Menu1

Publikacje

Alkohol etylowy

Jedna z konformacji cząsteczki etanolu.
Długości wiązań (pm):
C-H 109,36, C-C 152,97, C-O 142,47, O-H 94,51.
Kąty między wiązaniami:
C-O-H 108o32', H-C-H 109o05' (w CH2) i 108o38' (w CH3),
C-C-O 107o20', C-C-H (z CH2) 110o18'. Możliwa jest
swobodna rotacja wokół wiązań pojedynczych
Alkohol etyloy (etanol) to jedna z najbardziej znanych z codziennego życia substancji chemicznych i chyba najbardziej znana substancja organiczna. Alkohol etylowy przedstawiany jest wzorem C2H5OH (w skrócie EtOH, Et=etyl) lub CH3CH2OH. Struktura przestrzenna cząsteczek etanolu widoczna jest na rysunku. Należy pamiętać, że w ciekłym etanolu cząsteczki EtOH nie są w pełni samodzielne, lecz tworzą między sobą wiązania wodorowe.
Etanol jest to bezbarwna ciecz mieszająca się w każdym stosunku z wodą i prawie wszystkimi rozpuszczalnikami organicznymi. Etanol jest nieco lżejszy od wody, wrze w temperaturze 78.3oC a krzepnie dopiero w bardzo niskiej temperaturze -114oC. Inne dane o własnościach fizycznych etanolu zebrane są w tabeli. Dla porównania podano wartości dotyczące wody.
Tabela 1. Własności etanolu i wody
 C2H5OHH2OJednostka
temp. topnienia-114,150,0oC
temp. wrzenia78,32100,0oC
gęstość0,785060,99704g cm-3
lepkość1,0900,8903cP
napięcie powierzchn.22,171,96N/m
ciepło tworzenia-277,8-285,83kJ/mol
entropia159,969,95kJ/mol
ciepło właściwe112,575,30J/(K mol)
wsp. zał. światła nD1,359411,33250-
moment dipolowy5,776,0710-30 C m
stała dielektryczna24,5578,30-
ciepło topnienia4,936,010kJ/mol
ciepło parowania42,344,02kJ/mol
potencjał jonizacji10,4912,615eV
przewodn. cieplne0,170,61W/(m K)
przewodn. elektr.1,7E-74,3E-6S m-1
rozszerz. cieplna0,001080,00021-
stała autoprotolizy3E-201,00E-14mol2 dm-6
prędkość dźwięku12071497m/s
Alkohol etylowy jest cieczą o charakterystycznym, ostrym zapachu i piekącym smaku. Ciekawe, że z obiekywnego punktu widzenia jest (w rozcieńczeniu!) jedną z najsmaczniejszych prostych substancji organicznych (pomijamy węglowodany, lipidy i białka). Z pewnością jest zaś najsmaczniejszym (lub najmniej niesmacznym - przyp. red. nacz.) rozpuszczalnikiem organicznym, bo kto by się napil~ np. acetonu (zmywacz do paznok ci), benzenu (rozcieńczalnik do farb i klejów) lub czterochlorku węgla (płyn do napełniania gaśnic)?
Alkohol jest doskonale znany jako używka w formie różnych napojów alkoholowych, zawierających różną zawartość procentową czystego etanolu. Byłoby truizmem wymieniać, który to napój ile alkoholu zawiera, gdyż jest to tzw. wiedza podstawowa. Można natomiast pokrótce omówić, jaka zawartość alkoholu w organizmie powoduje określone skutki.
Jako jednostkę przyjęto używać promille (%o), będące 1/1000 całości, podobnie jak % jest częścią setną. 1% = 10%o. Przy zawartości 1%o człowiek odczuwa tzw. "humorek", który przy 2%o nasila się. Upraszczają się procesy myślowe, pijący staje się często bardziej elokwentny, śmiały i łatwiej nawiązuje kontakty towarzyskie, co zachęca z kolei do popijania alkoholu częściej. Przy 3-4%o mowa staje się poplątana, rozumowanie ograniczone, świadomość zaburzona i pojawia się niezborność ruchów. W tym stanie pijący łatwo może doprowadzić do przestępstw. Często występują wymioty, które uniemożliwiają dalsze podwyższenie stężenia alkoholu.
Bardziej "zatwardziałym" udaje się jednak podwyższyć stężenie EtOH do 5%o i w wyniku tego zapadają w sen narkotyczny ze zniesieniem wrażliwości na różne bodźce. Jeżeli jednak osoba, która ma już ok. 3-4%o wypije szybko dużą ilość alkoholu i nie zwymiotuje może przekroczyć stężenie 6%o i... zejść~ z tego świata. 6%o alkoholu we krwi jest średnią dawką śmiertelną powodującą 50% zgonów. Znane są jednak przypadki śmierci i przy 4%o, jak również istnieją różne fenomeny natury, które wytrzymały nawet do 9%o (pewien mieszkaniec Białorusi). Można dodać, że 9%o to stężenie, jakie występuje np. w ciemnym piwie, a statystycznie jedno na 7000 upić kończy się śmiercią.
Podstawowym narządem neutralizującym skutki działania EtOH jest wątroba. Przepala ona 0,1-0,12g EtOH/h na 1kg masy ciała u mężczyzn i ok. 0.08-0.09g EtOH/h na kg masy ciała u kobiet które, jak z tego widać, upijają się łatwiej i dłużej od mężczyzn dochodzą do równowagi. Alkohol utleniając się przechodzi kolejno w aldehyd octowy, kwas octowy i wreszcie CO2+H2O. Wydziela się przy tym dość duża ilość energii równa ciepłu spalania odpowiedniej ilości alkoholu. W latach 50 istniały "pomysły" zadaptowania alkoholu jako jedynegoźródła eenergii dla człowieka. Prace te zakończyły się jednak porażką. Wątroba przerabiająca alkohol w miarę upływu czasu zużywa się coraz bardziej, podobnie jak zużywa się silnik samochodowy przerabiający benzynę. Z biegiem czasu dochodzi do uszkodzenia i zniszczenia tak wątroby jak układu nerwowego (Jednorazowe upicie się niszczy nieodwracalnie ok. 6 milionów komórek nerwowych spośród ok 20 miliardów, które mamy) i wielu innych ważnych dla życia narządów, co poprzez różne fazy alkoholizmu prowadzi do śmierci.
Przejdźmy do scharakteryzowania własności chemicznych. Alkohol etylowy wykazuje własności amfoteryczne - jest w pewnym stopniu i kwasem i zasadą. Z metalicznym sodem reaguje podobnie jak woda, ale nieco mniej gwałtownie

2Na + 2C2H5OH --> 2C2H5ONa + H2

Powstała sól (etanolan sodowy) jest w roztworach w etanolu bardzo silną zasadą (mocniejszą niż NaOH) i jest często stosowana w syntezie organicznej.

Z kwasami typu HX (X=Cl, Br, I) etanol reaguje tworząc halogenki etylowe

C2H5OH + HX --> C2H5X + H2O

Halogenki etylowe nie są jednak jonowymi solami, lecz związkami kowalencyjnymi

Czynniki utleniające przeprowadzają alkohol etylowy początkowo do aldehydu octowego, a następnie do kwasu:

 [O] [O] 
C2H5OH-->CH3CHO-->CH3COOH

W reakcji z chlorem etanol tworzy aldehyd trójchlorooctowy (chloral)

C2H5OH + 4Cl2 --> CCl3CHO + 5HCl

Działaniem kwasu azotowego i Hg(NO3)2 na etanol otrzymuje się wybuchowy piorunian rtęci Hg(ONC)2.

Kwas siarkowy reaguje z etanolem różnie w zależności od warunków. Najpierw Powstaje kwas etylosiarkowy

C2H5OH + H2SO4 --> C2H5OSO3H + H2O,

który w temperaturze 170oC może rozpaść się do etenu (etylenu)

C2H5OSO3H --> C2H4 + H2SO4

lub w 130oC przereagować z nadmiarem etanolu tworząc eter dwuetylowy

C2H5OSO3H + C2H5OH --C2H5OC2H5 + H2SO4

Są to reakcje ważne z punktu widzenia zastosowań przemysłowych.

Otrzymywanie alkoholu w przemyśle jest procesem dobrze udokumentowanym i od dawna znanym. Etanol jest związkiem, w którego syntezie biotechnologię zastosowano na największą dotąd skalę. Cały proces można wyrazić znanym równaniem:

C6H12O6 --> 2C2H5OH + 2CO2

Reakcja przebiega pod wpływem zymazy. Zymaza to układ kilkunastu enzymów zawartych m.in. w drożdżach. Przebieg procesu jest w rzeczywistości znacznie badziej skomplikowany, biorą w nim udział estry fosforanów glukozy. Zainteresowanych szczegółami można odesłać do podręczników biochemii.

Surowcami do produkcji etanolu są zwykle ziemniaki zawierające skrobię, melasa, zboża i produkty odpadowe zawierające węglowodany. Ostatnio produkuje się etanol nawet z trocin. Wielocukry - skrobię ze zbóż i ziemniaków lub celulozę z trocin należy uprzednio poddawać hydrolizie chemicznej lub enzymatycznej. Otrzymany z materiałów naturalnych etanol zawiera tzw. fuzle, które składają się głównie z wyższych alkoholi (propanol, izopentanole) - mają one nieprzyjemny zapach i smak, a za to znacznie silniejsze działanie upajające. Fuzle nie zawierają (wbrew rozpowszechnionym opiniom) trującego alkoholu metylowego. Fuzle oddziela się od surowego etanolu poprzez dokładną rektyfikację.
Domowe otrzymywanie wysokoprocentowego etanolu jest w Polsce zakazane, ale nie wszyscy ten zakaz respektują. Szczególnie w dziedzinie konstrukcji coraz to nowych aparatów destylacyjnych ludzka pomysłowość nie zna granic. Konstruowane są różne aparaty na bazie czajników, konwi od mleka, destylarek samochodowych (do wody destylowanej), a ostatnio jakiś prywatny przedsiębiorca razem z sąsiadem skonstruował aparaturę opartą na odłączonym od całości obiegu fragmencie instalacji centralnego ogrzewania (2 kaloryfery i łączące je rurki). Wiadomość o tym niecodziennym wynalazku ukazała się w lutym b.r. w jednym z numerów katowickiej "Gazety policyjnej".
Na skalę techniczną etanol otrzymuje się również syntetycznie, głównie przez katalityczną hydratację etylenu w temperaturze ok. 300oC

H2O + C2H4 --> C2H5OH

Reakcję można również prowadzić w fazie ciekłej wobec H2SO4 jako katalizatora. W reakcji tej otrzymuje się ubocznie eter dwuetylowy.

Coraz rzadziej stosowana jest metoda oparta na procesie Kuczerowa:

CaO + 3C --> CaC2 + CO
CaC2 + 2H2O --> Ca(OH)2 + C2H2
C2H2 + H2O --> CH3CHO (katalizator - octan rtęciowy)
CH3CHO + H2 --> C2H5OH (katalizator - nikiel)

Metody chemiczne dają alkohol, który może być stosowany bez specjalnych ograniczeń w przemyśle, natomiast nie nadaje się do celów spożywczych, gdyż zawiera zwykle aldehydy i inne substancje, których oddzielenie jest uciążliwe i nieopłacalne.

Interesujące jest, że kilka lat temu produkowano w Polsce wódkę "Vistula" i "Baltic", prawdopodobnie wykorzystując technologię opartą na hydratacji etylenu. Badania specjalistyczne wykazały, że nie nadaje się ona do spożycia ze względu na wysoką zawartość składników toksycznych. Producenci tłumaczyli natomiast, że jest ona dobra, gdyż nawet eksportują ją do Australii.
Po pewnym czasie przyszły z Australii informacje, że polski alkohol nabywają głównie tubylcy z różnych plemion i po zmieszaniu z niewielką ilością benzyny i krwią kazuara spożywają podczas obrzędów religijnych. Wypicie takiego płynu dostarczało miejscowym czarownikom nadprzyrodzonych mocy.

Otrzymanie bezwodnego, bardzo czystego i często potrzebnego chemikom etanolu nie jest wcale sprawą łatwą. Alkohol tworzy bowiem z wodą mieszaninę azeotropową, to jest taką, której nie można zwyczajnie rozdestylować na czyste składniki (procentowy skład pary jest identyczny jak skład wrzącej cieczy). Nie jest to bynajmniej jakiś wyjątek: podobne mieszaniny z wodą tworzy kwas azotowy, kwas siarkowy, octan etylu i wiele innych substancji.
Mieszanina azeotropowa zawiera 95,5% obj. EtOH i 4,5% obj. H2O. Rozdziału tej mieszaniny na składniki można dokonać na dwa sposoby: chemicznie i fizycznie. Sposób chemiczny jest łatwiejszy w wykonaniu i polega na chemicznym związaniu wody za pomocą CaO, BaO, wodorku wapnia CaH2 i innych środków odwadniających. Zachodzą tu reakcje:

CaO + H2O --> Ca(OH)2
BaO + H2O --> Ba(OH)2
CaH2 + H2O --> Ca(OH)2 + H2

Nie można natomiast stosować bezwodnego CaCl2, gdyż reaguje on z alkoholem podobnie jak z wodą tworząc krystaliczne solwaty:

CaCl2 + 5H2O --> CaCl2*5H2
CaCl2 + 5C2H5OH --> CaCl2*5C2H5OH

Sposób fizyczny ma dwa warianty:

  1. destylacja pod zwiększonym ciśnieniem (okazuje się, że pod ciśnieniem większym od 3atm etanol nie tworzy azeotropu z wodą!)
  2. destylacja azeotropowa. Polega ona na dodaniu do alkoholu pewnej ilości np. benzenu. Tworzy się wtedy potrójny azeotrop woda-etanol-benzen wrzący w temp. 69oC. Oddestylowuje on jako pierwszy, usuwając z mieszaniny wodę. Następnie wrze azeotrop etanol - benzen w temp. 72oC (usunięciu ulega benzen) i wreszcie bezwodny etanol w 78,3oC.
Tak otrzymany alkohol dosusza się jeszcze za pomocą energicznych środków chemicznych takich jak sód czy magnez. Dokładne oczyszczenie alkoholu jest trudne. Najczystrzy otrzymany do 1985 roku etanol zawierał 99,9995% EtOH (1g zanieczyszczeń na 200kg alkoholu).
Zastosowanie alkoholu w przemyśle jest ogromne. Z bardziej interesujących zastosowań można wymienić otrzymywanie butadienu - przez pirolizę (butadien CH2=CH-CH=CH2 stosuje się w produkcji kauczuku sztucznego), otrzymywanie kwasu octowego, octanu etylu, eteru etylowego, styrenu i wielu farmaceutyków. Bardzo szerokie zastosowanie znajduje etanol jako rozpuszczalnik lub składnik rozpuszczalników mieszanych. Stosuje się go też jako dodatek do paliw, szczególnie lotniczych. Mieszanka etanol - benzyna (nafta) ma lepsze własności od czystej benzyny lub nafty przy lotach na dużych wysokościach.

Romuald Górski KCh 3/91

Menu2