Этанол

Общие свойства
Молекулярная формула C2H5(OH)
SMILES CCO
Молярная масса 46,069 г/моль
Внешний вид бесцветная жидкость
Номер CAS 64-17-5
Свойства
Плотность и
агрегатное состояние 789,3 кг/м³ при 20 °C, жидкость
Растворимость в воде Полностью растворим
Температура плавления −114,3 °C (158,8 K)
Температура кипения 78,4 °C (351,6 K)
Тройная точка −114,3 °C (158,8 K), ? бар
Критическая точка 241 °C (514,15 K), 63 бар
pKa 15,9
Вязкость 1,2 сПз при 20 °C
Поверхностное натяжение 22,39•10−3 Н/м при 20 °C
Дипольный момент 1,69 D (газ)
Опасность (в том числе токсическая)
Температура
вспышки 13 °C (286,15 K)
Температура
самовоспламенения 363 °C (636,15 K)
Пределы взрываемости 3,28 — 18,95 %
Класс опасности III
Родственные соединения
Родственные спирты Метанол
Бутанол
Другие соединения Ацетальдегид
Уксусная кислота


Этано́л (эти́ловый спирт, метилкарбино́л, ви́нный спирт, гидрокси́д пентагидродикарбо́ния, часто в просторечии просто «спирт» или алкого́ль) — C2H5OH или CH3-CH2-OH, второй представитель гомологического ряда одноатомных спиртов.

Действующий компонент алкогольных напитков. Смешивается с водой в любых пропорциях.
Получение

Существует 2 основных способа получения этанола — микробиологический (спиртовое брожение) и синтетический (гидратация этилена):

Брожение

Известный с давних времён способ получения этанола — спиртовое брожение органических продуктов, содержащих углеводы (виноград, плоды и т. п.) под действием ферментов дрожжей и бактерий. Аналогично выглядит переработка крахмала, картофеля, риса, кукурузы, источником получения топливного спирта является вырабатываемый из тростника сахар-сырец и проч. Реакция эта довольно сложна, её схему можно выразить уравнением:
C6H12O6 → 2C2H5OH + 2CO2

В результате брожения получается раствор, содержащий не более 15 % этанола, так как в более концентрированных растворах дрожжи обычно гибнут. Полученный таким образом этанол нуждается в очистке и концентрировании, обычно путем дистилляции.

Промышленное производство спирта из биологического сырья

Современная промышленная технология получения спирта этилового из пищевого сырья включает следующие стадии:
Подготовка и измельчение крахмалистого сырья — зерна (прежде всего — ржи, пшеницы), картофеля, кукурузы и т.п.
Ферментация. На этой стадии происходит ферментативное расщепление крахмала до сбраживаемых сахаров. Для этих целей применяются рекомбинантные препараты альфа-амилазы, полученные биоинженерным путём — глюкамилаза, амилосубтилин.
Брожение. Благодаря сбраживанию дрожжами сахаров происходит накопление в бражке спирта.
Брагоректификация. Осуществляется на разгонных колоннах (например, «Комсомолец»).

Отходами бродильного производства являются углекислый газ, барда, эфиро-альдегидная фракция, сивушный спирт и сивушные масла.

Спирт, поступающий из брагоректификационной установки (БРУ) не является безводным, содержание этанола в нём до 96,6 %. В зависимости от содержания в нём посторонних примесей, его разделяют на следующие категории:
1 сорт
высшей очистки
базис
Экстра
Люкс
Альфа

Производительность современного спиртового завода около 30000—100000 литров безводного спирта в сутки.

Гидролизное производство
Основные статьи: Гидролизный спирт, Гидролизное производство

В промышленных масштабах этиловый спирт получают из сырья, содержащего целлюлозу (древесина, солома), которую предварительно гидролизуют. Образовавшуюся при этом смесь пентоз и гексоз подвергают спиртовому брожению. В странах Западной Европы и Америки эта технология не получила распространения, но в СССР (ныне в России) существовала развитая промышленность кормовых гидролизных дрожжей и гидролизного этанола.

Гидратация этилена
В промышленности, наряду с первым способом, используют гидратацию этилена. Гидратацию можно вести по двум схемам:
прямая гидратация при температуре 300 °C, давлении 7 МПа, в качестве катализатора применяют ортофосфорную кислоту, нанесённую на силикагель, активированный уголь или асбест:
CH2=CH2 + H2O → C2H5OH
гидратация через стадию промежуточного эфира серной кислоты, с последующим его гидролизом (при температуре 80—90 °С и давлении 3,5 МПа):
CH2=CH2 + H2SO4 → CH3-CH2-OSO2OH (этилсерная кислота)
CH3-CH2-OSO2OH + H2O → C2H5OH + H2SO4

Эта реакция осложняется образованием диэтилового эфира.

Очистка этанола

Этанол, полученный путём гидратации этилена или брожением, представляет собой водно-спиртовую смесь, содержащую примеси. Для его промышленного, пищевого и фармакопейного применения необходима очистка. Фракционная перегонка позволяет получить этанол с концентрацией около 95.6 % мас.; эта неразделимая перегонкой азеотропная смесь содержит 4.4 % воды (мас.) и имеет температуру кипения 78.15 °C.

Перегонка освобождает этанол как от легколетучих, так и от тяжёлых фракций органических веществ (кубовый остаток).

Абсолютный спирт

Абсолютный спирт — этиловый спирт, практически не содержащий воды. Кипение — при температуре 78,39 °C в то время как спирт-ректификат, содержащий не менее 4,43 % воды, кипит при температуре 78,15 °C. Получают перегонкой водного спирта, содержащего бензол, и другими способами. 1

Свойства

Внешний вид: в обычных условиях представляет собой бесцветную летучую жидкость с характерным запахом. Следует избегать популярной ошибки: часто смешивают свойства 95.57 % спирта и абсолютизированного. Их свойства почти одинаковы, но величины начинают различаться, начиная с 3 — 4-ой значащей цифры.
Свойства этанолаМолекулярная масса 46,069 а. е. м.
Температура плавления −114,15 °C
Температура кипения 78,15 °C
Критическая точка 241 °C (при давлении 6,3 МПа)
Растворимость смешивается с бензолом, водой, глицерином, диэтиловым эфиром, ацетоном, метанолом, уксусной кислотой, хлороформом
Показатель преломления 1,3611

(температурный коэффициент показателя преломления 4,0·10−4, справедлив в интервале температур 10—30 °C)
Стандартная энтальпия образования ΔH −234,8 кДж/моль (г) (при 298 К)
Стандартная энтропия образования S 281,38 Дж/моль·K (г) (при 298 К)
Стандартная мольная теплоёмкость Cp 1,197 Дж/моль·K (г) (при 298 К)
Энтальпия плавления ΔHпл 4,81 кДж/моль
Энтальпия кипения ΔHкип 839,3 кДж/моль

Плотность этанола при разных температурахТемпература, °C 0 10 20 30 40 50 60
ρ, г/см³ 0,8062 0,7979 0,7893 0,7810 0,7722 0,7632 0,7541

Плотность водных растворов этанола при 20 °CМассовое содержание C2H5OH, % 1 2 4 6 8 10 12 14 16
ρ, г/см³ 0,99636 0,99453 0,99103 0,98780 0,98478 0,98187 0,97910 0,97643 0,97387
Массовое содержание C2H5OH, % 18 20 22 24 26 28 30 35 40
ρ, г/см³ 0,97129 0,96864 0,96592 0,96312 0,96020 0,95710 0,95382 0,94494 0,93518

Показатель преломления водных растворов этанола при 20 °CМассовое содержание C2H5OH, % 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
nD20 1,3396 1,3470 1,3535 1,3580 1,3612 1,3633 1,3646 1,3649 1,3642 1,3613

Поверхностное натяжение этанолаТемпература, °C 0 10 20 30 40 50 60
σ, Н/м 2,405·10−2 2,314·10−2 2,203·10−2 2,148·10−2 2,020·10−2 1,980·10−2 1,843·10−2

Температура кипения этанола при давлениях ниже атмосферногоДавление, кПа (мм. рт. ст.) 0,133(1) 0,667(5) 1,333(10) 2,666(20) 5,333(40)
Tкип, °C −31,3 −12,0 −2,3 8,0 19,0
Давление, кПа (мм. рт. ст.) 7,999(60) 13,333(100) 26,66(200) 53,33(400) 101,32(760)
Tкип, °C 26,0 34,9 48,4 63,5 78,4


Смесь 96 % спирта и 4 % воды (95.57 % этанола + 4.43 % воды) является азеотропной — т. е. не разделяется при перегонке.

Зависимость температуры замерзания смеси этилового спирта с водой от концентрации спирта в смеси представлена на следующей таблице (источник: http://www.anchem.ru/forum/read.asp?id=573 ):Содержание
спирта
вес % Плотность
г/см3 Тепература
замерзания
°C
2,50 0,9936 -1,00
4,80 0,9897 -2,00
6,80 0,9866 -3,00
11,3 0,9801 -5,00
13,8 0,9767 -6,10
16,4 0,9733 -7,50
17,5 0,9719 -8,70
18,8 0,9702 -9,40
20,3 0,9682 -10,6
22,1 0,9658 -12,2
24,2 0,9628 -14,0
26,7 0,9591 -16,0
29,9 0,9540 -18,9
33,8 0,9472 -23,6
39.0 0,9372 -28,7
46,3 0,9219 -33,9
56,1 0,9001 -41,0
71,9 0,8631 -51,3


Химические свойства

Взаимодействует со щелочными металлами с образованием этилатов (или в общем случае — алкоголятов) и водорода.

Применение

Топливо

Этанол может использоваться как топливо, в т. ч. для ракетных двигателей, двигателей внутреннего сгорания в чистом виде. Ограничено в силу своей гигроскопичности (отслаивается) используется в смеси с классическими нефтяными жидкими топливами. Применяется для выработки высококачественного топлива и компонента бензинов — Этил-трет-бутилового эфира, более независимого от ископаемой органики, чем МТБЭ.

Химическая промышленность
Служит сырьём для получения многих химических веществ, таких, как ацетальдегид, диэтиловый эфир, тетраэтилсвинец, уксусная кислота, хлороформ, этилацетат, этилен и др.;
Широко применяется как растворитель (в лакокрасочной промышленности, в производстве товаров бытовой химии и многих других областях);
Является компонентом антифриза и стеклоомывателей.
В бытовой химии этанол применяется в чистящих и моющих средствах, в особенности для ухода за стеклом и сантехникой. Является растворителем для репеллентов.

Медицина

В медицине этиловый спирт в первую очередь используется как антисептик
как обеззараживающее и подсушивающее средство, наружно;
дубящие свойства 96%-го этилового спирта используются для обработки операционного поля или в некоторых методиках обработки рук хирурга;
растворитель для лекарственных средств, для приготовления настоек, экстрактов из растительного сырья и др.;
консервант настоек и экстрактов (минимальная концентрация 18 %);
пеногаситель при подаче кислорода, искусственной вентиляции легких;
в согревающих компрессах;
для физического охлаждения при лихорадке (для растирания) 2 ;
антидот при отравлении этиленгликолем и метиловым спиртом;
возможно применение как компонента парентерального питания (в виде 5% раствора) у ослабленных больных с учётом высокой энергетической ценности вещества
компонент общей анестезии в ситуации дефицита медикаментозных средств

Парфюмерия и косметика

Является универсальным растворителем различных веществ и основным компонентом духов, одеколонов, аэрозолей и т. п. Входит в состав разнообразных средств, включая даже такие как зубные пасты, шампуни, средства для душа, и т. д.

Пищевая промышленность

Наряду с водой, является необходимым компонентом спиртных напитков (водка, виски, джин и др.). Также в небольших количествах содержится в ряде напитков, получаемых брожением, но не причисляемых к алкогольным (кефир, квас, кумыс, безалкогольное пиво и др.). Содержание этанола в свежем кефире ничтожно (0,12 %), но в долго стоявшем, особенно в тёплом месте, может достичь 1 %. В кумысе содержится 1−3 % этанола (в крепком до 4,5 %), в квасе — от 0,6 до 2,2 %.

Растворитель для пищевых ароматизаторов. Применяется как консервант для хлебобулочных изделий, а также в кондитерской промышленности.

Зарегистрирован в качестве пищевой добавки E1510.

Энергетическая ценность этанола — 7,1 ккал/г.

Мировое производство этанола

Производство этанола по странам, млн литров. Данные ethanolrfa.org.Страна 2004 2005 2006 2007 2008
США 13 362 16 117 19 946 24564,71 34776 3
Бразилия 15 078 15 978 16 977 18972,58 24464,9
Евросоюз - - - 2155,73 2773
Китай 3 643 3 795 3 845 1837,08 1897,18
Индия 1 746 1 697 1 897 199,58 249,48
Франция 827 907 948 - -
Германия 268 430 764 - -
Россия 748 748 649 - -
ЮАР 415 389 387 - -
Великобритания 400 351 279 - -
Испания 298 298 463 - -
Таиланд 279 298 352 299,37 339,4
Колумбия - - 279 283,12 299,37
Весь мир: 40 710 45 927 50 989 49524,42 4 65527,05


Применение этанола в качестве автомобильного топлива

В разных странах действуют следующие государственные программы применения этанола на транспорте:Страна Требования
Бразилия 24%-я смесь этанол/бензин, 2%-е содержание этанола в дизельном топливе
США производит ежегодно 28 млрд литров этанола к 2012 году, 85%-я смесь этанол/бензин (E85)
Венесуэла 10%-я смесь с бензином
Евросоюз 2 % в 2005, 5,75 % биотоплив к 2010 году (этанол + биодизель)
Китай производить ежегодно 3 млн тонн к 2010 году
Аргентина 5%-я смесь к 2010 году
Таиланд В Бангкоке 10%-я смесь, 5%-я смесь по всей стране с 2007 года
Колумбия 10%-я смесь в больших городах к сентябрю 2005 года
Манитоба, Канада 10%-я смесь до конца 2005 года
Канада 5%-я смесь с сентября 2010 года 5
Япония разрешено 3%-е содержание этанола в бензине
Индия 20 % биотоплив к 2017 году (этанол + биодизель) 6
Австралия разрешено 10%-е содержание этанола в бензине
Новая Зеландия 5 % биотоплив к 2008 году (этанол + биодизель)
Индонезия 10 % биотоплив к 2010 году (этанол + биодизель)
Филиппины 5%-я смесь с бензином к 2008 году, 10 % смесь к 2010 году
Ирландия 5,75 % биотоплив к 2009 году (этанол + биодизель). 10 % биотоплив к 2020 году
Дания 10 % биотоплив к 2020 году
Чили разрешено 2 % содержание в автомобильном топливе


В США «Энергетический билль», подписанный президентом Бушем в августе 2005 года, предусматривает производство к 2012 году ежегодно 30 миллиардов литров этанола из зерна и 3,8 миллиард литров из целлюлозы (стебли кукурузы, рисовая солома, отходы лесной промышленности).

Строительство завода по производству этанола мощностью 40 млн галлонов даёт экономике (на примере США):
142 млн долл. инвестиций во время строительства;
41 рабочее место на заводе, плюс 694 рабочих места во всей экономике;
Увеличивает местные цены на зерновые на 5—10 центов за бушель;
Увеличивает доходы местных домохозяйств на 19,6 млн долл. ежегодно;
Приносит в среднем 1,2 млн долларов налогов;
Доходность инвестиций 13,3 % годовых;

В 2006 г. этаноловая индустрия дала экономике США:
160231 новых рабочих мест во всех секторах, включая 20000 рабочих мест в строительстве;
Увеличила доходы домохозяйств на $6,7 миллиарда;
Принесла $2,7 млрд федеральных налогов и $2,3 млрд местных налогов;

В 2006 году в США было переработано в этанол 2,15 миллиарда бушелей кукурузы, что составляет 20,5 % годового производства кукурузы. Этанол стал третьим по величине потребителем кукурузы после животноводства и экспорта. На этанол перерабатывается 15 % урожая сорго США.

В 2006 году этаноловая промышленность произвела 12 млн тонн кормов. 75—80 % зерна было скормлено КРС, 18—20 % свиньям и 3—5 % птицам.

Производство барды этаноловой промышленностью США, метрических тонн в сухом весе.1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2020 прогноз
2,3 млн. 2,7 млн. 3,1 млн 3,6 млн. 5,8 млн. 7,3 млн. 9,0 млн. 12 млн. 20 млн.


В 2005 году 30 % бензина в США продавалось в смеси с этанолом. В 2006 г. этанол производили 110 заводов в 19 штатах. Производство достигло рекордного уровня в 18,52 млрд литров, что на 25 % больше, чем в 2005 году. С 2000 г. производство этанола выросло более чем на 300 %.

За 2006 год было построено 15 новых заводов. Суммарная мощность новых заводов 3 990 млрд литров. В январе 2007 г. различных стадиях строительства находятся 73 завода, 8 заводов расширяют свои мощности. К 2009 году производство этанола в США вырастет более чем на 23 млрд литров — до 44 млрд.

В 2005 году этанол составил около 20 % в топливном балансе Бразилии.

Этанол хорошо смешивается с водой, в отличие от бензина. Проблема расслаивания смеси бензина и этанола на данный момент не решена.

Автомобильный парк, работающий на этаноле

Смесь этанола с бензином обозначается буквой Е. Цифрой у буквы Е обозначается процентное содержание этанола. Е85 — означает смесь из 85 % этанола и 15 % бензина.

Смеси до 20 % содержания этанола могут применяться на любом автомобиле. Однако некоторые производители автомобилей ограничивают гарантию при использовании смеси с содержанием более 10 % этанола. Смеси, содержащие более 20 % этанола, во многих случаях требуют внесения изменения в систему зажигания автомобиля.

Автопроизводители выпускают автомобили, способные работать и на бензине, и на Е85. Такие автомобили называются «Flex-Fuel». В Бразилии такие автомобили называют «гибридными». В русском языке названия нет. Большинство современных автомобилей либо изначально поддерживают использование такого топлива, либо опционально, по соответствующему запросу.

В 2005 году в США более 5 млн автомобилей имели Flex-Fuel двигатели. В конце 2006 г. в США эксплуатировалось 6 млн автомобилей с Flex-Fuel двигателями. Общий автопарк составляет 230 млн автомобилей.

1200 заправочных станций продают Е85 (май 2007). Всего в США автомобильное топливо продают около 170 000 заправочных станций.

В Бразилии около 29 000 заправочных станций продают этанол.

Экономичность

Себестоимость бразильского этанола (около 0,19 долларов США за литр в 2006 г.) делает его использование экономически выгодным 1 .

Экологические аспекты

Биоэтанол как топливо нейтрален в качестве источника парниковых газов. Он обладает нулевым балансом диоксида углерода, поскольку при его производстве путём брожения и последующем сгорании выделяется столько же CO2, сколько до этого было связано из атмосферы использованными для его производства растениями.

В 2006 году применение этанола в США позволило сократить выбросы около 8 млн тонн парниковых газов (в СО2 эквиваленте), что примерно равно годовым выхлопам 1,21 млн автомобилей.

Безопасность и регулирование

Денатурат
Этанол — горючее вещество, смесь его паров с воздухом взрывоопасна.
Этиловый спирт относится к наркотическим ядам. 7 .
В настоящее время (2009 г) розничная продажа спирта в России запрещена. источник не указан 28 дней
О налогообложении питьевого спирта см. статью Алкогольные напитки, подраздел "Акциз".

Токсикология этанола
Основная статья: Токсикология этанола
Основная статья: Алкоголизм

В зависимости от дозы, концентрации, пути попадания в организм и длительности воздействия этанол может обладать наркотическим и токсическим действием. В несоизмеримых к массе тела дозах и концентрациях и приводит к острому отравлению. Однако этанол является естественным метаболитом человеческого организма, и в определённых дозах используется в медицине как самостоятельное лекарственное средство, а также как растворитель фармацевтических препаратов, экстрактов и настоек.

Систематическое употребление алкогольных напитков приводит к алкоголизму.

Этанол является противоядием при отравлении некоторыми токсичными спиртами, такими как метанол и этиленгликоль. Его действие обусловлено тем, что фермент алкогольдегидрогеназа предпочтительно метаболизирует именно этанол, а не другие спирты, благодаря чему при приёме этанола уменьшается количество токсичных метаболитов метанола (формальдегида и муравьиной кислоты) или этиленгликоля (щавелевой кислоты) 8 .

Виды и марки этанола

Ректификат (точнее, спирт-ректификат) — это очищенный путем ректификации этиловый спирт, содержит 95,57 %, химическая формула C2H5OH.