Этанол

Этано́л (эти́ловый спирт, эти́лгидра́т, мети́лкарбино́л, ви́нный спи́рт или алкого́ль, в просторечии — спирт), химическая формула в разных вариантах записи — C2H6O, или C2H5OH, или CH3CH2OH — органическое соединение, относящееся к классу одноатомных первичных спиртов.

При стандартных условиях, этанол — это летучая, горючая, бесцветная прозрачная жидкость с характерным запахом и жгучим сладковатым вкусом.

Действующий компонент алкогольных напитков. Является депрессантом — психоактивным веществом, угнетающим центральную нервную систему человека.

Свойства

Физические свойства В обычных условиях представляет собой бесцветную, легкоподвижную, летучую жидкость с характерным запахом и жгучим вкусом.

Плотность этилового спирта при , он легче воды.

Является хорошим растворителем многих органических веществ и некоторых неорганических солей.

Физические свойства абсолютированного этанола () немного отличаются от свойств спирта-ректификата с концентрацией . Их физические свойства почти одинаковы, но численно различаются на +Физические свойства этанолаМолекулярная масса46,069 а. е. м.Температура замерзания−114,15 °CТемпература кипения78,39 °CКритическая точка241 °C (при давлении 6,3 МПа)РастворимостьСмешивается в произвольных отношениях с бензолом, водой, глицерином, диэтиловым эфиром, ацетоном, метанолом, уксусной кислотой, хлороформомПоказатель преломленияПоказатель преломления (для D-линии натрия) 1,3611 (при 20 °C) (температурный коэффициент показателя преломления −4,0/°C, почти постоянный в интервале температур )Стандартная энтальпия образования −234,8 кДж/моль (г) (при 298 К)Стандартная энтропия образования 281,38 Дж/моль·K (г) (при 298 К)Стандартная мольная теплоёмкость 1,197 Дж/моль·K (г) (при 298 К)Энтальпия плавления 4,81 кДж/мольЭнтальпия кипения 839,3 кДж/моль

Смесь по массе этанола и воды является азеотропной, не разделяется при перегонке, при нормальном давлении температура кипения составляет в то время как абсолютированный этанол имеет более высокую точку кипения в 78,39 °CHaynes, William M., ed. (2011). CRC Handbook of Chemistry and Physics (92nd ed.). Boca Raton, FL: CRC Press. p. 3.246. ISBN 1-4398-5511-0..

С водой этанол смешивается в произвольном отношении, при смешивании наблюдается значительное, до нескольких процентов уменьшение объёма смеси относительно исходного суммарного объёма чистых веществ, например, при смешивании этанола с воды образуется раствора. Также смешивание сопровождается некоторым нагреванием смеси.

Абсолютный этанол затвердевает при температуре Eintrag zu Ethanol. In: Römpp Online. Georg Thieme Verlag, abgerufen am 22. März 2015.. Температура плавления смесей этанола с водой уменьшается при увеличении концентрации этанола в растворе и достигает минимума при массовой концентрации этанола в воде равной  — эвтектики этанол-вода, имеющей температуру плавления Flick E. W.: Industrial Solvents Handbook. Fifth Edition, Noyes Data Corporation (ndc), Westwood, NJ/USA 1998, ISBN 0-8155-1413-1, S. 252.. При низких температурах, ниже водный раствор этанола практически не испаряется и превращается в вязкую жидкость. При он становится ещё более вязким и по текучести напоминает густой мёд.

Давление насыщенного пара +Давление насыщенного пара этанола в зависимости от температурыt10°С20°С30°С40°С50°С60°С70°С80°С90°С100°С110°С120°С130°С140°СP, мм рт.ст.23,643,979,2135,3222,2352,7543,6809,71170,41651,52280,23087,54107,95380,2P, 105 Па0,03150,05850,10560,18040,29620,47020,72471,07951,56042,20183,044,11635,47677,173P, атм0,03110,05780,10420,17800,29240,46410,71531,06541,54002,17303,00034,06255,40517,0792 При температуре от −31 до давление насыщенного пара этанола с хорошей точностью может быть вычислено по эмпирической формуле:

где  — давление, выражено в кПа;  — температура в °C.

Химические свойства

Типичный представитель одноатомных спиртов.

Горюч. Легко воспламеняется. При достаточном доступе воздуха горит (за счёт его кислорода) светлым голубоватым пламенем, образуя конечные продукты окисления — диоксид углерода и воду:

C2H5OH + 3 O2 -> 2 CO2 + 3 H2O.

Ещё энергичнее данная реакция протекает в атмосфере чистого кислорода.

При определённых условиях (температура, давление, катализаторы) возможно и контролируемое окисление (как элементарным кислородом, так и многими другими окислителями) до ацетальдегида, уксусной кислоты, щавелевой кислоты и некоторых других продуктов, например:

3 C2H5OH + K2Cr2O7 + 4 H2SO4 -> -> 3 CH3CHO + K2SO4 + Cr2(SO4)3 + 7 H2O.

Обладает слабо выраженными кислотными свойствами, в частности, подобно кислотам взаимодействует со щелочными металлами, а также магнием, алюминием и их гидридами, выделяя при этом водород и образуя солеподобные этилаты, являющиеся типичными представителями алкоголятов:

2 C2H5OH + 2 K -> 2 C2H5OK + H2, C2H5OH + NaH -> C2H5ONa + H2.

Обратимо реагирует с карбоновыми и некоторыми неорганическими кислородсодержащими кислотами с образованием сложных эфиров:

C2H5OH + RCOOH -> RCOOC2H5 + H2O, C2H5OH + HNO2 -> C2H5ONO + H2O.

С галогеноводородами (HCl, HBr, HI) вступает в обратимые реакции нуклеофильного замещения:

C2H5OH + HX -> C2H5X + H2O.

Без катализаторов реакция с HCl идёт относительно медленно; значительно быстрее — в присутствии хлорида цинка и некоторых других кислот Льюиса.

Вместо галогеноводородов для замещения гидроксильной группы на галоген могут быть использованы галогениды и галогеноксиды фосфора, тионилхлорид и некоторые другие реагенты, например:

3 C2H5OH + PCl3 -> 3 C2H5Cl + H3PO3.

Сам этанол также обладает нуклеофильными свойствами. В частности, он относительно легко присоединяется по активированным кратным связям, например:

C2H5OH + CH2=CHCN -> C2H5OCH2CH2CN.

Реагирует с альдегидами с образованием полуацеталей и ацеталей:

C2H5OH + RCHO -> RCH(OH)OC2H5, C2H5OH + RCH(OH)OC2H5 -> RCH(OC2H5)2 + H2O.

При умеренном (не выше ) нагревании с концентрированной серной кислотой или другими водоотнимающими средствами кислотного характера образует диэтиловый эфир:

2 C2H5OH -> C2H5OC2H5 + H2O.

При более сильном нагревании с серной кислотой, а также при пропускании паров над нагретым до оксидом алюминия происходит более глубокая дегидратация. При этом образуется этилен:

C2H5OH -> CH2=CH2 + H2O.

При использовании катализаторов, содержащих наряду с оксидом алюминия высокодисперсное серебро и другие компоненты, процесс дегидратации может быть совмещён с контролируемым окислением этилена элементным кислородом, в результате чего с удовлетворительным выходом удаётся реализовать одностадийный процесс получения окиси этилена:

2 C2H5OH + O2 -> 2 C2H4O + 2 H2O.

В присутствии катализатора, содержащего оксиды алюминия, кремния, цинка и магния, претерпевает серию сложных превращений с образованием в качестве основного продукта бутадиена (реакция С. В. Лебедева):

2 C2H5OH -> CH2=CH-CH=CH2 + 2 H2O + H2.

В 1932 году на основе этой реакции в СССР было организовано первое в мире крупнотоннажное производство синтетического каучука.

В слабощелочной среде образует иодоформ:

C2H5OH + 4 I2 + 6 NaHCO3 -> CHI3 + HCOONa + 5 NaI + 5 H2O + 6 CO2.

Эта реакция имеет некоторое значение для качественного и количественного определения этанола в отсутствие других веществ, дающих подобную реакцию.

Пожароопасность Легковоспламеняющаяся бесцветная жидкость; удельная теплота сгорания — ( теплота образования температура вспышки (в закрытом тигле), (в открытом тигле); температура воспламенения температура самовоспламенения концентрационные пределы распространения пламени ; температурные пределы распространения пламени: нижний верхний минимальная флегматизирующая концентрация негорючих газов, % объёмных: CO2 — 29,5, H2O — 35,7, N2 — 46; максимальное давление взрыва максимальная скорость нарастания давления скорость выгорания максимальная нормальная скорость распространения пламени — минимальная энергия зажигания — минимальное взрывоопасное содержание кислорода объёмных.

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 ) 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 результат можно выразить суммарным уравнением:

C6H12O6 -> 2 C2H5OH + 2 CO2.

Раствор, получаемый в результате брожения, содержит не более этанола, так как в более концентрированных растворах дрожжи нежизнеспособны. Полученный таким образом этанол нуждается в очистке и концентрировании, обычно путём дистилляции.

Для получения этанола данным способом наиболее часто используют различные штаммы дрожжей вида Saccharomyces cerevisiae, в качестве питательной среды предварительно обработанные древесные опилки и/или раствор, полученный из них.

Промышленное производство спирта из биологического сырья Современная промышленная технология получения этилового спирта из пищевого сырья включает следующие стадии: Подготовка и измельчение крахмалистого сырья — зерна (прежде всего — ржи, пшеницы), картофеля, кукурузы, яблок 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 браге спирта. Брагоректификация. Осуществляется на разгонных колоннах.

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 не более В зависимости от содержания в нём посторонних примесей, его разделяют на следующие категории: Альфа; Люкс; Экстра; базис; высшей очистки; 1-й сорт.

Производительность современного спиртового завода составляет около спирта в сутки.

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 проводят по двум схемам: прямая гидратация при температуре 300 °C, давлении , 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 и давлении ): CH2=CH2 + H2SO4 -> CH3CH2OSO2OH, CH3CH2OSO2OH + H2O -> CH3CH2OH + H2SO4.

Эта реакция сопровождается параллельной нежелательной реакцией образования 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 ; эта неразделимая перегонкой азеотропная смесь содержит воды (мас.) и имеет температуру кипения .

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

Абсолютный спирт