乙醇是什么化学特性、生产、用途、性质与安全

乙醇，一个在日常生活中无处不在却常被笼统称为“酒精”的物质。它不仅仅是酒精饮料的核心成分，更是工业、医药、燃料等多个领域的重要化学品。那么，乙醇究竟是什么？它的化学本质、物理性质如何？它是如何被生产出来的？又为什么会被广泛应用于各种场景？我们在哪里能接触到它？在使用和储存时需要注意哪些安全问题？

乙醇是什么？化学与物理性质详解

化学结构与分子式

乙醇的化学名称是乙醇（Ethanol），俗称酒精。它的分子式是C₂H₅OH，或者更形象地表示为CH₃CH₂OH。这个分子由两个碳原子（C）、六个氢原子（H）和一个羟基（-OH）组成。羟基的存在是乙醇作为一种醇类物质的关键特征，也赋予了它许多独特的化学和物理性质。从结构上看，它是一个乙基（-C₂H₅）连接着一个羟基。在有机化学中，乙醇被归类为伯醇，因为连接羟基的碳原子只与其他一个碳原子相连。

物理性质

了解乙醇的物理性质对于理解其用途和安全性至关重要：

• 外观和状态： 在常温常压下，乙醇是无色透明的液体。
• 气味和味道： 具有特殊的芳香气味，并带有刺激性的灼烧味。
• 挥发性： 乙醇是一种高度挥发性液体，比水更容易蒸发。
• 溶解性： 乙醇最重要的物理性质之一是它能够与水在任何比例下完全互溶（混溶）。同时，它也能溶解许多有机物，如脂肪、树脂、染料、油墨以及一些无机盐，这使得它成为一种优良的溶剂。
• 沸点： 在标准大气压下，乙醇的沸点约为78.37 °C。这个温度相对较低，解释了它的挥发性。
• 冰点： 乙醇的冰点非常低，约为-114.14 °C，这使得它在极冷的条件下也能保持液态，有时用于防冻剂。
• 密度： 在20°C时，乙醇的密度约为0.789 g/cm³，比水（约1 g/cm³）轻。
• 闪点： 乙醇的闪点很低，通常在12-14 °C左右（闭杯测试）。闪点是指液体挥发出的蒸气与空气混合达到燃点浓度所需的最低温度。低闪点意味着乙醇在较低温度下就极易着火。

乙醇是如何生产的？两种主要方法

工业上生产乙醇主要有两种方法：生物发酵法和合成法。

发酵法

这是生产食用乙醇（用于酒精饮料）和生物燃料乙醇的传统且主要的方法。

1. 原料准备： 使用富含糖分或淀粉的农产品作为原料，如甘蔗、玉米、小麦、大麦、木薯、马铃薯等。淀粉类原料需要先进行糖化，将复杂的淀粉分子分解成简单的糖（如葡萄糖）。
2. 发酵： 在无氧或低氧条件下，加入酵母（主要是酿酒酵母 *Saccharomyces cerevisiae*）。酵母通过酶的作用将糖转化为乙醇和二氧化碳。反应的简化方程式是：
   C₆H₁₂O₆ (葡萄糖) → 2 C₂H₅OH (乙醇) + 2 CO₂ (二氧化碳)
3. 蒸馏： 发酵液中乙醇含量较低（通常在10%-20%），并含有大量水和其他杂质。通过蒸馏，利用乙醇比水沸点低的特性，将其从发酵液中分离出来，浓缩得到较高浓度的乙醇。通过多次精馏可以获得纯度更高的乙醇。
4. 脱水（可选）： 如果需要无水乙醇（纯度>99.5%），还需要进一步进行脱水处理，例如使用分子筛或共沸蒸馏。

发酵法生产的乙醇通常被称为生物乙醇，因为它是利用生物过程由生物质转化而来。用于酒精饮料的乙醇必须通过发酵法生产，且对原料和工艺有严格的质量控制。

合成法

合成法主要用于生产工业用乙醇，产量大，成本相对较低，但产品不适用于食用。

1. 乙烯水合法： 最主要的合成方法是通过乙烯（Ethylene, C₂H₄）与水在催化剂（如磷酸）和高温高压条件下进行加成反应。反应方程式：
   C₂H₄ (乙烯) + H₂O (水) → C₂H₅OH (乙醇)
2. 工艺流程： 通常将乙烯和水蒸气混合，通过填充固体催化剂（如负载在硅胶上的磷酸）的反应器。反应温度通常在250-300°C，压力在6-10 MPa。反应产物是乙醇、未反应的乙烯和水。
3. 分离提纯： 反应产物经过冷凝后，通过精馏分离出乙醇，未反应的乙烯可以循环使用。

合成法生产的乙醇纯度较高，但可能含有少量副产物。由于其原料来源于石油化工，不属于可再生资源生产的生物乙醇。

乙醇主要用在哪里？广泛的应用领域

乙醇凭借其独特的性质，在许多领域都发挥着不可替代的作用。

• 酒精饮料：

  这是公众最熟悉的乙醇用途。啤酒、葡萄酒、白酒、烈酒等各种酒类的主要醉人成分就是乙醇。不同类型的酒，其乙醇含量（酒精度数）差异很大，例如啤酒通常含3%-8%，葡萄酒10%-15%，而烈酒可高达40%甚至更高。

• 燃料：

  乙醇作为生物燃料或燃料添加剂被广泛使用，尤其是在巴西、美国等地。将其添加到汽油中形成乙醇汽油（如E10，即含10%乙醇；E85，含85%乙醇）可以提高辛烷值，减少部分有害物质排放，并有助于减少对化石燃料的依赖。乙醇燃烧比较清洁，生成二氧化碳和水。

• 溶剂：

  乙醇是一种极佳的有机溶剂，能够溶解许多不溶于水的物质。它被广泛应用于：

  • 医药工业： 作为药物制备的溶剂，溶解药物成分，或作为酊剂（药物溶于酒精的溶液）的溶剂。
  • 化工和涂料工业： 用于溶解树脂、油漆、清漆、粘合剂等。
  • 日化工业： 香水、化妆品、洗漱用品中常用的溶剂。
  • 实验室： 常用的普通溶剂。
• 消毒剂与防腐剂：

  乙醇对多种细菌、真菌和病毒（包括新冠病毒）有良好的杀灭作用，是常用的消毒剂。其最佳消毒浓度是70%至75%的水溶液。高于或低于这个浓度，其消毒效果都会下降。在一些食品和药品中也用作防腐剂。

• 化工原料：

  乙醇是许多重要化学品的合成原料，通过不同的化学反应可以转化为乙醛、乙醚、乙酸、乙酸乙酯、丁二烯等，这些物质在其他工业中又有广泛应用。

• 其他用途：

  用于温度计（冰点低）、萃取（如从植物中提取有效成分）、清洗剂等。

乙醇为何有这些特性？深层原因解析

为何易燃？

乙醇分子中含有碳氢键和碳氧键，这些化学键储存了化学能。在有氧气存在和达到一定温度（燃点）时，乙醇会迅速与氧气发生剧烈的氧化反应，释放出大量热量和光，即燃烧。其低闪点意味着即使在室温下，其蒸气与空气混合也很容易达到爆炸极限并被火花引燃。

燃烧反应：C₂H₅OH (g) + 3 O₂ (g) → 2 CO₂ (g) + 3 H₂O (g) + 热量

为何能与水互溶？

乙醇分子中的羟基（-OH）是极性基团，氧原子电负性高，使得O-H键具有极性。水分子（H₂O）也是极性分子。水分子之间可以通过氢原子和氧原子形成氢键。乙醇分子的羟基中的氢原子可以与水分子的氧原子形成氢键，同时，乙醇分子的氧原子也可以与水分子的氢原子形成氢键。正是这种氢键相互作用，使得乙醇分子能够很好地“插入”到水分子之间，并在任何比例下都能形成均匀的混合物。然而，随着醇类分子中碳链长度的增加（如丁醇、戊醇等），非极性的烃基部分对分子性质的影响越来越大，氢键作用相对减弱，溶解度也会相应下降。

为何是消毒剂？

乙醇作为消毒剂的主要原理是它能够变性蛋白质。微生物（细菌、病毒、真菌）的细胞膜、酶和结构组成大部分是蛋白质。乙醇分子可以破坏蛋白质的空间结构，使其失去生物活性，从而达到杀灭或抑制微生物的目的。为什么70%-75%的效果最好？因为纯乙醇会迅速使细菌表面的蛋白质发生凝固，形成一层硬膜，这层硬膜反而会阻止乙醇进一步渗入细胞内部，保护内部的微生物。而适量的水存在（如70%-75%溶液）可以延缓乙醇的渗透速度，使乙醇能够更有效地渗入到微生物内部，对内部的蛋白质进行变性，从而达到更彻底的杀菌效果。

为何具有毒性？

乙醇对人体具有多方面的毒性，主要体现在以下几点：

• 中枢神经系统抑制剂： 乙醇是一种中枢神经系统抑制剂，能影响大脑功能，导致判断力下降、协调能力受损、反应迟钝，严重时可导致昏迷甚至死亡。
• 代谢产物毒性： 乙醇在体内主要通过肝脏代谢。首先在乙醇脱氢酶（ADH）的作用下转化为乙醛（Acetaldehyde）。乙醛是一种有毒物质，是导致宿醉症状（如头痛、恶心）的主要原因。乙醛随后在乙醛脱氢酶（ALDH）的作用下转化为无毒的乙酸（Acetic acid），最终分解为二氧化碳和水。如果乙醛代谢受阻（如某些人群ALDH酶活性低），乙醛会在体内积累，毒性增强。
• 器官损害： 长期过量饮用乙醇会导致肝脏损伤（酒精性脂肪肝、酒精性肝炎、肝硬化）、胰腺炎、心肌病、神经系统损伤等。
• 致癌性： 乙醇本身以及其代谢产物乙醛都被国际癌症研究机构（IARC）列为致癌物。

关于乙醇的一些定量信息

除了上面提到的沸点、冰点、密度和闪点外，还有一些与乙醇相关的定量数据：

• 相对分子质量： 46.07 g/mol
• 在水中的溶解度： 与水无限互溶
• 蒸汽压： 约 5.9 kPa (20 °C)，表明其在室温下就有明显的挥发性。
• 爆炸极限： 乙醇蒸气在空气中的体积百分比在约 3.3% 至 19% 之间时，遇火源会发生爆炸。这被称为爆炸下限（LEL）和爆炸上限（UEL）。
• 理论燃烧热： 约 1367 kJ/mol (液体) 或 29.7 kJ/g。

这些定量数据是评估乙醇的理化性质、计算反应产物、设计工业流程和确保安全的重要依据。

如何安全储存和使用乙醇？

由于乙醇的易燃性和毒性，必须采取适当的安全措施。

• 防火防爆：
  • 乙醇是易燃液体，必须储存在远离火源、热源、电火花和静电的地方。
  • 储存区域应通风良好，因为乙醇蒸气比空气重，容易在低洼处积聚，形成爆炸性混合物。
  • 使用防爆电气设备。
  • 小量储存应在阴凉通风处，避免阳光直射。大量储存需要专门的防火仓库。
• 密封储存：

  乙醇具有挥发性，应储存在密闭容器中，以防挥发损失和吸收空气中的水分。

• 避免接触：
  • 避免吸入蒸气： 在通风良好的环境中使用乙醇，或佩戴适当的呼吸防护。长时间或高浓度吸入其蒸气可能刺激呼吸道并影响神经系统。
  • 避免皮肤和眼睛接触： 乙醇会使皮肤干燥，并引起眼睛刺激。操作时建议佩戴防护眼镜和手套。如不慎接触，应立即用大量清水冲洗至少15分钟。
  • 切勿内服工业乙醇： 工业乙醇通常含有甲醇等有毒杂质（为了区分食用酒精和工业酒精并防止误食），误服可能导致失明甚至死亡。用于消毒或燃料的变性乙醇（denatured ethanol）也添加了有毒物质，绝对不可饮用。
• 急救措施：
  • 误服： 立即催吐（清醒者），并立即就医。
  • 吸入： 迅速将患者移至新鲜空气处。如呼吸困难，给予氧气；如呼吸停止，进行人工呼吸，并立即就医。
  • 皮肤接触： 脱去被污染衣物，用肥皂水和清水彻底冲洗皮肤。
  • 眼睛接触： 立即用大量清水冲洗眼睑，至少15分钟，并就医。
  • 火灾： 乙醇火灾应使用醇类泡沫、干粉、二氧化碳灭火器扑救。切忌用高压水枪直接射水灭火，以免扩大火势。

总而言之，乙醇作为一种重要的有机化合物，其是什么、如何生产、在哪里使用、为何具有特定性质以及如何安全操作等问题，都展示了其在化学世界和人类生活中的重要地位。了解这些细节，有助于我们更安全、更有效地利用这种多功能的物质。