Этанол
Материал из Википедии — свободной энциклопедии
| 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 (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 соедининия | Ацетальдегид Уксусная кислота |
Этано́л (эти́ловый спирт, метилкарбинол, винный спирт, гидроксид пентагидродикарбония, часто просто «спирт», алкого́ль) — C2H5OH или CH3–CH2–OH, второй представитель гомологического ряда одноатомных спиртов. Легковоспламеняющаяся, бесцветная жидкость с характерным запахом. Согласно ГОСТам 5964-72, 5964-82 и 18300-72 - "...относится к сильнодействующим наркотикам, вызывающим сначала возбуждение, а затем паралич нервной системы". Действующий компонент алкогольных напитков.
Содержание |
[править] Получение
Существует 2 основных способа получения этанола — микробиологический (спиртовое брожение) и синтетический (гидратация этилена):
[править] 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:
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.
[править] 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:
- 1 сорт
- высшей очистки
- базис
- Экстра
- Люкс
- Альфа
Производительность современного спиртового завода около 3000—5000—10000 дал (декалитров) безводного спирта в сутки.
[править] 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.
[править] 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
- прямая гидратация при температуре 300 °C, давлении 7 МПа, в качестве катализатора применяют ортофосфорную кислоту, нанесённую на силикагель, активированный уголь или асбест:
Эта реакция осложняется образованием диэтилового эфира.
[править] 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).
[править] 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]
[править] 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.
| 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 |
| 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 |
| 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 |
| 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 |
| 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 |
| 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.
[править] Применение
[править] 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.
[править] 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.
[править] Медицина
- 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)[2];
- антидот при отравлении этиленгликолем и метиловым спиртом;
[править] 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.
[править] 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.
[править] Мировое производство этанола
Производство этанола по странам, млн литров. Данные ethanolrfa.org.
| Страна | 2004 | 2005 | 2006 | 2007 |
|---|---|---|---|---|
| США | 13 362 | 16 117 | 19 946 | 24564,71 |
| Бразилия | 15 078 | 15 978 | 16 977 | 18972,58 |
| Евросоюз | - | - | - | 2155,73 |
| Китай |
|
|
|
- |
| Индия |
|
|
|
- |
| Франция |
|
|
|
- |
| Германия |
|
|
|
- |
| Россия |
|
|
|
- |
| ЮАР |
|
|
|
- |
| Великобритания |
|
|
|
- |
| Испания |
|
|
|
- |
| Таиланд |
|
|
|
299,37 |
| Колумбия |
|
|
|
283,12 |
| Весь мир: | 40 710 | 45 927 | 50 989 | - |
[править] 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 |
| 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 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.
[править] 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.
[править] Экономичность
Cебестоимость бразильского этанола (около 0,19 долларов США за литр) делает его использование экономически выгодным [1].
[править] 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.
[править] Безопасность и регулирование
- Этанол — горючее вещество, его пары с воздухом взрывоопасны.
- Этиловый спирт относится к наркотическим ядам[3]. Употребление спиртных напитков может привести к алкоголизму и даже к острому отравлению.
О налогообложении питьевого спирта смотрите статью Алкогольные напитки#Акциз.
[править] Токсикология этанола
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.
[править] Виды и марки этанола
Ректификат (точнее, спирт-ректификат) — это очищенный путем ректификации этиловый спирт, содержит 95,57 %, химическая формула C2H5OH.
[править] Юмор
- Перегоним всю гуашь на C2H5OH
- И солнце ярче светит, и радостней пейзаж, когда в желудке плещет C2H5OH
- H2O — девиз не наш, наш — C2H5OH
- «Предо мной рассеялся мрак, Стало легче и радостней жить, Раньше выпить я был не дурак, А теперь не дурак, чтобы пить...»
[править] Примечания
- ↑ Статья «Абсолютный спирт» в БСЭ
- ↑ Средства, влияющие на ЦНС
- ↑ Бакулев А.Н., Петров Ф.Н. Популярная медицинская энциклопедия. — М.: Государственное Научное Издательство «Советская энциклопедия», 1961. — С. 25.; Справочник по токсикологии «Неотложная помощь при острых отравлениях». — М.: 1977. — С. 105.; а также ГОСТ 18300-72 (1972 г.), п/п 5.1 и ГОСТ 5964-82 (1982 г.), п/п 4.1 при том, что естественно остались неизменными свойства этилового спирта и биологические параметры человеческого организма
[править] См. также
[править] Ссылки
- Технология
- Российская биотопливная ассоциация
- Портал альтернативного топлива
- В чём плюсы и минусы биоэтанола
- Honda создает рисовый двигатель
