乙醇(英文名称:Ethanol)是一种重要的有机物,俗称酒精,分子式为C 2 H 6 O,摩尔质量为46.07g/mol,密度为0.79g/cm 3 ,是无色透明易挥发和易燃性液体,具有酒的气味和刺激的辛辣味,燃烧时出现淡蓝色火焰。乙醇易溶于水、甲醇、乙醚和氯仿等,能与水以任意比例混合,具有吸湿性,能与水混合形成共沸混合物。乙醇可通过发酵法和乙烯水合法进行制备。乙醇是重要的基础化工原料,广泛应用于医药、食品和化工等行业,是一种常用溶剂,也用作消毒剂、洗涤剂和燃料等。
历史
酒精是最古老的人造饮料。从考古资料发现, 原始社会 人们就开始使用瓜果、谷物发酵酿酒。4000多年前 大禹 记载过酿酒方法,当时人们把饮酒当作一种生活乐趣。而且并非只有人才会酿酒,明代 李日桦 所著《 紫桃轩・蓬桃夜话 》中曾描述“ 黄山 多猿 ,春夏采花于石注中,酝酿 商汤 ,香气溢发,闻数百步”。这就是最古老的“猿猴造酒”的传说。《 汉书·食货志 》曾写道:酒,百药之长。《 本草纲目 》也记载过:酒少饮则和血行气,痛饮则伤神耗血,损胃之精,生痰动火。《 圣经 》挪亚篇记载过酒精急性中毒; 希腊 和 印度 也有类似记载。19世纪医学家用酒精治疗心衰和 伤寒 等症。生理学家和 药理学 学家开始对酒精的药理作用进行研究,发现酒精能影响鸟的中枢神经活动,抑制蛙和哺乳动物的心跳,影响狗的胃肠消化吸收功能。
关于利用木材发酵生产酒精的历史非常悠久,十九世纪30年代 德国 采用 强酸 高温法水解木材,后来又采用稀酸水解法水解木材,1935年 苏联 建成第一个 木材水解 厂(列宁格勤水解厂),第二年便开始了木材水解酒精生产, 美国 、 加拿大 也利用木材废料制造酒精,以上各国均是采用酸水解法。直到1973年后, 酶水解 方法的研究得到了较大的发展。
1878年,A.Mitscherlich首先提出了对 亚 硫酸 盐 废液中的 糖类 进行发酵以生产酒精的方法并获专利。1907年在 瑞典 首次对SSL中 糖类 的发酵过程进行了大规模的研究。到1940年,瑞典已有21家工厂将这种方法用于工业规模的生产。很快,这种用SSL生产酒精的方法就被其他国家接受。
1825年,第一次发表了间接水合法科学实验结果, 乙烯 用 硫酸 吸收再经 水解 制得乙醇。1930年, 美国联合碳化物 (Union Carbide Co.)首先采用间接水合法生产乙醇,该法在美国迅速发展。从提出该法到实现工业化,中间将近隔了一个多世纪。但是由于间接水合法生产乙醇的过程中硫酸介质会导致设备腐蚀和需要消耗大量硫酸,自1932年起, 美国 和 苏联 就开始了直接水合法的研究。其实早在1900年左右就发现了乙醇在 固体 催化剂 下脱水生成乙烯;1923年报道了 乙烯 和水在一定的温度下(300℃~400℃)通过 催化剂 ( 氧化铝 )可以得到乙醇。其实 乙烯 直接水合制乙醇关键问题是寻找有实用价值的催化剂,有不少研究者花费大量时间去研究选取催化剂和相平衡关系的研究,但都未取得满意的成果。苏联1939年建立中试并进行中间试验,同时开展催化剂筛选和水合工艺的研究。确定了工艺条件和以磷酸-合成 硅酸铝 为催化剂,于1957年在 隆拉托夫 、 格罗兹内依 、 乌法 、 古比雪夫 、 巴库 等地实现了工业化生产。到了六十年代中期,他们又对水合催化剂进行改进和提高,最后确定为磷酸- 硅藻土 催化剂。约在1945年,美国壳牌(Shell)化学公司发现了磷酸本身可以作为直接水合的 催化剂 ,并将 磷酸盐 载在 硅藻土 载体上,制成了 固体催化剂 ,从而使该公司于1948年在 休斯敦 ( Houston )实现了直接水合法工业化生产。
生理作用
人喝下去的乙醇,其中90%以上由胃肠吸收进血液,随着 血液循环 到肝脏,并在肝脏内转化为 乙醛 。乙醛比乙醇更具有毒性,乙醛很快被转化成 食用醋酸 ,而 醋酸 可被任何 细胞 所利用,最后氧化成 水和 二氧化碳 排出体外。另有不到10%的乙醇由尿液、汗液、唾液、呼吸等途径排出。
结构
乙醇中, 羟基 上的氧是sp 3 杂化,两对 孤对 电子 分别占据两条sp 3 杂化轨道 ,另外两条sp 3 杂化轨道一条与氢形成 键,一条与碳的sp 3 杂化轨道形成 键。
理化性质
物理性质
乙醇是一种无色透明易挥发和 易燃 的液体, 结构简式 为CH 3 CH 2 OH,密度为0.79g/cm 3 , 摩尔质量 为46.07g/ 摩尔 , 熔点 为-114℃, 沸点 为78℃,闪点为12.78℃,易溶于水、 甲醇 、 乙醚 和 三氯甲烷 等,能与水以任意比例混合,还是一种良好的有机 溶剂 ,具有吸湿性,能与水混合形成 共沸 混合物 。
化学性质
氧化反应
乙醇燃烧时发出不易见的淡蓝色火焰,放出热量,燃烧后生成 二氧化碳 和水。其化学反应 方程式 如下:
乙醇在 高锰酸钾 或 重铬酸钾 等 氧化剂 的作用下,能迅速氧化生成 乙醛 ,进一步氧化生成 冰醋 ( 乙酸 )。
工业上常用此法检查 蒸馏 液中有无酒精的存在。如果有酒精的存在,溶液将变为绿色,酒精含量越大,绿色越深。用比色法可测得蒸馏废液中酒精含量的多少。
乙醇在加热和 催化剂 (铜或银)存在的条件下,能被空气氧化而生成乙醛。工业上采用这个方法生产乙醛。
还原反应
乙醇能与 碱金属 作用放出 氢气 。乙醇与金属 钠 反应 方程式 如下:
脱水反应
乙醇和 浓硫酸 混合共热时,发生脱水反应,脱水产物因反应条件不同而不同。在170℃左右时乙醇分子内脱水,生成 乙烯 ;如控制温度在140℃左右,则乙醇会发生 分子间脱水 ,生成 乙醚 。
消除反应 (分子内脱水):
分子间脱水:
乙醇与 有机酸 作用生成 ,是一种只由 羟基 中的氢所参与的反应类型,该反应是可逆的。
脱氢 反应
乙醇蒸气在200℃~300℃的温度下,用 铜 作为 催化剂 时,一步脱氢得到 乙醛 。
酸碱反应
乙醇的 解离 :
乙醇是比水还弱的酸,根据酸碱定义,较弱的酸失去 氢离子 后就成较强的碱,所以 乙醇钠 是比 氢氧化钠 更强的碱。
卤化 反应
乙醇与 卤化氢 (通常是 氯化钠 和 浓硫酸 的 混合物 )反应, 羟基 被 卤族元素 取代生成 卤烃 和水。这是制备 卤烃 的重要方法之一。
其他
乙醇与 硝酸 反应,生成 硝酸乙酯 。硝酸乙酯受热分解,会发生猛烈爆炸,因此可作为 炸药 原料。
乙醇能使 蛋白质 凝固 变性 ,因此具有杀菌能力,75%乙醇杀菌能力最强。少量的乙醇对人的大脑有兴奋作用。
制备方法
发酵法
粮食发酵法
粮食发酵法是最早发明生产乙醇的方法,该方法至今还在使用,特别是在饮用酒的生产上。工业上先将谷物淀粉在淀粉 糖化酶 的作用下预先进行糖化:
发酵过程中, 二糖 (即 麦芽糖 ) 水解 生成 葡萄糖 :
最后 葡萄糖 酒化:
木材水解 发酵法
木材是由 纤维 、半纤维( 戊糖 、 己糖 )及 木质素 组成,还有 无机化合物 (灰分)、 树脂 、油脂、 单宁 等物质。木材中大约有一半是纤维。
木材发酵法制备乙醇,首先用 硫酸 或 盐酸 水解 木材,将纤维变成 葡萄糖 :
然后进入制醇的发酵阶段。
亚硫酸盐 废 碱液 制取乙醇法
在用纤维 造纸 的企业中,有大量的废亚硫酸盐碱液产生,对这种废液经过蒸煮等过程处理后得到乙醇。因为纸浆废液中含有
纤维素 ,这种纤维素可以转化为 葡萄糖 ,经过发酵即可得到乙醇和 二氧化碳 。这种乙醇通常称作亚硫酸盐乙醇。
乙烯水合法
乙烯 间接水合法
乙烯 间接水合法又称 硫酸 法。首先 乙烯 和硫酸作用生成 硫酸氢 乙酯 :
或生成 硫酸二乙酯 :
然后 硫酸酯 水解 ,重新放出硫酸,得到乙醇:
或
乙烯 直接水合法
乙烯 直接水合法是乙烯和水在 催化剂 、高温、加压条件下直接加成得到乙醇的方法:
该法又称为一步法。
应用领域
在医药卫生事业方面,乙醇被广泛用来进行医疗器具和皮肤的消毒,还可用乙醇绷带医治创伤。乙醇是泡制各种药酒和制备
碘酒的必需原料;还可用来调制许多生药以制备成药,如 大黄 酊 、流浸膏等。
在食品工业中,往往用乙醇作 防腐剂 和 化学消毒剂 。用食用乙醇制造各种 配制酒 、兑制白酒、强化 葡萄酒 ,以及用以制 醋的运用 、制
造各种酒精性饮料和作为 食品添加剂 等。
在农牧业方面,乙醇是制造 农业杀虫剂 的重要原料。酒精厂的副产物 酒糟 以及以酒糟为原料制造的饲料酵母、 维生素 等精饲
料,都是牲畜的优良饲料,它们不但营养丰富,而且具有特殊的香味,牲畜特别爱吃。这对 节约粮食 和促进畜牧业的发展均有重要意义。另外,酒糟还用来 养鱼 和作为农业肥料。
在 交通运输 业方面,乙醇不仅直接可作 发动机 的燃料,而且还可将乙醇掺入汽油中,以提高汽油的燃烧值,改善防爆性能,并能保持机器的清洁和减少对空气的污染。
在 化学工业 方面,乙醇是制造 乙醛 、 冰醋 、 乙醚 、 聚乙烯 、 丁二烯 、 乙二醇 、 三氯甲烷 、 黄碘 以及 合成橡胶 等 化工产品 的重要原料。
乙醇是一种良好的有机 溶剂 。它可以作为各种香料、油漆、 染料 、油脂、军工、电影、 树脂 、 硝化纤维素 和照相胶片的 溶剂 ,也可用以 萃取 植物油与 香精油 等。
安全事宜
安全标识
CHS分类
毒理学资料
大鼠LD 50 经口给药为7060mg/kg,LC 50 吸入10小时为20000mg/m 3 ; 小鼠 LD 50 经口给药为3450mg/kg,LC 50 吸入4小时为39mg/m 3 。皮肤刺激,兔轻度;眼刺激,兔重度。 国际癌症研究机构 ( IARC )分类酒精饮料中的乙醇为1类致癌物。
生态影响
乙醇泄漏到土壤中,会蒸发或被 生物降解 ,或者 渗漏 到地下水中去。释放到水中,会蒸发或被生物降解,不会在鱼体内发生累积。释放到空气中,会被光分解, 半衰期 为4d~6d。
消防措施
灭火时,应彻底扑灭,防止二次复燃。疏散和清理火场时,应有泡沫跟进保护,以便消除隐蔽的火源。做好个人防护,减
少皮肤外露,以防灼伤。防止爆炸伤人,应利用承重物体掩护。
灭火剂可以使用抗溶性泡沫、 二氧化碳 、“1211”灭火剂、干粉等。如果是储罐发生火灾,罐壁应用水冷却。
健康危害
乙醇对人有麻醉作用,少量饮用能加快 血液循环 ,大量饮用时使中枢神经和运动反射麻痹,导致运动失调,意识不清,还会引起 肝脏 、 胰腺 和 心脏 疾病。人饮用乙醇的中毒剂量为75g~80g,致死剂量为250g~500g。
乙醇急性中毒会使人出现意识丧失、瞳孔扩大、呼吸不规律、休克、心力循环衰竭和呼吸停止。
储存与运输
乙醇储存于阴凉通风仓间内,仓温不超过30℃,远离火种、热源,防止阳光直射。应与 氧化剂 、遇水燃烧物品等分仓间存放,切勿混储混运。桶储时应经常检查是否有泄漏,如发现泄漏,应及时换桶。