Nhiều người dùng khi sử dụng các loại rượu, nước giải khác có chứa nồng độ cồn cao hay thấp thì trên bao bì đều ghi chú có thành phần là ethanol, vậy đây là chất gì? Nó có tác dụng như thế nào, những tính chất hóa học, vật lý và ứng dụng của hợp chất hữu cơ trên.

Ethanol là gì?

Ethanol là một hợp chất hữu cơ có công thức phân tử C2H6O và còn được biểu diễn bằng các công thức như CH3CH2OH hoặc C2H5OH. Nó thường được gọi là rượu hữu cơ, rượu etylic, rượu ngũ cốc hay rượu công nghiệp, rượu cồn, etanol.

Ethanol là một chất lỏng trong suốt không màu dễ cháy và dễ bay hơi ở nhiệt độ và áp suất bình thường. Nó có độc tính thấp và chất lỏng nguyên chất không thể uống trực tiếp, có mùi thơm đặc biệt và hơi khó chịu, hơi ngọt và kèm theo vị cay nồng.

Nó dễ cháy, hơi của nó có thể tạo thành hỗn hợp nổ với không khí và có thể trộn với nước ở bất kỳ tỷ lệ nào. Nó có thể trộn với chloroform, ether, methanol, acetone và hầu hết các dung môi hữu cơ khác.

Ethanol được ứng dụng rộng rãi như để sản xuất axit axetic, đồ uống, hương liệu, thuốc nhuộm , nhiên liệu…. Về mặt y học, ethanol với tỷ lệ thể tích từ 70% đến 75% cũng thường được sử dụng làm chất khử trùng.  Nó được ứng dụng trong công nghiệp hóa chất, y tế ,công nghiệp thực phẩm, công nghiệp và sản xuất nông nghiệp.

Tính chất vật lý của rượu etylic

Các tính chất vật lý của ethanol chủ yếu liên quan đến tính chất của rượu tuyến tính carbon thấp. Các nhóm hydroxyl trong phân tử có thể tạo liên kết hydro, do đó etanol có độ nhớt cao và không phân cực như các hợp chất hữu cơ có trọng lượng phân tử tương tự.

  • Etanol nguyên chất là một chất lỏng không màu, trong suốt với hương thơm đặc biệt và dễ bay hơi.
  • Mật độ của chất lỏng ethanol là 0,789g / cm³.
  • Mật độ của khí ethanol là 1,59kg / m³
  • Công thức phân tử: C2H5OH hay C2H6O hay CH3CH2OH
  • Điểm nóng chảy: -114,3°C
  • Điểm sôi: 78,4°C.
  • Khối lượng phân tử: 46,07
  • Độ hòa tan: Hòa tan hoàn toàn trong nước với bất kỳ tỉ lệ nào và nhiều dung môi hữu cơ khác.
  • Tỉ trọng: 789kg / m³ (20°C)
  • Độ nhớt: 1.074mPa.s ở 20 ℃
  • Mật độ khí: 2,009kg / m³

Tính chất hóa học của rượu etylic

Phân tử ethanol bao gồm ba nguyên tử C, H, O ( ethyl và hydroxyl hai phần), có thể được coi là một sản phẩm của một nguyên tử hydro trong phân tử ethane được thay thế bởi một nhóm hydroxyl.

Etanol là một axit yếu

Tính axit yếu, nó không thể làm mất màu các chất chỉ thị axit-bazơ, cũng không thể phản ứng hóa học với bazơ. Nhưng etanol có tính aixt vì:

  • C2H5OH -> C2H5O+ H+

Mà H+ có tính axit nên rượu etanol có tính axit yếu.

Rượu tác dụng với nước nặng

Ethanol có tính axit yếu, nhưng sự tồn tại của trạng thái cân bằng ion hóa là đủ để trao đổi nhanh các đồng vị giữa nó và nước nặng.

  • PTTU: CH3CH2OH + D2O -> CH3CH2OD + HOD

Ethanol có tính oxy hóa

Etanol có tính khử và có thể bị oxy hóa thành Acetaldehyde (C2H4O).

  • Phương trình phản ứng: C2H5OH + O2 -> CH3CHO + H2O

Chất xúc tác cần để phương trình phản ứng là đồng (cu) và bạc (Ag) và ở nhiêt độ cao.

Rượu công nghiệp này có thể bị thuốc tím (KmnO4) oxy hóa thành axit axetic.

Rượu etylic tác dụng với KmnO4:

  • 3C2H5OH + 4KMnO4 → 3CH3COOH + 4MnO2 + 4KOH + H2O

Rượu etylic tác dụng với kim loại

Rượu etylic phản ứng được với natri vì ethanol có thể ion hóa một lượng rất nhỏ các ion hydro, các kim loại hoạt động như kali, canxi và natri có thể thay thế hydro trong nhóm hydroxyl của ethanol để tạo ra muối hữu cơ và hydro tương ứng.

  • 2CH3CH2OH + 2Na ->  2CH3CH2ONa + H2

Những điểm cần lưu ý khi rượu tác dụng với kim loại kiềm gồm:

  • Ethanol có thể phản ứng với kim loại natri để tạo ra hydro, nhưng nó không mạnh bằng nước và kim loại natri.
  • Các kim loại hoạt động manh (kali , canxi , natri) có thể thay thế hydro trong nhóm hydroxyl của ethanol. Muối kim loại được tạo ra nhanh chóng bị thủy phân thành rượu và kiềm khi gặp nước và dung dịch nước của nó có tính kiềm mạnh.

Phản ứng este hóa của rượu etylic

Ethanol có thể trải qua quá trình ester hóa với axit axetic dưới sự xúc tác của axit sunfuric đậm đặc và đun nóng để tạo ra etyl axetat, đây là một phản ứng thuận nghịch:

  • CH3COOH + C2H5OH -> C2H5OCOCH3 + H2O

Phản ứng thế của rượu etylic

Ethanol có thể được thay thế bằng hydro halogenua để tạo ra hydrocarbon halogen và nước.

Phản ứng tổng quát:

  • C2H5OH + HX -> C2H5X + H2O (X là chất trong nhóm halogen)

Ví dụ rượu tác dụng với axit HCl:

  • C2H5OH + HCl -> C2H5Cl + H2O

Phản ứng nhiệt của rượu etylic

Đốt cháy hoàn toàn rượu etylic: phát ra ngọn lửa màu xanh nhạt, tạo ra carbon dioxide và hơi nước và tỏa ra rất nhiều nhiệt.

  • C2H5OH + 3O2 -> 2CO2 + 2H2O

Quá trình đốt cháy rượu không hoàn toàn: tạo ra carbon monoxide với ngọn lửa màu vàng, tỏa nhiệt.

  • C2H5OH + O2  -> CO2 + CO + H2O

Phản ứng khử nước của rượu etylic

Ethanol có thể trải qua phản ứng khử nước trong axit sunfuric đậm đặc và xúc tác ở nhiệt độ cao và sản phẩm thay đổi theo nhiệt độ. Rượu etanol có 2 trường hợp phản ứng khử nước gồm:

Mất nước nội phân tử: Ethanol và axit sulfuric đậm đặc được làm nóng đến khoảng 170 °C, và mất nước nội phân tử xảy ra để sản xuất Êtilen và nước, tỷ lệ axit với rượu là 1: 3. Khi chuẩn bị, cần phải thêm các mảnh sứ vỡ (hoặc zeolite ) vào bình để tránh va đập.

  • C2H5OH  -> C2H4 + H2O ( chất xúc tác là H2SO4)

Mất nước liên phân tử: Ethanol và axit sulfuric đậm đặc được làm nóng đến khoảng 140 ° C, và mất nước liên phân tử xảy ra để tạo ra ether và nước

  • C2H5OH -> C2H5OC2H5 + H2O

Những tính chất hóa học khác của rượu ethanol

Ethanol cũng có thể phản ứng với dung dịch kali dicromat (K2Cr2O7) có tính axit.

  • 3C2H5OH + K2Cr2O7 + 4H2SO4 → 3CH3CHO + K2SO4 + Cr2(SO4)3 + 7H2O

Rượu tác dụng với CuO

  • C2H5OH + CuO  -> CH3CHO + Cu + H2O

Etylic tác dụng với NaOH

  • C2H5OH + NaOH -> C2H5Ona + H2O

Cách điều chế rượu etylic

Có 2 phương pháp chính để điều chế rượu etylic là phương pháp lên men và phương pháp tổng hợp.

Phương pháp tổng hợp

Là phương pháp hyđrat hóa etilen

Sử dụng etilen được tạo ra từ quá trình cracking dầu mỏ làm nguyên liệu, trong điều kiện nhiệt độ, áp suất và chất xúc tác (axit sulfuric hoặc axit photphoric), etilen phản ứng trực tiếp với nước để sản xuất ethanol.

  • C2H4 + H2O -> C2H5OH

Chỉ 5% etilen được chuyển đổi thành ethanol ở mỗi lần đi qua lò phản ứng. Bằng cách loại bỏ ethanol khỏi hỗn hợp cân bằng và tái chế etilen, có thể đạt được chuyển đổi tổng thể 95%.

Phương pháp lên men rượu ethanol

Việc sử dụng các sản phẩm nông nghiệp có chứa đường như ngô, khoai tây và một số loại trái cây sau khi lên men và chưng cất có thể thu được 95% (phần khối lượng) ethanol công nghiệp.

Theo các nguyên liệu thô được sử dụng trong sản xuất, nó có thể được chia thành rượu lên men nguyên liệu tinh bột, rượu lên men nguyên liệu thô và lên men chất thải bột giấy sulfite để sản xuất rượu.

Rượu lên men nguyên liệu tinh bột: như khoai tây, ngũ cốc thủy phân tinh bột thành glucose dưới tác động của vi sinh vật, sau đó lên men để sản xuất rượu.

  • PTTU: C6H12O6  →  2CH3CH2OH + 2CO2

Rượu lên men của nguyên liệu mật rỉ: sau khi pha loãng, khử trùng và bổ sung một số chất dinh dưỡng, mật đường sẽ ủ và lên men để sản xuất rượu cồn.

Chất xơ: Sản phẩm chính là rượu công nghiệp. Rượu được sản xuất từ ​​quá trình thủy phân dăm gỗ với axit loãng. Hoặc các chất chứa chiều xenluloza như rơm rạ, mùn cưa cũng là nguyên liệu sản xuất rượu etylic

Bước 1: thủy phân xenluloza thành mantoza dưới tác dụng của men amylaza

  • PTHH: (C6H10O5)n  ->  C12H22O11

Bước 2: Thủy phân mantoza thành glucoza hoặc fructoza, chất xúc tác là men mantaza.

  • PTPU: C12H22O11 -> C6H12O6

Bước 3: Sử dụng chất xúc tác là men zima để thu được rượu etylic thành phẩm.

  • PTTU: C6H12O6  ->  2C2H5OH +  2CO2

Tùy vào chất lượng sản phẩm mà rượu tạo thành sẽ có chất lượng khác nhau như:

Theo chất lượng sản phẩm hoặc tính chất: nó được chia thành rượu có độ tinh khiết cao, rượu khan, rượu thông thường và rượu biến tính.

Theo phân loại rượu: nó được chia thành rượu cao cấp, cấp một, cấp hai, cấp ba và cấp bốn. Trong đó rượu cấp 1 và cấp 2 tương ứng với rượu có độ tinh khiết cao và rượu chưng cất thông thường. Cấp 3 tương đương với rượu dược phẩm và cấp 4 tương đương với rượu công nghiệp.

Ứng dụng của ethanol

Đây là hợp chất hữu cơ được ứng dụng nhiều trong ngành thực phẩm, y học, công nghiệp và năng lượng. Các ứng dụng chính gồm:

Ứng dụng dựa vào nồng độ cồn của rượu

  • Rượu có nồng độ trên 99,5%:  được gọi là rượu tuyệt đối, được sử dụng trong sinh học. Các sắc tố trong lục lạp có thể được hòa tan trong dung môi hữu cơ ethanol (hoặc acetone) do đó sắc tố tuyệt đối trong lục lạp có thể được chiết xuất bằng ethanol khan.
  • Rượu có nồng độ cồn 95%:  được sử dụng để vệ sinh đèn UV. Loại rượu này thường được sử dụng trong bệnh viện, nhưng nó chỉ được sử dụng để làm sạch ống kính máy ảnh.
  • Rượu 70% đến 75%: được sử dụng để khử trùng. Điều này là do nồng độ cồn quá cao sẽ tạo thành một lớp màng bảo vệ trên bề mặt vi khuẩn, ngăn không cho vi khuẩn xâm. Trong số đó, 75% cồn có tác dụng khử trùng tốt nhất.
  • Rượu có nồng độ cồn 40% đến 50%:  có thể ngăn ngừa bệnh lở loét.
  • Rượu có nồng độ 25% đến 50% cồn:  có thể được sử dụng để hạ sốt khi bị cảm.

Ứng dụng dựa theo mục đích

  • Ethanol là thành phần chính của rượu vang.
  • Nguyên liệu hữu cơ:  Ethanol cũng là một nguyên liệu hóa học hữu cơ cơ bản. Nó có thể được sử dụng để sản xuất acetaldehyd, dietyl ete, ethyl acetate, ethylamine và các nguyên liệu hóa học khác. Nó cũng là nguyên liệu thô để sản xuất dung môi, thuốc nhuộm, sơn, chất tẩy rửa và các sản phẩm khác.
  • Năng lượng như xăng hữu cơ, hiện nay xăng E5 được sử dụng thông dụng, đây cũng là sản phẩm từ việc điều chế từ rượu etylic và các chất hữu cơ khác.

Tác hại của rượu công nghiệp đến sức khỏe

Ngộ độc cấp tính : Ngộ độc cấp tính xảy ra chủ yếu khi uống trực tiếp etanol. Nói chung, nó có thể được chia thành bốn giai đoạn: hưng phấn, thôi miên, gây mê và ngạt. Bệnh nhân bước vào giai đoạn thứ ba hoặc thứ tư với sự mất ý thức, đồng tử giãn, thở không đều, sốc , suy tim và ngừng hô hấp.

Tác dụng mãn tính: Tiếp xúc lâu dài với nồng độ cao ethanol trong quá trình sản xuất có thể gây kích ứng mũi, mắt và niêm mạc, cũng như đau đầu, chóng mặt, mệt mỏi, khó chịu, run tay và buồn nôn. Nghiện rượu lâu dài có thể gây ra bệnh đa dây thần kinh, viêm dạ dày mãn tính, gan nhiễm mỡ, xơ gan, tổn thương cơ tim, rối loạn tâm lý…Tiếp xúc da lâu dài có thể gây khô, bong vảy, nứt nẻ và viêm da.