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| Strukturformel | ||||||||||||||||||
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| Keile zur Verdeutlichung der Geometrie | ||||||||||||||||||
| Allgemeines | ||||||||||||||||||
| Name | Ethanol | |||||||||||||||||
| Andere Namen |
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| Summenformel | C2H6O | |||||||||||||||||
| CAS-Nummer | 64-17-5 | |||||||||||||||||
| PubChem | 702 | |||||||||||||||||
| Kurzbeschreibung |
klare, farblose, wĂŒrzig riechende und brennend schmeckende, leichtentzĂŒndliche, hygroskopische FlĂŒssigkeit[1] | |||||||||||||||||
| Eigenschaften | ||||||||||||||||||
| Molare Masse | 46,07 g·molâ1 | |||||||||||||||||
| Aggregatzustand |
flĂŒssig | |||||||||||||||||
| Dichte | ||||||||||||||||||
| Schmelzpunkt | ||||||||||||||||||
| Siedepunkt |
78 °C[2] | |||||||||||||||||
| Dampfdruck | ||||||||||||||||||
| pKs-Wert |
16[3] | |||||||||||||||||
| Löslichkeit |
beliebig mit Wasser, Diethylether, Chloroform, Benzin und Benzol mischbar[1] | |||||||||||||||||
| Brechungsindex |
1,3638[1] | |||||||||||||||||
| Sicherheitshinweise | ||||||||||||||||||
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| MAK |
500 ml·mâ3 bzw. 960 mg·mâ3[2] | |||||||||||||||||
| LD50 | ||||||||||||||||||
| Soweit möglich und gebrÀuchlich, werden SI-Einheiten verwendet. Wenn nicht anders vermerkt, gelten die angegebenen Daten bei Standardbedingungen. Brechungsindex: Na-D-Linie, 20 °C | ||||||||||||||||||
Ethanol (auch Ăthanol), Trivialname: Alkohol, ist eine bei Raumtemperatur farblose, leicht entzĂŒndliche FlĂŒssigkeit mit der Summenformel C2H6O. Die reine Substanz hat einen brennenden Geschmack und einen charakteristischen, wĂŒrzigen Geruch.[11] Bekannt ist Ethanol als Bestandteil von Genussmitteln und Volksdrogen wie Wein, Bier und Likör.
Die VergĂ€rung von Zucker zu Ethanol ist eine der Ă€ltesten bekannten organischen Reaktionen. In der Neuzeit wird Ethanol fĂŒr industrielle Zwecke aus Ethylen hergestellt. Ethanol hat weite Verbreitung als Lösungsmittel fĂŒr Stoffe, die medizinischen oder kosmetischen Zwecken dienen wie Duftstoffe, Aromen, Farbstoffe oder Medikamente sowie als Desinfektionsmittel. In der chemischen Industrie dient es sowohl als Lösungsmittel als auch als Ausgangsstoff fĂŒr die Synthese von weiteren Produkten. Ethanol wird energetisch als Biokraftstoff, etwa als so genanntes Bioethanol verwendet; beispielsweise enthĂ€lt der Ethanol-Kraftstoff E85 einen Ethanolanteil von 85 Vol.-%.
Inhaltsverzeichnis |
Ethanol (C2H5OH) gehört zu den n-Alkanolen. Es ist ein aliphatischer, einwertiger Alkohol. Ethanol leitet sich von dem Alkan (gesĂ€ttigten Kohlenwasserstoff) Ethan (C2H6) ab, in dem formal ein Wasserstoffatom durch die funktionelle Hydroxygruppe (âOH) ersetzt wurde. Zur Benennung wird dem Namen Ethan das Suffix -ol angehĂ€ngt.
âAlkoholâ ist das umgangssprachliche Wort fĂŒr âEthanolâ; die Fachbezeichnung âAlkoholeâ hingegen steht fĂŒr eine Gruppe organisch-chemischer Verbindungen, die neben dem KohlenwasserstoffgerĂŒst als zusĂ€tzliche Funktionelle Gruppe mindestens eine Hydroxygruppe besitzen, wobei sich an dem Kohlenstoffatom mit der Hydroxygruppe kein höherwertiger Substituent befindet.
Ethanol entsteht auf natĂŒrlichem Wege bei der VergĂ€rung zuckerhaltiger FrĂŒchte. Neben vielen FrĂŒchte verzehrenden Tieren ist auch dem Menschen diese natĂŒrlich vorkommende Substanz zur Berauschung bekannt.[12][13][14][15][16] So finden sich in Ă€gyptischen Schriftrollen der III. Dynastie[17] sowie auf alt-mesopotamischen Keilschrifttafeln[17] Hinweise auf die Herstellung ethanolhaltiger GetrĂ€nke.
Biere, spĂ€ter Weine wurden zunĂ€chst mit Hilfe von Wildhefen erzeugt. Die erzeugten Ethanolgehalte solcher GetrĂ€nke waren geringer als heute, da die Wildhefen ab einer bestimmten Ethanolkonzentration die Umwandlung von Zucker in Ethanol einstellen. Durch jahrhundertelange ZĂŒchtung tolerieren heutige Kulturhefen (Saccharomyces cerevisiae) höhere Ethanolgehalte. Die erste Gewinnung von konzentriertem Ethanol gelang dem persischen Arzt, Naturwissenschaftler, Philosophen und Schriftsteller Abu Bakr Mohammad Ibn Zakariya al-Razi (â 925) durch die Destillation von Wein.
Im Jahre 1796 erhielt Johann Tobias Lowitz erstmals reinen Ethanol durch Filtrierung von destilliertem Ethanol ĂŒber Aktivkohle. Antoine Lavoisier beschrieb Ethanol als eine Verbindung aus Kohlenstoff, Wasserstoff und Sauerstoff. Im Jahre 1808 bestimmte Nicolas-ThĂ©odore de Saussure die chemische Zusammensetzung von Ethanol. FĂŒnfzig Jahre spĂ€ter veröffentlichte Archibald Scott Couper die Strukturformel von Ethanol. Es war eine der ersten Strukturformeln, die bestimmt wurden.
Ethanol wurde zum ersten Mal synthetisch im Jahre 1826 durch Henry Hennel und George Simon Serullas in GroĂbritannien hergestellt. Im Jahre 1828 stellte Michael Faraday Ethanol durch sĂ€urekatalysierte Hydratisierung von Ethylen her, einem Prozess, welcher der industriellen Ethanolsynthese Ă€hnelt.
Heute wird Ethanol hauptsÀchlich durch GÀrung aus Biomasse gewonnen, im Kontext der Erzeugung von Biokraftstoff nennt man es Bioethanol. Agraralkohol ist Ethanol aus Agrarrohstoffen, das weltweit, in Deutschland unter staatlicher Aufsicht in landwirtschaftlichen Brennereien erzeugt wird.
Ethanol ist ein in reifen FrĂŒchten und SĂ€ften natĂŒrlich vorkommendes Produkt der alkoholischen GĂ€rung. Wegen seiner stimulierenden und stimmungsaufhellenden Wirkung werden alkoholische GetrĂ€nke gern und hĂ€ufig konsumiert. Alkohol als Rauschmittel ist die am weitesten verbreitete Droge weltweit; regelmĂ€Ăiger Konsum kann zu Alkoholismus fĂŒhren.
Ethanolgehalte verschiedener Lebensmittel, Angabe in Volumenprozent:
Ethanol wurde neben anderen organischen MolekĂŒlen wie Vinylalkohol in interstellaren MolekĂŒlwolken nachgewiesen, wobei der Bildungsmechanismus ungeklĂ€rt ist.[18]
Ethanol wird durch GĂ€rung aus Biomasse, meist aus Zucker- oder StĂ€rke-haltigen FeldfrĂŒchten oder traditionell aus Produkten des Gartenbaus gewonnen. Dieser Prozess wird kontrolliert mit einer Reihe von Nahrungsmitteln durchgefĂŒhrt, wodurch zum Beispiel Wein aus Weintrauben oder Bier aus Malz und Hopfen entstehen. Als Nebenprodukt des Sulfitverfahrens können Holzzucker zu so genannten Sulfitsprit fermentiert werden. Dieser kann auf Grund zahlreicher Verunreinigungen nur energetisch genutzt werden.
Bei der GÀrung wird zuerst StÀrke in Zucker gespalten, dann der Zucker durch Hefe oder Bakterien vergoren. Bei einer Ethanolkonzentration nahe 15 Prozent beginnen Hefezellen und Bakterien abzusterben, weswegen durch GÀrung keine höhere Konzentration erreicht werden kann.
Durch Destillation kann das Ethanol konzentriert werden. Auf diese Art gewonnene GetrĂ€nke werden als Spirituosen bezeichnet (z. B. Whisky, Cognac, Schnaps, Wodka oder Rum). Sie enthalten noch Aromen der verdampften Ausgangslösung, die zumeist ein Wein war. Liköre sind Spirituosen, die mit zuckerhaltigen, aromatischen FlĂŒssigkeiten gemischt werden und daher eine niedrigere Ethanolkonzentration besitzen. Branntwein darf nur beschrĂ€nkt privat hergestellt werden (max. 0,5 l Maische), es sei denn der Branntwein wird versteuert.
GroĂtechnisch erfolgt die Herstellung reinen Ethanols fĂŒr technische Anwendungen durch azeotrope Rektifikation (Schleppmittelrektifikation). Die Anlage besteht aus zwei Rektifikationskolonnen. In der HaupttrennsĂ€ule erfolgt die Rektifikation des Ethanol-Wasser-Gemischs bis in die NĂ€he des azeotropen Punkts. Das Sumpfprodukt ist Wasser. [19]
Dem Kopfprodukt (95,6 % Ethanol und 4,4 % Wasser) wird der Hilfsstoff Cyclohexan beigemischt. FrĂŒher ĂŒbliche Schleppmittel wie Benzol oder Trichlorethan werden heutzutage nicht mehr verwendet. Dieses Dreistoffgemisch gelangt in die Hilfsstoff-TrennsĂ€ule. Dort erfolgt eine Auftrennung in den im Sumpf anfallenden reinen Alkohol sowie in ein Cyclohexan-Wasser-Gemisch als Kopfprodukt. Cyclohexan und Wasser sind im flĂŒssigen Zustand nicht mischbar und trennen sich nach der Kondensation in einem Abscheider (Dekanter). Der Hilfsstoff Cyclohexan wird am Einlauf der Hilfsstoff-TrennsĂ€ule wieder dem zuströmenden, azeotropen Ethanol-Wasser-Gemisch beigefĂŒgt. Er lĂ€uft im Kreislauf im oberen Bereich der Hilfsstoff-TrennsĂ€ule und wird deshalb als âkopflaufender Hilfsstoffâ bezeichnet. Im LabormaĂstab kann man wasserfreies Ethanol durch Destillation ĂŒber wasserentziehenden Chemikalien wie Calciumoxid, wasserfreiem Calciumsulfat oder Molsieben gewinnen.[19] Der Prozess der Herstellung von Absoluten Alkohol wird als Absolutierung bezeichnet.
Ethanol wird durch chemische Synthese aus Wasser und Ethen im so genannten Indirektem Prozess homogenkatalytisch unter Zugabe von SchwefelsĂ€ure hergestellt. Der Prozess lĂ€uft als zweistufiger Prozess unter Bildung von SchwefelsĂ€ureestern ab, die in einem zweiten Schritt hydrolysiert werden mĂŒssen. Die SchwefelsĂ€ure muss nach erfolgter Hydrolyse wieder aufkonzentriert werden.[20] Im Direkten Prozess dient auf Silika aufgebrachte PhosphorsĂ€ure als heterogener Katalysator. Bei Temperaturen bis zu 300 °C und DrĂŒcken von 70 bar Druck wird Ethanol direkt aus Ethen und Wasser in der Gasphase hergestellt. Der Umsatz betrĂ€gt pro Reaktordurchgang allerdings nur 5 % bezogen auf Ethen.[20] Wegen der Abwasserproblematik und Korrosionsproblemen durch die anfallende SchwefelsĂ€ure beim Indirekten Prozess wird Ethanol industriell heutzutage mittels PhosphorsĂ€urekatalyse hergestellt.
Prinzipiell ist die Gewinnung von Ethanol durch katalytische Hydrierung von Acetaldehyd möglich. Bei WasserstoffdrĂŒcken von etwa 300 bar wird Acetaldehyd dabei an Nickel- oder Kupfer-haltigen Kontakten umgesetzt.[21]
Durch Radiokohlenstoffdatierung lÀsst sich synthetisches Ethanol aus fossilen Rohstoffen von Bio-Ethanol aus nachwachsenden Rohstoffen unterscheiden. Dieser Umstand lÀsst sich zum Nachweis des Panschen von Wein oder Spirituosen nutzen, wenn mit industriellem Ethanol anstelle von Bio-Ethanol gepanscht wird.[22]
Weltweit erzeugten die USA und Brasilien 2005 zusammen ĂŒber 90 % der Jahresproduktion von 365,67 Mio. hl (36,567 Mrd. l).[23] GröĂte europĂ€ische Erzeuger sind Russland und Frankreich.
Deutschland erzeugt jĂ€hrlich fast 4 Mio. hl zu gleichen Teilen als GetrĂ€nkealkohol und als Alkohol fĂŒr chemisch-technische Zwecke, was einer Eigenbedarfsdeckung von etwa 62 % entspricht. Neben der Produktion von Neutralalkohol fĂŒr GetrĂ€nke, Lebensmittel und technische Zwecke fallen weltweit etwa 65 % auf die Herstellung von Kraftstoffethanol.[24]
In den USA wird der Aufbau neuer Produktionsanlagen fĂŒr Ethanol besonders forciert, vor allem durch das Gesetz âEnergy Policy Actâ (EPACT) von 2005, das den Ausbau von erneuerbaren flĂŒssigen EnergietrĂ€gern fördern soll.
GrundsĂ€tzlich unterliegt Ethanol in Deutschland der Branntweinsteuer. Diese wird in Deutschland von der Zollverwaltung beim Inverkehrbringer (Spirituosenhersteller, berechtigter EmpfĂ€nger, Branntweinlagerinhaber) zum Zeitpunkt des Lagerabganges erhoben. Ein Versand unter Steueraussetzung ist per BVD oder EVD möglich â beispielsweise zwischen Hersteller und GroĂhĂ€ndler mit offenem Branntweinlager sowie bei ExportgeschĂ€ften.
Die Verwendung von Ethanol ist fĂŒr technische Zwecke (Druckerei, Lackherstellung, Reinigungsmittelproduktion, Kosmetik und Ă€hnliche) und als Brennspiritus steuerfrei möglich. Um zu verhindern, dass dieses Ethanol ohne Entrichtung der Steuer als Genussmittel getrunken oder solchen beigefĂŒgt wird, wird unversteuerter Alkohol unter Zollaufsicht vergĂ€llt. VergĂ€llung bedeutet, dass Ethanol mit anderen Chemikalien, wie beispielsweise MEK (Methylethylketon = 2-Butanon, mit zwei weiteren branntweinsteuerrechtlich vorgeschriebenen Markierungskomponenten), Petrolether, Cyclohexan, Diethylphthalat oder Ă€hnlichem versetzt wird, um es fĂŒr den menschlichen Genuss unbrauchbar zu machen. Dies wird in Deutschland ĂŒber die Branntweinsteuerverordnung (BrStV)[25] und in Ăsterreich ĂŒber die Verordnung des Bundesministers fĂŒr Finanzen ĂŒber die VergĂ€llung von Alkohol (VO- VergĂ€llung) geregelt.[26]
Bioethanol fĂŒr die Beimischung zu Kraftstoff wird produktionsseitig mit ETBE oder Benzin vergĂ€llt. GĂ€ngige VergĂ€llungsmittel wie sie etwa bei Spiritus oder Alkohol fĂŒr kosmetische Zwecke beigemischt werden, beispielsweise MEK (Methylethylketon), dĂŒrfen in Kraftstoffen nach EN 228 nicht verwendet werden.
Bei dem in Form von Brennspiritus als Brennstoff verwendeten Ethanol, beispielsweise fĂŒr Rechauds sowie Camping- und Expeditionskocher, wird dem Ethanol zusĂ€tzlich zum MEK noch das extrem bittere Denatoniumbenzoat (1 Gramm/100 Liter) beigemischt. Die frĂŒher ĂŒbliche Verwendung von Pyridin als VergĂ€llungsmittel fĂŒr Brennspiritus ist branntweinsteuerrechtlich zwar immer noch erlaubt, dieses wird wegen seiner gesundheitlichen Bedenklichkeit seit 1993 von deutschen Herstellern nicht mehr eingesetzt. Im Gegensatz zu Pyridin, das einen Siedepunkt von 115 °C aufweist, ist Denatoniumbenzoat ein Feststoff, der erst bei 163 bis 170 °C schmilzt. Es verdampft daher bei der Verwendung von Brennspiritus nicht, sondern reichert sich in den Dochten von SpiritusgerĂ€ten an, was zum Beispiel bei SpiritusglĂŒhlichtern und Spiritus-Vergaserkochern zu Betriebsstörungen fĂŒhrt.
Zu beobachten ist zudem, dass einige SpiritusabfĂŒller, vermutlich aus KostengrĂŒnden, dem Ethanol diverse Fremdstoffe, Regenerate etc. beimischen. AbfĂŒller, die in ihrem Produkt nur Ethanol verwenden, werden dies zumeist durch die Kennzeichnung âUN 1170â auf der Flasche deutlich machen.
Die VergÀllungsmittel haben meist Àhnliche Siedepunkte wie Ethanol, so dass sie sich durch Destillieren nur schwierig entfernen lassen. Die VergÀllungsmittel Diethylphthalat, das Verwendung als Weichmacher findet, und MEK stellen ein Problem bei der Verwendung als Reinigungsmittel dar: Farben und Lacke, die an sich resistent gegen Ethanol sind, können erweichen oder angegriffen werden.
Brennspiritus ist nicht zu verwechseln mit sogenanntem Trockenspiritus, leicht entzĂŒndlichen weiĂen WĂŒrfeln, die meistens aus Urotropin (Hexamethylentetramin) oder dem Tetramer des Alkanals Ethanal, Metaldehyd, bestehen. Ein bekanntes Produkt ist der Trockenbrennstoff Esbit.
| Flammpunkt | 12 °C[1] |
| ZĂŒndtemperatur | 425 °C[1] |
| Explosionsgrenzen | untere: 3,4 Vol.-%/obere: 15 Vol.-%[1] |
| Schallgeschwindigkeit | 1180 m·sâ1 (20 °C) Temp.-AbhĂ€ngigkeit: â3,6 m·sâ1·°Câ1 |
| Dichte | 0,79 g·cmâ3 = 0,79 kg·dmâ3 |
| Energiedichte bzgl. der Masse | 7,44 kWh·kgâ1 = 26,78 MJ·kgâ1[27] |
| Energiedichte bzgl. des Volumens | 5,87 kWh·lâ1 = 21,14 MJ·lâ1[27] |
| dynamische ViskositĂ€t | 1,2 · 10â3 Pa·s (20 °C) |
| kinematische ViskositĂ€t | 1,52 · 10â6 m2·sâ1 (20 °C) |
| OberflĂ€chenspannung | 0,02255 N·mâ1 (20 °C) |
| Brechungsindex | 1,3638[1] |
| Biologische Abbaubarkeit | 94 % (OECD 301 E) |
| UN-Nummer | 1170 |
| Gefahrennummer | 30 + 33 |
Herausragendes Merkmal des Ethanols ist seine Hydroxygruppe. Da ein Sauerstoffatom Elektronen stĂ€rker anzieht als Wasserstoff und Kohlenstoff, resultiert eine asymmetrische Verteilung der Elektronendichte entlang dieser Bindung: Es bildet sich ein molekularer Dipol. Dieser verleiht Ethanol seine typischen Eigenschaften. Zum einen ziehen sich die Dipole auf molekularer Ebene gegenseitig an, so dass eine vergleichsweise hohe Siedetemperatur von 78 °C resultiert (Sp, Ethan = â88,6 °C), zum anderen ist Ethanol mit FlĂŒssigkeiten mischbar, die Ă€hnliche Dipoleigenschaften aufweisen zum Beispiel Wasser und Methanol. Diese Eigenschaft wird als Hydrophilie bezeichnet. Gleichzeitig besitzt das MolekĂŒl einen organischen Rest, der ihm eine begrenzte Mischbarkeit mit rein lipophilen Substanzen verleiht. Aus diesem Grund ist Ethanol in der Chemie ein wichtiges Lösungsmittel, so werden viele PflanzenauszĂŒge oder andere Medikamente als alkoholische Lösungen, sogenannte âTinkturenâ, angeboten.
Ethanol lĂ€sst sich am Gefrierpunkt zu ausreichend groĂen Einkristallen kristallisieren. Ethanol kristallisiert im monoklinen Kristallsystem und weist bei 87 K die folgenden Gitterparametern a = 537,7 pm, b = 688,2 pm, c = 825,5 pm und ÎČ = 102,2 ° auf sowie 4 Formeleinheiten pro Elementarzelle.[28] Die MolekĂŒle bilden ĂŒber WasserstoffbrĂŒckenbindungen mit einem Sauerstoff-Sauerstoff-Abstand von 271,6 pm und 273,0 pm lange Ketten. Die Konformation um die Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindung ist in beiden MolekĂŒlen versetzt. WĂ€hrend die Hydroxygruppe in einem MolekĂŒl entlang der CâCâOH-Achse eine gauche-Konformation besitzt, weist das andere MolekĂŒl eine trans-Konformation auf.[28]
Ethanol ist in jedem VerhĂ€ltnis mit Wasser mischbar. Dabei kommt es in der Lösung durch eine Volumenkontraktion zu einer Abnahme des Gesamtvolumens, das theoretisch aus der Summe der Einzelvolumina entstehen mĂŒsste. Durch Mischen eines 50 ml Ethanol mit 50 ml Wasser entstehen 97 ml Ethanol-Wasser-Gemisch. Der Schmelzpunkt wĂ€ssriger Ethanollösungen sinkt mit steigendem Ethanolgehalt, bis bei einem Gehalt von 93,5 Ma% ein Eutektikum mit einer Schmelztemperatur von â118 °C erreicht wird.[29] Bei Temperaturen um â20 °C verdunstet Ethanol (96 %) kaum noch und zeigt eher zĂ€hflĂŒssige Eigenschaften. Bei â70 °C wird es noch zĂ€hflĂŒssiger (KĂŒhlol).
Exzessvolumen (Volumenkontraktion) bei der Mischung von Ethanol und Wasser
Im Protonenresonanzspektrum weist Ethanol bei Raumtemperatur eine Triplettstruktur durch Kopplung der Protonen der Hydroxylgruppe mit den Methylenprotonen auf. Dies weist auf eine Fixierung der Hydroxylgruppe gegenĂŒber den Methylenprotonen hin. Mit steigenden Temperaturen wird die Aufspaltung kleiner und verschwindet durch die steigende Rotation der Hydroxylgruppe schlieĂlich ganz.[30]
Die OH-Gruppe des Ethanols ist mit einem pKs-Wert von 16[3] sehr schwach sauer, wodurch sie in der Lage ist, mit starken Basen (wie etwa den Alkalimetallen Natrium und Kalium) ein Proton (H+) abzuspalten. In der Chemie ĂŒberfĂŒhrt man den Alkohol durch Umsetzen mit Alkalimetallen quantitativ in seine deprotonierte Form, das Ethanolat-Ion (CH3CH2Oâ). Die Reaktion verlĂ€uft unter Entwicklung von Wasserstoff:
Ethanol kann sowohl als BrĂžnsted-SĂ€ure als auch als BrĂžnsted-Base reagieren und ist damit ein Ampholyt:
wobei die Autoprotolysekonstante pKau = 19,5 ist.
In aprotischen Lösungsmitteln reagiert Ethanol mit Halogenwasserstoffen ĂŒber eine nukleophile Substitution zu Ethylhalogeniden:
Ethylhalogenide können spezifischer durch Halogenierungsreagenzien wie Thionylchlorid oder Phosphortribromid gebildet werden.
SÀurekatalysiert reagiert Ethanol mit CarbonsÀuren zu Ethylestern:
Ethylester finden Verwendung als ZusĂ€tze fĂŒr Kosmetika sowie Geruchs- und Geschmacksstoffe.
Sehr starke SÀuren, wie SchwefelsÀure, katalysieren die Dehydratation des Ethanols. Es bilden sich Diethylether oder Ethen:
Welches Produkt sich bildet, hÀngt von den Reaktionsbedingungen wie Temperatur, Konzentrationen usw. ab. Bei der Dehydratation kann unter bestimmten Reaktionsbedingungen das hochgiftige Diethylsulfat gebildet werden.[31]
Ethanol kann bereits von Luftsauerstoff bei Raumtemperatur ĂŒber Acetaldehyd bis hin zur EssigsĂ€ure oxidiert werden. Derartige Reaktionen werden beispielsweise in biologischen Systemen von Enzymen katalysiert. Im Labor dienen krĂ€ftige anorganische Oxidationsmittel wie ChromsĂ€ure oder Kaliumpermanganat zur Oxidation zu EssigsĂ€ure. Die teilweise Oxidation bis zum Acetaldehyd gelingt mit schwĂ€cheren Oxidationsmitteln, etwa mit Pyridiniumchlorochromat (PCC).
Die Oxidation des Ethanols muss nicht auf der Stufe der EssigsÀure stehenbleiben. Unter geeigneten Bedingungen, beispielsweise bei hohen Temperaturen, verbrennt Ethanol unter Flammenbildung bei vollstÀndiger Oxidation mit einem Heizwert von etwa 30 MJ/kg zu Kohlendioxid und Wasser:
Entsprechend der Denaturierung durch SĂ€uren oder Laugen kann Ethanol die in Biopolymeren zur Aufrechterhaltung der Struktur erforderlichen WasserstoffbrĂŒcken stören, indem er als polares Lösungsmittel interferiert.[32] Daraus resultieren KonformationsĂ€nderungen. 50 bis 70%-iges Ethanol denaturiert die meisten Proteine und NukleinsĂ€uren. Da durch Zerstörung der Raumstruktur Membranproteine ihre Funktion einbĂŒĂen und aufgrund der Membrandefekte die betreffenden Zellen luftballonartig platzen, kann mit höherprozentigem Ethanol desinfiziert werden: Bakterien- und Pilzzellen werden ĂŒber die Denaturierung ihrer Membranproteinen irreversibel inaktiviert, entsprechend werden behĂŒllte Viren ihrer proteinhaltigen HĂŒlle beraubt.[33]
Ethanol findet Verwendung in den drei HauptmĂ€rkten Alkoholische GetrĂ€nke, als Rohstoff fĂŒr die chemische Industrie und als EnergietrĂ€ger. Ethanol, der aus der VergĂ€rung von Zucker- und stĂ€rkehaltigen Lebensmitteln stammt, wird in allen Bereichen eingesetzt, wĂ€hrend synthetisches Ethanol nur als Chemierohstoff und EnergietrĂ€ger verwendet wird. Die konkurrierende Verwendung von Ethanol aus der Nahrungsmittelproduktion als Chemie- und Energierohstoff wird kontrovers diskutiert.
Die Hauptmenge des produzierten Ethanols wird in Form von alkoholischen GetrĂ€nken fĂŒr Genusszwecke verbraucht[1]. Es dient weiterhin als Lösungsmittel sowohl fĂŒr Konsumprodukte unter anderem im Haushalt (ParfĂŒm, Deodorant), als auch fĂŒr medizinische Anwendungen (Lösungsmittel fĂŒr Medikamente, Desinfektionsmittel) sowie in der Industrie selbst ebenfalls als Lösungsmittel und allgemein als Brennstoff. FĂŒr technische Anwendungen wie Kraftstoff, Lösungsmittel oder Brennspiritus werden Ethanol VergĂ€llungsmittel beigemischt, wodurch diese ungenieĂbar werden und in Deutschland nicht mehr der Branntweinsteuer unterliegen.
Ethanol findet u. a. als hervorragendes Lösungsmittel ĂŒberall im Haushalt Verwendung, so als TrĂ€ger fĂŒr Geruchsstoffe wie ParfĂŒm, Deodorant und Duftspray. Auch als Reinigungsmittel beispielsweise fĂŒr Glas, Chrom, Kunststoff, Scheibenwaschanlage und als Fleckenentferner findet Ethanol Verwendung. Als Zusatz zum Wasser dient es als Frostschutzmittel.
Ethanol findet verbreiteten Einsatz als Lebensmittelzusatz. So werden Portweinen, Sherry und anderen SĂŒdweinen Ethanol zugegeben, die so genannte Aufspritung, um zum gewĂŒnschten Zeitpunkt den Fermentationsprozess zu beenden.[34] Durch die vorzeitig beendete GĂ€rung haben diese Weine und Liköre einen hohen Restzuckergehalt und sind dadurch sehr sĂŒĂ.[35]
Auch kann Ethanol zur Haltbarmachung anderer Lebensmittel zugesetzt werden[36])
Als Brennstoff fĂŒr Campingkocher als so genannter Brennspiritus findet Ethanol auch im Haushalt eine energetische Verwendung. Durch Zugabe von Celluloseacetat oder Seife kann Brennspiritus in ein Gel, so genannter Hartspiritus ĂŒberfĂŒhrt werden.[37]
Die Wirksamkeit als Desinfektionsmittel oder Antiseptikum (etwa zur HĂ€ndedesinfektion) hĂ€ngt von der Konzentration des Ethanol-Wasser-Gemisches ab. Bei einem optimalen Alkoholgehalt zwischen 50 und 80 %[38] wird die BakterienhĂŒlle zerstört und Ethanol wirkt damit tödlich. Alle Bakterien einschlieĂlich der Tuberkelbakterien werden innerhalb einer Minute durch Denaturierung der Bakterienzellwand abgetötet (Bakterizidie). Daneben wirken Ethanol-Wasser-Mischungen durch ihren hohen Osmotischen Druck; 70-prozentiges Ethanol weist den höchsten osmotischen Druck von 250·106 Pascal der Mischungen mit Wasser auf.[11] EingeschrĂ€nkt wirksam ist er gegen Viren, nicht wirksam gegen Bakterien-Endosporen. Bei offenen Wunden sollte das Gemisch nicht eingesetzt werden (Brennen). Lösungen mit ĂŒber 80 % Alkoholgehalt zeigen eine noch stĂ€rkere Wirkung, aber werden aufgrund der mangelnden HautvertrĂ€glichkeit nicht regelmĂ€Ăig eingesetzt. Wasserfreies Ethanol hĂ€rtet die BakterienhĂŒlle, die Bakterien bleiben dadurch am Leben.[39] Das Trinken von Ethanol oder alkoholischen GetrĂ€nken wirkt nicht antiseptisch. GetrĂ€nke mit einem Ethanolgehalt von weniger als 20 % töten praktisch keine Keime ab. Durch Kombination mit Alkalien (etwa 1 %) oder PeroxycarbonsĂ€uren (0,2 bis 0,5 %) wird die Wirksamkeit unter anderem gegen Viren und Sporen stark verbessert.[38] Ethanol dient als Lösungsmittel zur Herstellung der Iodtinktur, einer Mischung aus Iod in Ethanol zur Wunddesinfektion, der zu Vermeidung der Bildung von Iodwasserstoff Kaliumiodid zugegeben wird.
95-prozentiges Ethanol kann zur Verödung âheiĂerâ SchilddrĂŒsenknoten und anderer umschriebener Tumore benutzt werden;[40] das Verfahren wird als Perkutane Ethanol-Injektionstherapie bezeichnet.[41]
FlĂŒssige Medikamente können Ethanol als Lösungsmittel oder Lösungsvermittler enthalten, wenn der Arzneistoff bzw. die die Arzneistoffe in Wasser schlecht oder unlöslich sind. Ethanol selbst ist mit Wasser beliebig mischbar. Es hat eine wichtige Funktion in der Konservierung und Stabilisierung flĂŒssiger pflanzlicher Medikamente (Phytotherapeutika). Die Medikamente sind entsprechend der Arzneimittel-Warnhinweisverordnung (AMWarnV) zu kennzeichnen.
Durch Einreiben der Haut mit hochprozentiger Ethanollösung (beispielsweise Franzbranntwein) wird die Durchblutung gefördert. Volksmedizinisch werden verdĂŒnnte ethanolische Lösungen zur Behandlung von Insektenstichen verwendet. Ein alkoholgetrĂ€nktes Tuch wird dazu einige Zeit auf den frischen Stich gelegt. Die Schmerzlinderung geschieht aufgrund der kĂŒhlenden Wirkung der Ethanollösung; der Juckreiz wird unterdrĂŒckt. Eine chemische VerĂ€nderung oder Inaktivierung von Giften bewirkt Ethanol jedoch nicht.
Bei einer Vergiftung mit Methanol wird als erste MaĂnahme Ethanol intravenös gegeben, was die Umwandlung von Methanol ĂŒber das Enzym Alkoholdehydrogenase in das giftige Methanal hemmt. Ethanol bindet etwa 25-mal stĂ€rker an Alkoholdehydrogenase als Methanol.[42] Bei einer schweren Alkoholsucht kann ein AlkoholprĂ€delir mit Ethanol unterbrochen werden, um eine akute Zweiterkrankung ohne die sonst auftretenden Symptome behandeln zu können.
Ethanol findet als Ethanol-Kraftstoff in Form des biogenen Bioethanol Verwendung als Kraftstoff fĂŒr Otto-Motoren, wobei vor allem Mischungen mit Benzin vorliegen. DafĂŒr kann sowohl fossiles als auch aus regenerativer Biomasse hergestelltes Bioethanol verwendet werden, da es chemisch gesehen keinen Unterschied zwischen beiden Arten gibt. Aufgrund der VerfĂŒgbarkeit, der Herstellungskosten und politischer FördermaĂnahmen wird heute vor allem Bioethanol verwendet, das auf der Basis von fermentierbarem Zucker (Zuckerrohr und ZuckerrĂŒbe) und StĂ€rke (vor allem Mais- und WeizenstĂ€rke) erzeugt wird. Die zukĂŒnftig mögliche Nutzung von Cellulose-Ethanol aus Holz wird diskutiert.
Ethanol wird vor allem als Beimischung zu herkömmlichem Kraftstoff genutzt, beispielsweise in einer Konzentration von 5 % Ethanol (E5 als Beimischung in gewöhnlichem Fahrzeugbenzin) oder 85 % Ethanol (als E85 fĂŒr dafĂŒr geeignete Fahrzeuge). Im Zusammenhang mit dem Kyoto-Protokoll wird heute hĂ€ufig ĂŒber die Herstellung und den Einsatz biogener Treibstoffe (Biokraftstoffe) und die Reduzierung von Kohlenstoffdioxid-Emissionen pro gefahrenem Kilometer debattiert.
Ethanol wurde nach einer Entwicklung von Wernher von Braun zudem bis in die 1950er-Jahre als Treibstoff fĂŒr die Raketen der Typen A1, A2, A3, A4, A4b und A5 verwendet. Im Unterschied zu Benzin kann durch VerdĂŒnnen mit Wasser fĂŒr Testzwecke leicht der Heizwert heruntergesetzt werden, um bei ProbelĂ€ufen von Triebwerken Explosionen zu verhindern, zum anderen war Ethanol wĂ€hrend des Zweiten Weltkriegs leicht aus landwirtschaftlichen Produkten gewinnbar, im Gegensatz zum knappen Benzin. In der EuropĂ€ischen Union stieg die Produktionsmenge von Ethanol fĂŒr den Kraftstoffsektor von 525 Millionen Liter im Jahr 2004 auf 3,7 Milliarden Liter im Jahr 2009.[43]
Neben reinem Ethanol finden seine Derivate Einsatz im Kraftstoffbereich. So wird Ethyl-tert-butylether (ETBE) analog zum Methyl-tert.-butylether zur Erhöhung der Oktanzahl von Ottokraftstoffen eingesetzt. ETBE wird durch sÀurekatalysierte Addition von Ethanol an Isobuten hergestellt:
Ethanol ist ein wichtiges Lösungsmittel und Zwischenprodukt in der Chemischen Industrie. Ein wichtigstes Folgeprodukt ist Ethylchlorid, das aus Ethanol durch Umsetzung mit Chlorwasserstoff hergestellt wird. Die Oxidation liefert weitere Folgeprodukte wie Acetaldehyd und EssigsÀure.
Ethanol wird in einer Vielzahl von Veresterungsreaktionen eingesetzt. Die erhaltenen Ester haben vielfĂ€ltige Verwendungsmöglichkeiten als Lösungsmittel und als Zwischenprodukt fĂŒr Folgesynthesen. Ein wichtiges Folgeprodukt ist Ethylacrylat, ein Monomer, das in als Co-Monomer in verschiedenen Polymerisationsprozessen eingesetzt wird. EssigsĂ€ureethylester wird als Lösungsmittel fĂŒr Klebstoffe und Nagellack und zur Extraktion von Antibiotika eingesetzt. Glycolether wie 2-Ethoxyethanol sind als Lösungsmittel fĂŒr Ăle, Harze, Fette, Wachse, Nitrozellulose und Lacke weit verbreitet.
In Umkehrung der petrochemischen Herstellungsreaktion entsteht aus Ethanol wieder Ethen, das zum Beispiel von Braskem als Rohstoff fĂŒr die Polyethylenherstellung genutzt wird. In einer Anlage in Rio Grande, Brasilien, produziert Braskem bereits auf Zuckerrohr basierendes Polyethylen in einer Anlage mit einem AusstoĂ von 200.000 t pro Jahr.[44]
Ethanol wird im gesamten Verdauungstrakt aufgenommen. Dies beginnt in geringem Umfang bereits in der Mundschleimhaut. Das dort resorbierte Ethanol geht direkt in das Blut ĂŒber und wird damit ĂŒber den gesamten Körper einschlieĂlich des Gehirns verteilt. Etwa 20 % werden im Magen resorbiert; der Rest im DĂŒnndarm.[45] Das in Magen und Darm aufgenommene Ethanol gelangt zunĂ€chst mit dem Blut in die Leber, wo es teilweise abgebaut wird. Die Ethanolaufnahme wird durch Faktoren, welche die Durchblutung steigern, erhöht, beispielsweise WĂ€rme (Irish Coffee, Grog), Zucker (Likör) und Kohlenstoffdioxid (Sekt). Dagegen verlangsamt Fett die Aufnahme. Dies fĂŒhrt nicht zu einer niedrigeren Resorption des Alkohols insgesamt, sondern nur zu einer zeitlichen Streckung.[46]
Etwa 2â10 Prozent des aufgenommenen Ethanols werden unverĂ€ndert ĂŒber Urin, SchweiĂ und Atemluft wieder abgegeben.[47] Ein Teilabbau findet schon im Magen statt; eine dort gefundene sigma-Alkoholdehydrogenase zeigt eine etwa um den Faktor 200 höhere AktivitĂ€t als die in der Leber lokalisierten Isoenzyme. Der Anteil am gesamten Ethanolabbau betrĂ€gt lediglich ungefĂ€hr 5 %.[48]
In der Leber wird der Hauptteil des Ethanols â wie andere wasserlösliche Gifte â durch die Enzyme Alkoholdehydrogenase (ADH) und Katalase sowie das MEOS-System zu Ethanal (Acetaldehyd, H3C-CHO) abgebaut, um weiter durch Acetaldehyddehydrogenase zu EssigsĂ€ure oxidiert zu werden. Die EssigsĂ€ure wird ĂŒber den Citratzyklus und die Atmungskette in allen Zellen des Körpers unter Energiegewinnung zu CO2 veratmet. Die Leber kann bei erheblich gesteigertem, regelmĂ€Ăigem Konsum ihre AbbauaktivitĂ€t in geringem MaĂe anpassen. Das Zwischenprodukt Ethanal ist auch fĂŒr die so genannten âKaterâ-Symptome wie Kopfschmerzen, Ăbelkeit und Erbrechen[49] mitverantwortlich. Der Abbau des Ethanals wird durch Zucker gehemmt, daher ist der Kater bei sĂŒĂen alkoholischen GetrĂ€nken, insbesondere Likör, Bowlen und manchen Sektsorten besonders intensiv.
Die Abbaurate durch die Alkoholdehydrogenase ist innerhalb gewisser Grenzen konstant. Sie betrĂ€gt bei MĂ€nnern etwa 0,1 g pro Stunde und kg Körpergewicht, bei Frauen 0,085 g/h und kg/KG.[50][51] Die exakt gemessenen Abbauraten fĂŒr MĂ€nner lagen dabei zwischen 0,088 und 0,146 g/h und kg Körpergewicht.[48] Bei MĂ€nnern findet sich eine leicht erhöhte AktivitĂ€t der gastrischen Alkoholdehydrogenase im Magen, mit der Folge einer geringfĂŒgigen Beschleunigung des Alkoholabbaus. Hochdosierte Aufnahme von Fructose kann bei manchen Menschen durch UnterstĂŒtzung des Katalase-Ethanolabbaus zu einer schnelleren Metabolisierung fĂŒhren.[49] Bei höherer Alkoholkonzentration â ab etwa 50 g Ethanolaufnahme pro Tag[48] â oder bei chronischen Trinkern wird der Alkohol zusĂ€tzlich ĂŒber das mikrosomale Ethanol oxidierende System (MEOS) abgebaut. Dabei wird Ethanol in den Mikrosomen der Leberzellen durch Cytochrom P450 (CYP2E1) unter Sauerstoffverbrauch ebenfalls zu Ethanal oxidiert. Ethanol bewirkt situativ eine BetĂ€ubung, eine Stimulation oder einen Stimmungswandel. Es fĂŒhrt zu einer Erweiterung insbesondere der peripheren BlutgefĂ€Ăe.
Ethanol ist weder als Gift noch als gesundheitsschĂ€dlich eingestuft, doch wird es von Pathologen zu den âobligat hepatotoxischen Stoffenâ[52], also zu den Lebergiften, gezĂ€hlt; es gilt ein âdirekter toxischer Effekt des Alkohols auf die Erythropoieseâ, die Bildung roter Blutzellen, als gesichert[53]; PĂ€diater nennen ihn eine âteratogene Noxeâ[54], also ein die Leibesfrucht schĂ€digendes Gift und die Pharmakologen/Toxikologen sprechen von âakuter Vergiftungâ ab einer bestimmten Schwellendosis sowie von einer âchronischen Vergiftungâ beim Alkoholismus[55]. So zeigen verdĂŒnnte Lösungen von Ethanol in Wasser schon bei Konzentrationen von wenigen Volumenprozenten physiologische Effekte. Die Aufnahme fĂŒhrt â ab etwa 0,5â1 Promille Ethanolkonzentration im Blut â zu typischen akuten Trunkenheitssymptomen wie Schwindel, Ăbelkeit, Orientierungsstörung, Redseligkeit und gesteigerter AggressivitĂ€t. Die Letale Dosis (LD) liegt etwa bei 3,0 bis 4,0 Promille fĂŒr ungeĂŒbte Trinker. Es wurden jedoch schon Werte ĂŒber 7 Promille gemessen.[56] Die LD50 betrĂ€gt fĂŒr die Ratte 7060 mg/kg bei oraler Applikation.[5] Bei einer akuten Ethanolvergiftung kann der noch im Magen befindliche Alkohol durch HerbeifĂŒhren von Erbrechen oder durch Auspumpen des Mageninhalts teilweise entfernt werden.
Ethanol kann durch Veresterung als p-NitrobenzoesĂ€ureester oder 3,5-DinitrobenzoesĂ€ureester nachgewiesen werden. Die Reaktion erfolgt durch Umsetzung mit den entsprechenden SĂ€urechlorid. Unspezifisch kann Ethanol durch die Iodoformprobe nachgewiesen werden. Durch chromatografische Methoden wie der Gaschromatografie kann Ethanol quantitativ bestimmt werden. Nasschemisch-quantitativ ist der Nachweis durch Oxidation mit einem Ăberschuss von Kaliumdichromat möglich, wobei das nicht umgesetzte Kaliumdichromat jodometrisch ermittelt werden kann.
Die Ethanolkonzentration wĂ€hrend des Herstellungsprozesses, etwa in Brauereien, kann infrarotspektroskopisch durch die Messung der IntensitĂ€t der Schwingungsfrequenz der CH-Bande bei 2900 cm-1 ĂŒberwacht werden.
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