化学性质
酸性
乙醇不能称之为酸,不能使酸碱指示剂变色,也不与碱反应,也可说其不具酸性。
乙醇分子中含有极化的氧氢键,电离时生成烷氧基负离子和质子。
CH3CH2OH→(可逆)CH3CH?O- + H+
乙醇的pKa=15.9,与水相近。
乙醇的酸性很弱,电离平衡的存在足以使它与重水之间的同位素交换迅速进行。
CH3CH2OH+D2O→(可逆)CH3CH2OD+HOD
因为乙醇可以电离出极少量的氢离子,其只能与少量金属(主要是碱金属)反应生成对应的醇金属以及氢气:
2CH3CH2OH + 2Na→2CH3CH2ONa + H2↑
乙醇可以和高活跃性金属反应,生成醇盐和氢气。
醇金属遇水则迅速水解生成醇和碱
结论:
(1)乙醇可以与金属钠反应,产生氢气,但不如水与金属钠反应剧烈。
(2)活泼金属(钾、钙、钠、镁、铝)可以将乙醇羟基里的氢取代出来。
还原性
乙醇具有还原性,可以被氧化成为乙醛。酒精中毒的罪魁祸首通常被认为是有一定毒性的乙醛,而并非喝下去的乙醇。例如
2CH3CH2OH + O2 → 2CH3CHO + 2H2O(条件是在催化剂Cu或Ag的作用下加热)
实际上是乙醇先和氧化铜进行反应,氧化铜被还原为单质铜,现象为:黑色氧化铜变成红色。
乙醇也可被高锰酸钾氧化,高锰酸钾由紫红色变为无色。乙醇也可以与酸性溶液反应,当乙醇蒸汽进入含有酸性溶液的硅胶中时,可见硅胶由橙红色变为草绿色,此反应现用于检验司机是否醉酒驾车。
能发生酯化反应
乙醇可以与乙酸在浓硫酸的催化并加热的情况下发生酯化作用,生成乙酸乙酯(具有果香味)。
C2H5OH+CH3COOH-浓H2SO4△(可逆)→CH3COOCH2CH3+H2O(此为取代反应,但逆反应催化剂为稀H2SO4或NaOH)
“酸”脱“羧基”,“醇”脱“羟基”上的“氢”
能与氢卤酸反应
乙醇可以和卤化氢发生取代反应,生成卤代烃和水。
C2H5OH + HBr→C2H5Br + H2O或写成CH3CH2OH + HBr → CH3CH2Br +H-OH C2H5OH + HX→C2H5X + H2O
注意:通常用溴化钠和硫酸的混合物与乙醇加热进行该反应。故常有红棕色气体产生。
能发生氧化反应
(1)燃烧:发出淡蓝色火焰,生成二氧化碳和水(蒸气),并放出大量的热,不完全燃烧时还生成一氧化碳,有黄色火焰,放出热量
完全燃烧:C2H5OH+3O2—点燃→2CO2+3H2O
不完全燃烧:2C2H5OH+5O2—点燃→2CO2+2CO+6H2O
(2)催化氧化:在加热和有催化剂(Cu或Ag)存在的情况下进行。
2Cu+O2-加热→2CuO
C2H5OH+CuO→CH3CHO+Cu+H2O
即催化氧化的实质(用Cu作催化剂)
总式:2CH3CH2OH+O2-Cu或Ag→2CH3CHO+2H2O(工业制乙醛)
乙醇也可被浓硫酸跟高锰酸钾的混合物发生非常激烈的氧化反应,燃烧起来。(切记要注酸入醇,酸与醇的比例是1:3)
能发生消去反应和脱水反应
乙醇可以在浓硫酸和高温的催化发生脱水反应,随着温度的不同生成物也不同。
(1)消去(分子内脱水)制乙烯(170℃浓硫酸)制取时要在烧瓶中加入碎瓷片(或沸石)以免爆沸。
C2H5OH→CH2=CH2↑+H2O
(2)缩合(分子间脱水)制(130℃-140℃ 浓硫酸)
2C2H5OH →C2H5OC2H5 + H2O(此为取代反应)
脱氢反应;乙醇的蒸汽在高温下通过脱氢催化剂如铜、银、镍或铜-氧化铬时、则脱氢生成醛。
药理作用
广泛用于医用消毒[75%(体积分数)的乙醇溶液常用于医疗消毒]
一般使用 95%的酒精用于器械消毒;70~75%的酒精用于杀菌,例如75%的酒精在常温(25C)下一分钟内可以杀死 大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、白色念球菌、铜绿假单胞菌等;更低浓度的酒精用于降低体温,促进局部血液循环等。研究表明,乙醇不能杀死细菌芽孢,也不能杀死肝炎病毒(如:乙肝病毒)。故乙醇只能用于一般消毒,达不到灭菌标准!
乙醇还可以用于食用,如酒。因为它能作为良好的有机溶剂,中医用它来送服中药,以溶解中药中大部分有机成分。
酒精在中药使用上的作用:1、酒精可以行药势,古人谓“酒为诸药之长”,酒精可以使药力外达于表而上至于颠,使理气行血药物的作用得到较好的发挥,也能使滋补药物补而不滞;2、酒精有助于药物有效成分的析出,中药的多种成分都易于溶精之中;3、防腐作用。
基本分类
(1)按生产使用的原料可分为淀粉质原料发酵酒精(一般有薯类、谷类和野生植物等含淀粉质的原料,在微生物作用下将淀粉水解为葡萄糖,再由酵母发酵生成酒精);糖蜜原料发酵酒精(直接利用糖蜜中的糖分,经过稀释杀菌并添加部分营养盐,借酵母的作用发酵生成酒精);和亚硫酸盐纸浆废液发酵生产酒精(利用造纸废液中含有的六碳糖,在酵母作用下发酵成酒精,主要产品为工业用酒精。也有用木屑稀酸水解制作的酒精)。
(2)按生产的方法来分,可分为发酵法酒精和合成法酒精两大类。
(3)按产品质量或性质来分,又分为高纯度酒精、无水酒精、普通酒精和变性酒精。
(4)按产品系列(BG384-81)分为优级、一级、二级、三级和四级。其中一、二级相当于高纯度酒精及普通精馏酒精。三级相当于医药酒精,四级相当于工业酒精。新增二级标准是为了满足不同用户和生产的需要,减少生产与使用上的浪费,促进提高产品质量而制订的。
生产方法:
20世纪30年代以前,发酵法是乙醇的唯一工业生产方法。随着石油化工的迅速发展,合成法乙醇的产量越来越大。但合成法乙醇中夹杂的异构高碳醇,对人的神经中枢的麻痹作用,不适宜用作饮料、食品、医药及香料等。在石油化工发达的国家,发酵法乙醇仍然占有一定的比例。1.发酵法将富含淀粉的农产品如谷类、薯类等或野生植物果实经水洗、粉碎后,进行加压蒸煮,使淀粉糊化,再加入适量的水,冷却至60℃左右加入淀粉酶,使淀粉依次水解为麦芽糖和葡萄糖。加入酶母菌进行发酵制得乙醇。2.水合法以乙烯和水为原料,通过加成反应制取。水合法分为间接水合法和直接水合法两种。间接水合法也称硫酸酯法,反应分两步进行。先把95-98%的硫酸和50-60%的乙烯按2:1(重量比)在塔式反应器吸收反应,60-80℃、0.78-1.96MPa条件下生成硫酸酯。第二步是将硫酸酯在水解塔中,于80-100℃、0.2-0.29MPa压力下水解而得乙醇,生成副产物。烯直接与水反应生成乙醇。直接水合法即一步法。由乙烯和水在磷酸催化剂存在下高温加压水合制得。本法流程简单、腐蚀性小,不需特殊钢材,副产量少,但要求乙烯纯度高,耗电量大。无论用发酵法或乙烯水合法,制得的乙醇通常都是乙醇和水的共沸物,即浓度为95%的工业乙醇。为获得无水乙醇,可用下列方法脱水。(1)用生石灰处理工业乙醇,使水转变成氢氧化钙,蒸出乙醇,再用金属钠干燥;这是Zui老的方法。(2)共沸精馏脱水是目前工业上常用的方法。(3)用离子交换剂或分子筛脱水,再精馏
基本用途
不同浓度消毒剂
酒精的分子具有很大的渗透能力,它能穿过细菌表面的膜,打入细菌的内部,使构成细菌生命基础的蛋白质凝固,将细菌杀死。
99.5%的酒精称为无水酒精。生物学中的用途:叶绿体中的色素能在有机溶剂无水乙醇(或丙酮)中,用无水乙醇可以提取叶绿体中的色素。
95%的酒精用于擦拭紫外线灯。这种酒精在医院常用,而在家庭中则只会将其用于相机镜头的清洁。
70%~75%的酒精用于消毒。这是因为,过高浓度的酒精使蛋白质凝固的本领很大,它却使细菌表面的蛋白质一下子就凝固起来,形成了一层硬膜。这层硬膜阻止酒精分子渗入细菌内部,反而保护了细菌,使它免遭死亡。[2]若酒精浓度过低,虽可进入细菌,但不能将其体内的蛋白质凝固,同样也不能将细菌彻底杀死。其中75%的酒精消毒效果。
40%~50%的酒精可预防褥疮。长期卧床患者的背、腰、臀部因长期受压可引发褥疮,如按摩时将少许40%~50%的酒精倒入手中,均匀地按摩患者受压部位,就能达到促进局部血液循环,防止褥疮形成的目的。
25%~50%的酒精可用于物理退热。高烧患者可用其擦身,达到降温的目的。因为用酒精擦拭皮肤,能使患者的皮肤血管扩张,增加皮肤的散热能力,酒精蒸发,吸热,使病人体表面温度降低,症状缓解。但酒精浓度不可过高,否则可能会刺激皮肤,并吸收表皮大量的水分。
饮料
乙醇是酒主要成分(含量和酒的种类有关系)如白酒为56度的酒。注意:我们喝的酒内的乙醇不是把乙醇加进去,而是发酵出来的乙醇,当然根据使用的发酵酶不同还会有乙酸或糖等有关物质。
白酒的度数表示酒中含乙醇的体积百分比(西方国家常用proof表示酒精含量),通常是以20℃时的体积比表示的,如50度的酒,表示在100毫升的酒中,含有乙醇50毫升(20℃)。对于啤酒是表示啤酒生产原料麦芽汁的浓度,以12度的啤酒为例,是麦芽汁发酵前浸出物的浓度为12%(重量比)。麦芽汁中的浸出物是多种成分的混合物,以麦芽糖为主。啤酒中乙醇浓度一般低于10%。
基本有机化工原料
乙醇可用来制取乙醛、乙酸乙酯、乙胺等化工原料,也是制取染料、涂料、洗涤剂等产品的原料。
汽车燃料
乙醇可以调入汽油,作为车用燃料,我国雅津甜高粱乙醇在汽油中占10%。美国销售乙醇汽油已有20年历史。
乙醇汽油也被称为(E型汽油),我国使用乙醇汽油是用90%的普通汽油与10%的燃料乙醇调和而成。它可以改善油品的性能和质量,降低一氧化碳、碳氢化合物等主要污染物排放。
车用乙醇汽油是指在不含甲基叔丁基醚(MTBE)、含氧添加剂的专用汽油组分油中,按体积比加入一定比例(我国目前暂定为10%)的变性燃料乙醇,由车用乙醇汽油定点调配中心按国标GB18351—2001的质量要求,通过特定工艺混配而成的新一代清洁环保型车用燃料。
车用乙醇汽油按研究法辛烷值分为90号、93号、95号三个牌号。
标志方法是在汽油标号前加注字母E,做为车用乙醇汽油的统一标示,三种牌号的汽油标志分别为“E90乙醇汽油90号”、“E90乙醇汽油93号”、“E90乙醇汽油95号”。车用乙醇汽油适用于装配点燃式发动机的各类车辆、无论是化油器或电喷供油方式的大、中、小型车辆。
它不影响汽车的行驶性能,还减少有害气体的排放量。乙醇汽油作为一种新型清洁燃料,是目前世界上可再生能源的发展重点,符合我国能源替代战略和可再生能源发展方向,技术上成熟安全可靠,在我国完全适用,具有较好的经济效益和社会效益。
早在20世纪20年代,巴西就开始了乙醇汽油的使用。由于巴西石油资源缺乏,但盛产甘蔗,于是形成了用甘蔗生产蔗糖、醇的成套技术。目前,巴西是世界上乙醇汽油中乙醇含量Zui早达到20%的国家。
美国是世界上另一个燃料乙醇的消费大国。20世纪30年代在内布拉斯加州地区乙醇汽油就首次面市。1978年含10%乙醇汽油(E10汽油)在内布拉斯加州大规模使用,此后,美国联邦政府对E10汽油实行减免税,燃料乙醇产量从1979年的3万吨迅速增加到1990年的269万吨。2000年美国燃料乙醇产量达到500万吨。随着MTBE在美国使用量的减少和Zui终的禁用,燃料乙醇将成为MTBE含氧化合物的替代产品。预计,到2004年全美国燃料乙醇需求将达到1000万吨。
我国在抗战时,就使用酒精作汽车燃料,在解放战争的时候,解放军为了军用,建立了南阳酒精厂,现在这个厂还是生产乙醇汽油用酒精的主要工厂。解放之初,还有用酒精开汽车的,还不是现在的科学的乙醇汽油。
国内乙醇汽油产量占三位,今年国家发展与改革委员会上呈全国两会的报告统计,全国目前已有每年混配一千万吨乙醇汽油的能力,乙醇汽油的消费量已占全国汽油消费量的20%,在全世界上继巴西、美国之后成为生产乙醇汽油的第三大国。如全国都使用含10%的乙醇汽油,则每年可节省450万吨汽油。乙醇汽油是「十五计划」的重点工作之一。国内从2003年起陆续宣称黑龙江、吉林、辽宁、河南、安徽等省及河北、山东、江苏、湖北等27个城市全面停用普通无铅汽油,改用添加10%酒精的乙醇汽油。
目前中国大多数推广省市中乙醇汽油占汽油的销售使用量比例都较高,且还在提高,可是因为原料、成本和技术问题,中国在乙醇汽油的推广中也遇到一些阻碍,后因政策支持,技术进步等原因,使得乙醇汽油的推广得以顺利进行。
总体看来,乙醇汽油的使用及推广是中国大势所趋,2006至2010年期间,车用乙醇汽油将在国内更多地区推广。
乙醇汽油的环保性令人称道,在9个城市调查报告中,使用乙醇汽油期间,城市空气中的二氧化氮、一氧化碳季均值与使用普通汽油比较,二氧化氮下降了8%与一氧化碳下降5%。
乙醇汽油唯一的缺点,是使用者感觉它比普通汽油动力下降,油耗增加,天热时还易于气阻熄火。由于乙醇汽油一旦遇水就会分层,无法采用成本很低的管道输送,乙醇汽油储运周期只有4—5天,这影响使用乙醇汽油的方便性。用乙醇汽油比车用无铅汽油更容易在进气阀上形成堆积物,使喷油嘴的雾化效果不好、进气阀堆积物增多,进而引起乙醇汽油燃烧效率下降,耗油量增加。使用乙醇汽油的试验车进气阀上的堆积量要比使用93#车用无铅汽油的车平均高出33%。这是由于燃料乙醇的不稳定性造成发动机燃油进气系统上堆积物增加,使喷油嘴雾化不好、引起乙醇汽油燃烧效率下降,耗油量增加。
乙醇还做:稀释剂、有机溶剂、涂料溶剂等几大方面,其中用量Zui大的是消毒剂。
中国Zui早生产乙醇燃料的企业是河南南阳的天冠集团,也是国家重点试点企业,乙醇燃料Zui早试点地也是河南的郑州,洛阳,南阳三地。
现在主要是以甜高粱乙醇为主,甜高粱的低投入和高产出,是所有生物质中效益和发展潜力Zui大的。
发展策略
1、酒精行业发展要与农业特粮的发展相结合,坚持以“市场需求为主”的方针,围绕着提高质量和经济效益做文章,产品坚持优质、多品种、低消耗,走综合发展的道路,以高速产品结构、企业结构和扩大出口并发展重点,以高新技术的开发利用等发展方向,人才发展规模经济。管理利用外资,促进酒精工业再上新台阶。[1]
2、以提高经济效益等目的,加快以规模经济大型化等方向的骨干企业的发展,将污染治理与新资源开发利用结合起来,努力探索治理污染、保护环境、提高效益的新途径,加强节约能源,粮食、提高自动化水平的技术改造,努力降低成本,提高产品质量,以增加出口与饲料生产等突破口,大力开发新苗种、新产品、调整企业产品结构,走多元化发展的道路。
3、在市场经济条件下,生产能力大于需要,酒精供过于求,市场竞争激烈、利润大幅下降,这种现象还将长期存在。酒精生产企业必须加强自身建设,加快科技进步,提高职工素质,提高管理水平,才能提高经济效益,在竞争中求得生存,努力赶超世界先进水平。
工业制法
工业上一般用淀粉发酵法或乙烯直接水化法制取乙醇:
1.发酵法
发酵法制乙醇是在酿酒的基础上发展起来的,在相当长的历史时期内,曾是生产乙醇的唯一工业方法。发酵法的原料可以是含淀粉的农产品,如谷类、薯类或野生植物果实等;也可用制糖厂的废糖蜜;或者用含纤维素的木屑、植物茎秆等。这些物质经一定的预处理后,经水解(用废蜜糖作原料不经这一步)、发酵,即可制得乙醇。
发酵液中的质量分数约为6%~10%,并含有其他一些有机杂质,经精馏可得95%的工业乙醇。
2.乙烯水化法
乙烯直接水化法,就是在加热、加压和有催化剂存在的条件下,是乙烯与水直接反应,生产乙醇:
CH2═CH2 +H─OH→C2H5OH(该反应分两步进行,第一步是与乙酸汞等汞盐在水-四氢呋喃溶液中生成有机汞化合物,而后用还原)
此法中的原料—乙烯可大量取自石油裂解气,成本低,产量大,这样能节约大量粮食,发展很快。
3. 煤化工
目前工业制乙醇还主要是通过乙烯氢化制得,而适合我国国情的技术就是利用煤化工技术,将煤转化为合成气,直接或者间接的合成乙醇。
目前煤化工路线国内有两条,且都是自主技术为主: