Этанол
Общие сведения
Этанол, также известный как этиловый спирт или винный спирт, представляет собой органическое химическое соединение, являющееся одним из наиболее известных и широко используемых представителей класса спиртов. Исторически термин «алкоголь» происходит от арабского слова «алкохуль», что первоначально означало «мелкий порошок» и применялось в алхимии, в том числе для описания продуктов перегонки. Слово «спирт» восходит к латинскому выражению «spiritus vini» (дух вина). В английском языке слово «spirit» (дух) начало применяться для обозначения летучих веществ с 1610 года, а в значении алкоголя закрепилось к концу семнадцатого века.
В нормальных условиях этанол представляет собой бесцветную, легкоподвижную и летучую жидкость с характерным узнаваемым запахом и жгучим горьким вкусом. Вещество легче воды, однако неограниченно с ней смешивается, выступая отличным растворителем. Процесс смешивания этанола с водой сопровождается уменьшением общего объема смеси (контракцией) и существенным выделением тепла. В химической практике выделяют абсолютный этанол (с концентрацией около 100 процентов) и ректификат (азеотропную смесь, содержащую 95,6 процента этанола и 4,4 процента воды), которая не поддается дальнейшему разделению обычной перегонкой. Температура кипения 96-процентного спирта составляет 78 градусов Цельсия. Температура замерзания зависит от концентрации водного раствора: чистый этанол замерзает при минус 114 градусах Цельсия, а минимальная температура плавления смеси (минус 118 градусов) достигается при концентрации спирта 93,5 процента. При сильном охлаждении ниже минус 40 градусов Цельсия этанол не испаряется, а превращается в вязкую жидкость, напоминающую кисель, при минус 70 градусах приобретая густоту меда. В организме человека этанол образуется естественным путем в микроскопических количествах как побочный продукт метаболизма глюкозы, однако при поступлении извне он оказывает выраженное токсическое и наркотическое действие, выступая сильным депрессантом центральной нервной системы.
Классификация
В номенклатуре органической химии этанол классифицируется как предельный одноатомный первичный спирт. Его химическая формула — C2H5OH (или C2H6O). В структуре молекулы присутствует углеводородный радикал этил, состоящий из двух атомов углерода, который связан с одной гидроксильной группой, определяющей принадлежность соединения к классу спиртов и его основные химические свойства.
Способы получения
В современной промышленности этанол получают двумя основными путями: микробиологическим (спиртовое брожение) и синтетическим (гидратация этилена).
Спиртовое брожение является древнейшим биотехнологическим процессом. В качестве сырья используются продукты, богатые углеводами: крахмалистые культуры (зерно, картофель, кукуруза), а также сахаросодержащие растения. В современном промышленном цикле крахмал предварительно подвергают ферментации с использованием бактериального фермента альфа-амилазы, расщепляя его до простых сахаров. Затем в реактор добавляют дрожжи, которые в анаэробных условиях перерабатывают глюкозу в этанол и углекислый газ. Процесс брожения естественным образом останавливается при достижении концентрации этанола около 15 процентов, так как более высокое содержание спирта губительно для самих дрожжей. Полученная брага, содержащая спирт, сивушные масла и отходы производства (барду), отправляется на очистку в брагоректификационные колонны. В Советском Союзе было широко развито гидролизное производство, в котором в качестве сырья для брожения применялись древесные опилки и солома. Древесина предварительно подвергалась гидролизу для получения сахаров, пригодных для сбраживания специальными кормовыми дрожжами.
Синтетический метод базируется на прямой или косвенной гидратации этилена (продукта переработки нефти). Прямая гидратация протекает при температуре 300 градусов Цельсия и давлении 7 мегапаскалей. Катализатором процесса выступает ортофосфорная кислота, нанесенная на силикагель, активированный уголь или асбест. Второй способ (косвенная гидратация) включает промежуточную стадию взаимодействия этилена с концентрированной серной кислотой с образованием сложного эфира, который затем подвергается гидролизу водой с выделением этанола.
Очистка этанола осуществляется методом фракционной перегонки (ректификации), позволяющей получить 95,6-процентный спирт. Для получения 100-процентного (абсолютного) спирта применяют обработку веществами, активно поглощающими воду, такими как негашеная известь или безводный сульфат меди (медный купорос).
Свойства
Химические свойства этанола определяются наличием гидроксильной группы. Он легко воспламеняется и горит светлым голубоватым пламенем с образованием диоксида углерода и воды, не выделяя при этом токсичных веществ. Как и все одноатомные спирты, этанол проявляет свойства очень слабой кислоты. При взаимодействии с щелочными металлами он образует соли — алкоголяты (например, этилат натрия). Реакции с карбоновыми и минеральными кислотами приводят к синтезу сложных эфиров.
Этанол вступает в реакции нуклеофильного замещения: гидроксильная группа может быть замещена на атом галогена при действии галогеноводородов, галогенидов фосфора или тионилхлорида. Сам этанол способен выступать в роли нуклеофила, присоединяясь к органическим соединениям с двойными связями или взаимодействуя с альдегидами с образованием полуацеталей и ацеталей.
При нагревании в присутствии сильных водоотнимающих средств (например, концентрированной серной кислоты) этанол подвергается межмолекулярной дегидратации с образованием диэтилового эфира. При более жестких условиях (высокая температура, катализатор на основе оксида алюминия) происходит внутримолекулярная дегидратация, в результате которой этанол превращается обратно в этилен. В присутствии сложных катализаторов (содержащих оксиды алюминия, цинка, магния) этанол превращается в бутадиен. Данная реакция, открытая С. В. Лебедевым в 1932 году, стала основой для первого в мире крупнотоннажного производства синтетического каучука в СССР. Качественной (аналитической) реакцией на этанол является его взаимодействие с йодом в слабощелочной среде, в результате чего выпадает осадок йодоформа. Под действием различных окислителей этанол способен превращаться в ацетальдегид, уксусную кислоту или щавелевую кислоту.
Токсикологические свойства этанола выражаются в его мощном депрессивном воздействии на центральную нервную систему и наркотическом эффекте, сопровождающемся выбросом эндорфинов. В печени этанол метаболизируется ферментом алкогольдегидрогеназой до ацетальдегида — высокотоксичного и мутагенного вещества, повреждающего ДНК. Хроническое употребление этанола ведет к формированию тяжелой физической и психической зависимости (алкоголизма), а также провоцирует развитие цирроза печени, гастрита, панкреатита, онкологических заболеваний и инсультов.
Применение
Спектр применения этанола охватывает химическую промышленность, энергетику, медицину, а также пищевую и парфюмерную отрасли. В химической индустрии этанол служит важнейшим сырьем для синтеза ацетальдегида, диэтилового эфира, уксусной кислоты, хлороформа, этилацетата, а также этилена и бутадиена. Он широко применяется как доступный и относительно безопасный растворитель в бытовой химии, входя в состав стеклоомывателей (незамерзающих жидкостей), антифризов и чистящих средств.
В энергетическом секторе этанол все активнее используется в качестве экологически чистого моторного биотоплива, не нарушающего глобальный баланс углекислого газа. Топливный этанол смешивают с бензином (например, смесь Е85 содержит 85 процентов спирта), для чего создаются специальные двигатели типа Flex-Fuel, способные работать на любых пропорциях бензина и спирта. Лидерами в производстве топливного биоэтанола из сельскохозяйственного сырья выступают США и Бразилия. Исторически этанол применялся в качестве топлива для первых ракетных двигателей (включая ракеты Фау-2 и ранние советские баллистические ракеты).
В медицине этанол незаменим как наружный антисептик, подсушивающее и дубящее средство (для обработки рук хирургов). Он является универсальным экстрагентом для получения лекарственных настоек и экстрактов из растительного сырья. Выдающимся медицинским применением этанола является его использование в качестве антидота при острых отравлениях метанолом и этиленгликолем. Фермент алкогольдегидрогеназа имеет значительно большее сродство к этанолу; при его введении фермент переключается на переработку этилового спирта, предотвращая распад метанола до смертельно опасных формальдегида и муравьиной кислоты, что позволяет организму постепенно вывести токсины через почки в неизменном виде.
В пищевой промышленности этанол применяется как консервант и растворитель пищевых добавок (зарегистрирован под кодом Е1510), а также является основой всех алкогольных напитков. В незначительных концентрациях (до 1-2 процентов) он естественным образом присутствует в продуктах молочнокислого и спиртового брожения, таких как кефир, квас и кумыс.