Tìm hiểu về Êtanol

Êtanol Nguồn: vi.wikipedia.org Êtanol, còn được biết đến như là rượu êtylic hay rượu ngũ cốc hay cồn, là một hợp chất hữu cơ, nằm trong dãy đồng đẳng của rượu metylic, dễ cháy, không màu, là một trong các rượu thông thường có trong thành phần của đồ uống chứa cồn. Trong cách nói dân dã, thông thường nó được nhắc đến một cách đơn giản là rượu. Công thức hóa học của nó là C2H5OH, hay CH3-CH2-OH, viết tóm tắt là C2H6O. Bài này nói về êtanol chủ yếu như là một hợp chất hóa học. Đối với các đồ uống chứa êtanol, xem bài Đồ uống chứa cồn. Đối với việc sử dụng êtanol như là một loại nhiên liệu, xem bài Nhiêu liệu từ rượu. Lịch sử Êtanol đã được con người sử dụng từ thời tiền sử như là một thành phần gây cảm giác say trong đồ uống chứa cồn. Các cặn bã khô trong các bình gốm 9000 năm tuổi tìm thấy ở miền bắc Trung Quốc đã gián tiếp cho thấy việc sử dụng các đồ uống chứa cồn trong số những người sống ở thời kỳ đồ đá mới. Việc chiết nó ra dưới dạng tương đối nguyên chất đã được thực hiện lần đầu tiên bởi các nhà giả kim thuật Hồi giáo và họ là những người đã phát triển ra nghệ thuật chưng cất rượu trong thời kỳ của chế độ khalip (vua chúa Hồi giáo) thời kỳ Abbasid (tiếng Ả Rập: ﻦﻳﺪﺳﺎّﺒﻌﻟا al-Abbāsidīn). Các ghi chép của Jabir Ibn Hayyan (Geber) (721- 815) đã đề cập tới hơi dễ cháy của rượu được đun sôi. Al-Kindī (801-873) cũng đã miêu tả rõ ràng quá trình chưng cất rượu. Việc chưng cất êtanol ra khỏi nước có thể tạo ra các sản phẩm chứa tới 96% êtanol. Êtanol nguyên chất lần đầu tiên đã thu được vào năm 1796 bởi Johann Tobias Lowitz, bằng cách lọc êtanol chưng cất qua than củi. Antoine Lavoisier đã mô tả êtanol như là một hợp chất của cacbon, hiđrô và ôxy, và năm 1808, Nicolas-Théodore de Saussure đã xác định được công thức hóa học của nó. Năm 1858, Archibald Scott Couper đã công bố công thức cấu trúc của êtanol: điều này làm cho êtanol trở thành một trong các hợp chất hóa học đầu tiên có sự xác định cấu trúc hóa học. Êtanol lần đầu tiên được tổng hợp nhân tạo vào năm 1826, thông qua các cố gắng độc lập của Henry Hennel ở Anh và S.G. Sérullas ở Pháp. Michael Faraday đã điều chế êtanol bằng phản ứng hyđrat hóa êtylen với xúc tác axít năm 1828, theo một công nghệ tương tự như công nghệ tổng hợp êtanol công nghiệp ngày nay. Tính chất Tính chất vật lý Rượu eylic là một chất lỏng, không màu, mùi thơm dễ chịu, vị cay, nhẹ hơn nước (khối lượng riêng 0,7936 g/ml ở 15 độ C), sôi ở nhiệt độ 78,39 độ C, hóa rắn ở -114,15 độ C, tan trong nước vô hạn. Sở dĩ rượu etylic tan trong nước vô hạn và có nhiệt độ sôi cao hơn nhiều so với este hay aldehyde có khối lượng phân tử xấp xỉ là do sự tạo thành liên kết hydro giữa các phân tử rượu với nhau và với nước. Tính chất hóa học Tính chất của một rượu đơn chức Phản ứng thế với kim loại kiềm, kim loại kiềm thổ. Ví dụ: 2 C2H5OH + 2 Na -> 2 C2H5ONa + H2 Phản ứng este hóa, phản ứng giữa rượu và acid với môi trường là acid sulfuric đặc nóng tạo ra este. Ví dụ: C2H5OH + CH3COOH -> CH3COOC2H5 + H2O Phản ứng loại nước như tách nước trong một phân tử để tạo thành olefin, trong môi trường acid sulfuric đặc ở 170 độ C: C2H5OH -> C2H4 + H2O Hay tách nước giữa 2 phân tử rượu thành ether C2H5OH + C2H5OH -> C2H5-O-C2H5 + H2O Phản ứng oxi hóa, trong đó rượu bị oxi hóa theo 3 mức: oxi hóa không hoàn toàn ( hữu hạn ) thành aldehyde, acid hữu cơ và oxi hóa hoàn toàn ( đốt cháy ) thành CO2 và H2O. Ví dụ ở mức 1, trong môi trường nhiệt độ cao CH3-CH2-OH + CuO -> CH3-CHO + Cu + H2O Mức 2, có xúc tác: CH3-CH2-OH + O2 -> CH3-COOH + H2O Mức 3 C2H5OH + 3 O2 -> 2 CO2 + 3 H2O Phản ứng riêng Phản ứng tạo ra butadien-1,3 : cho hơi rượu đi qua chất xúc tác hỗn hợp, ví dụ Cu + Al2O3 ở 380-400 độ C, lúc đó xảy ra phản ứng tách loại nước 2C2H5OH -> CH2=CH-CH2=CH + 2 H2O + H2 Phản ứng lên men giấm: oxi hóa rượu etylic 10 độ bằng oxi không khí có mặt men giấm ở nhiệt độ khoảng 25 độ C. CH3-CH2-OH + O2 -> CH3-COOH + H2O Một số tính chất khác Tính chất Giá trị Số UN 1170 Nhiệt độ tan 158,8 K (-114,3°C, -173,83°F) Điểm tới hạn 514 K (241°C, 465.53°F) ở áp suất 63 bar ΔtanH 4,9 kJ/mol ΔtanS 31 J/mol•K ΔsôiH 38,56 kJ/mol pH 7,0 (trung tính) ΔfH0lỏng -277,38 kJ/mol S0lỏng 159,9 J/mol•K Cp 112,4 J/mol•K ΔfH0khí -235,3 kJ/mol S0khí 283 J/mol•K Cp 65,21 J/mol•K Tác động cấp tính Buồn nôn, gây mửa, gây trầm cảm. Ngừng thở trong trường hợp nặng. Tác động kinh niên Nghiện. Xơ gan. Nhiệt độ tự cháy 425°C (797°F) Mật độ giới hạn nổ 3,5-15% Tính chất khác (tiếng Anh) NIST WebBook Sản xuất Êtanol được sản xuất bằng cả công nghiệp hóa dầu, thông qua công nghệ hyđrat hóa êtylen, và theo phương pháp sinh học, bằng cách lên men đường hay ngũ cốc với men rượu. Hyđrat hóa êtylen Êtanol được sử dụng như là nguyên liệu công nghiệp và thông thường nó được sản xuất từ các nguyên liệu dầu mỏ, chủ yếu là thông qua phương pháp hyđrat hóa êtylen bằng xúc tác axít, được trình bày theo phản ứng hóa học sau. Cho etilen hợp nước ở 300 độ C, áp suất 70-80 atm với chất xúc tác là acid wolframic hoặc acid phosphoric: H2C=CH2 + H2O → CH3CH2OH Chất xúc tác thông thường là axít phốtphoric, được hút bám trong các chất có độ xốp cao chẳng hạn như điatomit (đất chứa tảo cát) hay than củi; chất xúc tác này đã lần đầu tiên được công ty dầu mỏ Shell sử dụng để sản xuất êtanol ở mức độ công nghiệp năm 1947. Các chất xúc tác rắn, chủ yếu là các loại ôxít kim loại khác nhau, cũng được đề cập tới trong các sách vở hóa học. Trong công nghệ cũ, lần đầu tiên được tiến hành ở mức độ công nghiệp vào năm 1930 bởi Union Carbide, nhưng ngày nay gần như đã bị loại bỏ thì êtylen đầu tiên được hyđrat hóa gián tiếp bằng phản ứng của nó với axít sulfuric đậm đặc để tạo ra êtyl sulfat, sau đó chất này được thủy phân để tạo thành êtanol và tái tạo axít sulfuric: H2C=CH2 + H2SO4 → CH3CH2OSO3H CH3CH2OSO3H + H2O → CH3CH2OH + H2SO4 Êtanol để sử dụng công nghiệp thông thường là không phù hợp với mục đích làm đồ uống cho con người ("biến tính") do nó có chứa một lượng nhỏ các chất có thể là độc hại (chẳng hạn mêtanol) hay khó chịu (chẳng hạn denatonium- C21H29N2O•C7H5O2-là một chất rất đắng, gây tê). Êtanol biến tính có số UN là UN 1987 và êtanol biến tính độc hại có số là UN 1986. Lên men Êtanol để sử dụng trong đồ uống chứa cồn cũng như phần lớn êtanol sử dụng làm nhiên liệu, được sản xuất bằng cách lên men: khi một số loài men rượu nhất định (quan trọng nhất là Saccharomyces cerevisiae) chuyển hóa đường trong điều kiện không có ôxy (gọi là yếm khí), chúng sản xuất ra êtanol và cacbon điôxít CO2. Phản ứng hóa học tổng quát có thể viết như sau: C6H12O6 → 2 CH3CH2OH + 2 CO2 Quá trình nuôi cấy men rượu theo các điều kiện để sản xuất rượu được gọi là ủ rượu. Men rượu có thể phát triển trong sự hiện diện của khoảng 20% rượu, nhưng nồng độ của rượu trong các sản phẩm cuối cùng có thể tăng lên nhờ chưng cất. Để sản xuất êtanol từ các nguyên liệu chứa tinh bột như hạt ngũ cốc thì tinh bột đầu tiên phải được chuyển hóa thành đường. Trong việc ủ men bia, theo truyền thống nó được tạo ra bằng cách cho hạt nảy mầm hay ủ mạch nha. Trong quá trình nảy mầm, hạt tạo ra các enzym có chức năng phá vỡ tinh bột để tạo ra đường. Để sản xuất êtanol làm nhiên liệu, quá trình thủy phân này của tinh bột thành glucoza được thực hiện nhanh chóng hơn bằng cách xử lý hạt với axít sulfuric loãng, enzym nấm amylas, hay là tổ hợp của cả hai phương pháp. Về tiềm năng, glucoza để lên men thành êtanol có thể thu được từ xenluloza. Việc thực hiện công nghệ này có thể giúp chuyển hóa một loại các phế thải và phụ phẩm nông nghiệp chứa nhiều xenluloza, chẳng hạn lõi ngô, rơm rạ hay mùn cưa thành các nguồn năng lượng tái sinh. Cho đến gần đây thì giá thành của các enzym cellulas có thể thủy phân xenluloza là rất cao. Hãng Iogen ở Canada đã đưa vào vận hành xí nghiệp sản xuất êtanol trên cơ sở xenluloza đầu tiên vào năm 2004. Phản ứng thủy phân cellulose gồm các bước. Bước 1, thủy phân xenluloza thành mantoza dưới tác dụng của men amylaza. (C6H10O5)n -> C12H22O11 Bước 2, thủy phân tiếp mantoza thành glucoza hoặc fructoza dưới tác dụng của men mantaza. C12H22O11 -> C6H12O6 Bước 3, phản ứng lên men rượu có xúc tác là men zima. C6H12O6 -> 2 C2H5OH + 2 CO2 Với giá dầu mỏ tương tự như các mức giá của những năm thập niên 1990 thì công nghệ hyđrat hóa êtylen là kinh tế một cách đáng kể hơn so với công nghệ lên men để sản xuất êtanol tinh khiết. Sự tăng cao của giá dầu mỏ trong thời gian gần đây, cùng với sự không ổn định trong giá cả nông phẩm theo từng năm đã làm cho việc dự báo giá thành sản xuất tương đối của công nghệ lên men và công nghệ hóa dầu là rất khó. Làm tinh khiết Đối với hỗn hợp êtanol và nước, điểm sôi hỗn hợp (azeotrope) cực đại ở nồng độ 96% êtanol và 4% nước. Vì lý do này, chưng cất phân đoạn hỗn hợp êtanol-nước (chứa ít hơn 96% êtanol) không thể tạo ra êtanol tinh khiết hơn 96%. Vì vậy, 95% êtanol trong nước là dung môi phổ biến nhất. Hai hướng cạnh tranh nhau có thể sử dụng trong sản xuất êtanol tinh chất. Để phá vỡ điểm sôi hỗn hợp nhằm thực hiện việc chưng cất thì một lượng nhỏ benzen có thể thêm vào, và hỗn hợp lại được chưng cất phân đoạn một lần nữa. Benzen tạo ra điểm sôi hỗn hợp cấp ba với nước và êtanol nhằm loại bỏ êtanol ra khỏi nước, và điểm sôi hỗn hợp cấp hai với êtanol loại bỏ phần lớn benzen. Êtanol được tạo ra không chứa nước. Tuy nhiên, một lượng rất nhỏ (cỡ phần triệu benzen vẫn còn, vì thế việc sử dụng êtanol đối với người có thể gây tổn thương cho gan. Ngoài ra, sàng phân tử có thể sử dụng để hấp thụ có chọn lọc nước từ dung dịch 96% êtanol. Zeolit tổng hợp trong dạng viên tròn có thể sử dụng, cũng như là bột yến mạch. Hướng tiếp cận bằng zeolit là đặc biệt có giá trị, vì có khả năng tái sinh zeolit trong hệ khép kín về cơ bản là không giới hạn số lần, thông qua việc làm khô nó với luồng hơi CO2 nóng. Êtanol tinh chất được sản xuất theo cách này không có dấu tích của benzen, và có thể sử dụng như là nhiên liệu hay thậm chí khi hòa tan có thể dùng để làm mạnh thêm các loại rượu như rượu vang pooctô (có nguồn gốc ở Bồ Đào Nha hay rượu vang sherry (có nguồn gốc ở Tây Ban Nha) trong các hoạt động nấu rượu truyền thống. Các chất hóa học dẫn xuất từ êtanol Êtyl este Trong sự hiện diện của chất xúc tác axít (thông thường là axít sulfuric) êtanol phản ứng với các axít cacboxylic để tạo ra êtyl este: CH3CH2OH + RCOOH → RCOOCH2CH3 + H2O Hai êtyl este được sản xuất nhiều nhất là êtyl acrylat (từ êtanol và axít acrylic) và êtyl axêtat (từ êtanol và axít axêtic). Êtyl acrylat là một đơn phân tử được sử dụng trong sản xuất polyme acrylat có công dụng làm chất kết dính hay các vật liệu che phủ. Êtyl axêtat là dung môi phổ biến sử dụng trong sơn, các vật liệu che phủ và trong công nghiệp dược phẩm. Các êtyl este khác cũng được sử dụng trong công nghiệp nhưng với sản lượng ít hơn như là các chất tạo mùi hoa quả nhân tạo. Dấm Dấm là dung dịch loãng của axít axêtic được điều chế bằng phản ứng của vi khuẩn Acetobacter trên dung dịch êtanol. Mặc dù theo truyền thống người ta điều chế dấm từ các đồ uống chứa cồn như rượu vang, rượu táo vàbia nhưng dấm cũng có thể điều chế từ các dung dịch êtanol công nghiệp. Dấm điều chế từ êtanol chưng cất được gọi là "dấm chưng cất" và nó được sử dụng phổ biến trong ngâm dấm thực phẩm hay làm gia vị. Êtylamin Khi nung nóng tới 150–220 °C trên chất xúc tác niken gốc silica- hay alumina-, êtanol và amôniắc phản ứng với nhau để tạo ra êtylamin. Các phản ứng tiếp theo tạo ra điêtylamin và triêtylamin: CH3CH2OH + NH3 → CH3CH2NH2 + H2O CH3CH2OH + CH3CH2NH2 → (CH3CH2)2NH + H2O CH3CH2OH + (CH3CH2)2NH → (CH3CH2)3N + H2O Các êtylamin được sử dụng trong việc tổng hợp các dược phẩm, hóa chất nông nghiệp và các chất hoạt tính bề mặt. Các hợp chất khác Êtanol là nguồn nguyên liệu hóa học đa dụng, và trong thời gian qua đã được sử dụng với phạm vi thương mại để tổng hợp hàng loạt các mặt hàng hóa chất với sản lượng lớn khác. Hiện nay, nó đã được thay thế trong nhiều ứng dụng bằng các nguyên liệu hóa dầu khác rẻ tiền hơn. Tuy nhiên, trên thị trường của các quốc gia có nền nông nghiệp phát triển nhưng các cơ sở hạ tầng của công nghiệp hóa dầu thì còn chưa phát triển như Trung Quốc, Ấn Độ và Brazil thì êtanol có thể được sử dụng để sản xuất các hóa chất mà được các nước phương Tây phát triển sản xuất chủ yếu từ dầu mỏ, bao gồm êtylen và butađien.