия и гидроксид натрия существуют в равновесии, которое близко сбалансировано:
Этанол не используется в промышленности в качестве предшественника этилгалогенидов, но реакции иллюстративны. Этанол реагирует с галогеноводородами, образуя этилгалогениды, такие как этилхлорид и этилбромид, посредством реакции S N 2 :
HCl требует катализатора, такого как хлорид цинка . [115] HBr требует кипячения с катализатором серной кислотой . [115] Этилгалогениды, в принципе, также могут быть получены путем обработки этанола более специализированными галогенирующими агентами , такими как тионилхлорид или трибромид фосфора . [79] [115]
При обработке галогенами в присутствии основания этанол дает соответствующую галоформу (CHX 3 , где X = Cl, Br, I). Это превращение называется галоформной реакцией . [134] Промежуточным продуктом в реакции с хлором является альдегид, называемый хлоралем , который образует хлоральгидрат при реакции с водой: [135]
Этанол может окисляться до ацетальдегида и далее окисляться до уксусной кислоты , в зависимости от реагентов и условий. [115] Это окисление не имеет промышленного значения, но в организме человека эти реакции окисления катализируются ферментом печени ADH . Продукт окисления этанола, уксусная кислота, является питательным веществом для человека, являясь предшественником ацетил-КоА , где ацетильная группа может расходоваться в качестве энергии или использоваться для биосинтеза.
Этанол похож на макронутриенты, такие как белки, жиры и углеводы, в том, что он обеспечивает калории. При потреблении и метаболизме он дает 7 килокалорий на грамм через метаболизм этанола . [136]
Этанол очень огнеопасен, поэтому его нельзя использовать вблизи открытого огня.
Чистый этанол раздражает кожу и глаза. [137] Тошнота, рвота и интоксикация являются симптомами проглатывания. Длительное употребление путем проглатывания может привести к серьезному повреждению печени. [138] Концентрации в атмосфере выше одной части на тысячу превышают пределы профессионального воздействия Европейского Союза . [138]
Ферментация сахара в этанол является одной из самых ранних биотехнологий , используемых людьми. Исторически этанол определялся по-разному: как винный спирт или крепкие спиртные напитки, [139] и как aqua vitae или aqua vita. Опьяняющие эффекты его потребления известны с древних времен. Этанол использовался людьми с доисторических времен как опьяняющий ингредиент алкогольных напитков . Высохшие остатки на 9000-летней керамике, найденной в Китае, свидетельствуют о том, что люди неолита употребляли алкогольные напитки. [140]
Воспламеняющаяся природа испарений вина была известна уже древним натурфилософам, таким как Аристотель (384–322 гг. до н. э.), Теофраст ( ок. 371–287 гг. до н. э.) и Плиний Старший (23/24–79 гг. н. э.). [141] Однако это не привело к немедленному выделению этанола, несмотря на развитие более совершенных методов дистилляции в Римском Египте во втором и третьем веках н. э . [142] Важное признание, впервые найденное в одном из сочинений, приписываемых Джабиру ибн Хайяну (девятый век н. э.), заключалось в том, что при добавлении соли в кипящее вино, что увеличивает относительную летучесть вина , воспламеняемость образующихся паров может быть усилена. [143] Перегонка вина засвидетельствована в арабских трудах, приписываемых аль-Кинди ( ок. 801–873 гг. н. э.) и аль-Фараби ( ок. 872–950 гг.), а также в 28-й книге Kitāb al-Taṣrīf аз -Захрави (лат. Abulcasis, 936–1013 гг.) (позже переведенной на латынь как Liber servatoris ). [144] В двенадцатом веке рецепты производства aqua ardens («горящей воды», т. е. этанола) путем перегонки вина с солью начали появляться в ряде латинских трудов, и к концу тринадцатого века это вещество стало широко известным среди западноевропейских химиков. [145]
В работах Таддео Альдеротти (1223–1296) описывается метод концентрирования этанола, включающий повторную фракционную перегонку через охлаждаемый водой дистиллятор , с помощью которого можно было получить чистоту этанола 90%. [146] Лечебные свойства этанола изучались Арнальдом из Виллановы (1240–1311 гг. н. э.) и Иоанном из Рупесциссы ( ок. 1310–1366 гг.), последний из которых считал его сохраняющим жизнь веществом, способным предотвратить все болезни ( aqua vitae или «вода жизни», также называемая Иоанном квинтэссенцией вина). [147]
В Китае археологические свидетельства указывают на то, что настоящая дистилляция алкоголя началась во времена династий Цзинь (1115–1234) или Южная Сун (1127–1279). [148] На археологических раскопках в Цинлуне, Хэбэй , был найден перегонный аппарат , датируемый XII веком. [148] В Индии настоящая дистилляция алкоголя была завезена с Ближнего Востока и широко использовалась в Делийском султанате к XIV веку. [149]
В 1796 году немецко-русский химик Иоганн Тобиас Ловиц получил чистый этанол, смешав частично очищенный этанол (азеотроп спирт-вода) с избытком безводной щелочи, а затем перегнав смесь на медленном огне. [150] Французский химик Антуан Лавуазье описал этанол как соединение углерода, водорода и кислорода, а в 1807 году Николя-Теодор де Соссюр определил химическую формулу этанола. [151] [152] Пятьдесят лет спустя Арчибальд Скотт Купер опубликовал структурную формулу этанола, одну из первых определенных структурных формул. [153]
Этанол был впервые получен синтетически в 1825 году Майклом Фарадеем . Он обнаружил, что серная кислота может поглощать большие объемы угольного газа . [154] Он передал полученный раствор Генри Хеннелу , британскому химику, который в 1826 году обнаружил, что он содержит «сульфовинную кислоту» ( этиловый гидросульфат ). [155] В 1828 году Хеннелль и французский химик Жорж-Симон Серуллас независимо друг от друга открыли, что сульфовинную кислоту можно разложить на этанол. [156] [157] Таким образом, в 1825 году Фарадей невольно обнаружил, что этанол можно получить из этилена (компонента угольного газа) путем кислотно-катализируемой гидратации, процесса, похожего на современный промышленный синтез этанола. [158]
Этанол использовался в качестве лампового топлива в США еще в 1840 году, но налог, взимаемый с промышленного спирта во время Гражданской войны, сделал это использование неэкономичным. Налог был отменен в 1906 году. [159] Использование в качестве автомобильного топлива датируется 1908 годом, когда Ford Model T мог работать на бензине (газолине) или этаноле. [160] Он используется в некоторых спиртовых лампах .
Этанол, предназначенный для промышленного использования, часто производится из этилена. [161] Этанол широко используется в качестве растворителя веществ, предназначенных для контакта с человеком или его потребления, включая ароматизаторы, ароматизаторы, красители и лекарства. В химии он является как растворителем, так и сырьем для синтеза других продуктов. Он имеет долгую историю как топливо для тепла и света, а в последнее время как топливо для двигателей внутреннего сгорания.
Со стр. 18: " Bezeichnen wir
die Kohlenwasserstoffverbindung 4C + 10H als das Radikal des Aethers mit E
2
und nennen es Ethyl
,..." (Определим углеводородное соединение 4C + 10H как радикал эфира с E
2
и назовем его этил...).
Спирты и фенолы будут называться по названию углеводорода, из которого они получены, с окончанием
ol
(например, пентанол, пентинол и т. д.)
{{cite book}}
: |work=
проигнорировано ( помощь )CS1 maint: местоположение отсутствует издатель ( ссылка ){{cite book}}
: |work=
проигнорировано ( помощь ){{cite book}}
: |journal=
проигнорировано ( помощь )легковоспламеняющаяся жидкость (класс 3) означает жидкость с температурой вспышки не более 60 °C (140 °F)
Описания опасных материалов и надлежащие наименования для перевозки: Этанол или Этиловый спирт или Растворы этанола или Растворы этилового спирта; Класс опасности или раздел: 3; Идентификационные номера: UN1170; PG: II; Коды этикеток: 3;
Страница 4, Таблица 3
Самый ранний возможный период, по-видимому, относится к династии Восточная Хань... наиболее вероятный период начала настоящей дистилляции спиртных напитков для питья в Китае — это времена династий Цзинь и Южная Сун.
См. стр. 197–198: Ловиц обезвоживал азеотроп, смешивая его с избытком безводной щелочи в соотношении 2:1, а затем перегоняя смесь на слабом огне.