В обычных условиях представляет собой бесцветную, легкоподвижную, летучую жидкость с характерным запахом и жгучим вкусом.
Плотность этилового спирта 0,789 г/см3 при 20 °C, он легче воды.
Является хорошим растворителем многих органических веществ и некоторых неорганических солей.
Физические свойства абсолютированного этанола (100 %) немного отличаются от свойств спирта-ректификата с концентрацией 95,57 %. Их физические свойства почти одинаковы, но численно различаются на 0,1—0,01 %.
Смесь по массе 95,57 % этанола и 4,43 % воды является азеотропной, т. е. не разделяется при перегонке, при нормальном давлении температура кипения составляет 78,174 °C, в то время как абсолютированный этанол имеет более высокую точку кипения в 78,39 °C[2][9].
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 50 мл этанола с 50 мл воды образуется 97 мл раствора. Также смешивание сопровождается некоторым нагреванием смеси.
Абсолютный этанол затвердевает при температуре −114,5 °C[10]. Температура плавления смесей этанола с водой уменьшается при увеличении концентрации этанола в растворе и достигает минимума при массовой концентрации этанола в воде равной 93,5 % — эвтектики этанол-вода, имеющей температуру плавления −118 °C[11]. При низких температурах, ниже −20 °С водный раствор этанола (96 %) практически не испаряется и превращается в вязкую жидкость. При −70°C он становится ещё более вязким и по текучести напоминает густой мёд.
Давление насыщенного пара
Давление насыщенного пара этанола в зависимости от температуры[12]
При температуре от −31 до 78 °С 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:
.
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:
.
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:
.
Обратимо реагирует с карбоновыми и некоторыми неорганическими кислородсодержащими кислотами с образованием сложных эфиров:
При умеренном (не выше 120 °C) нагревании с концентрированной серной кислотой или другими водоотнимающими средствами кислотного характера образует диэтиловый эфир:
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:
Известный с давних времён способ получения этанола — спиртовое брожение органических продуктов, содержащих углеводы (виноград, плодыи т. п.) под действием ферментовдрожжей и бактерий. Аналогично выглядит переработка крахмалакартофеля, риса, кукурузы. Источником получения топливного спирта является вырабатываемый из тростника сахар-сырец и проч. Реакция эта довольно сложна, её результат можно выразить уравнением:
.
Раствор, получаемый в результате брожения, содержит не более 15 % 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 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 браге спирта.
Спирт, поступающий из брагоректификационной установки (БРУ), не является безводным, содержание этанола в нём не более 95,6 %. 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 30 000—100 000 литров спирта в сутки.
гидратация через стадию промежуточного эфира серной кислоты, с последующим его гидролизом (при температуре 80—90 °С и давлении 3,5 МПа):
,
.
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 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. Он кипит при температуре 78,39 °C, в то время как спирт-ректификат, содержащий не менее 4,43 % воды, кипит при 78,15 °C. Получают перегонкой водного спирта, содержащего бензол, и другими способами[13], например, спирт обрабатывают веществами, реагирующими с водой или поглощающими воду, такими, как негашёная известь CaO или прокалённый медный купорос CuSO4[14].
Применение
Этанол используется как топливо, в качестве растворителя, как сырье в химической промышленности, в медицине — как дезинфицирующее средство и др.
Топливо
Первым использовал этанол в качестве моторного топлива Генри Форд, который в 1880 году создал первый автомобиль, работающий на этаноле. Возможность использования спиртов в качестве моторного топлива была показана также в 1902 году, когда на конкурсе в Париже были выставлены более 70 карбюраторных двигателей, работающих на этаноле и смесях этанола с бензином[15]. Этанол характеризуется высоким октановым числом, что делает его пригодным для бензиновых двигателей с высокой степенью сжатия.
Этанол может использоваться как топливо, в т. ч. для ракетных двигателей (так, этанол использовался в качестве топлива в первой в мире серийной баллистической ракете — немецкой «Фау-2» и ранних советских ракетах конструкции Королёва — от Р-1 до Р-5), двигателей внутреннего сгорания, бытовых, походных и лабораторных нагревательных приборов (т. н. «спиртовок»), грелок для туристов и военнослужащих (каталитическое автоокисление на платиновом катализаторе). Ограниченно (в силу своей гигроскопичности) 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.
в бытовой химии этанол применяется в чистящих и моющих средствах, в особенности для ухода за стеклом и сантехникой. Является растворителем для репеллентов.
по своему действию этиловый спирт можно отнести к антисептикам;
как обеззараживающее и подсушивающее средство, наружно;
подсушивающие и дубящие свойства 97 %-го этилового спирта используются для обработки операционного поля или в некоторых методиках обработки рук хирурга;
этанол является противоядием при отравлении некоторыми токсичными спиртами, такими, как метанол и этиленгликоль. Его действие обусловлено тем, что фермент алкогольдегидрогеназа, при наличии нескольких субстратов (например, метанол и этанол) осуществляет лишь конкурентное окисление, благодаря чему после своевременного (почти немедленного, вслед за метанолом/этиленгликолем) приёма этанола уменьшается текущая концентрация токсичных метаболитов (для метанола — формальдегида и муравьиной кислоты, для этиленгликоля — щавелевой кислоты)[17].
Парфюмерия и косметика
Является универсальным растворителем различных веществ и основным компонентом духов, одеколонов, аэрозолей и т. п. Входит в состав разнообразных средств, включая зубные пасты, шампуни, средства для душа, и т. д.
Пищевая промышленность
Наряду с водой, является основным компонентом спиртных напитков (водка, вино, джин, пиво 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 0,5 до 1,2 %[18].
Применяется для фиксирования и консервирования биологических препаратов. Используется для удаления пятен, например, древесной смолы. Благодаря низкой температуре замерзания водных растворов, может использоваться как теплоноситель в системах охлаждения.
Производство и использование биоэтанола увеличивается в большинстве стран мира, как более экологичная и возобновляемая альтернатива нефти[22] (недоступная ссылка).
Полноценно использовать биоэтанол способны лишь автомобили с соответствующим двигателем или с универсальным Flex-Fuel (способен применять смеси бензин/этанол с любым соотношением). Обычный бензиновый двигатель способен потреблять бензин с добавкой этанола не более 30 %, возможно также переоборудование обычного бензинового двигателя, но это экономически нецелесообразно.
Некоторой проблемой является недостаточная смешиваемость бензина и дизельного топлива с этанолом, из-за чего происходит расслоение смеси (при низких температурах всегда). Особенно эта проблема актуальна для стран с холодным климатом. Решения этой проблемы на данный момент не найдено[23].
Преимуществом смесей этанола с другими видами топлива перед чистым этанолом является лучшая зажигаемость, благодаря низкому содержанию влаги, тогда как чистый этанол (марка E100, с практическим содержанием C2H5OH 96,6 %) является неразделяемым дистилляцией азеотропом. Разделение же иными способами невыгодно. При добавлении этанола к бензину или дизельному топливу происходит отслаивание воды.
22—25 % этанола в бензине, 2 % в дизельном топливе[26], доступны высокоэтанольные марки (E85, E100), их процент на рынке плавно увеличивают. Основной источник — сахарный тростник. Около 25-30 % мирового производства топливного спирта.
Внедряются марки смеси этанола и бензина (E85, E10). Предполагается ввести 20 % к 2020 году[уточнить]. Около 55—60 % мирового производства топливного спирта.
Законодательно установлено содержание 5 % этанола в бензине с 2013, и 7 % с 2014 года. На заправках широко продается топливо с содержанием биоэтанола от 30 до 37,2 %
Была заявлена цель в 20 % биотоплив к 2017 году[31]. Сейчас[когда?]5 %[уточнить]. Производится из самого различного сырья, в частности из древесной стружки.
3,2 % биотоплива в автомобильном топливе, обязательно с 2012 года[32]. В Америке самая неохотно внедряющая биотопливо страна.
Внедрение производства биотоплива является затратным процессом, однако дает экономике преимущества впоследствии. Так, например, 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;
В 2006 году этаноловая индустрия дала экономике США:
160231 новое рабочее место во всех секторах, включая 20 000 рабочих мест в строительстве;
Увеличила доходы домохозяйств на $6,7 миллиарда;
Принесла $2,7 млрд федеральных налогов и $2,3 млрд местных налогов[26].
В 2006 году в США было переработано в этанол 2,15 миллиарда бушелей[что?][уточнить]кукурузы, что составляет 20,5 % годового производства кукурузы. Этанол стал третьим по величине потребителем кукурузы после животноводства и экспорта. На этанол перерабатывается 15 % урожая соргоСША. Побочным продуктом производства этанола является барда, которая используется как вторичное кормовоесырьё, а также может быть использована для получения биогаза.
В США «Энергетический билль», подписанный президентом Бушем в 2005 году, предусматривал производство к 2012 году ежегодно 30 миллиардов литров этанола из зерна и 3,8 млрд литров из целлюлозы (стебли кукурузы, рисовая солома, отходы лесной промышленности)[34].
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 поддерживает использование такого топлива, либо опционально, по соответствующему запросу.
В 2005 году в США более 5 млн автомобилей имели гибридные двигатели. В конце 2006 года в США эксплуатировалось 6 млнавтомобилей с такими 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.
Биоэтанол как топливо часто называют «нейтральным» 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 взято из атмосферы использованными для его производства растениями. Однако ректификация этанола требует дополнительных затрат энергии, вырабатываемой одним из «традиционных» способов (в том числе и сжиганием ископаемого топлива).
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 млнавтомобилей.
Безопасность и регулирование
Этанол — горючее вещество, смесь его паров с воздухом взрывоопасна.
При приёме внутрь этанол отрицательно влияет на организм человека, употребление этанола является наиболее значимым фактором сокращения продолжительности жизни[39][40].
Спирт этиловый синтетический, технический и пищевой, непригодный для производства алкогольной продукции, входит в список ядовитых веществ для целей статьи 234 и других статей Уголовного кодекса Российской Федерации[41].
С 2005 года розничная продажа спирта в России запрещена (за исключением районов Крайнего Севера)[42].
Этанол как горючая жидкость относится к опасным веществам. Промышленные предприятия, использующие в технологическом процессе более 1 тонны этанола, обязаны быть зарегистрированы как опасные производственные объекты[43][нет в источнике].
В биохимии этанола существенную роль играет тот факт, что он образует растворы в широком диапазоне пропорций как с водой, так и с жирами. Является побочным продуктом метаболизма глюкозы, в крови здорового человека может содержаться до 0,01 % эндогенного этанола, являющегося продуктом метаболизма[44].
При приёме внутрь этанол обладает наркотическим и токсическим действием[44], в зависимости от дозы, концентрации, пути попадания в организм и длительности воздействия его действие различается[45].
Любая доза алкоголя приносит вред организму, безопасной его дозы не существует[40][46].
Под наркотическим действием обозначается его способность вызывать кому, ступор, нечувствительность к боли[47], угнетение функций ЦНС, алкогольное возбуждение[48], привыкание[49], а также его наркозное действие[50]. Под действием этанола происходит выделение эндорфинов в прилежащем ядре (Nucleus accumbens), у страдающих алкоголизмом — также в орбитофронтальной коре (поле 10)[51]. Тем не менее с юридической точки зрения этиловый спирт наркотиком не признан, так как это вещество не включено в международный список контролируемых веществ конвенции ООН 1988 года[52]. В определённых дозах к массе тела и концентрациях приводит к острому отравлению и смерти.
Приём алкогольных напитков на фоне приёма лекарств очень нежелателен, так как алкоголь извращает действие лекарственных средств и вследствие этого становится опасен для жизни человека. Отрицательное влияние алкогольных напитков на результаты фармакотерапии многообразно и зависит от различных факторов: индивидуальных свойств больного, его чувствительности, тяжести заболевания, но во всех случаях у пациентов, принимающих лекарства и потребляющих алкоголь, эффективность фармакотерапии ослабляется, а порой и сводится на нет[67]:157,159.
Этанол может в небольших количествах синтезироваться в просвете желудочно-кишечного тракта в результате процессов ферментации углеводной пищи микроорганизмами (условный эндогенный алкоголь)[74]. Существование биохимических реакций с синтезом этанола в тканях организма человека (истинно эндогенный алкоголь) полагается возможным, но не доказано к настоящему моменту[75][76]. Количество эндогенного алкоголя редко превышает 0,18 промилле, что находится на границе чувствительности самых современных приборов. Обычный алкотестер такое количество определить не может[77].
Опасность вдыхания паров
Этанол может наносить вред здоровью и при вдыхании паров при достаточно большой концентрации. В РФ установлена ПДК этого вещества: 1000 мг/м3 (среднесменная, за 8 часов) и 2000 мг/м3 (максимальная разовая). По классу опасности этиловый спирт отнесён к 4-му классу[78] опасности (малоопасное вещество).
Виды и марки этанола
Ректификат (точнее, спирт-ректификат) — это очищенный путём ректификации этиловый спирт, содержит 95,57 %,.
Спирт этиловый абсолютированный — содержание спирта >99,9 %.
Спирт медицинский — содержание спирта 96,4—97 %.
Этимология названий
Для обозначения данного вещества используется несколько наименований. Технически наиболее правильным является термин этанол или этиловый спирт. Однако значительное распространение получили названия алкоголь, винный спирт или просто спирт, хотя спирты, или алкоголи — это более широкий класс веществ.
Этимология термина «этанол»
Названия этанол и этиловый спирт указывают на то, что данное соединение содержит в своей основе этил — радикал этана. При этом слово спирт (суффикс -ол) в названии указывает на содержание гидроксильной группы (-OH), характерной для спиртов.
Этимология названия «алкоголь»
Название алкоголь происходит от араб.الكحل аль-кухуль, означающего мелкий порошок, полученный возгонкой[79], порошкообразная сурьма[80], порошок для подкрашивания век[81]. В средневековой латыни словом лат.alcohol обозначали порошки, дистиллированную воду[82][83].
В русский язык слово «алкоголь» пришло через его немецкий вариант нем.Alkohol. Однако в русском языке сохранился в виде архаизма, по всей видимости, и омоним слова «алкоголь» в значении «мелкий порошок»[84].
Этимология слова «спирт»
Наименование этанола винный спирт произошло от лат.spiritus vini (дух вина). В русский язык слово «спирт» пришло через английский его вариант англ.spirit[85].
В английском языке слово «спирт» в данном значении использовалось уже в середине XIII века, и только начиная с 1610 года слово «спирт» стало употребляться алхимиками для обозначения летучих веществ, что соответствует основному значению слова «spiritus» (испарения) в латинском языке[86]. К 1670-м годам значение слова сузилось до «жидкостей с высоким процентным содержанием алкоголя»[87], а летучие жидкости получили название эфиров[88].
↑Козин В. Г., Солодова Н. Л., Башкирцева Н. Ю., Абдуллин А. И. Современные технологии производства компонентов моторных топлив. Учебное пособие.. — Казань: КГТУ, 2009. — 327 с.
↑[1]Архивная копия от 20 июля 2017 на Wayback Machine Федеральное агентство по техническому регулированию и метрологии. ГОСТ Р 52409-2005 (полный текст)
↑Alcohol use and burden for 195 countries and territories, 1990–2016 : a systematic analysis for the Global Burden of Disease Study 2016 : [англ.] / GBD 2016 Alcohol Collaborators // The Lancet : журн. — 2018. — Vol. 392, no. 10152. — P. 1015–1035. — doi:10.1016/S0140-6736(18)31310-2. — PMID30146330. — PMC6148333.
↑ 12Lambert B., He S. M. DNA and chromosome damage induced by acetaldehyde in human lymphocytes in vitro (англ.) // Ann N Y Acad Sci[англ.] : journal. — 1988. — Vol. 534. — P. 369—376. — PMID3389666.
↑Chemical Summary For Acetaldehyde, US Environmental Protection Agency
↑Ramstedt M. Alcohol and pancreatitis mortality in the population level: experiences from 14 western countries. Addiction 2004; 99: 1255—1261.[2]Архивная копия от 12 ноября 2018 на Wayback Machine
↑Singletary K. W., Gapstur S. M. Alcohol and breast cancer: review of epidemiologic and experimental evidence and potential mechanisms (англ.) // J. Amed. Med. Assoc. — 2001. — Vol. 286, no. 17. — P. 2143—2151.
↑Allen N. E., Beral V., Casabonne D., Kan S. W., Reeves G. K., Brown A., Green J. Moderate alcohol intake and cancer incidence in women (англ.) // J. Natl. Cancer Inst. — 2009. — Vol. 101, no. 5. — P. 296—305.
↑Патологическая физиология [Учебник для студентов мед. вузов]. Н. Н. Зайко, Ю. В. Быць, А. В. Атаман и др. — К.: «Логос», 1996.
↑Klatsky A. L., Friedman G. D., Siegelaub A. B., Gerard M. J. Alcohol consumption and blood pressure Kaiser–Permanente Multiphasic Health Examination data (англ.) // New Engl. J. Med. — 1977. — Vol. 296, no. 21. — P. 1194—1200.
↑Reynolds K., Lewis B., Nolen J. D., Kinney G. L., Sathya B., He J. Alcohol consumption and risk of stroke: a meta-analysis (англ.) // J. Amer. Med. Assoc. — 2003. — Vol. 289, no. 5. — P. 579—588.
↑ 123Взаимодействие лекарств и эффективность фармакотерапии / Л. В. Деримедведь, И. М. Перцев, Е. В. Шуванова, И. А. Зупанец, В. Н. Хоменко; под ред. проф. И. М. Перцева. — Харьков: Издательство «Мегаполис», 2001. — 784 с. — 5000 экз. — ISBN 996-96421-0-X.
↑Sokol R. J., Clarren S. K. Guidelines for use of terminology describing the impact of prenatal alcohol on the offspring (англ.) // Alcohol Clin. Exp. Res. — 1989. — Vol. 13, no. 4. — P. 597—598.
↑Fergusson D. M., Boden J. M., Horwood L. J. Tests of causal links between alcohol abuse or dependence and major depression (англ.) // JAMA : journal. — 2009. — Vol. 66, no. 3. — P. 260—266. — doi:10.1001/archgenpsychiatry.2008.543. — PMID19255375.
↑Falk D. E., Yi H. Y., Hilton M. E. Age of onset and temporal sequencing of lifetime DSM-IV alcohol use disorders relative to comorbid mood and anxiety disorders (англ.) // Drug Alcohol Depend : journal. — 2008. — Vol. 94, no. 1—3. — P. 234—245. — doi:10.1016/j.drugalcdep.2007.11.022. — PMID18215474. — PMC2386955.
↑Schuckit M. A., Smith T. L., Danko G. P. A comparison of factors associated with substance-induced versus independent depressions (англ.) // J Stud Alcohol Drugs[англ.] : journal. — 2007. — Vol. 68, no. 6. — P. 805—812. — PMID17960298.