Etanol

Etanol (abreviatura EtOH; também chamado de álcool etílico, álcool de cereais, álcool potável , ou simplesmente álcool) é um composto orgânico. É um álcool com a fórmula química C₂H₆O. Sua fórmula também pode ser escrita como CH₃−CH₂−OH ou C₂H ₅OH (um grupo etil ligado a um grupo hidroxila). O etanol é um líquido volátil, inflamável e incolor, com odor característico de vinho e sabor pungente. É uma droga recreativa psicoativa e o ingrediente ativo em bebidas alcoólicas.

O etanol é produzido naturalmente pelo processo de fermentação de açúcares por leveduras ou por processos petroquímicos como a hidratação do etileno. Historicamente, foi usado como anestésico geral e tem aplicações médicas modernas como anti-séptico, desinfetante, solvente para alguns medicamentos e antídoto para envenenamento por metanol e envenenamento por etilenoglicol. É usado como solvente químico e na síntese de compostos orgânicos e como fonte de combustível. O etanol também pode ser desidratado para produzir etileno, uma importante matéria-prima química. Em 2006, a produção mundial de etanol era de 51 gigalitres (1,3×10¹⁰ galões americanos), vindo principalmente do Brasil e dos NÓS.

Etimologia

Etanol é o nome sistemático definido pela União Internacional de Química Pura e Aplicada para um composto que consiste em um grupo alquila com dois átomos de carbono (prefixo "eth-"), tendo uma ligação simples entre eles (infixo "-an-") e um grupo funcional −OH anexado (sufixo "-ol").

O "eth-" prefixo e o qualificador "etil" em "álcool etílico" originalmente vem do nome "etil" atribuído em 1834 ao grupo C
₂H
₅− por Justus Liebig. Ele cunhou a palavra do nome alemão Aether do composto C
₂H
₅ −O−C
₂H
₅ (comumente chamado de "ether" em inglês, mais especificamente chamado de "éter dietílico"). De acordo com o Oxford English Dictionary, Ethyl é uma contração do grego antigo αἰθήρ ( aithḗr, "ar superior") e a palavra grega ὕλη (hýlē, "substância").

O nome etanol foi cunhado como resultado de uma resolução sobre nomeação de álcoois e fenóis que foi adotada na Conferência Internacional sobre Nomenclatura Química realizada em abril de 1892 em Genebra, Suíça.

O termo álcool agora se refere a uma classe mais ampla de substâncias na nomenclatura química, mas na linguagem comum continua sendo o nome de etanol. É um empréstimo medieval do árabe al-kuḥl, um pó de minério de antimônio usado desde a antiguidade como cosmético, e manteve esse significado no latim médio. O uso de 'álcool' para etanol (na íntegra, "álcool do vinho") é moderno e foi registrado pela primeira vez em 1753. Antes do final do século 18, o termo "álcool" geralmente referido a qualquer substância sublimada.

Usos

Médico

Anestésico

O etanol é o sedativo mais antigo conhecido, usado como anestésico geral oral durante a cirurgia na antiga Mesopotâmia e nos tempos medievais. A intoxicação leve começa com uma concentração de álcool no sangue de 0,03-0,05% e induz coma anestésico a 0,4%. No entanto, esse uso carregava o alto risco de intoxicação alcoólica mortal e aspiração pulmonar no vômito, o que levou ao uso de alternativas na antiguidade, como ópio e cannabis, e posteriormente éter dietílico a partir da década de 1840.

Antisséptico

O etanol é usado em lenços umedecidos e, mais comumente, em géis desinfetantes antibacterianos para as mãos como antisséptico por seus efeitos bactericidas e antifúngicos. O etanol mata os microorganismos dissolvendo sua bicamada lipídica de membrana e desnaturando suas proteínas, e é eficaz contra a maioria das bactérias, fungos e vírus. No entanto, é ineficaz contra esporos bacterianos, mas isso pode ser amenizado com o uso de peróxido de hidrogênio. Uma solução de etanol a 70% é mais eficaz do que o etanol puro porque o etanol depende de moléculas de água para uma atividade antimicrobiana ideal. O etanol absoluto pode inativar micróbios sem destruí-los porque o álcool é incapaz de permear totalmente a membrana do micróbio. O etanol também pode ser usado como desinfetante e anti-séptico porque causa desidratação celular ao interromper o equilíbrio osmótico através da membrana celular, de modo que a água sai da célula levando à morte celular.

Antídoto

O etanol pode ser administrado como um antídoto para envenenamento por etilenoglicol e envenenamento por metanol. O etanol serve a este processo agindo como um inibidor competitivo contra o metanol e o etileno glicol para a álcool desidrogenase. Embora tenha mais efeitos colaterais, o etanol é mais barato e mais facilmente disponível do que o fomepizole, que também é usado como antídoto para envenenamento por metanol e etileno glicol.

Solvente medicinal

O etanol, geralmente em altas concentrações, é usado para dissolver muitos medicamentos insolúveis em água e compostos relacionados. Preparações líquidas de analgésicos, remédios para tosse e resfriado e enxaguatórios bucais, por exemplo, podem conter até 25% de etanol e podem precisar ser evitados em indivíduos com reações adversas ao etanol, como reações respiratórias induzidas pelo álcool. O etanol está presente principalmente como conservante antimicrobiano em mais de 700 preparações líquidas de medicamentos, incluindo acetaminofeno, suplementos de ferro, ranitidina, furosemida, manitol, fenobarbital, trimetoprima/sulfametoxazol e remédios para tosse de venda livre.

Farmacologia

Em mamíferos, o etanol é metabolizado principalmente no fígado e no estômago pelas enzimas álcool desidrogenase (ADH). Estas enzimas catalisam a oxidação do etanol em acetaldeído (etanal):

CH₃CH₂OH + NAD⁺ → CH₃CHO + NADH + H⁺

Quando presente em concentrações significativas, esse metabolismo do etanol é adicionalmente auxiliado pela enzima CYP2E1 do citocromo P450 em humanos, enquanto vestígios também são metabolizados pela catalase.

O intermediário resultante, acetaldeído, é um carcinógeno conhecido e representa uma toxicidade significativamente maior em humanos do que o próprio etanol. Muitos dos sintomas normalmente associados à intoxicação por álcool - bem como muitos dos riscos à saúde normalmente associados ao consumo prolongado de etanol - podem ser atribuídos à toxicidade do acetaldeído em humanos.

A subsequente oxidação do acetaldeído em acetato é realizada pelas enzimas aldeído desidrogenase (ALDH). Uma mutação no gene ALDH2 que codifica uma forma inativa ou disfuncional dessa enzima afeta aproximadamente 50% das populações do leste asiático, contribuindo para a característica reação de descarga de álcool que pode causar vermelhidão temporária da pele, bem como uma série de outras relacionadas, e muitas vezes desagradáveis, sintomas de toxicidade do acetaldeído. Essa mutação é tipicamente acompanhada por outra mutação na enzima álcool desidrogenase ADH1B em aproximadamente 80% dos asiáticos orientais, o que melhora a eficiência catalítica da conversão de etanol em acetaldeído.

Recreativo

Como depressor do sistema nervoso central, o etanol é uma das drogas psicoativas mais comumente consumidas.

Apesar das propriedades psicoativas, viciantes e cancerígenas do álcool, ele está prontamente disponível e é legal para venda na maioria dos países. No entanto, existem leis que regulam a venda, exportação/importação, tributação, fabricação, consumo e posse de bebidas alcoólicas. O regulamento mais comum é a proibição para menores.

Combustível

Produção de milho vs etanol nos Estados Unidos

Produção total de milho (bushels) (esquerda)

Milho usado para combustível de etanol (bushels) (esquerda)

Percentagem de milho usado para etanol (direita)

Combustível do motor

O maior uso individual de etanol é como combustível de motor e aditivo de combustível. O Brasil, em particular, depende fortemente do uso de etanol como combustível para motores, em parte devido ao seu papel como um dos principais produtores mundiais de etanol. A gasolina vendida no Brasil contém pelo menos 25% de etanol anidro. O etanol hidratado (cerca de 95% de etanol e 5% de água) pode ser usado como combustível em mais de 90% dos carros novos movidos a gasolina vendidos no país.

Os EUA e muitos outros países usam principalmente misturas de etanol/gasolina E10 (10% etanol, às vezes conhecido como gasool) e E85 (85% etanol). Com o tempo, acredita-se que uma parte significativa do mercado de ≈150 bilhões de galões americanos (570.000.000 m³) por ano para gasolina começará a ser substituída por etanol combustível.

Etanol de grau USP para uso de laboratório.

A lei australiana limita o uso de etanol puro de resíduos de cana-de-açúcar a 10% em automóveis. Carros mais antigos (e carros antigos projetados para usar um combustível de queima mais lenta) devem ter as válvulas do motor atualizadas ou substituídas.

De acordo com um grupo de defesa da indústria, o etanol como combustível reduz as emissões nocivas de monóxido de carbono, material particulado, óxidos de nitrogênio e outros poluentes formadores de ozônio. O Argonne National Laboratory analisou as emissões de gases de efeito estufa de muitas combinações diferentes de motores e combustíveis e descobriu que a mistura de biodiesel/petrodiesel (B20) apresentou uma redução de 8%, a mistura de etanol convencional E85 uma redução de 17% e o etanol celulósico 64%, em comparação com o puro Gasolina. O etanol tem um número de octanas de pesquisa (RON) muito maior do que a gasolina, o que significa que é menos propenso à pré-ignição, permitindo um melhor avanço da ignição, o que significa mais torque e eficiência, além de menores emissões de carbono.

A combustão do etanol em um motor de combustão interna produz muitos dos produtos da combustão incompleta produzidos pela gasolina e quantidades significativamente maiores de formaldeído e espécies relacionadas, como o acetaldeído. Isso leva a uma reatividade fotoquímica significativamente maior e a mais ozônio ao nível do solo. Esses dados foram reunidos na comparação de emissões de combustível do The Clean Fuels Report e mostram que a exaustão do etanol gera 2,14 vezes mais ozônio do que a exaustão da gasolina. Quando isso é adicionado ao Índice de Poluição Localizada (LPI) personalizado do The Clean Fuels Report, a poluição local de etanol (poluição que contribui para a poluição atmosférica) é classificada como 1,7, onde a gasolina é 1,0 e números mais altos significam poluição maior. O California Air Resources Board formalizou esta questão em 2008, reconhecendo os padrões de controle para formaldeídos como um grupo de controle de emissões, bem como o NOx convencional e os gases orgânicos reativos (ROGs).

Mais de 20% dos carros brasileiros podem usar 100% etanol como combustível, o que inclui motores apenas a etanol e motores flex. Os motores flex no Brasil são capazes de funcionar com etanol, gasolina ou qualquer mistura de ambos. Nos EUA, os veículos flex-fuel podem funcionar com 0% a 85% de etanol (15% de gasolina), uma vez que misturas de etanol mais altas ainda não são permitidas ou eficientes. O Brasil apóia essa frota de automóveis movidos a etanol com uma grande infraestrutura nacional que produz etanol a partir da cana-de-açúcar cultivada no país.

A alta miscibilidade do etanol com água o torna impróprio para transporte através de oleodutos modernos como hidrocarbonetos líquidos. Os mecânicos têm visto cada vez mais casos de danos em motores pequenos (principalmente o carburador) e atribuem os danos ao aumento da retenção de água pelo etanol no combustível.

Estação de bomba de etanol em São Paulo, Brasil

Um Ford Taurus alimentado por etanol em Nova York

caminhão USPS em execução em E85 em Minnesota

Combustível de foguete

O etanol era comumente usado como combustível nos primeiros veículos de foguete bipropelente (propulsão líquida), em conjunto com um oxidante como o oxigênio líquido. O foguete balístico alemão A-4 da Segunda Guerra Mundial (mais conhecido por seu nome de propaganda V-2), que é creditado como o início da era espacial, usava o etanol como principal constituinte da B-Stoff. Sob tal nomenclatura, o etanol era misturado a 25% de água para reduzir a temperatura da câmara de combustão. A equipe de design do V-2 ajudou a desenvolver foguetes dos EUA após a Segunda Guerra Mundial, incluindo o foguete Redstone movido a etanol, que lançou o primeiro satélite dos EUA. Os álcoois caíram em desuso geral à medida que foram desenvolvidos combustíveis de foguetes mais densos em energia, embora o etanol seja atualmente usado em aeronaves de corrida leves movidas a foguetes.

Células de combustível

As células de combustível comerciais operam com gás natural reformado, hidrogênio ou metanol. O etanol é uma alternativa atraente devido à sua ampla disponibilidade, baixo custo, alta pureza e baixa toxicidade. Existe uma ampla gama de conceitos de células de combustível que entraram em testes, incluindo células de combustível de etanol direto, sistemas de reforma autotérmica e sistemas termicamente integrados. A maior parte do trabalho está sendo realizada em nível de pesquisa, embora existam várias organizações no início da comercialização de células a combustível de etanol.

Aquecimento doméstico e cozimento

As lareiras a etanol podem ser utilizadas para aquecimento doméstico ou para decoração. O etanol também pode ser usado como combustível de fogão para cozinhar.

Matéria-prima

O etanol é um importante ingrediente industrial. Tem uso generalizado como precursor de outros compostos orgânicos, como haletos de etila, ésteres etílicos, éter dietílico, ácido acético e aminas etílicas.

Solvente

O etanol é considerado um solvente universal, pois sua estrutura molecular permite a dissolução de compostos polares, hidrofílicos e apolares, hidrofóbicos. Como o etanol também tem um baixo ponto de ebulição, é fácil removê-lo de uma solução que tenha sido usada para dissolver outros compostos, tornando-o um popular agente de extração de óleos botânicos. Os métodos de extração de óleo de cannabis geralmente usam etanol como solvente de extração e também como solvente de pós-processamento para remover óleos, ceras e clorofila da solução em um processo conhecido como inverno.

O etanol é encontrado em tintas, tinturas, marcadores e produtos de higiene pessoal, como enxaguatórios bucais, perfumes e desodorantes. Os polissacarídeos precipitam de uma solução aquosa na presença de álcool, e a precipitação com etanol é usada por esse motivo na purificação de DNA e RNA.

Líquido de baixa temperatura

Devido ao seu baixo ponto de congelamento de −114 °C (−173 °F) e baixa toxicidade, o etanol às vezes é usado em laboratórios (com gelo seco ou outros refrigerantes) como um banho de resfriamento para manter os recipientes em temperaturas abaixo do congelamento ponto de água. Pela mesma razão, também é usado como fluido ativo em termômetros de álcool.

Química

Fórmula química

O etanol é um álcool com 2 carbonos. Sua fórmula molecular é CH₃CH₂OH. Uma notação alternativa é CH₃−CH₂−OH, que indica que o carbono de um grupo metil (CH₃−) está ligado a o carbono de um grupo metileno (−CH₂–), que está ligado ao oxigênio de um grupo hidroxila (−OH). É um isômero constitucional do éter dimetílico. Às vezes, o etanol é abreviado como EtOH, usando a notação química orgânica comum para representar o grupo etil (C₂H₅−) com Et.

Propriedades físicas

Etanol queimando com seu espectro representado

O etanol é um líquido volátil, incolor e com um leve odor. Ele queima com uma chama azul sem fumaça que nem sempre é visível na luz normal. As propriedades físicas do etanol decorrem principalmente da presença de seu grupo hidroxila e da curta cadeia de carbono. O grupo hidroxila do etanol é capaz de participar da ligação de hidrogênio, tornando-o mais viscoso e menos volátil do que compostos orgânicos menos polares de peso molecular semelhante, como o propano.

A temperatura de chama adiabática do etanol para combustão no ar é 2082 °C ou 3779 °F.

O etanol é ligeiramente mais refrativo que a água, tendo um índice de refração de 1,36242 (a λ=589,3 nm e 18,35 °C ou 65,03 °F). O ponto triplo do etanol é 150 K a uma pressão de 4,3 × 10⁻⁴ Pa.

Propriedades do solvente

O etanol é um solvente versátil, miscível com água e com muitos solventes orgânicos, incluindo ácido acético, acetona, benzeno, tetracloreto de carbono, clorofórmio, éter dietílico, etilenoglicol, glicerol, nitrometano, piridina e tolueno. Seu principal uso como solvente é na fabricação de tintura de iodo, xaropes para tosse, etc. Também é miscível com hidrocarbonetos alifáticos leves, como pentano e hexano, e com cloretos alifáticos, como tricloroetano e tetracloroetileno.

A miscibilidade do etanol com a água contrasta com a imiscibilidade dos álcoois de cadeia mais longa (cinco ou mais átomos de carbono), cuja miscibilidade com a água diminui acentuadamente à medida que o número de carbonos aumenta. A miscibilidade do etanol com alcanos é limitada a alcanos até undecano: misturas com dodecano e alcanos superiores apresentam uma lacuna de miscibilidade abaixo de uma certa temperatura (cerca de 13°C para dodecano). A lacuna de miscibilidade tende a aumentar com alcanos mais altos e a temperatura para uma miscibilidade completa aumenta.

As misturas etanol-água têm menos volume do que a soma de seus componentes individuais nas frações dadas. A mistura de volumes iguais de etanol e água resulta em apenas 1,92 volumes de mistura. A mistura de etanol e água é exotérmica, com liberação de até 777 J/mol a 298 K.

Misturas de etanol e água formam um azeótropo em cerca de 89% molar de etanol e 11% molar de água ou uma mistura de 95,6% de etanol em massa (ou cerca de 97% de álcool em volume) à pressão normal, que ferve a 351 K (78°C). Esta composição azeotrópica é fortemente dependente de temperatura e pressão e desaparece em temperaturas abaixo de 303 K.

Ligação de hidrogênio em etanol sólido a -186 °C

A ligação de hidrogênio faz com que o etanol puro seja higroscópico na medida em que absorve prontamente a água do ar. A natureza polar do grupo hidroxila faz com que o etanol dissolva muitos compostos iônicos, principalmente hidróxidos de sódio e potássio, cloreto de magnésio, cloreto de cálcio, cloreto de amônio, brometo de amônio e brometo de sódio. Cloretos de sódio e potássio são ligeiramente solúveis em etanol. Como a molécula de etanol também tem uma extremidade apolar, ela também dissolverá substâncias apolares, incluindo a maioria dos óleos essenciais e numerosos aromatizantes, corantes e agentes medicinais.

A adição de até mesmo uma pequena porcentagem de etanol à água reduz drasticamente a tensão superficial da água. Esta propriedade explica parcialmente as "lágrimas de vinho" fenômeno. Quando o vinho é agitado em uma taça, o etanol evapora rapidamente da fina película de vinho na parede da taça. À medida que o teor de etanol do vinho diminui, sua tensão superficial aumenta e o filme fino "esferas" e desce pelo vidro em canais, em vez de uma folha lisa.

Inflamabilidade

Uma solução de etanol-água pegará fogo se for aquecida acima de uma temperatura chamada de ponto de fulgor e uma fonte de ignição for aplicada a ela. Para 20% de álcool em massa (cerca de 25% em volume), isso ocorrerá a cerca de 25 °C (77 °F). O ponto de fulgor do etanol puro é de 13 °C (55 °F), mas pode ser ligeiramente influenciado pela composição atmosférica, como pressão e umidade. As misturas de etanol podem inflamar abaixo da temperatura ambiente média. O etanol é considerado um líquido inflamável (material perigoso classe 3) em concentrações acima de 2,35% em massa (3,0% em volume; 6 provas).

Pratos que usam álcool em chamas para efeitos culinários são chamados de flambé.

Ocorrência natural

O etanol é um subproduto do processo metabólico da levedura. Como tal, o etanol estará presente em qualquer habitat de levedura. O etanol pode ser comumente encontrado em frutas maduras. O etanol produzido pela levedura simbiótica pode ser encontrado nas flores da palmeira bertam. Embora algumas espécies animais, como o musaranho-arborícola, exibam comportamentos de busca de etanol, a maioria não mostra interesse ou evita fontes de alimentos que contenham etanol. O etanol também é produzido durante a germinação de muitas plantas como resultado da anaerobiose natural. O etanol foi detectado no espaço sideral, formando uma camada de gelo ao redor de grãos de poeira em nuvens interestelares. Quantidades mínimas (média de 196 ppb) de etanol endógeno e acetaldeído foram encontradas na respiração exalada de voluntários saudáveis. A síndrome da autocervejaria, também conhecida como síndrome da fermentação intestinal, é uma condição médica rara na qual quantidades inebriantes de etanol são produzidas por fermentação endógena no sistema digestivo.

Produção

94% desnaturado etanol vendido em uma garrafa para uso doméstico

O etanol é produzido tanto como petroquímico, por meio da hidratação do eteno, quanto, via processos biológicos, pela fermentação de açúcares com leveduras. Qual processo é mais econômico depende dos preços vigentes dos estoques de petróleo e grãos.

Fontes

A produção mundial de etanol em 2006 foi de 51 gigalitres (1,3×10¹⁰ US gal), com 69% da abastecimento mundial vindo do Brasil e dos EUA O etanol brasileiro é produzido a partir da cana-de-açúcar, que tem rendimentos relativamente altos (830% a mais do que os combustíveis fósseis usados para produzi-lo) em comparação com algumas outras culturas energéticas. A cana-de-açúcar não só tem uma concentração de sacarose maior que o milho (cerca de 30%), mas também é muito mais fácil de extrair. O bagaço gerado pelo processo não é descartado, mas queimado pelas usinas para produção de energia elétrica. A queima do bagaço responde por cerca de 9% da eletricidade produzida no Brasil.

Na década de 1970, a maior parte do etanol industrial nos EUA era produzida como petroquímico, mas na década de 1980 os EUA introduziram subsídios para o etanol à base de milho. De acordo com a Renewable Fuels Association, em 30 de outubro de 2007, 131 biorrefinarias de etanol de grãos nos EUA têm capacidade para produzir 7×10^⁹ EUA gal (26.000.000 m³) de etanol por ano. Outros 72 projetos de construção em andamento (nos EUA) podem adicionar 6,4 bilhões de galões americanos (24.000.000 m³) de nova capacidade nos próximos 18 meses.

Na Índia, o etanol é produzido a partir da cana-de-açúcar. O sorgo doce é outra fonte potencial de etanol e é adequado para cultivo em condições de sequeiro. O International Crops Research Institute for the Semi-Arid Tropics está investigando a possibilidade de cultivar sorgo como fonte de combustível, alimento e ração animal em partes áridas da Ásia e da África. O sorgo sacarino tem um terço da necessidade de água da cana-de-açúcar no mesmo período. Também requer cerca de 22% menos água do que o milho. A primeira destilaria de etanol de sorgo doce do mundo iniciou a produção comercial em 2007 em Andhra Pradesh, na Índia.

Hidratação

O etanol pode ser produzido a partir de matérias-primas petroquímicas, principalmente pela hidratação catalisada por ácido do etileno. É muitas vezes referido como etanol sintético.

O catalisador é mais comumente ácido fosfórico, adsorvido em um suporte poroso, como gel de sílica ou terra de diatomáceas. Este catalisador foi usado pela primeira vez para a produção de etanol em larga escala pela Shell Oil Company em 1947. A reação é realizada na presença de vapor de alta pressão a 300 °C (572 °F), onde uma proporção de etileno para vapor de 5:3 é mantido. Este processo foi usado em escala industrial pela Union Carbide Corporation e outros. Não é mais praticado nos EUA porque o etanol de fermentação produzido a partir do milho é mais econômico.

Em um processo mais antigo, praticado pela primeira vez em escala industrial em 1930 pela Union Carbide, mas agora quase totalmente obsoleto, o etileno foi hidratado indiretamente pela reação com ácido sulfúrico concentrado para produzir etil sulfato, que foi hidrolisado para produzir etanol e regenerar o ácido sulfúrico:

De dióxido de carbono

O etanol foi produzido em laboratório pela conversão de dióxido de carbono por meio de reações biológicas e eletroquímicas.

Fermentação

O etanol em bebidas alcoólicas e combustível é produzido por fermentação. Certas espécies de levedura (por exemplo, Saccharomyces cerevisiae) metabolizam o açúcar, produzindo etanol e dióxido de carbono. As equações químicas abaixo resumem a conversão:

A fermentação é o processo de cultivo de leveduras em condições térmicas favoráveis para a produção de álcool. Este processo é realizado em torno de 35–40 °C (95–104 °F). A toxicidade do etanol para a levedura limita a concentração de etanol obtida pela fermentação; concentrações mais altas, portanto, são obtidas por fortificação ou destilação. As cepas de levedura mais tolerantes ao etanol podem sobreviver até aproximadamente 18% de etanol por volume.

Para produzir etanol a partir de materiais amiláceos, como cereais, o amido deve primeiro ser convertido em açúcares. Na fabricação de cerveja, isso é tradicionalmente realizado permitindo que o grão germine, ou malte, que produz a enzima amilase. Quando o grão maltado é triturado, a amilase converte os amidos restantes em açúcares.

Celulose

Os açúcares para a fermentação do etanol podem ser obtidos a partir da celulose. A implantação dessa tecnologia pode transformar vários subprodutos agrícolas contendo celulose, como espigas de milho, palha e serragem, em recursos de energia renovável. Outros resíduos agrícolas, como bagaço de cana-de-açúcar e culturas energéticas, como switchgrass, também podem ser fontes de açúcar fermentável.

Teste

Espectro de reflexão infravermelho de etanol líquido, mostrando a banda −OH centrada perto de 3300 cm^{- Sim.} e bandas C−H perto de 2950 cm^{- Sim.}

espectro infravermelho próximo de etanol líquido

As cervejarias e usinas de biocombustíveis empregam dois métodos para medir a concentração de etanol. Os sensores infravermelhos de etanol medem a frequência vibracional do etanol dissolvido usando a banda C−H em 2900 cm⁻¹. Este método usa um sensor de estado sólido relativamente barato que compara a banda C-H com uma banda de referência para calcular o teor de etanol. O cálculo faz uso da lei de Beer-Lambert. Alternativamente, medindo a densidade do material de partida e a densidade do produto, usando um hidrômetro, a mudança na gravidade específica durante a fermentação indica o teor alcoólico. Este método barato e indireto tem uma longa história na indústria cervejeira.

Purificação

Destilação

A hidratação ou fermentação do etileno produz uma mistura etanol-água. Para a maioria dos usos industriais e de combustível, o etanol deve ser purificado. A destilação fracionada à pressão atmosférica pode concentrar o etanol a 95,6% em peso (89,5% em mol). Esta mistura é um azeótropo com um ponto de ebulição de 78,1 °C (172,6 °F) e não pode ser posteriormente purificado por destilação. A adição de um agente de arrastamento, tal como benzeno, ciclohexano ou heptano, permite a formação de um novo azeótropo ternário compreendendo etanol, água e o agente de arrastamento. Este azeótropo ternário de baixo ponto de ebulição é removido preferencialmente, levando a etanol livre de água.

Peneiras moleculares e dessecantes

Além da destilação, o etanol pode ser seco pela adição de um dessecante, como peneiras moleculares, celulose ou fubá. Os dessecantes podem ser secos e reutilizados. Peneiras moleculares podem ser usadas para absorver seletivamente a água da solução de etanol a 95,6%. Peneiras moleculares de tamanho de poro 3 Ångstrom, um tipo de zeólita, sequestram efetivamente as moléculas de água enquanto excluem as moléculas de etanol. O aquecimento das peneiras úmidas expulsa a água, permitindo a regeneração de sua capacidade dessecante.

Membranas e osmose reversa

Membranas também podem ser usadas para separar etanol e água. As separações baseadas em membrana não estão sujeitas às limitações do azeótropo água-etanol porque as separações não são baseadas em equilíbrio líquido-vapor. As membranas são frequentemente usadas no chamado processo de destilação por membrana híbrida. Este processo usa uma coluna de destilação de pré-concentração como a primeira etapa de separação. A separação adicional é então realizada com uma membrana operada no modo de permeação de vapor ou pervaporação. A permeação de vapor usa uma alimentação de membrana de vapor e a pervaporação usa uma alimentação de membrana líquida.

Outras técnicas

Várias outras técnicas foram discutidas, incluindo as seguintes:

• Salgando usando carbonato de potássio para explorar sua insolubilidade causará uma separação de fase com etanol e água. Isso oferece uma impureza de carbonato de potássio muito pequena ao álcool que pode ser removido por destilação. Este método é muito útil na purificação do etanol por destilação, pois o etanol forma um azeotrope com água.
• Redução eletroquímica direta do dióxido de carbono ao etanol em condições ambientais usando nanopartículas de cobre em um filme de nanospike de carbono como o catalisador;
• Extração de etanol de mash de grão por dióxido de carbono supercrítico;
• Pervaporação;
• O congelamento fracional também é usado para concentrar soluções alcoólicas fermentadas, como o Applejack tradicionalmente feito (beveragem);
• adsorção de balanço de pressão.

Graus de etanol

Álcool desnaturado

O etanol puro e as bebidas alcoólicas são altamente taxados como drogas psicoativas, mas o etanol tem muitos usos que não envolvem seu consumo. Para aliviar a carga tributária sobre esses usos, a maioria das jurisdições isenta o imposto quando um agente é adicionado ao etanol para torná-lo impróprio para beber. Estes incluem agentes amargos, como benzoato de denatônio e toxinas, como metanol, nafta e piridina. Produtos desse tipo são chamados de álcool desnaturado.

Álcool absoluto

Álcool absoluto ou anidro refere-se ao etanol com baixo teor de água. Existem vários graus com teores máximos de água variando de 1% a algumas partes por milhão (ppm). Se a destilação azeotrópica for usada para remover a água, ela conterá vestígios do agente de separação do material (por exemplo, benzeno). O álcool absoluto não se destina ao consumo humano. O etanol absoluto é usado como solvente para aplicações laboratoriais e industriais, onde a água reage com outros produtos químicos, e como álcool combustível. O etanol espectroscópico é um etanol absoluto com baixa absorbância em luz ultravioleta e visível, adequado para uso como solvente em espectroscopia ultravioleta-visível.

O etanol puro é classificado como prova 200 nos EUA, equivalente a prova 175 graus no sistema do Reino Unido.

Espíritos retificados

O álcool retificado, uma composição azeotrópica de 96% de etanol contendo 4% de água, é usado em vez do etanol anidro para diversos fins. Os espíritos do vinho são cerca de 94% de etanol (188 provas). As impurezas são diferentes daquelas do etanol de laboratório a 95% (190 provas).

Reações

O etanol é classificado como um álcool primário, o que significa que o carbono ao qual seu grupo hidroxila se liga também possui pelo menos dois átomos de hidrogênio ligados a ele. Muitas reações do etanol ocorrem em seu grupo hidroxila.

Formação de éster

Na presença de catalisadores ácidos, o etanol reage com ácidos carboxílicos para produzir ésteres etílicos e água:

RCOOH + HOCH₂CH₃ → RCOOCH2CH3 + H₂O

Esta reação, que é conduzida em grande escala industrialmente, requer a remoção da água da mistura de reação à medida que ela é formada. Os ésteres reagem na presença de um ácido ou base para devolver o álcool e um sal. Essa reação é conhecida como saponificação porque é usada na preparação de sabão. O etanol também pode formar ésteres com ácidos inorgânicos. O dietil sulfato e o trietil fosfato são preparados tratando o etanol com trióxido de enxofre e pentóxido de fósforo, respectivamente. O dietil sulfato é um agente etilante útil na síntese orgânica. O nitrito de etila, preparado a partir da reação do etanol com nitrito de sódio e ácido sulfúrico, foi usado antigamente como diurético.

Desidratação

Na presença de catalisadores ácidos, os álcoois podem ser convertidos em alcenos, como etanol, em etileno. Tipicamente são usados ácidos sólidos como alumina.

CH₃CH₂OH → H₂C.₂ + H₂O

Como a água é removida da mesma molécula, a reação é conhecida como desidratação intramolecular. A desidratação intramolecular de um álcool requer alta temperatura e a presença de um catalisador ácido, como o ácido sulfúrico.

O eteno produzido a partir do etanol derivado do açúcar (principalmente no Brasil) compete com o eteno produzido a partir de matérias-primas petroquímicas, como nafta e etano.

A uma temperatura inferior à da desidratação intramolecular, pode ocorrer desidratação do álcool intermolecular produzindo um éter simétrico. Esta é uma reação de condensação. No exemplo a seguir, o éter dietílico é produzido a partir do etanol:

2 CH₃CH₂OH → CH₃CH₂O₂CH₃ + H₂O

Combustão

A combustão completa do etanol forma dióxido de carbono e água:

C₂H. H. H.₅OH (l) + 3 O₂ (g) → 2 CO₂ (g) + 3 H₂O (l); -ΔH_c = 1371 kJ/mol = 29,8 kJ/g = 327 kcal/mol = 7.1 kcal/g

C₂H. H. H.₅OH (l) + 3 O₂ (g) → 2 CO₂ (g) + 3 H₂O (g); -ΔH_c = 1236 kJ/mol = 26.8 kJ/g = 295.4 kcal/mol = 6.41 kcal/g

Calor específico = 2,44 kJ/(kg·K)

Química ácido-base

O etanol é uma molécula neutra e o pH de uma solução de etanol em água é próximo de 7,00. O etanol pode ser convertido quantitativamente em sua base conjugada, o íon etóxido (CH₃CH₂O⁻), por reação com um metal alcalino como como sódio:

2 CH₃CH₂OH + 2 Na → 2 CH₃CH₂ONa + H₂

ou uma base muito forte, como hidreto de sódio:

CH₃CH₂OH + NaH → CH₃CH₂ONa + H₂

As acidez da água e do etanol são quase as mesmas, conforme indicado por seu pKa de 15,7 e 16, respectivamente. Assim, o etóxido de sódio e o hidróxido de sódio existem em um equilíbrio que é bem balanceado:

CH₃CH₂OH + NaOH₃CH₂ONa + H₂O

Halogenação

O etanol não é usado industrialmente como precursor de haletos de etila, mas as reações são ilustrativas. O etanol reage com haletos de hidrogênio para produzir haletos de etila, como cloreto de etila e brometo de etila, por meio de uma reação SN2:

CH₃CH₂OH + HCl → CH₃CH₂Cl + H₂O

HCl requer um catalisador como o cloreto de zinco. HBr requer refluxo com um catalisador de ácido sulfúrico. Os haletos de etila podem, em princípio, também ser produzidos pelo tratamento do etanol com agentes halogenantes mais especializados, como cloreto de tionila ou tribrometo de fósforo.

CH₃CH₂OH + SOCl₂ → CH₃CH₂Cl + SO₂ + HCl

Ao tratamento com halogênios na presença de base, o etanol fornece o halofórmio correspondente (CHX₃, onde X = Cl, Br, I). Essa conversão é chamada de reação de halofórmio. Um intermediário na reação com o cloro é o aldeído chamado cloral, que forma hidrato de cloral ao reagir com a água:

4 Cl₂ + CH₃CH₂OH → CCl₃CHO + 5 HCl

CC₃CHO + H₂O → CCl₃C(OH)₂H. H. H.

Oxidação

O etanol pode ser oxidado a acetaldeído e posteriormente oxidado a ácido acético, dependendo dos reagentes e condições. Essa oxidação não tem importância industrial, mas no corpo humano essas reações de oxidação são catalisadas pela enzima hepática álcool desidrogenase. O produto da oxidação do etanol, o ácido acético, é um nutriente para o ser humano, sendo um precursor da acetil CoA, onde o grupo acetil pode ser gasto como energia ou utilizado para biossíntese.

Metabolismo

O etanol é semelhante aos macronutrientes, como proteínas, gorduras e carboidratos, pois fornece calorias. Quando consumido e metabolizado, contribui com 7 quilocalorias por grama via metabolismo do etanol.

Segurança

O etanol é muito inflamável e não deve ser usado próximo a uma chama aberta.

O etanol puro irrita a pele e os olhos. Náuseas, vômitos e intoxicação são sintomas de ingestão. O uso prolongado por ingestão pode resultar em sérios danos ao fígado. Concentrações atmosféricas acima de uma parte por mil estão acima dos limites de exposição ocupacional da União Européia.

História

A fermentação do açúcar em etanol é uma das primeiras biotecnologias empregadas pelo homem. O etanol tem sido historicamente identificado de várias maneiras como espírito de vinho ou espíritos ardentes e como aqua vitae ou aqua vita. Os efeitos intoxicantes de seu consumo são conhecidos desde os tempos antigos. O etanol tem sido utilizado pelo homem desde a pré-história como ingrediente intoxicante de bebidas alcoólicas. Resíduos secos em cerâmica de 9.000 anos encontrados na China sugerem que o povo neolítico consumia bebidas alcoólicas.

A natureza inflamável das exalações do vinho já era conhecida por antigos filósofos naturais, como Aristóteles (384–322 aC), Teofrasto (c. 371–287 aC) e Plínio, o Velho (23/24–79 dC). No entanto, isso não levou imediatamente ao isolamento do etanol, mesmo apesar do desenvolvimento de técnicas de destilação mais avançadas no Egito romano dos séculos II e III. Um reconhecimento importante, encontrado pela primeira vez em um dos escritos atribuídos a Jābir ibn Ḥayyān (século IX dC), foi que, ao adicionar sal ao vinho fervente, o que aumenta a relativa volatilidade do vinho, a inflamabilidade dos vapores resultantes pode ser aprimorado. A destilação do vinho é atestada em obras árabes atribuídas a al-Kindī (c. 801–873 EC) e para al-Fārābī (c. 872–950), e no 28º livro de al -Zahrāwī's (latim: Abulcasis, 936–1013) Kitāb al-Taṣrīf (mais tarde traduzido para o latim como Liber servatoris). No século XII, receitas para a produção de aqua ardens ("água ardente", ou seja, etanol) por destilação de vinho com sal começaram a aparecer em várias obras latinas, e no final do século XIII, tornou-se uma substância amplamente conhecida entre os químicos da Europa Ocidental.

Os trabalhos de Taddeo Alderotti (1223–1296) descrevem um método para concentrar etanol envolvendo destilação fracionada repetida através de um alambique resfriado a água, pelo qual uma pureza de etanol de 90% pode ser obtida. As propriedades medicinais do etanol foram estudadas por Arnald of Villanova (1240–1311 EC) e John of Rupescissa (c. 1310 –1366), este último o considerava uma substância preservadora da vida capaz de prevenir todas as doenças (a aqua vitae ou "água da vida", também chamada por John a quintessência do vinho).

Na China, evidências arqueológicas indicam que a verdadeira destilação do álcool começou durante as dinastias Jin (1115–1234) ou Southern Song (1127–1279). Um alambique foi encontrado em um sítio arqueológico em Qinglong, Hebei, datado do século XII. Na Índia, a verdadeira destilação de álcool foi introduzida no Oriente Médio e era amplamente utilizada no sultanato de Delhi no século XIV.

Em 1796, o químico alemão-russo Johann Tobias Lowitz obteve etanol puro misturando etanol parcialmente purificado (o azeótropo álcool-água) com um excesso de álcali anidro e depois destilando a mistura em fogo baixo. O químico francês Antoine Lavoisier descreveu o etanol como um composto de carbono, hidrogênio e oxigênio e, em 1807, Nicolas-Théodore de Saussure determinou a fórmula química do etanol. Cinquenta anos depois, Archibald Scott Couper publicou a fórmula estrutural do etanol. Foi uma das primeiras fórmulas estruturais determinadas.

O etanol foi preparado sinteticamente pela primeira vez em 1825 por Michael Faraday. Ele descobriu que o ácido sulfúrico poderia absorver grandes volumes de gás de carvão. Ele deu a solução resultante para Henry Hennell, um químico britânico, que descobriu em 1826 que continha "ácido sulfovínico" (sulfato de hidrogênio e etil). Em 1828, Hennell e o químico francês Georges-Simon Serullas descobriram independentemente que o ácido sulfovínico poderia ser decomposto em etanol. Assim, em 1825 Faraday descobriu involuntariamente que o etanol poderia ser produzido a partir de etileno (um componente do gás de carvão) por hidratação catalisada por ácido, um processo semelhante à atual síntese industrial de etanol.

O etanol era usado como combustível para lâmpadas nos EUA já em 1840, mas um imposto cobrado sobre o álcool industrial durante a Guerra Civil tornou esse uso antieconômico. O imposto foi revogado em 1906. O uso como combustível automotivo data de 1908, com o Ford Modelo T podendo rodar com gasolina (gasolina) ou etanol. Alimenta algumas lâmpadas espirituais.

O etanol destinado ao uso industrial geralmente é produzido a partir do etileno. O etanol tem uso generalizado como solvente de substâncias destinadas ao contato ou consumo humano, incluindo aromas, aromatizantes, corantes e medicamentos. Em química, é um solvente e uma matéria-prima para a síntese de outros produtos. Tem uma longa história como combustível para calor e luz e, mais recentemente, como combustível para motores de combustão interna.