Этанол

Этанол
Общие свойства
Молекулярная формула	C2H5OH
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 Пз при 20°C
Поверхностное натяжение	22,39•10−3 Н/м при 20 °C
Дипольный момент	1,69 D (газ)
Опасность
Температура вспышки	13°C (286,15 K)
Температура самовоспламенения	363°C (636,15 K)
Пределы взрываемости	3,28 — 18,95 %
Родственные соединения
Родственные спирты	Метанол Бутанол
Другие соедининия	Ацетальдегид Уксусная кислота

Этано́л (эти́ловый спирт, метилкарбинол, винный спирт, гидроксид пентагидродикарбония, часто просто «спирт») — C₂H₅OH   или   CH₃—CH₂—OH, второй представитель гомологического ряда одноатомных спиртов. Легковоспламеняющаяся, бесцветная жидкость с характерным запахом, обладает наркотическим действием. Действующий компонент алкогольных напитков.

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, 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 подавляющем большинстве спиртовых производств мира ферментативное расщепление крахмала до спирта при помощи дрожжей оставлено. Для этих целей применяются рекомбинантные препараты альфа-амилазы, полученные биоинженерным путем — глюкамилаза, амилосубтилин.
• брагоректификация. Осуществляется на разгонных колоннах (например, «Комсомолец»).

Отходами бродильного производства являются барда и сивушные масла.

Спирт, поступающий из брагоректификационной установки (БРУ) является безводным, содержание этанола в нем до 96,6 %. В зависимости от содержания в нем посторонних примесей, его разделяют на следующие категории:

• высшей очистки
• Экстра
• Люкс

Производительность современного спиртового завода около 3000—5000—10000 дал (декалитров) безводного спирта в сутки.

Гидролизное производство

Основные статьи: Гидролизный спирт и 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 спирт-ректификат, содержащий не менее 4,43 % воды кипит при температуре 78,15 °C. Получают перегонкой водного спирта, содержащего бензол, и другими способами.

Свойства

Внешний вид: в обычных условиях представляет собой бесцветную летучую жидкость с характерным запахом.

Свойства этанола

Молекулярная 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 температурах

Температура, °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 °C

Массовое 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 °C

Массовое 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 этанола

Температура, °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 атмосферного

Давление, 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.

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

Этиловый спирт в первую очередь используется как антисептик

• как обеззараживающее и подсушивающее средство, наружно;
• 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);
• антидот при отравлении этиленгликолем и метиловым спиртом;

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.

Мировое производство этанола

Производство этанола, млн. литров ^{[источник?]}

Страна	2004	2005	2006
США	13 362	16 117	19 946
Бразилия	15 078	15 978	16 977
Китай	3 643	3 795	3 845
Индия	1 746	1 697	1 897
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
Колумбия	-	-	279
Весь мир:	40 710	45 927	50 989

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	производить 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 к 2010 году
Япония	разрешено 3%-е содержание этанола в бензине
Индия	5 % с ноября 2006 г., 10 % — планируется с октября 2008 г.
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

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. долл. 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

Cебестоимость бразильского этанола (около 0,19 долларов США за литр) 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

• Этанол — горючее вещество, его пары с воздухом взрывоопасны.
• Этиловый спирт относится к наркотическим ядам. Употребление спиртных напитков может привести к алкоголизму и даже к острому отравлению.

О налогообложении питьевого спирта смотрите статью Алкогольные напитки#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. Однако этанол является естественным метаболитом человеческого организма, и в определённых дозах используется в медицине как самостоятельное лекарственное средство, а также как расворитель фармацевтических препаратов, экстрактов и настоек.

Хроническое употребление алкогольных напитков может привести к алкоголизму.

Виды и марки этанола

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

Юмор

• Перегоним всю гуашь на C₂H₅OH
• И солнце ярче светит, и радостней пейзаж, когда в желудке плещет C₂H₅OH
• H₂O — девиз не наш, наш — C₂H₅OH

Ссылки

• Технология
• Российская биотопливная ассоциация
• InFuture.ru: Этанол из мусора и старых шин