El etanol (también llamado alcohol etílico , alcohol de grano , alcohol para beber o simplemente alcohol ) es un compuesto orgánico con la fórmula química CH3CH2OH . Es un alcohol , con su fórmula también escrita como C2H5OH , C2H6O o EtOH , donde Et significa etilo . El etanol es un líquido volátil , inflamable , incoloro con un olor característico a vino y un sabor picante . [13] [ 14] En la naturaleza, el azúcar de uva se descompone por la acción de la fermentación en alcohol o ácido carbónico, sin que se agregue nada. [ 15 ] Como depresor psicoactivo , es el ingrediente activo en las bebidas alcohólicas y la segunda droga más consumida a nivel mundial detrás de la cafeína . [16]
El etanol se produce de forma natural mediante el proceso de fermentación de azúcares por levaduras o mediante procesos petroquímicos como la hidratación del etileno . Históricamente se utilizaba como anestésico general y tiene aplicaciones médicas modernas como antiséptico , desinfectante , disolvente de algunos medicamentos y antídoto para la intoxicación por metanol y etilenglicol . [17] [18] Se utiliza como disolvente químico y en la síntesis de compuestos orgánicos , y como fuente de combustible para lámparas, estufas y motores de combustión interna. El etanol también se puede deshidratar para producir etileno , una importante materia prima química. En 2023, la producción mundial de combustible de etanol fue de 29 590 000 000 galones estadounidenses (112,0 gigalitros), procedentes principalmente de Estados Unidos (51 %) y Brasil (26 %). [19]
Etanol es el nombre sistemático definido por la Unión Internacional de Química Pura y Aplicada para un compuesto que consiste en un grupo alquilo con dos átomos de carbono (prefijo "eth-"), que tiene un enlace simple entre ellos (infijo "-an-") y un grupo funcional −OH unido (sufijo "-ol"). [20]
El prefijo "eth-" y el calificativo "ethyl" en "alcohol etílico" provienen originalmente del nombre "ethyl" asignado en 1834 al grupo C.
2yo
5− por Justus Liebig . Acuñó la palabra a partir del nombre alemán Aether del compuesto C
2yo
5−O− C
2yo
5(comúnmente llamado "éter" en inglés , más específicamente llamado " éter dietílico "). [21] Según el Oxford English Dictionary , etilo es una contracción del griego antiguo αἰθήρ ( aithḗr , "aire superior") y la palabra griega ὕλη ( hýlē , "madera, materia prima", de ahí "materia, sustancia"). [22]
El nombre etanol fue acuñado como resultado de una resolución sobre la denominación de alcoholes y fenoles que se adoptó en la Conferencia Internacional sobre Nomenclatura Química que se celebró en abril de 1892 en Ginebra , Suiza. [23]
El término alcohol ahora se refiere a una clase más amplia de sustancias en la nomenclatura química, pero en el lenguaje común sigue siendo el nombre de etanol. Es un préstamo medieval del árabe al-kuḥl , un mineral en polvo de antimonio utilizado desde la antigüedad como cosmético, y conservó ese significado en el latín medio . [24] El uso de 'alcohol' para etanol (en su forma completa, "alcohol de vino") es moderno y se registró por primera vez en 1753. Antes de fines del siglo XVIII, el término "alcohol" generalmente se refería a cualquier sustancia sublimada. [25]
El etanol es el sedante más antiguo conocido , utilizado como anestésico general oral durante la cirugía en la antigua Mesopotamia y en la época medieval . [17] [18] La intoxicación leve comienza con una concentración de alcohol en sangre de 0,03-0,05% e induce coma anestésico al 0,4%. [26] Sin embargo, este uso conlleva el alto riesgo de intoxicación alcohólica mortal , aspiración pulmonar y vómito, lo que llevó al uso de alternativas en la antigüedad, como el opio y el cannabis , y más tarde el éter dietílico a partir de la década de 1840. [27]
El etanol se utiliza como antiséptico en toallitas médicas y geles desinfectantes para manos por sus efectos bactericidas y antifúngicos. [28] El etanol mata los microorganismos disolviendo su bicapa lipídica de membrana y desnaturalizando sus proteínas , y es eficaz contra la mayoría de las bacterias , hongos y virus . Sin embargo, es ineficaz contra las esporas bacterianas , que pueden tratarse con peróxido de hidrógeno . [29]
Una solución de etanol al 70% es más eficaz que el etanol puro porque el etanol depende de las moléculas de agua para una actividad antimicrobiana óptima. El etanol absoluto puede inactivar los microbios sin destruirlos porque el alcohol no puede penetrar completamente la membrana del microbio. [30] [31] El etanol también se puede utilizar como desinfectante y antiséptico al inducir la deshidratación celular a través de la alteración del equilibrio osmótico a través de la membrana celular, lo que hace que el agua salga de la célula, lo que conduce a la muerte celular. [32]
El etanol puede administrarse como antídoto contra el envenenamiento por etilenglicol [33] y el envenenamiento por metanol [34] . Lo hace al actuar como un inhibidor competitivo contra el metanol y el etilenglicol para la alcohol deshidrogenasa [35] . Aunque tiene más efectos secundarios, el etanol es menos costoso y está más disponible que el fomepizol en esta función [36] .
El etanol se utiliza para disolver muchos medicamentos insolubles en agua y compuestos relacionados. Las preparaciones líquidas de analgésicos , medicamentos para la tos y el resfriado y enjuagues bucales, por ejemplo, pueden contener hasta un 25 % de etanol [37] y es posible que deban evitarse en personas con reacciones adversas al etanol, como reacciones respiratorias inducidas por el alcohol . [38] El etanol está presente principalmente como conservante antimicrobiano en más de 700 preparaciones líquidas de medicamentos, incluidos paracetamol , suplementos de hierro , ranitidina , furosemida , manitol , fenobarbital , trimetoprima/sulfametoxazol y medicamentos para la tos de venta libre . [39]
Algunas soluciones medicinales de etanol también se conocen como tinturas .
En los mamíferos, el etanol se metaboliza principalmente en el hígado y el estómago por las enzimas alcohol deshidrogenasa (ADH). [40] Estas enzimas catalizan la oxidación del etanol en acetaldehído (etanal): [41]
Cuando está presente en concentraciones significativas, este metabolismo del etanol es ayudado adicionalmente por la enzima CYP2E1 del citocromo P450 en humanos, mientras que cantidades traza también son metabolizadas por la catalasa . [42]
El intermedio resultante, el acetaldehído, es un carcinógeno conocido y presenta una toxicidad significativamente mayor en los seres humanos que el propio etanol. Muchos de los síntomas que suelen asociarse con la intoxicación alcohólica (así como muchos de los riesgos para la salud que suelen asociarse con el consumo prolongado de etanol) pueden atribuirse a la toxicidad del acetaldehído en los seres humanos. [43]
La posterior oxidación del acetaldehído en acetato la realizan las enzimas aldehído deshidrogenasa (ALDH). Una mutación en el gen ALDH2 que codifica una forma inactiva o disfuncional de esta enzima afecta aproximadamente al 50 % de las poblaciones del este de Asia, contribuyendo a la reacción característica de enrojecimiento por alcohol que puede causar enrojecimiento temporal de la piel, así como una serie de síntomas relacionados, y a menudo desagradables, de toxicidad por acetaldehído. [44] Esta mutación suele ir acompañada de otra mutación en la enzima alcohol deshidrogenasa ADH1B en aproximadamente el 80 % de los asiáticos del este, lo que mejora la eficiencia catalítica de la conversión de etanol en acetaldehído. [44]
Como depresor del sistema nervioso central , el etanol es una de las drogas psicoactivas más consumidas . [45]
A pesar de las propiedades psicoactivas, adictivas y cancerígenas del alcohol , su venta es legal y se consigue fácilmente en la mayoría de los países. Existen leyes que regulan la venta, la exportación/importación, los impuestos, la fabricación, el consumo y la posesión de bebidas alcohólicas. La regulación más común es la prohibición para menores de edad.
El mayor uso del etanol es como combustible para motores y aditivo para combustibles . Brasil , en particular, depende en gran medida del uso de etanol como combustible para motores, debido en parte a su papel como uno de los principales productores de etanol del mundo. [49] [50] La gasolina que se vende en Brasil contiene al menos un 25% de etanol anhidro . El etanol hidratado (alrededor del 95% de etanol y el 5% de agua) se puede utilizar como combustible en más del 90% de los nuevos automóviles a gasolina que se venden en el país.
En Estados Unidos y muchos otros países se utilizan principalmente mezclas de etanol y gasolina E10 (10 % de etanol, a veces conocido como gasohol) y E85 (85 % de etanol). Se cree que, con el tiempo, una parte importante del mercado de gasolina de aproximadamente 150 mil millones de galones estadounidenses (570 000 000 m 3 ) por año comenzará a ser reemplazado por etanol combustible. [51]
La ley australiana limita el uso de etanol puro obtenido a partir de desechos de caña de azúcar al 10 % en automóviles. Los automóviles más viejos (y los automóviles antiguos diseñados para utilizar un combustible de combustión más lenta) deberían tener las válvulas del motor actualizadas o reemplazadas. [52]
Según un grupo de defensa de la industria , el etanol como combustible reduce las emisiones nocivas de los tubos de escape de monóxido de carbono, partículas, óxidos de nitrógeno y otros contaminantes formadores de ozono. [53] El Laboratorio Nacional Argonne analizó las emisiones de gases de efecto invernadero de muchas combinaciones diferentes de motores y combustibles, y descubrió que la mezcla de biodiésel /petrodiésel ( B20 ) mostró una reducción del 8%, la mezcla convencional de etanol E85 una reducción del 17% y el etanol celulósico del 64%, en comparación con la gasolina pura. [54] El etanol tiene un número de octano de investigación (RON) mucho mayor que la gasolina, lo que significa que es menos propenso a la preignición, lo que permite un mejor avance de la ignición, lo que significa más torque y eficiencia además de menores emisiones de carbono. [55]
La combustión de etanol en un motor de combustión interna produce muchos de los productos de combustión incompleta producidos por la gasolina y cantidades significativamente mayores de formaldehído y especies relacionadas como el acetaldehído. [56] Esto conduce a una reactividad fotoquímica significativamente mayor y más ozono a nivel del suelo . [57] Estos datos se han reunido en la comparación de emisiones de combustible de The Clean Fuels Report [58] y muestran que el escape de etanol genera 2,14 veces más ozono que el escape de gasolina. [59] Cuando esto se agrega al Índice de contaminación localizada personalizado de The Clean Fuels Report, la contaminación local del etanol (contaminación que contribuye al smog) se califica como 1,7, donde la gasolina es 1,0 y los números más altos significan una mayor contaminación. [60] La Junta de Recursos del Aire de California formalizó este problema en 2008 al reconocer los estándares de control para los formaldehídos como un grupo de control de emisiones, al igual que los NOx convencionales y los gases orgánicos reactivos (ROG). [61]
Más del 20% de los automóviles brasileños pueden utilizar etanol al 100% como combustible, lo que incluye motores que funcionan solo con etanol y motores flex-fuel . [62] Los motores flex-fuel en Brasil pueden funcionar con etanol, gasolina o cualquier mezcla de ambos. En Estados Unidos, los vehículos flex-fuel pueden funcionar con entre 0% y 85% de etanol (15% de gasolina), ya que las mezclas con mayor contenido de etanol aún no están permitidas o no son eficientes. Brasil apoya esta flota de automóviles que queman etanol con una gran infraestructura nacional que produce etanol a partir de caña de azúcar cultivada en el país.
La alta miscibilidad del etanol con el agua lo hace inadecuado para su transporte a través de tuberías modernas como los hidrocarburos líquidos. [63] Los mecánicos han visto un aumento de casos de daños en motores pequeños (en particular, el carburador ) y atribuyen el daño a la mayor retención de agua por parte del etanol en el combustible. [64]
El etanol se usaba comúnmente como combustible en los primeros vehículos cohete bipropulsados (propulsados por líquido), junto con un oxidante como el oxígeno líquido. El cohete balístico alemán A-4 de la Segunda Guerra Mundial (más conocido por su nombre propagandístico V-2 ), [65] al que se le atribuye el inicio de la era espacial, usaba etanol como componente principal de B-Stoff . Bajo dicha nomenclatura, el etanol se mezclaba con un 25% de agua para reducir la temperatura de la cámara de combustión. [66] [67] El equipo de diseño del V-2 ayudó a desarrollar cohetes estadounidenses después de la Segunda Guerra Mundial, incluido el cohete Redstone alimentado con etanol , que lanzó al primer astronauta estadounidense en un vuelo espacial suborbital . [68] [69] Los alcoholes cayeron en desuso general a medida que se desarrollaron combustibles para cohetes con mayor densidad energética, [67] aunque el etanol se usa actualmente en aviones de carreras ligeros propulsados por cohetes . [70]
Las celdas de combustible comerciales funcionan con gas natural reformado, hidrógeno o metanol. El etanol es una alternativa atractiva debido a su amplia disponibilidad, bajo costo, alta pureza y baja toxicidad. Existe una amplia gama de conceptos de celdas de combustible que han entrado en fase de prueba, incluidas las celdas de combustible de etanol directo , los sistemas de reformado autotérmico y los sistemas integrados térmicamente. La mayor parte del trabajo se está realizando a nivel de investigación, aunque hay varias organizaciones que están comenzando la comercialización de celdas de combustible de etanol. [71]
Las chimeneas de etanol se pueden utilizar para calentar el hogar o como decoración. El etanol también se puede utilizar como combustible para cocinar. [72] [73]
El etanol es un ingrediente industrial importante. Se utiliza ampliamente como precursor de otros compuestos orgánicos, como haluros de etilo , ésteres etílicos , éter dietílico, ácido acético y aminas etílicas .
El etanol se considera un disolvente universal , ya que su estructura molecular permite la disolución de compuestos polares , hidrófilos y no polares , hidrófobos . Como el etanol también tiene un punto de ebullición bajo , es fácil de eliminar de una solución que se ha utilizado para disolver otros compuestos, lo que lo convierte en un agente de extracción popular para aceites botánicos. Los métodos de extracción de aceite de cannabis a menudo utilizan etanol como disolvente de extracción, [74] y también como disolvente de posprocesamiento para eliminar aceites, ceras y clorofila de la solución en un proceso conocido como invernación .
El etanol se encuentra en pinturas , tinturas , marcadores y productos de cuidado personal como enjuagues bucales, perfumes y desodorantes. Los polisacáridos precipitan de la solución acuosa en presencia de alcohol, y la precipitación con etanol se utiliza por este motivo en la purificación de ADN y ARN .
Debido a su bajo punto de congelación de -114 °C (-173 °F) y su baja toxicidad, el etanol se utiliza a veces en laboratorios (con hielo seco u otros refrigerantes) como baño de refrigeración para mantener los recipientes a temperaturas inferiores al punto de congelación del agua. Por la misma razón, también se utiliza como fluido activo en los termómetros de alcohol .
El etanol es un alcohol de 2 carbonos . Su fórmula molecular es CH 3 CH 2 OH. La estructura de la molécula de etanol es CH 3 −CH 2 −OH (un grupo etilo unido a un grupo hidroxilo ), lo que indica que el carbono de un grupo metilo (CH 3 −) está unido al carbono de un grupo metileno (−CH 2 –), que está unido al oxígeno de un grupo hidroxilo (−OH). Es un isómero constitucional del dimetiléter . El etanol a veces se abrevia como EtOH , utilizando la notación común de la química orgánica de representar el grupo etilo (C 2 H 5 −) con Et .
El etanol es un líquido volátil e incoloro que tiene un ligero olor. Arde con una llama azul sin humo que no siempre es visible con luz normal. Las propiedades físicas del etanol se deben principalmente a la presencia de su grupo hidroxilo y a la brevedad de su cadena de carbono. El grupo hidroxilo del etanol puede participar en la formación de enlaces de hidrógeno, lo que lo hace más viscoso y menos volátil que los compuestos orgánicos menos polares de peso molecular similar, como el propano .
La temperatura de llama adiabática del etanol para la combustión en el aire es de 2082 °C o 3779 °F. [75]
El etanol es ligeramente más refractivo que el agua, con un índice de refracción de 1,36242 (a λ=589,3 nm y 18,35 °C o 65,03 °F). [ 76] El punto triple del etanol es 150 ± 20 K. [77]
El etanol es un disolvente versátil, miscible con agua y con muchos disolventes orgánicos, entre ellos el ácido acético , la acetona , el benceno , el tetracloruro de carbono , el cloroformo , el éter dietílico , el etilenglicol, el glicerol , el nitrometano , la piridina y el tolueno . Su principal uso como disolvente es en la elaboración de tinturas de yodo, jarabes para la tos, etc. [76] [78] También es miscible con hidrocarburos alifáticos ligeros, como el pentano y el hexano , y con cloruros alifáticos como el tricloroetano y el tetracloroetileno . [78]
La miscibilidad del etanol con el agua contrasta con la inmiscibilidad de los alcoholes de cadena más larga (cinco o más átomos de carbono), cuya miscibilidad en agua disminuye drásticamente a medida que aumenta el número de carbonos. [79] La miscibilidad del etanol con alcanos se limita a los alcanos hasta el undecano : las mezclas con dodecano y alcanos superiores muestran una brecha de miscibilidad por debajo de una cierta temperatura (alrededor de 13 °C para el dodecano [80] ). La brecha de miscibilidad tiende a ensancharse con alcanos superiores y aumenta la temperatura para la miscibilidad completa.
Las mezclas de etanol y agua tienen un volumen menor que la suma de sus componentes individuales en las fracciones dadas. Mezclar volúmenes iguales de etanol y agua da como resultado solo 1,92 volúmenes de mezcla. [76] [81] La mezcla de etanol y agua es exotérmica , y se liberan hasta 777 J/mol [82] a 298 K.
Las mezclas de etanol y agua forman un azeótropo con aproximadamente 89 moles por ciento de etanol y 11 moles por ciento de agua [83] o una mezcla de 95,6 % de etanol en masa (o aproximadamente 97 % de alcohol en volumen ) a presión normal, que hierve a 351 K (78 °C). Esta composición azeotrópica depende en gran medida de la temperatura y la presión y desaparece a temperaturas inferiores a 303 K. [84]
La unión de hidrógeno hace que el etanol puro sea higroscópico hasta el punto de que absorbe fácilmente agua del aire. La naturaleza polar del grupo hidroxilo hace que el etanol disuelva muchos compuestos iónicos, en particular hidróxidos de sodio y potasio , cloruro de magnesio , cloruro de calcio , cloruro de amonio , bromuro de amonio y bromuro de sodio . [78] Los cloruros de sodio y potasio son ligeramente solubles en etanol. [78] Debido a que la molécula de etanol también tiene un extremo no polar, también disolverá sustancias no polares, incluyendo la mayoría de los aceites esenciales [85] y numerosos agentes aromatizantes, colorantes y medicinales.
La adición de un pequeño porcentaje de etanol al agua reduce drásticamente la tensión superficial del agua. Esta propiedad explica en parte el fenómeno de las " lágrimas de vino ". Cuando se agita el vino en una copa, el etanol se evapora rápidamente de la fina película de vino que se forma en las paredes de la copa. A medida que disminuye el contenido de etanol del vino, aumenta su tensión superficial y la fina película se "acumula" y se desliza por la copa en canales en lugar de como una lámina lisa.
Una solución de etanol y agua se incendiará si se calienta por encima de una temperatura llamada punto de inflamación y luego se le aplica una fuente de ignición. [86] Para el 20% de alcohol en masa (aproximadamente el 25% en volumen), esto ocurrirá a aproximadamente 25 °C (77 °F). El punto de inflamación del etanol puro es de 13 °C (55 °F), [87] pero puede verse influenciado muy levemente por la composición atmosférica, como la presión y la humedad. Las mezclas de etanol pueden encenderse por debajo de la temperatura ambiente promedio. El etanol se considera un líquido inflamable (material peligroso de clase 3) en concentraciones superiores al 2,35% en masa (3,0% en volumen; 6 grados ). [88] [89] [90]
Los platos que utilizan alcohol ardiente para obtener efectos culinarios se llaman flambeados .
El etanol es un subproducto del proceso metabólico de la levadura. Como tal, el etanol estará presente en cualquier hábitat de levadura. El etanol se puede encontrar comúnmente en frutas demasiado maduras. [93] El etanol producido por levaduras simbióticas se puede encontrar en las flores de la palma bertam . Aunque algunas especies animales, como la musaraña de cola de pez , exhiben comportamientos de búsqueda de etanol, la mayoría no muestra interés o evita las fuentes de alimento que contienen etanol. [94] El etanol también se produce durante la germinación de muchas plantas como resultado de la anaerobiosis natural . [95]
Se ha detectado etanol en el espacio exterior , formando una capa helada alrededor de los granos de polvo en las nubes interestelares . [96] Se encontraron cantidades diminutas (un promedio de 196 ppb ) de etanol endógeno y acetaldehído en el aliento exhalado de voluntarios sanos. [97] El síndrome de autocervecería , también conocido como síndrome de fermentación intestinal, es una afección médica poco común en la que se producen cantidades intoxicantes de etanol a través de la fermentación endógena dentro del sistema digestivo . [98]
El etanol se produce como petroquímico , a través de la hidratación del etileno , y mediante procesos biológicos, fermentando azúcares con levadura . [99] El proceso que resulta más económico depende de los precios vigentes del petróleo y de los cereales como materia prima.
La producción mundial de etanol en 2006 fue de 51 gigalitros (1,3 × 10 10 galones estadounidenses), de los cuales el 69% proviene de Brasil y Estados Unidos [19]. El etanol brasileño se produce a partir de caña de azúcar, que tiene rendimientos relativamente altos (830% más de combustible que los combustibles fósiles utilizados para producirlo) en comparación con otros cultivos energéticos . [100] La caña de azúcar no solo tiene una mayor concentración de sacarosa que el maíz (alrededor del 30%), sino que también es mucho más fácil de extraer. El bagazo generado por el proceso no se descarta, sino que se quema en las centrales eléctricas para producir electricidad. La quema de bagazo representa alrededor del 9% de la electricidad producida en Brasil. [101]
En la década de 1970, la mayor parte del etanol industrial en los EE. UU. se producía como petroquímico, pero en la década de 1980, Estados Unidos introdujo subsidios para el etanol basado en maíz . [102] Según la Asociación de Combustibles Renovables, al 30 de octubre de 2007, 131 biorrefinerías de etanol de grano en los EE. UU. tienen la capacidad de producir 7 × 10 9 galones estadounidenses (26 000 000 m 3 ) de etanol por año. Otros 72 proyectos de construcción en marcha (en los EE. UU.) pueden agregar 6.4 mil millones de galones estadounidenses (24 000 000 m 3 ) de nueva capacidad en los próximos 18 meses. [51]
En la India, el etanol se produce a partir de la caña de azúcar. [103] El sorgo dulce es otra fuente potencial de etanol y es adecuado para su cultivo en condiciones de secano. El Instituto Internacional de Investigación de Cultivos para las Zonas Tropicales Semiáridas está investigando la posibilidad de cultivar sorgo como fuente de combustible, alimentos y pienso para animales en zonas áridas de Asia y África . [104] El sorgo dulce necesita un tercio del agua que la caña de azúcar durante el mismo período de tiempo. También requiere aproximadamente un 22% menos de agua que el maíz. La primera destilería de etanol de sorgo dulce del mundo comenzó su producción comercial en 2007 en Andhra Pradesh , India . [105]
El etanol se puede producir a partir de materias primas petroquímicas , principalmente mediante la hidratación catalizada por ácido del etileno . A menudo se lo denomina etanol sintético.
El catalizador más común es el ácido fosfórico , [106] [107] adsorbido sobre un soporte poroso como gel de sílice o tierra de diatomeas . Este catalizador fue utilizado por primera vez para la producción de etanol a gran escala por la Shell Oil Company en 1947. [108] La reacción se lleva a cabo en presencia de vapor a alta presión a 300 °C (572 °F) donde se mantiene una relación de etileno a vapor de 5:3. [109] [110] Este proceso fue utilizado a escala industrial por Union Carbide Corporation y otros. Ya no se practica en los EE. UU. ya que el etanol de fermentación producido a partir del maíz es más económico. [111]
En un proceso más antiguo, practicado por primera vez a escala industrial en 1930 por Union Carbide [112] pero ahora casi totalmente obsoleto, el etileno se hidrataba indirectamente al reaccionar con ácido sulfúrico concentrado para producir sulfato de etilo , que se hidrolizaba para producir etanol y regenerar el ácido sulfúrico: [113]
El etanol se ha producido en el laboratorio convirtiendo el dióxido de carbono mediante reacciones biológicas y electroquímicas . [114] [115]
El etanol presente en las bebidas alcohólicas y en los combustibles se produce por fermentación. Algunas especies de levaduras (por ejemplo, Saccharomyces cerevisiae ) metabolizan el azúcar (es decir, los polisacáridos ) y producen etanol y dióxido de carbono. Las ecuaciones químicas que se indican a continuación resumen la conversión:
La fermentación es el proceso de cultivo de levadura en condiciones térmicas favorables para producir alcohol. Este proceso se lleva a cabo a unos 35–40 °C (95–104 °F). La toxicidad del etanol para la levadura limita la concentración de etanol que se puede obtener mediante la elaboración de cerveza; por lo tanto, se obtienen concentraciones más altas mediante fortificación o destilación . Las cepas de levadura más tolerantes al etanol pueden sobrevivir hasta aproximadamente un 18 % de etanol por volumen.
Para producir etanol a partir de materiales almidonados como los cereales , primero hay que convertir el almidón en azúcares. En la elaboración de cerveza , esto se ha logrado tradicionalmente dejando que el grano germine, o malta , que produce la enzima amilasa . Cuando se tritura el grano malteado , la amilasa convierte los almidones restantes en azúcares.
Los azúcares para la fermentación del etanol pueden obtenerse a partir de la celulosa . La implementación de esta tecnología podría convertir una serie de subproductos agrícolas que contienen celulosa, como las mazorcas de maíz , la paja y el aserrín , en recursos de energía renovable. Otros residuos agrícolas, como el bagazo de la caña de azúcar y los cultivos energéticos como el pasto varilla también pueden ser fuentes de azúcar fermentable. [116]
Las cervecerías y las plantas de biocombustibles emplean dos métodos para medir la concentración de etanol. Los sensores de etanol infrarrojos miden la frecuencia vibratoria del etanol disuelto utilizando la banda C−H a 2900 cm −1 . Este método utiliza un sensor de estado sólido relativamente económico que compara la banda C−H con una banda de referencia para calcular el contenido de etanol. El cálculo utiliza la ley de Beer-Lambert . Alternativamente, al medir la densidad del material de partida y la densidad del producto, utilizando un hidrómetro , el cambio en la gravedad específica durante la fermentación indica el contenido de alcohol. Este método económico e indirecto tiene una larga historia en la industria cervecera.
La hidratación o elaboración de etileno produce una mezcla de etanol y agua. Para la mayoría de los usos industriales y de combustible, el etanol debe purificarse. La destilación fraccionada a presión atmosférica puede concentrar el etanol al 95,6 % en peso (89,5 moles %). Esta mezcla es un azeótropo con un punto de ebullición de 78,1 °C (172,6 °F) y no se puede purificar más por destilación. La adición de un agente de arrastre, como benceno , ciclohexano o heptano , permite formar un nuevo azeótropo ternario que comprende el etanol, el agua y el agente de arrastre. Este azeótropo ternario de punto de ebullición más bajo se elimina preferentemente, lo que da lugar a etanol sin agua. [107]
Además de la destilación, el etanol se puede secar mediante la adición de un desecante , como tamices moleculares , celulosa o harina de maíz . Los desecantes se pueden secar y reutilizar. [107] Los tamices moleculares se pueden utilizar para absorber selectivamente el agua de la solución de etanol al 95,6%. [117] Los tamices moleculares de tamaño de poro de 3 Ångstrom , un tipo de zeolita , secuestran eficazmente las moléculas de agua mientras excluyen las moléculas de etanol. Calentar los tamices húmedos expulsa el agua, lo que permite la regeneración de su capacidad desecante. [118]
Las membranas también se pueden utilizar para separar etanol y agua. Las separaciones basadas en membranas no están sujetas a las limitaciones del azeótropo agua-etanol porque las separaciones no se basan en equilibrios vapor-líquido. Las membranas se utilizan a menudo en el llamado proceso de destilación de membrana híbrida. Este proceso utiliza una columna de destilación de preconcentración como primer paso de separación. La separación posterior se lleva a cabo luego con una membrana que funciona en modo de permeación de vapor o de pervaporación. La permeación de vapor utiliza una alimentación de membrana de vapor y la pervaporación utiliza una alimentación de membrana de líquido.
Se han analizado otras técnicas, entre ellas las siguientes: [107]
El etanol puro y las bebidas alcohólicas están sujetos a fuertes impuestos por ser considerados drogas psicoactivas, pero el etanol tiene muchos usos que no implican su consumo. Para aliviar la carga impositiva sobre estos usos, la mayoría de las jurisdicciones eximen del impuesto cuando se ha añadido un agente al etanol para hacerlo no apto para beber. Estos incluyen agentes amargantes como el benzoato de denatonio y toxinas como el metanol, la nafta y la piridina . Los productos de este tipo se denominan alcohol desnaturalizado. [121] [122]
El alcohol absoluto o anhidro se refiere al etanol con un bajo contenido de agua. Existen varios grados con contenidos máximos de agua que van desde el 1% hasta unas pocas partes por millón (ppm). Si se utiliza la destilación azeotrópica para eliminar el agua, contendrá trazas del agente de separación de materiales (por ejemplo, benceno). [123] El alcohol absoluto no está destinado al consumo humano. El etanol absoluto se utiliza como disolvente para aplicaciones industriales y de laboratorio, donde el agua reaccionará con otros productos químicos, y como alcohol combustible. El etanol espectroscópico es un etanol absoluto con una baja absorbancia en luz ultravioleta y visible, apto para su uso como disolvente en espectroscopia ultravioleta-visible . [124]
El etanol puro se clasifica como de 200 grados en los EE. UU., equivalente a 175 grados en el sistema del Reino Unido. [125]
El alcohol rectificado, una composición azeotrópica de 96 % de etanol que contiene 4 % de agua, se utiliza en lugar de etanol anhidro para diversos fines. Los aguardientes de vino contienen aproximadamente 94 % de etanol (188 grados). Las impurezas son diferentes a las del etanol de laboratorio al 95 % (190 grados). [126]
El etanol se clasifica como un alcohol primario, lo que significa que el carbono al que se une su grupo hidroxilo también tiene al menos dos átomos de hidrógeno unidos a él. Muchas reacciones del etanol ocurren en su grupo hidroxilo.
En presencia de catalizadores ácidos, el etanol reacciona con ácidos carboxílicos para producir ésteres etílicos y agua:
Esta reacción, que se lleva a cabo a gran escala industrialmente, requiere la eliminación del agua de la mezcla de reacción a medida que se forma. Los ésteres reaccionan en presencia de un ácido o una base para devolver el alcohol y una sal. Esta reacción se conoce como saponificación porque se utiliza en la preparación de jabón. El etanol también puede formar ésteres con ácidos inorgánicos. El sulfato de dietilo y el fosfato de trietilo se preparan tratando el etanol con trióxido de azufre y pentóxido de fósforo respectivamente. El sulfato de dietilo es un agente etilante útil en la síntesis orgánica . El nitrito de etilo , preparado a partir de la reacción del etanol con nitrito de sodio y ácido sulfúrico, se utilizaba antiguamente como diurético .
En presencia de catalizadores ácidos, los alcoholes pueden convertirse en alquenos, como el etanol en etileno. Normalmente se utilizan ácidos sólidos como la alúmina . [127]
Como el agua se elimina de la misma molécula, la reacción se conoce como deshidratación intramolecular . La deshidratación intramolecular de un alcohol requiere una temperatura alta y la presencia de un catalizador ácido como el ácido sulfúrico . [128]
El etileno producido a partir de etanol derivado del azúcar (principalmente en Brasil) compite con el etileno producido a partir de materias primas petroquímicas como la nafta y el etano.
A una temperatura inferior a la de la deshidratación intramolecular, puede producirse una deshidratación intermolecular del alcohol , lo que produce un éter simétrico. Se trata de una reacción de condensación . En el siguiente ejemplo, se produce éter dietílico a partir de etanol:
La combustión completa del etanol forma dióxido de carbono y agua:
Calor específico = 2,44 kJ/(kg·K)
El etanol es una molécula neutra y el pH de una solución de etanol en agua es de casi 7,00. El etanol se puede convertir cuantitativamente en su base conjugada , el ion etóxido (CH 3 CH 2 O − ), mediante la reacción con un metal alcalino como el sodio : [79]
o una base muy fuerte como el hidruro de sodio :
Las acideces del agua y del etanol son casi iguales, como lo indican sus pKa de 15,7 y 16 respectivamente. Por lo tanto, el etóxido de sodio y el hidróxido de sodio existen en un equilibrio que está estrechamente equilibrado:
El etanol no se utiliza industrialmente como precursor de los haluros de etilo, pero las reacciones son ilustrativas. El etanol reacciona con haluros de hidrógeno para producir haluros de etilo, como el cloruro de etilo y el bromuro de etilo, mediante una reacción S N 2 :
El HCl requiere un catalizador como el cloruro de zinc . [113] El HBr requiere reflujo con un catalizador de ácido sulfúrico . [113] Los haluros de etilo también se pueden producir, en principio, tratando el etanol con agentes halogenantes más especializados , como el cloruro de tionilo o el tribromuro de fósforo . [79] [113]
Tras el tratamiento con halógenos en presencia de una base, el etanol produce el haloformo correspondiente (CHX 3 , donde X = Cl, Br, I). Esta conversión se denomina reacción del haloformo . [132] Un intermediario en la reacción con el cloro es el aldehído llamado cloral , que forma hidrato de cloral tras la reacción con el agua: [133]
El etanol se puede oxidar a acetaldehído y luego oxidarse a ácido acético , dependiendo de los reactivos y las condiciones. [113] Esta oxidación no tiene importancia industrialmente, pero en el cuerpo humano, estas reacciones de oxidación son catalizadas por la enzima alcohol deshidrogenasa hepática . El producto de oxidación del etanol, el ácido acético, es un nutriente para los humanos, siendo un precursor del acetil CoA , donde el grupo acetilo puede gastarse como energía o usarse para la biosíntesis.
El etanol es similar a los macronutrientes como las proteínas, las grasas y los carbohidratos en el sentido de que aporta calorías. Cuando se consume y se metaboliza, aporta 7 kilocalorías por gramo a través del metabolismo del etanol . [134]
El etanol es muy inflamable y no debe utilizarse cerca de una llama abierta.
El etanol puro irrita la piel y los ojos. [135] Las náuseas, los vómitos y la intoxicación son síntomas de ingestión. El uso prolongado por ingestión puede provocar daños graves en el hígado. [136] Las concentraciones atmosféricas superiores a una parte por mil superan los límites de exposición ocupacional de la Unión Europea . [136]
La fermentación del azúcar para producir etanol es una de las primeras biotecnologías empleadas por los seres humanos. El etanol se ha identificado históricamente como espíritu de vino o aguardiente, [137] y como aqua vitae o aqua vita. Los efectos intoxicantes de su consumo se conocen desde la antigüedad. El etanol ha sido utilizado por los seres humanos desde la prehistoria como ingrediente intoxicante de las bebidas alcohólicas . Los residuos secos en cerámica de 9.000 años de antigüedad encontrados en China sugieren que los pueblos neolíticos consumían bebidas alcohólicas. [138]
La naturaleza inflamable de las exhalaciones del vino ya era conocida por antiguos filósofos naturales como Aristóteles (384-322 a. C.), Teofrasto ( c. 371-287 a. C.) y Plinio el Viejo (23/24-79 d. C.). [139] Sin embargo, esto no condujo inmediatamente al aislamiento del etanol, a pesar del desarrollo de técnicas de destilación más avanzadas en el Egipto romano de los siglos II y III . [ 140] Un reconocimiento importante, encontrado por primera vez en uno de los escritos atribuidos a Jābir ibn Ḥayyān (siglo IX d. C.), fue que al agregar sal al vino hirviendo, lo que aumenta la volatilidad relativa del vino , se puede mejorar la inflamabilidad de los vapores resultantes. [141] La destilación del vino está atestiguada en obras árabes atribuidas a al-Kindī ( c. 801-873 d. C.) y a al-Fārābī ( c. 872-950 ), y en el libro 28 del Kitāb al-Taṣrīf de al-Zahrāwī (latín: Abulcasis, 936-1013) (posteriormente traducido al latín como Liber servatoris ). [142] En el siglo XII, las recetas para la producción de aqua ardens ("agua ardiente", es decir, etanol) mediante la destilación del vino con sal comenzaron a aparecer en varias obras latinas, y para fines del siglo XIII se había convertido en una sustancia ampliamente conocida entre los químicos de Europa occidental. [143]
Las obras de Taddeo Alderotti (1223-1296) describen un método para concentrar etanol que implicaba una destilación fraccionada repetida a través de un alambique enfriado por agua , con el que se podía obtener una pureza de etanol del 90%. [144] Las propiedades medicinales del etanol fueron estudiadas por Arnaldo de Villanova (1240-1311 d. C.) y Juan de Rupescissa ( c. 1310-1366 ), el último de los cuales lo consideraba una sustancia que preservaba la vida y podía prevenir todas las enfermedades (el aqua vitae o "agua de vida", también llamada por Juan la quintaesencia del vino). [145]
En China , la evidencia arqueológica indica que la verdadera destilación de alcohol comenzó durante las dinastías Jin (1115-1234) o Song del Sur (1127-1279). [146] Se ha encontrado un alambique en un sitio arqueológico en Qinglong, Hebei , que data del siglo XII. [146] En la India, la verdadera destilación de alcohol se introdujo desde Medio Oriente y se usó ampliamente en el Sultanato de Delhi en el siglo XIV. [147]
En 1796, el químico ruso-alemán Johann Tobias Lowitz obtuvo etanol puro mezclando etanol parcialmente purificado (el azeótropo alcohol-agua) con un exceso de álcali anhidro y luego destilando la mezcla a fuego lento. [148] El químico francés Antoine Lavoisier describió el etanol como un compuesto de carbono, hidrógeno y oxígeno, y en 1807 Nicolas-Théodore de Saussure determinó la fórmula química del etanol. [149] [150] Cincuenta años después, Archibald Scott Couper publicó la fórmula estructural del etanol, una de las primeras fórmulas estructurales determinadas. [151]
El etanol fue preparado sintéticamente por primera vez en 1825 por Michael Faraday . Él descubrió que el ácido sulfúrico podía absorber grandes volúmenes de gas de hulla . [152] Le dio la solución resultante a Henry Hennell , un químico británico, quien descubrió en 1826 que contenía "ácido sulfovínico" ( sulfato de hidrógeno de etilo ). [153] En 1828, Hennell y el químico francés Georges-Simon Serullas descubrieron independientemente que el ácido sulfovínico podía descomponerse en etanol. [154] [155] Así, en 1825 Faraday había descubierto sin saberlo que el etanol podía producirse a partir de etileno (un componente del gas de hulla) mediante hidratación catalizada por ácido , un proceso similar a la síntesis industrial actual de etanol. [156]
El etanol se utilizó como combustible para lámparas en los EE. UU. ya en 1840, pero un impuesto aplicado al alcohol industrial durante la Guerra Civil hizo que su uso resultara antieconómico. El impuesto se derogó en 1906. [157] Su uso como combustible para automóviles se remonta a 1908, cuando el Ford Modelo T podía funcionar con gasolina o etanol. [158] Alimenta algunas lámparas de alcohol .
El etanol destinado a uso industrial se produce a menudo a partir de etileno. [159] El etanol tiene un uso generalizado como disolvente de sustancias destinadas al contacto o consumo humano, incluidos aromas, saborizantes, colorantes y medicamentos. En química, es a la vez disolvente y materia prima para la síntesis de otros productos. Tiene una larga historia como combustible para generar calor y luz, y más recientemente como combustible para motores de combustión interna.
De la página 18: " Bezeichnen wir
die Kohlenwasserstoffverbindung 4C + 10H als das Radikal des Aethers mit E
2
und nennen es
Ethyl
, ..." (Designemos el compuesto hidrocarbonado 4C + 10H como el radical del éter con E
2
y nómbrelo etilo...).
Los alcoholes y los fenoles se denominarán según el nombre del hidrocarburo del que se derivan, terminado con el sufijo
ol
(p. ej. pentanol, pentinol, etc.)
{{cite book}}: |work=ignorado ( ayuda )Mantenimiento de CS1: falta la ubicación del editor ( enlace ){{cite book}}: |work=ignorado ( ayuda ){{cite book}}: |journal=ignorado ( ayuda )Un líquido inflamable (Clase 3) significa un líquido que tiene un punto de inflamación de no más de 60 °C (140 °F).
Descripciones de materiales peligrosos y nombres de envío adecuados: Etanol o alcohol etílico o soluciones de etanol o soluciones de alcohol etílico; Clase o división de peligro: 3; Números de identificación: UN1170; PG: II; Códigos de etiqueta: 3;
Página 4, Tabla 3
El período más temprano posible parece ser la dinastía Han del Este... el período más probable para el comienzo de la verdadera destilación de bebidas espirituosas en China es durante las dinastías Jin y Song del Sur.
Véanse las páginas 197-198: Lowitz deshidrató el azeótropo mezclándolo con un exceso de 2:1 de álcali anhidro y luego destilando la mezcla a fuego lento.
