Етанол

Матеріал з Вікіпедії — вільної енциклопедії.
Перейти до: навігація, пошук
Етанол
Ethanol-3D-balls.png
просторова будова
Etil alkol yada Etanol Birincil Alkol-.svg
Ethanol-2D-skeletal.svg
скелетна структура
Назва за IUPAC етанол[1]
Інші назви етиловий спирт, етилгідроксид
Ідентифікатори
Номер CAS 64-17-5
Номер EC 200-578-6
SMILES
InChI
Властивості
Молекулярна формула C2H5OH
Молярна маса 46,068 г/моль
Зовнішній вигляд безбарвна рідина
Запах спиртовий
Густина 0,7893 г/см³ (20 °C)
Тпл -114,14 °C
Ткип 78,29 °C
Розчинність (вода) змішується
Діелектрична проникність (ε) 25,3
Показник заломлення (nD) 1,3611 (20 °C)
В'язкість 1,074 мПа·с
Дипольний момент 1,69
Термохімія
Ст. ентальпія
утворення
ΔfHo298
-277,6 кДж/моль (рід.)
-234,8 кДж/моль (газ)
Ст. ентропія So298 160,7 Дж/(моль·K) (рід.)
81,6 Дж/(моль·K) (газ)
Теплоємність, cop 112,3 Дж/(моль·K) (рід.)
65,6 Дж/(моль·K) (газ)
Небезпеки
ГДК (Україна) 1000 мг/м³ (у повітрі)
Температура спалаху 13 °C
Температура самозаймання 363 °C
Вибухові границі 3—19%
Пов'язані речовини
Пов'язані речовини етаналь, діетиловий етер, метанол
Якщо не зазначено інше, дані приведені для речовин у стандартному стані (за 25 °C, 100 кПа)
Інструкція з використання шаблону
Примітки картки

Етано́л (ети́ловий спирт, ви́нний спирт) — органічна сполука, представник ряду одноатомних спиртів складу С2Н5ОН (скорочено EtOH). За звичайних умов є безбарвною, легкозаймистою рідиною. Згідно Національного стандарту України ДСТУ 4221:2003 етанол — це токсична речовина з наркотичною дією, за ступенем впливу на організм людини належить до четвертого класу небезпечних речовин.[2] Має канцерогенні властивості.[3]

Етанол є головною діючою складовою спиртних напоїв, які зазвичай виготовляються ферментацією вуглеводів. Для промислових потреб етиловий спирт часто синтезують з нафтової та газової сировини каталітичною гідратацією етилену. Окрім виготовлення харчових продуктів етанол застосовується у великій кількості в якості пального, розчинника, антисептика та як сировина для отримання інших промислово важливих речовин.

Історія[ред.ред. код]

Етанол використовувався людством ще з давніх-давен. Він відігравав роль складової частини напоїв, ліків, як заспокійливе та афродизіак, а також мав місце в проведенні релігійних обрядів.

У Стародавньому Єгипті його добували ферментацією рослинної сировини. Таким способом отримували тільки розведений розчин спирту. З метою збільшення концентрації в Китаї винайшли спосіб перегонки. Як свідчать розписи на китайській кераміці, напої з ферментованої суміші рису, фруктів та меду виготовляли ще 9000 років тому. Приблизно в цей же час на Близькому Сході спирт отримували з винограду та ячменю, про що свідчать записи на глиняних табличка в Межиріччі.

У Середньовіччі етиловий спирт відігравав роль основи для приготування численних ліків та настійок. Алхіміки повсякчас використовували етанол у своїх роботах, давши йому назву лат. aqua vitae, тобто жива вода.

Структурні формули етанолу та щавелевої кислоти, представлені А. Купером (1858)

Чистий етанол вперше отримав у 1796 році російсько-німецький хімік Товій Єгорович Ловіц. Згідно опису провідного науковця того часу Антуана Лорана Лавуазьє, досліджувана сполука складалася з хімічних елементів Карбону, Гідрогену та Оксигену. У 1808 році швейцарський біохімік Ніколя Теодор де Соссюр[ru] встановив хімічну формулу етанолу, а п'ятдесят років потому шотландський хімік Арчібальд Скотт Купер[ru] запропонував його структуру.[4]

Перший синтетичний метод отримання етилену розробили незалежно один від одного англійський хімік Генрі Геннел та французький фармацевт Жорж-Симон Серюлла[ru] у 1826 році. А в 1828 англійський фізик і хімік Майкл Фарадей отримав етанол шляхом каталітичної гідратації етену, побічного продукту переробки нафти і газу. Цей спосіб ліг в основу багатьох методів, котрі застосовуються у виробництві етанолу і донині.

Структура[ред.ред. код]

Структура етанолу

Обидва атоми Карбону в молекулі етанолу, в тому числі й атом, який зв'язаний з гідроксильною групою, знаходяться у стані sp3-гібридизації. Відстань C—C складає 1,512 ангстрем.

В залежності від положення гідроксильної групи по відношенню до іншої частини молекули, розрізняють гош- (фр. gauche) і транс-форми. Транс-форма характеризується положенням зв'язку O—H гідроксильної групи в одній площині зі зв'язком C—C та одним із C—H зв'язків. У гош-формі атом Гідрогену в гідроксильній групі повернутий убік. Дипольний момент для гош-форми складає 1,68 D, а для транс-форми — 1,44 D.

Поширення в природі[ред.ред. код]

Дріжджі S. cerevisiae під мікроскопом

Етанол є продуктом життєдіяльності деяких грибів. Серед них основними є роди Saccharomyces, Schizosaccharomyces, а також Kluyveromyces. Одним з найбільш відомих представників цих класів є вид Saccharomyces cerevisiae, котрий має тривіальну назву пивні дріжджі. До інших поширених видів відносяться Saccharomyces pastorianus, Saccharomyces anamensis, Schizosaccharomyces pombe, Candida utilis тощо.[5] Також етанол утворюють деякі бактерії, наприклад, Zymomonas mobilis.

У 1975 році астрономи повідомили про знаходження значних скупчень етанолу в газопиловій хмарі Стрілець B2. За підрахунками науковців кількість наявних там молекул етанолу значно перевищує кількість спирту, отриманого за всю історію людства.[6] Знайдений етанол мав транс-форму молекул, а в 1996 році він був зафіксований і в гош-формі.[7]

Серед можливих шляхів утворення етанолу в міжзоряному середовищі наводиться, зокрема, його синтез з метану та метил-катіону під дією випромінювання:

\mathrm{ CH_4 + CH_3^+ \longrightarrow C_2H_5^+ + H_2}
\mathrm{ C_2H_5^+ + H_2O \longrightarrow C_2H_5OH_2^+  }
\mathrm{ C_2H_5OH_2^+ + e^- \longrightarrow C_2H_5OH + H }

Іншим потенційним способом є взаємодія метил-катіону із формальдегідом, який також поширений у космосі:[8]

\mathrm{ HCHO + CH_3^+ \longrightarrow C_2H_5O^+}
\mathrm{ C_2H_5O^+ + H_2 \longrightarrow C_2H_5OH_2^+}
\mathrm{ C_2H_5OH_2^+ + e^- \longrightarrow C_2H_5OH + H }

Фізичні властивості[ред.ред. код]

Чистий етанол

Етанол — безбарвна рідина із слабким «алкогольним» запахом. Він є летким і легкозаймистим. Змішується в будь-яких пропорціях з водою, етерами, ацетоном, бензеном. Етиловий спирт є гарним розчинником для багатьох органічних, а також неорганічних речовин.

Із водою утворює азеотропну суміш: 95,6% спирту й 4,4% води. Безводний етанол незначною мірою гігроскопічний: для досягнення стабільності він здатен поглинути 0,3—0,4% води.

В'язкість етанолу, мПа·с[9]
-25 °C 0 °C 25 °C 50 °C 75 °C
3,262 1,786 1,074 0,694 0,476

Отримання[ред.ред. код]

Гідратація етилену[ред.ред. код]

Ethen-zu-Ethanol-V1.svg

Для отримання етанолу з етилену є два основні шляхи. Історично першим став метод непрямої гідратації, винайдений у 1930 році компанією «Union Carbide». Інший, розроблений у 1970-х роках, був спроектований як безкислотний метод (відмова від використання сульфатної кислоти).

Непряма гідратація[ред.ред. код]

Отримання етанолу з етилену із використанням сульфатної кислоти відбувається у три стадії. Спершу етилен поглинається концентрованою кислотою, утворюючи етери етилсульфат або діетил сульфат:

\mathrm{ CH_2CH_2 + H_2SO_4 \longrightarrow CH_3CH_2OSO_3H }
\mathrm{ 2CH_2CH_2 + H_2SO_4 \longrightarrow (CH_3CH_2O)_2SO_2}

Поглинання проводиться 95—98% розчином кислоти за температури 80 °C і тиску 1,3—1,5 МПа. Дана взаємодія є екзотермічною, тому стінки реактора повинні мати охолодження. Присутність у розчині кислоти етилсульфату дозволяє суттєво збільшити швидкість поглинання, оскільки розчинність етилену в етилсульфаті значно вища, аніж у чистій кислоті.

На другій стадії отримані продукти реакції зазнають гідролізу та розкладаються із утворенням спирту й кислоти. Проте не виключеною є взаємодія двох базових етерів, яка веде до утворення третього, діетилового:

\mathrm{ CH_3CH_2OSO_3H + H_2O \longrightarrow C_2H_5OH + H_2SO_4}
\mathrm{ (CH_3CH_2O)_2SO_2 + 2H_2O \longrightarrow 2C_2H_5OH + H_2SO_4}
\mathrm{ (CH_3CH_2O)_2SO_2 + C_2H_5OH \longrightarrow (CH_3CH_2)_2O + CH_3CH_2OSO_3H}

Після обробки сульфатної кислоти із абсорбованими етил- і діетилсульфатом у достатній кількості води, розчин набуває концентрації близько 50—60%. Продукти гідролізу направляються на колони для розділення: розведена кислота залишатиметься внизу резервуара, а газувата спиртово-етерна суміш — нагорі. Цільову суміш промивають водою або розведеним розчином гідроксиду натрію, а згодом очищують перегонкою.

Заключним етапом є відновлення концентрації розведеної кислоти. Цей етап є одним з найбільш дороговартісних в усьому синтезі. За допомогою системи кислотних випаровувачів вдається підняти концентрацію кислоти до 90%. Збільшення цього показника до необхідних 98% проводиться змішуванням із олеумом (концентрації 103%).

Серйозною проблемою для методу непрямої гідратації є утворення в кислоті вуглецевих речовин, які чинять вагомий вплив на її концентрацію. Використання концентрованої кислоти також спричинює появу корозії на обладнанні, тому деякі частини обладнання виробляються з кремнію, сплавів танталу, свинцю тощо.

Пряма гідратація[ред.ред. код]

Синтез за схемою прямої гідратації проводиться із використанням каталізаторів. Тут існує дві форми взаємодії:

  • із твердим або рідким каталізатором контактують газуваті реагенти (газофазний процес);
  • із твердим або рідким каталізатором контактують як рідкі, так і газуваті реагенти (змішанофазний процес).

Етанол синтезують переважно за газофазним процесом. Вихідний етилен та воду пропускають над вугільним каталізатором, що насичений ортофосфатною кислотою:

\mathrm{ CH_2CH_2 + H_2O \leftrightarrows CH_3CH_2OH }

За звичайних температур лише незначна кількість етанолу може перебувати у газовій фазі, а збільшення температури призведе до зменшення його концентрації. Вирівняти рівновагу реакції можна, застосувавши принцип Ле Шательє — Брауна, — збільшивши тиск у реакційній суміші і зменшивши кількість молекул в системі. Оптимальними умовами для проведення взаємодії є темепратура 250—300 °C і тиск 6,1—7,1 МПа.

Продукт реакції може зазнавати міжмолекулярної дегідратації, що веде до утворення діетилового етеру:

\mathrm{ 2CH_3CH_2OH \longrightarrow (CH_3CH_2)_2O + H_2O}

У випадку, якщо у вуглеводневій сировині міститься домішка ацетилену, вона гідратується до етаналю:

\mathrm{ C_2H_2 + H_2O \longrightarrow CH_3CHO}

Присутність етаналю є небажаною, оскільки з нього утворюється кротоновий альдегід[ru], котрий негативно впливає на якість етанолу, навіть у кількості мільйонних часток:

\mathrm{ 2CH_3CHO \longrightarrow CH_3CH(OH)CH_2CHO}
\mathrm{ CH_3CH(OH)CH_2CHO \longrightarrow CH_3CHCHCHO + H_2O}

Отримання ферментацією[ред.ред. код]

Добування етанолу шляхом ферментації (бродіння) цукристих речовин є найстарішим. Для його виробництва може застосовуватися будь-який продукт, що містить цукор або речовини, з яких його можна отримати (наприклад, крохмаль). В якості цукровмісних продуктів використовують фруктовий і тростинний цукор, цукровий буряк, мелясу, а крохмалевмісними є картопля, зерна пшениці, жита, кукурудзи. Також використовується в якості сировини целюлоза (з відходів сільського господарства, целюлозно-паперової промисловості тощо).

Добування з крохмалю та цукру[ред.ред. код]

Для перетворення крохмалю в цукристі речовини його спочатку піддають гідролізу. З цією метою сировину (розтерту картоплю або борошно) заварюють гарячою водою, аби прискорити набухання крохмалю. Також до сировини додають фермент, під впливом якого відбувається оцукровування крохмалю, тобто перетворення його в глюкозу.

\mathrm{ (C_6H_{10}O_5)_n + nH_2O \longrightarrow nC_6H_{12}O_6}

В якость ферменту використовують діастазу, що міститься у пророслих зернах, або інші амілази грибкового походження.

Друга стадія, яке є аналогічною і для отримання спирту з цукрів, полягає в анаеробному бродінні, тобто перетворенні на спирт і діоксид вуглецю:

\mathrm{ C_6H_{12}O_6 \longrightarrow 2C_2H_5OH + 2CO_2 \uparrow}

Тут реакція відбувається під дією мікроорганізмів: грибів (дріжджів) або бактерій.

Порівняння характеристик
деяких представників бактерій та дріжджів[5]
Характеристика Zymomonas
mobilis
Saccharomyces
carlsbergensis
Час подвоєння кількості, год 2,51 5,64
Виробництво етанолу, г/(г·год)[10] 5,44 0,82
Вихід продукту, г/г[11] 0,465[12] 0,460[12]

Серед застосовуваних у процесі дріжджів чинне місце посідають Saccharomyces cerevisiae (так звані пивні дріжджі). При їхньому використання важливе значення мають кислотність середовища й температура — вони впливають на ріст дріжджів, вихід етанолу, формування побічних продуктів і забруднення бактеріями. Зазвичай таке бродіння в промисловому виробництві проводиться за pH 4—6. При значенні pH менше 5 ріст бактерій у середовищі сильно пригнічений; для росту дріжджів Saccharomyces cerevisiae кислотність повинна підтримуватись у проміжку 2,4—8,6 із оптимальним значенням 4,5, а процес бродіння має більшу інтенсивність у діапазоні 3,5—6.

Більшість дріжджів, що використовуються у виробництві етанолу, мають оптимальну температуру для росту близько 39—40 °C, а максимальне значення спостерігається у виду Kluyveromyces marxianus — 49 °C. Оскільки процес бродіння є екзотермічним (з 1 г поглинутою глюкози виділяється 586 Дж тепла), використання дріжджів із вищою оптимальною температурою росту дозволяє заощадити кошти на охолодженні реакційної системи. Важливим моментом є подача незначних кількостей кисню для синтезу дріжджами ненасичених жирних кислот та ергостеролу, котрі сприяють їхньому росту і добрій проникності клітин. За відсутності кисню нестача кислот і стеролу спричинить зміни у фізіології дріжджів вже через кілька поколінь.

Також у синтезі етанолу застосовують бактерії, зокрема, поширений вид Zymomonas mobilis, які мають більшу швидкість росту, вищий вихід кінцевого продукту й не залежать від подачі кисню.

Добування з целюлози[ред.ред. код]

Дослідницький біореактор для ферментації целюлози

Як целюлоза, так і крохмаль є полісахаридами, полімерами вуглеводів, але синтез етанолу з целюлози значно важчий через її малу схильність до гідролізу. Її структура більш подібна до кристалічної, що ускладнює розрив зв'язків всередині полімеру, а у рослинах її захищає від гідролітичного розпаду шар лігніну (після обробки целюлози кислотою гідролізується лише 15% усієї маси). У відходах сировини також міститься геміцелюлоза, яка складається переважно з пентоз.

Передопераційна обробка включає в себе розмелювання, замочування вихідної сировини для набухання. Згодом її нагрівають в автоклавах з 0,3—0,5%-ою кислотою під тиском 7—10 атм. У якості кислоти найчастіше використовується сульфатна, рідше — хлоридна. По закінченні процесу кислоту концентрують в окремому резервуарі і знову пускають у виробництво, а лігнін відфільтровують і очищують промиванням.

Одержаний таким способом етиловий спирт називають гідролізним. Його застосовують лише для технічних цілей, бо в ньому міститься цілий ряд шкідливих домішок, зокрема метиловий спирт, ацетон тощо.

Також, на противагу кислотному гідролізу, застосовується ензиматичний метод. Тут гідроліз відбувається під дією грибів на кшталт Trichoderma viride. Попередня обробка включає в себе усування лігнінової оболонки дією розчиннику кадоксену (розчин із 5—7% вмістом оксиду кадмію та 28% етилендиаміну) та обробку рідким аміаком під високим тиском, котрий розбурхує волокна у целюлозі, полегшуючи проникнення ензимів. У деяких випадках вдається досягти стовідсоткової переробки целюлози.

Інші способи[ред.ред. код]

Гідроліз галогенопохідних вуглеводнів[ред.ред. код]

Етанол утворюється при гідролізі галогенозаміщеного етану. Його проводять у воді або у водному розчині лугів. У першому випадку реакція є зворотньою, а в другому може відбуватися елімінування (відщеплення) гідрогенгалогеніду:

\mathrm{ CH_3CH_2Cl + H_2O \leftrightarrows CH_3CH_2OH + HCl}
\mathrm{ CH_3CH_2Cl \xrightarrow{NaOH, \ -H_2O, \ 100^oC} \ CH_3CH_2OH + (CH_2CH_2) }

Конверсія синтез-газу[ред.ред. код]

Добування етанолу із синтез-газу є аналогічним до методу отримання метанолу за процесом Фішера — Тропша:

\mathrm{ 2CO + 4H_2 \longrightarrow C_2H_5OH + H_2O}

Реакція відбувається за температури 125—175 °C і тиску 1,42 МПа, використовуючи каталізатор на кшталт порошкоподібного заліза.

Відновлення органічних сполук[ред.ред. код]

Відновлення альдегідів та кислот є досить поширеним методом отримання спиртів, в тому числі й етанолу:

\mathrm{ CH_3CHO + H_2 \xrightarrow{Cat.} \ CH_3CH_2OH}
\mathrm{ CH_3COOH + 2H_2 \xrightarrow{Cat.} \ CH_3CH_2OH + 2H_2O}

Каталітичне відновлення зазвичать проводять над нікелем Ренея, платиною; у лабораторних умовах застосовуєтьcя алюмогідрид літію та борогідрид натрію.

Очистка етанолу[ред.ред. код]

Синтезований етанол зазвичай є водно-спиртовою сумішшю. Його очищення та зневоднення починається з перегонки (ректифікації), якою можна досягти концентрації 95,6% об. Утворена суміш є азеотропною і не може бути очищена подальшою перегонкою. Для додаткової дегідратації використовують бензен, циклогексан або гептан. Їхня присутність утворює нові азеотропні суміші із нижчою температурою кипіння, що дозволяє отримати безводний етанол.

У промислових масштабах для зневоднення можуть використовуватися молекулярні сита, чиї пори проникні для молекул води, але не для етанолу. Такі сита можуть бути штучними або з цеолітів природного походження (наприклад, з клиноптилоліту). 75% адсорбованих молекул є водою, інші 25% — етанол, який потім знову повертається в перегонну систему.

Також застосовується мембранний метод, який полягає в розділенні підігрітої до 60 °C водно-спиртової суміші напівпроникною мембраною, яка не пропускає етанол. Дана операція виконується під дією тиску менше 1 кПа. В результаті розділення утворюється етанол із концентрацією 99,85% і розчин, що пройшов крізь мембрану, із концентрацією 23%. Конденсований мембранний розчин може бути знову ректифікований.

Класифікація етанолу[ред.ред. код]

Отримуваний спирт за своїм складом умовно поділяють на чотири класи:

  • промисловий етанол (96,5% об.) — продукт для промислового й технічного використання: як розчинник, паливо тощо. Для запобігання його вживанню зазвичай до нього додають речовини із неприємним запахом, наприклад, піридин у кількості 0,5—1% (проводять денатурацію). Також для легшого визначення йому можуть надавати слабкого забарвлення метиловим фіолетовим;
  • денатурований спирт — технічний продукт із концентрацією етанолу 88% об., що має значну кількість домішок. Він денатурується і забарвлюється відповідним чином. Використовується в освітленні та обігріві;
  • якісний алкоголь (96,0—96,5% об.) — очищений етанол, що застосовується для потреб фармацевтики, у виготовленні косметичних засобів та для харчового споживання;
  • абсолютний етанол (99,7—99,8% об.) — надзвичайно чистий етанол, що застосовується у фармацевтиці, виготовленні аерозолів.[5]

В Україні марки отримуваного ректифікованого етанолу регламентуються стандартом ДСТУ 4221:2003 «Спирт етиловий ректифікований». В залежності від ступеня очистки виділяється чотири сорти: «Пшенична сльоза», «Люкс», «Екстра» та «Вищої очистки».

Норми для сортів спирту за ДСТУ 4221:2003[2]
Показник «Пшенична
сльоза»
«Люкс» «Екстра» «Вищої
очистки»
Об'ємна частка етилового спирту, за температури 20 °C, %, не менше 96,3 96,3 96,3 96,0
Масова концентрація альдегідів, перерахунку на оцтовий альдегід
у безводному спирті, мг/дм³, не більше
2,0 2,0 2,0 2,0
Масова концентрація сивушного масла: пропіловий, ізопропіловий, бутиловий,
ізобутиловий та ізоаміловий спирти в перерахунку на суміш пропілового,
ізобутилового та ізоамілового спиртів (3:1:1) в безводному спирті, мг/дм³, не більше
2,0 2,0 2,0 2,0
Масова концентрація сивушного масла, в перерахунку на суміш
ізобутилового та ізоамілового спиртів (1:1) в безводному спирті, мг/дм³, не більше
2,0 2,0 2,0 2,0
Масова концентрація естерів, у перерахунку на оцтовоетиловий естер
в безводному спирті, мг/дм³, не більше
1,5 2,0 3,0 5,0
Об'ємна частка метилового спирту, в перерахунку на безводний спирт,
%, не більше
0,005 0,01 0,02 0,03
Масова концентрація вільних кислот (без СО2), в перерахунку на оцтову кислоту
в безводному спирті, мг/дм³, не більше
8,0 8,0 12,0 15,0

Хімічні властивості[ред.ред. код]

Етанол є одноатомним первинним спиртом і гідроксильна група зумовлює більшість його хімічних властивостей. Так, етанол може брати у часть у реакціях дегідратації — як внітрішньомолекулярної, так і міжмолекулярної:

Ethanol-Dehydratation2-V1.svg
Ethanol-Dehydratation1 V2.svg

При взаємодії з іншими спиртами утворюється суміш трьох етерів:

\mathrm{ C_2H_5OH + CH_3OH \longrightarrow C_2H_5OC_2H_5 + CH_3OCH_3 + CH_3OC_2H_5}

Із карбоновими кислотами етанол у присутності концентрованої сульфатної кислоти утворює естери:

Ethanol-Veresterung V1.svg

В результаті приєднання етанолу до ацетилену синтезується винілетиловий етер:

Ethin-Vinylether.svg

Проявляючи свої кислотні властивості, етанол реагує з лужними металами (наприклад, натрієм) та лугами із утворенням етоксидів:

\mathrm{ 2C_2H_5OH + 2Na \longrightarrow 2C_2H_5ONa + H_2 \uparrow}
\mathrm{ C_2H_5OH + NaOH \longrightarrow C_2H_5ONa + H_2O}

Ця реакція проводиться у безводному середовищі, оскільки гідроксид утворюється швидше, ніж етоксид.

Менш активні метали — алюміній та магній — також взаємодіють з етанолом, але тільки в присутності каталізатору ртуті:

\mathrm{ 6C_2H_5OH + 2Al \xrightarrow{[Hg]} \ 2(C_2H_5O)_3Al + 3H_2 \uparrow}
\mathrm{ 2C_2H_5OH + Mg \xrightarrow{[Hg]} \ (C_2H_5O)_2Mg + H_2 \uparrow}

Наявна у молекулі гідроксильна група може заміщатися галогенідними кислотами із утворенням галогенопохідних етану:

Ethanol-Sn-mit-Bromwasserstoff V1.svg

Етанол окиснюється до етаналю, а згодом — до оцтової кислоти; результатом повного окиснення (наприклад, спалювання етанолу) є діоксид вуглецю і вода:

Utlenianie etanolu.svg
Ethanol-Verbrennung-V1.svg

Обробляючи етанол аміаком при 300 °C у кислому середовищі, утворюються заміщені аміни: первинні, вторинні, третинні або навіть четвертинні амонієві солі (в залежності від співвідношення реагентів):

\mathrm{ C_2H_5OH + NH_3 + HCl \xrightarrow{300^oC} \ C_2H_5NH_2 \cdot HCl + H_2O }

Етанол є сировиною для синтезу бутадієну. Реакція проводиться при температурі 370—390 °C та в присутності каталізаторів — MgO-SiO2 або Al2O3-SiO2 (із селективністю 70%):[13]

Ostraminsky.svg

Біологічна дія[ред.ред. код]

Метаболізм[ред.ред. код]

Майже увесь спожитий спирт (90—98%) метаболізується організмом і лише невелика його частина (2—10%) виводиться у незмінному вигляді: з сечею, повітрям, потом, слиною. Споживання етанолу призводить до надмірного сечовиділення: кожні 10 г алкоголю сприяють втраті організмом 100 мл рідини, що не сприяє видаленню спирту з організму. Основна частина етанолу, яка надійшла до організму, потрапляє до печінки, де в мікросомах зазнає біологічного перетворення.

На першій стадії метаболізму з етанолу утворюється ацетальдегід. Це відбувається під дією алкогольдегідрогенази (АДГ) — ферменту, кофактором якого є нікотинамідаденіндинуклеотид (НАД). Згодом ацетальдегід, утворений з етанолу, окиснюється в ацетат у мітохондріях ферментом альдегіддегідрогеназою, котра як кофермент використовує НАД, який, приєднуючи протон, відновлюється до НАД·Н. На цій стадії взаємодія відбувається набагато швидше, ніж на за попередній.[14] Ацетат надходить у цикл Кребса, де руйнується до СО2 і Н2О. Альдегіддегідрогеназу виявляють не тільки в печінці, а й в інших органах, включаючи головний мозок. У дорослої, здорової людини АДГ руйнує близько 10 г спирту на годину.

Окрім основного метаболічного процесу, етанол окиснюється також і двома іншими шляхами. Один з них відбувається за участі мікросомної оксидази у поєднанні з відновленим нікотинамідаденіндинуклеотидфосфатом (НАДФ), в той час як інший — за участі каталази в поєднанні з пероксидом водню. Обидва шляхи ведуть до утворення токсичного альдегіду, котрий має канцерогенні властивості і в десятки разів токсичніший порівняно з етанолом.[15]

Вплив на організм[ред.ред. код]

Докладніше у статті Отруєння етиловим спиртом
Симптоми в залежності
від отриманої дози спирту[5]
Симптом Вміст етанолу
в крові, %
Розгубленість 0,06—0,08
Сповільнення мислення 0,10
Ступор 0,11—0,15
Сп'яніння 0,16
Значне отруєння 0,2—0,4
Смерть 0,4—0,5

Потрапляючи до тіла людини через стравохід, етанол швидко всмоктується. У шлунку поглинається 20% початкового етанолу, а у тонкому кишечнику — 80%. Після поглинання він потрапляє у кров уже за 5 хвилин, розповсюджуючись із кровотоком по всьому організму.

Центральна нервова система. Етанол пригнічує функції ЦНС подібно до інших анестезуючих речовин. Попри поширену думку, етанол не стимулює дію ЦНС: якщо збудження і виникають, то їхня поява зумовлена протидією гальмівним процесам. У звичайних дозах етанол діє здебільшого на активуючу функцію ретикулярної формації стовбурової частини мозку і лише великі дози безпосередньо пригнічують функцію кори головного мозку.

Хронічне вживання етанолу спричинює дефіцит серотоніну. Функціональне зниження активності цієї системи перешкоджає розвитку толерантності і, навпаки, збільшення її активності, підвищення рівня серотоніну прискорюють розвиток толерантності до алкоголю. Під дією етанолу порушується обмін дофаміну, котрий бере участь у синтезі норадреналіну і координує рухи, емоційний та психічний стани. Також етанол чинить негативний вплив на фізичні і психічні можливості: він знижує гостроту зору та слуху, порушує м'язову координацію і стійкість, уповільнює час реакції на подразнення.

Дихальна система. Етанол має яскраво виражену токсичну дію на органи дихання. Ураження легень позначається розвитком бронхолегеневої інфекції внаслідок зменшення захисних функцій організму. Негативна дія алкоголю пов'язана з пригніченням фагоцитозу та утворення антитіл, сприянням проникненню бактерій у дихальні шляхи тощо. Бронхолегеневі патології можуть перерости у появу гострої пневмонії, котра має значний відсоток летальних випадків.

Серцево-судинна система. Під дією етанолу розчиняються ліпіди клітинних мембран, зокрема, у клітин міокарду. Внаслідок цього збільшується проникність мембран і порушується обмін іонів натрію, калію, магнію та кальцію. Це послаблює скорочувальну здатність серцевого м'яза.

Травна система. Одноразовий прийом зумовлює гострий геморагічний ерозивний гастрит; аналогічною є дія етанолу і на слизову оболонку дванадцятипалої кишки. Вже за хвилину після потрапляння у шлунок щурів етанол спричинював дифузну гіперемію слизової шлунка.

Печінка. Ступінь ушкодження печінки етанолом безпосередньо залежить від кількості спожитого алкоголю. Внаслідок його дії можуть з'являтися стеатоз, фіброз, алкогольний гепатит і цироз, що нерідко закінчується розвитком гепатоклітинної карциноми. Так, за даними Міжнародного агентства з дослідження раку етанол має канцерогенну дію.[3]

Одним з результатів тривалого впливу на організм етанолу є збільшення об'єму еритроцитів — макроцитоз, спричинений токсичною дією ацетальдегіду, дефіцитом фолієвої кислоти та гіперліпідемією.[16]

Алкоголізм[ред.ред. код]

Докладніше у статті Алкоголізм

Етанол є основою спиртних напоїв. Їхнє тривале вживання спричинює появу алкоголізму.

Алкоголізм є сукупністю явищ, які характеризують клінічну картину залежності від алкоголю (тобто етаноловмісних продуктів). Серед симптомів та проявів такої залежності стостерігаються: толерантність організму до алкоголю, фізична залежність, синдром відміни у разі припинення або зменшення споживання, неконтрольоване і часом надмірне споживання.

Виділяють три стадії прогресу алкоголізму:

  1. у людини відсутній потяг до алкоголю, спостерігається втрата контролю при споживанні, перехід до систематичного споживання, збільшення толерантності до алкоголю, присутні початкові розлади у психічній сфері;
  2. наявна фізична залежність із втратою відчуття міри, формування психопатоподібного синдрому, порушення діяльності систем організму (серцево-судинної, сечостатевої, дихальної) та органів (поява гастриту, гепатиту);
  3. залежність від алкоголю є психічною, присутній сильний фізичний потяг як проявлення синдрому відміни, поява галюцинацій, незворотні ушкодження внутрішніх органів (цироз печінки, серцеві хвороби, енцефалопатія тощо).[17]

Вплив на вагітність[ред.ред. код]

Дитина із ознаками ФАС

Ризик виникнення відхилень у розвитку плоду є прямопропорційним кількостям спожитого під час вагітності алкоголю.

Етанол легко проникає крізь плаценту, тому його вміст у крові матері і плоду швидко досягає однакового рівня. Він накопичується в тканинах плоду, багатих на фосфоліпіди, у головному мозку, а також еритроцитах. Виведення алкоголю з організму здійснюється за допомогою ферментів печінки, а в майбутньої дитини вона формується лише в другій половині вагітності матері. Шкідливий вплив етанолу на плід пов'язаний з незрілістю захисного механізму й підвищеною проникністю судин тощо. Особливе значення мають критичні періоди ембріонального розвитку, коли чутливість ембріону й плоду до чужорідних речовин досягає максимального рівня. Токсична дія етанолу є причиною сповільнення розвитку або навіть загибелі ембріону.[16]

Споживання матір'ю етанолу під час вагітності пов'язане з появою фетальних (плідних) тератогенних ефектів. Вплив алкоголю проявляється у порушенні загального розвитку плоду, народженні дитини з меншими, ніж у нормі, масою тіла і зростом, психічною неповноцінністю. Зокрема, уражені тератогенною дією етанолу діти мають видозмінені риси обличчя: вужчі очні щілини, тоншу верхню губу, появу мікроцефалії та ретрогнатії, відсутність фільтруму та різні вушні аномалії. Фізичні видозміни доповнюються недорозвиненістю головного мозку, схильністю до судомних нападів, набряків головного мозку, поганою координацією рухів, зниженням інтелекту і вродженими пороками серця. Таку дію етанолу названо фетальний алкогольний синдром, ФАС (або алкогольний синдром плоду).[18]

Взаємодія з медичними препаратами[ред.ред. код]

Етанол має здатність посилювати дію антибіотиків, антигістамінних препаратів, барбітуратів, м'язових релаксантів, а також викликати негативну реакцію організму.

Взаємодія медичних препаратів із етанолом[19] [20]
Клас препаратів Препарат Тип взаємодії з етанолом, наслідки
Анальгетики Аспірин
Ацетамінофен
Аспірин збільшує випорожнення шлунка, що веде до швидшої сорбції спирту у тонкому кишечнику, може сповільнювати у шлунку дію алкогольдегідрогенази. Етанол посилює метаболізм ацетамінофену, продуктом якого є токсичні речовини, що пошкоджують печінку. Можлива поява посиленого серцебиття, болей в животі, виразок шлунку,
Антибіотики Еритроміцин
Ізоніазид
Кетоконазол
Метронідазол
Еритроміцин збільшує випорожнення шлунка, що веде до швидшої сорбції спирту у тонкому кишечнику; спільно з ізоніазидом алкоголь підвищує ризик появи хвороб печінки. Супроводжується головнимим болями, нудотою, різкими змінами артеріального тиску
Антигістамінні препарати Димедрол
Клемастин
Прометазин
Етанол підсилює вплив препаратів на ЦНС, спричинюючи появу млявості, зниження моторики; спільна дія сильніше позначається на літніх людях.
Барбітурати Фенобарбітал Слабкість організму, запаморочення, ризик судомного нападу. Хронічне вживання алкоголю підвищує рівень метаболізму барбітуратів цитохромом Р-450
Снодійно-седативні засоби
(бензодіазепіни)
Діазепам
Лоразепам
Оксазепам
Етанол підсилює вплив препаратів на ЦНС, спричинюючи появу проблем із пам'яттю, млявості, зниження моторики, сповільнення або ускладнення дихання;
Протизапальні препарати Диклофенак
Ібупрофен
Напроксен
Споживання етанолу збільшує ризик появи шлункової кровотечі, пептичних виразок
Блокатори H2-гістамінових рецепторів Нізатидин
Ранітидин
Циметидин
Препарати пригнічують дію алкогольдегідрогенази та сприяють випирожненню шлунка, що веде до підвищеня вмісту етанолу в крові.

Застосування[ред.ред. код]

Етанол має широкий спектр застосувань, серед яких найбільш значущими є виробництво спиртних напоїв, використання в якості розчинника, палива, а також синтез інших хімічних речовин.

Паливо[ред.ред. код]

Докладніше у статті Біоетанол
Станція заправки етанолом (Бразилія)

Перший автомобіль, що був здатен їздити на етанолі, спроектував Генрі Форд у 1920 році — модель Ford T. Однак тоді ця інновація це не отримала необхідного розвитку через технічні та економічні проблеми: виробництво чистого етанолу було надто дорогим, а використання недоочищеного спирту в суміші з вуглеводневим паливом було певною мірою обмеженим — за низьких температур нерозчинна у бензині вода замерзала, закорковуючи паливний бак.[21]

Нині, маючи технології для виробництва дешевого етанолу, заміна традиційного бензинового чи дизельного палива етанолом, або використання його як добавки, набула в світі значного поширення. Світове виробництво етанолу для потреб паливної промисловості у 2014 році склало 24,75 млрд. галонів.[22]

Розчинник[ред.ред. код]

Етанол є найбільш важливим розчинником після води. Його основним застосуванням є виробництво косметики, парфумів, поверхнево-активних речовин та дезінфектантів, фармацевтичних препаратів, різних покриттів. Для цих потреб застосовується етанол як синтетичного, так і ферментативного походження.

Антисептик[ред.ред. код]

Антисептичний розчин етанолу (95%)

Етанол є найдавнішим антисептиком, відомим людству. Його здатність знезаражувати поранення була відзначена давньогрецьким лікарем Клавдієм Галеном, а пізніше і середньовічним французьким хірургом Гі де Шоліаком.

Етанол проявляє бактерицидні дії при концентрації 30% і вище, в залежності від типу бактерій, вмісту води та часу дії. Згідно досліджень найбільш ефективною є дію етанолу при його концентрації 60—70% — як у присутності води, так і за її відсутності. Саме такий вміст етанолу мають побутові антисептики для рук.[23] Використання вищої концентрації (наприклад, 90% розчину) для дезінфекції шкіри недоцільне, оскільки при таких концентраціях етанол проявляє свої дубильні властивості, в той час як антисептичні властивості падають.

Принцип дії етанолу на мікроорганізми, ймовірно, полягає у впливі на їхні мембрани та швидкій денатурації білків, що призводить до порушення метаболізму бактерій та подальшого руйнування клітин. Етанол демонструє високу біоцидну дію проти вегетативних бактерій (включно з мікобактеріями), вірусів, грибів, але не спор.

Через відсутність спороцидної дії етанол не може бути використаний для стерилізації, проте його властивостей достатньо для профілактичного знезаражування поверхонь, обробки шкіри тощо.[24]

Преципітація нуклеїнових кислот[ред.ред. код]

Докладніше у статті Спиртова преципітація

Етанол широко застосовується в молекулярній біології для осадження та концентрування ДНК та РНК. Його використовують спільно із буферними розчинами солей, що містять прості однозарядні катіони (наприклад, катіони натрію). Типовим є використання буферу ацетату натрію концентрації 0,3 моль/л із pH 5,2 (при 4 °C) та етанолу — абсолютного і 70-відсоткового (при -20 °C).

Для осадження нуклеїнових кислот їхній зразок змішують із буферним розчином та абсолютним етанолом і охолоджують при -20 °C протягом години, після чого центрифугують. Відділивши піпеткою зайву рідину з поверхні, додають 70% розчин етанолу та повторюють центрифугування і відділення рідини. Залишок випарюють при температурі 37 °C на водяній бані і таким чином отримують зконцентровану речовину.[25]

Антидот[ред.ред. код]

Завдяки своїй здатності утворювати етери при взаємодії зі спиртами, етанол використовується як доступний антидот при отруєннях метанолом, етиленгліколем та діетиленгліколем. В організм етанол вводять перорально або внутрішньовенно, а доза для введення розраховується із міркувань, що у сироватці крові його концентрація повинна сягати 10—15 мг/л.

Ризик у застосуванні етанолу полягає в пригніченні діяльності центральної нервової системи, появі гіпоглікемії (через зниження глюконеогенезу) та нудоти. При введенні внутрішньовенно можлива поява флебіту, гіпертонії, гіпонатріємії. Застосування такого антидоту вимагає постійного моніторингу вмісту етанолу у сироватці та рівня глюкози у венозній крові.[26]

Синтез інших речовин[ред.ред. код]

У промисловості етанол використовують для отримання етаналю, бутадієну, діетилового етеру, етилацетату, етиламіну тощо.

Див. також[ред.ред. код]

Примітки[ред.ред. код]

  1. IUPAC Provisional Recommendations. — 2004. — P. 25. (англ.)
  2. а б Спирт етиловий ректифікований. Технічні умови. — Київ: Держспоживстандарт, 2003. — 9 с.
  3. а б Agents Classified by the IARC Monographs, Volumes 1–112. iarc.fr. International Agency for Research on Cancer. Процитовано 17 травня 2015.  (англ.)
  4. Gupta, Ram B., Demirbas, A. Gasoline, Diesel and Ethanol Biofuels from Grasses and Plants. — New York: Cambridge University Press. — P. 74. — ISBN 978-0-521-76399-8. (англ.)
  5. а б в г Kosaric, N. et al. Ethanol // Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry. — 6th. — Weinheim: Wiley-VCH, 2005. — DOI:10.1002/14356007.a09_587.pub2. (англ.)
  6. Zuckerman, B. et al. Detection of Interstellar Trans-ethyl Alcohol. — 1975. — March. — С. L99. Процитовано 15 травня 2015. (англ.)
  7. Encyclopedia of Astrobiology / Gardaud, M., editor. — Springer, 2011. — P. 505. — ISBN 978-3-642-11271-3. — DOI:10.1007/978-3-642-11274-4. (англ.)
  8. Huntress W. T., Jr. The Synthesis of Complex Molecules in Interstellar Clouds / Mitchell, G. F. // Astrophysical Journal. — 1979. — July. — Т. 231. — С. 460. Процитовано 15 травня 2015. (англ.)
  9. CRC Handbook of Chemistry and Physics / Lide, D. R., editor. — 86th. — Boca Raton (FL): CRC Press, 2005. — 2656 p. — ISBN 0-8493-0486-5. (англ.)
  10. Відношення кількості отриманого етанолу до кількості утворених клітин за одиницю часу.
  11. Відношення кількості отриманого етанолу до кількості поглинутої сировини.
  12. а б Теоретичний вихід етанолу за цим методом складає 0,511 г/г.
  13. Grub, J. Butadiene // Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry. — 6th. — Weinheim: Wiley-VCH, 2005. — P. 5. — DOI:10.1002/14356007.a04_431.pub2. (англ.)
  14. Becker, C. E. The Clinical Pharmacology of Alcohol // California Medicine. — 1970. — Т. 113, № 3. — С. 37—45. Процитовано 16 травня 2015. (англ.)
  15. Дереча Л. М. Алкоголь та його дія на організм: огляд літератури // Вісник Харківського національного університету імені В. Н. Каразіна. Серія: Біологія.. — 2007. — Т. 788, вип. 6. — С. 7—15.
  16. а б Харченко О. І. Токсична дія етанолу та його продуктів на організм / Гавриш Л. І., Остапченко Л. І. // Вісник Національної академії наук України. — 2006. — Вип. 3. — С. 64—67.
  17. Скрипніков А. М., Напрєєнко О. К., Сонник Г. Т. Наркологія: навчально-методичний посібник. — Полтава, 2005. — 424 с.
  18. Iveli, Maria F. et al. Effects of Light Ethanol Consumption During Pregnancy: Increased Frequency of Minor Anomalies in the Newborn and Altered Contractility of Umbilical Cord Artery // Pediatric Research. — 2007. — Т. 61. — С. 456—461. — DOI:doi:10.1203/pdr.0b013e3180332c59. Процитовано 17 травня 2015. (англ.)
  19. Weathermon, R. Alcohol and Medication Interactions / Crabb, David W. // Alcohol Research. — 1999. — Т. 23, № 1. Процитовано 16 травня 2015. (англ.)
  20. Harmful Interactions. Mixing Alcohol With Medicines. niaaa.nih.gov. National Institute on Alcohol Abuse and Alcoholism. Процитовано 17 травня 2015.  (англ.)
  21. Гомонай В. І. Етиловий спирт як екологічне паливо для двигунів внутрішнього згорання / Богоста А. С., Лобко В. Ю., Тацькар А. Р. // Науковий вісник Ужгородського університету. Сер.: Хімія.. — Вип. 1. — С. 82—87.
  22. World Fuel Ethanol Production. ethanolrfa.org. Renewable Fuels Association. Процитовано 15 травня 2015.  (англ.)
  23. McDonnell, G. Antiseptics and Disinfectants: Activity, Action, and Resistance / Russell, A. D. // Clinical Microbiology Reviews. — 1999. — January. — Т. 12, № 1. — С. 147–179. Процитовано 17 травня 2015. (англ.)
  24. Alcohols // Disinfection, Sterilization, and Preservation / Block, Seymour S., editor. — 5th. — Philadelphia, PA: Lippincott Williams & Wilkins, 2000. — P. 229. — ISBN 978-0683307405. (англ.)
  25. Cawood, R. DNA Precipitation Protocol. oxfordgenetics.com. Oxford Genetics. Процитовано 16 травня 2015.  (англ.)
  26. Marraffa, Jeanna M. Antidotes for Toxicological Emergencies / Cohen, V., Howland, M. A. // American Journal of Health-System Pharmacy. — 2012. — Т. 69, № 3. — С. 199—212. Процитовано 16 травня 2015. (англ.)

Джерела[ред.ред. код]

  • CRC Handbook of Chemistry and Physics / Lide, D. R., editor. — 86th. — Boca Raton (FL): CRC Press, 2005. — 2656 p. — ISBN 0-8493-0486-5. (англ.)
  • Logsdon, John E. Ethanol // Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology. — 4th. — New York: John Wiley & Sons, 2004. — ISBN 978-0-471-48517-9. — DOI:10.1002/0471238961.0520080112150719.a01.pub2. (англ.)
  • Lange's Handbook of Chemistry / Dean, John A., editor. — 15th. — New York: McGraw-Hill, 1999. — ISBN 0-07-016384-7. (англ.)
  • Kosaric, N. et al. Ethanol // Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry. — 6th. — Weinheim: Wiley-VCH, 2005. — DOI:10.1002/14356007.a09_587.pub2. (англ.)
  • Чирва В. Я., Ярмолюк С. М., Толкачова Н. В., Земляков О. Є. Органічна хімія. — Львів: БаК, 2009. — 996 с. — ISBN 966-7065-87-4.