Ethanol

Einordnung und grundlegende Eigenschaften

Ethanol, auch Ethylalkohol und umgangssprachlich Alkohol genannt, ist ein aliphatischer, einwertiger, primärer Alkohol. Seine Summenformel lautet C₂H₆O; die Halbstrukturformel C₂H₅OH zeigt die funktionelle Hydroxygruppe (–OH). Systematisch leitet sich Ethanol vom Alkan Ethan (C₂H₆) ab, indem formal ein Wasserstoffatom durch eine Hydroxygruppe ersetzt wird. „Alkohole“ bezeichnet fachsprachlich eine ganze Stoffgruppe, während „Alkohol“ im Alltag meist Ethanol meint.

Reines Ethanol ist bei Raumtemperatur eine klare, farblose, würzig beziehungsweise süßlich riechende, brennend schmeckende und leicht entzündliche Flüssigkeit. Die molare Masse beträgt 46,07 g·mol⁻¹, die Dichte bei 20 °C 0,7893 g·cm⁻³, der Schmelzpunkt −114,5 °C und der Siedepunkt 78,32 °C. Der Flammpunkt liegt bei 12 °C, die Zündtemperatur bei 400 °C. Explosionsfähige Gemische mit Luft entstehen zwischen 3,1 und 27,7 Volumenprozent; der maximale Explosionsdruck beträgt 8,4 bar. Der Heizwert liegt bei etwa 26,78 MJ·kg⁻¹ beziehungsweise 21,14 MJ·l⁻¹. Ethanol trägt als Gefahrgut die UN-Nummer 1170.

Die polare Hydroxygruppe erzeugt einen molekularen Dipol und ermöglicht Wasserstoffbrücken. Dadurch siedet Ethanol wesentlich höher als Ethan und ist hydrophil, also mit Wasser und anderen polaren Flüssigkeiten mischbar. Der unpolare Kohlenwasserstoffrest vermittelt zugleich eine begrenzte Löslichkeit lipophiler Stoffe. Deshalb eignet sich Ethanol als vielseitiges Lösungsmittel.

Mit Wasser ist Ethanol in jedem Verhältnis mischbar. Beim Mischen entstehen Wärme und eine Volumenkontraktion: 50 ml Ethanol und 50 ml Wasser ergeben beispielsweise nur 97 ml Mischung. Bei 95,57 Gewichtsprozent Ethanol und 4,43 Gewichtsprozent Wasser entsteht ein bei 78,2 °C siedendes Azeotrop, also ein Gemisch, das sich durch gewöhnliche Destillation nicht weiter trennen lässt. Ein Eutektikum mit einer Schmelztemperatur von −118 °C liegt bei 93,5 Massenprozent Ethanol vor.

Vorkommen und Herstellung

Ethanol entsteht natürlich vor allem bei der Gärung zuckerhaltiger Früchte und kommt in vielen Pflanzenteilen sowie in kleinen Mengen in Lebensmitteln vor. Alkoholfreies Bier und Sauerkraut können bis zu 0,5 Volumenprozent enthalten, Brot bis 0,3 Volumenprozent und reife Bananen oder reifer Kefir etwa 1 Volumenprozent. Der physiologische Ethanolgehalt im menschlichen Blut beträgt 0,02 bis 0,03 ‰. Ethanol wurde außerdem in interstellaren Molekülwolken nachgewiesen; sein dortiger Bildungsmechanismus ist ungeklärt.

Bei der alkoholischen Gärung dienen meist zucker- oder stärkehaltige Pflanzen als Ausgangsstoffe. Stärke wird zunächst enzymatisch in kleinere Zucker gespalten. Hefe oder Bakterien wandeln anschließend Glucose in Ethanol und Kohlenstoffdioxid um: C₆H₁₂O₆ → 2 C₂H₅OH + 2 CO₂. Bei einer Ethanolkonzentration nahe 15 % beginnen die Mikroorganismen abzusterben, sodass durch Gärung allein keine höhere Konzentration erreichbar ist. Auf diese Weise entstehen unter anderem Wein aus Weintrauben und Bier aus Malz und Hopfen.

Durch Destillation, also Trennung anhand verschiedener Siedepunkte, wird Ethanol konzentriert. Trinkalkohol entsteht beim Brennen einer vergorenen Maische. Aromen, Fuselöle, Wasser und weitere Stoffe prägen Destillate wie Weinbrand, Whisky oder Rum; für Wodka wird nahezu reines und anschließend verdünntes Ethanol verwendet. Wein und Bier enthalten dagegen nur durch Gärung entstandenes Ethanol.

Das Ethanol-Wasser-Azeotrop enthält 95,6 % Ethanol und 4,4 % Wasser. Für technische Zwecke kann es durch azeotrope Rektifikation mit Cyclohexan weitergetrennt werden; das Hilfsmittel wird im Kreislauf geführt. Im Labor lässt sich wasserfreies Ethanol mit Calciumoxid, wasserfreiem Calciumsulfat oder Molekularsieben gewinnen. Dieser Vorgang heißt Absolutierung.

Synthetisches Ethanol wird aus Ethen und Wasser hergestellt. Industriell erfolgt dies heute vorwiegend direkt in der Gasphase mit auf Silika aufgebrachter Phosphorsäure als Katalysator, bei Temperaturen bis 300 °C und Drücken von 70 bar. Pro Reaktordurchgang werden allerdings nur 5 % des Ethens umgesetzt. Der ältere indirekte Schwefelsäureprozess verursacht Korrosions- und Abwasserprobleme. Weitere mögliche Wege sind die katalytische Hydrierung von Acetaldehyd und das Synol-Verfahren aus Kohlenstoffmonoxid und Wasserstoff.

2005 produzierten die USA und Brasilien gemeinsam mehr als 90 % der weltweiten Jahresmenge von 29 Millionen Tonnen. Weltweit entfielen etwa 65 % der Produktion auf Kraftstoffethanol. In Deutschland und vielen anderen Ländern wird Ethanol besteuert. Für technische Zwecke kann es steuerfrei verwendet werden, wenn es durch zugesetzte Stoffe ungenießbar gemacht, also vergällt wird. Brennspiritus enthält beispielsweise Methylethylketon und Denatoniumbenzoat; Bioethanol für Kraftstoffe wird mit ETBE oder Benzin vergällt.

Chemische Reaktionen und Desinfektion

Mit einem pKₛ-Wert von 16 ist Ethanol nur sehr schwach sauer. Starke Basen beziehungsweise Alkalimetalle wie Natrium oder Kalium entfernen das Proton der Hydroxygruppe; dabei entstehen Ethanolat-Ionen (CH₃CH₂O⁻) und Wasserstoff. Ethanol ist zugleich Brønsted-Säure und Brønsted-Base und damit ein Ampholyt. Seine Autoprotolysekonstante beträgt pKₐᵤ = 19,5.

Bei der nukleophilen Substitution reagiert Ethanol mit Halogenwasserstoffen zu Ethylhalogeniden, beispielsweise mit Chlorwasserstoff zu Ethylchlorid und Wasser. Säurekatalysiert reagiert es mit Carbonsäuren in einer Gleichgewichtsreaktion zu Ethylestern. Solche Ester werden unter anderem als Lösungsmittel sowie als Geruchs- und Geschmacksstoffe verwendet.

Sehr starke Säuren wie Schwefelsäure katalysieren die Dehydratation, also die Abspaltung von Wasser. Je nach Temperatur, Konzentration und weiteren Bedingungen entstehen Diethylether oder Ethen. Unter bestimmten Bedingungen kann dabei auch das hochgiftige Diethylsulfat gebildet werden.

Ethanol wird über Acetaldehyd zu Essigsäure oxidiert. Im Labor eignen sich dafür beispielsweise Chromsäure oder Kaliumpermanganat; schwächere Oxidationsmittel wie Pyridiniumchlorochromat können die Reaktion beim Acetaldehyd anhalten. Bei vollständiger Verbrennung mit blauer Flamme entstehen Kohlendioxid und Wasser.

Die desinfizierende Wirkung beruht auf der Denaturierung von Proteinen und Nukleinsäuren: Ethanol stört Wasserstoffbrücken und damit die räumliche Struktur biologischer Moleküle. Dadurch verlieren Membranproteine ihre Funktion, Bakterien- und Pilzzellen werden irreversibel geschädigt und behüllte Viren verlieren ihre proteinhaltige Hülle. Besonders wirksam sind Ethanol-Wasser-Gemische mit 50 bis 80 % Ethanol. Wasserfreies Ethanol kann dagegen die Bakterienhülle verhärten, ohne die Bakterien abzutöten.

Verwendung in Alltag, Technik und Energie

Die drei Hauptmärkte sind alkoholische Getränke, die chemische Industrie und die Nutzung als Energieträger beziehungsweise Benzinzusatz. Ethanol aus Gärung kann in allen Bereichen eingesetzt werden; synthetisches Ethanol dient nur als Chemierohstoff und Energieträger. Die Nutzung von Nahrungspflanzen zur Herstellung von Chemie- und Kraftstoffethanol wird kontrovers diskutiert.

Im Haushalt ist Ethanol Lösungsmittel und Trägerstoff in Parfüm, Deodorant und Duftsprays. Es kommt in Fensterreinigern, Fleckenentfernern und Scheibenwaschmitteln sowie als Frostschutzmittel vor. Als Brennspiritus treibt es Campingkocher an; mit Celluloseacetat oder Seife entsteht gelartiger Hartspiritus. Gefärbtes Ethanol dient als Flüssigkeit in einfachen Thermometern. Bei der Aufspritung von Portwein, Sherry und anderen Südweinen wird Ethanol zugesetzt, um die Gärung zu beenden und Restzucker zu erhalten.

In Medizin und Pharmazie dient Ethanol als Desinfektionsmittel sowie als Lösungsmittel und Konservierungsmittel für Medikamente und pflanzliche Präparate. Bei 50 bis 80 % Alkoholgehalt werden Bakterien einschließlich Tuberkelbakterien innerhalb einer Minute abgetötet; gegen Viren wirkt das Gemisch nur eingeschränkt und gegen bakterielle Endosporen nicht. Auf offene Wunden soll es wegen Brennen und gefäßerweiternder Wirkung nicht aufgetragen werden. 95-prozentiges oder reines Ethanol kann zur Verödung bestimmter Schilddrüsenknoten und umschriebener Tumoren eingesetzt werden. Bei einer Methanolvergiftung hemmt intravenös gegebenes Ethanol die Bildung des giftigen Methanals, weil es ungefähr 25-mal stärker an Alkoholdehydrogenase bindet als Methanol.

Als Kraftstoff wird vor allem Bioethanol aus Zuckerrohr, Zuckerrüben, Mais- oder Weizenstärke verwendet. E5 enthält 5 %, E85 85 % Ethanol. Chemisch unterscheidet sich Bioethanol nicht von Ethanol aus fossilen Rohstoffen. Die EU-Produktion für den Kraftstoffsektor stieg von 525 Millionen Litern 2004 auf 3,7 Milliarden Liter 2009. Ethanol wurde außerdem bis in die 1950er Jahre als Raketentreibstoff eingesetzt. Das Derivat Ethyl-tert-butylether (ETBE) erhöht die Oktanzahl von Ottokraftstoffen.

In der chemischen Industrie ist Ethanol Ausgangsstoff für Ethylchlorid, Acetaldehyd, Essigsäure und zahlreiche Ester. Essigsäureethylester dient unter anderem als Lösungsmittel für Klebstoffe und Nagellack, Ethylacrylat als Monomer in Polymerisationen. Durch Wasserabspaltung kann aus Ethanol erneut Ethen entstehen, aus dem beispielsweise Polyethylen hergestellt wird. Ethanol-Wasser-Gemische konservieren außerdem biologische und medizinische Präparate.

Aufnahme, Abbau und Gesundheitsgefahren

Ethanol wird im gesamten Verdauungstrakt aufgenommen: in geringem Umfang bereits über die Mundschleimhaut, zu etwa 20 % im Magen und überwiegend im Dünndarm. Wärme, Zucker und Kohlenstoffdioxid beschleunigen die Aufnahme; Fett verzögert sie lediglich, ohne die insgesamt aufgenommene Menge zu verringern. Etwa 2 bis 10 % werden unverändert über Urin, Schweiß und Atemluft ausgeschieden.

Der Hauptabbau erfolgt in der Leber. Alkoholdehydrogenase, Katalase und das mikrosomale ethanoloxidierende System (MEOS) bilden zunächst Ethanal beziehungsweise Acetaldehyd. Acetaldehyddehydrogenase oxidiert es weiter zu Essigsäure, die über Citratzyklus und Atmungskette zu CO₂ abgebaut wird und dabei Energie liefert. Acetaldehyd trägt zu Kopfschmerzen, Übelkeit und Erbrechen beim „Kater“ bei; Zucker hemmt seinen Abbau. Die Ethanolabbaurate beträgt bei Männern ungefähr 0,1 und bei Frauen 0,085 g pro Stunde und Kilogramm Körpergewicht; für Männer wurden Werte von 0,088 bis 0,146 g·h⁻¹·kg⁻¹ gemessen. Ab etwa 50 g Ethanol täglich oder bei chronischem Konsum gewinnt das MEOS an Bedeutung.

Ethanol ist ein Lebergift, wirkt zell- und nervenschädigend und kann die Bildung roter Blutzellen beeinträchtigen. Als teratogene Noxe kann es die Entwicklung eines ungeborenen Kindes schädigen. Ethanol in Getränken ist als krebserzeugend eingestuft. Regelmäßiger Konsum kann Alkoholabhängigkeit verursachen; auch vorsichtiger Konsum kann erhebliche Schäden bis hin zu Krebs, Leberzirrhose oder Gehirnschäden bewirken.

Bei etwa 0,5 bis 1 ‰ Blutalkohol treten typische akute Trunkenheitssymptome wie Schwindel, Übelkeit, Orientierungsstörungen, Redseligkeit und gesteigerte Aggressivität auf. Höhere Dosen können Schläfrigkeit, Teilnahmslosigkeit und Koma verursachen. Für ungeübte Trinker liegt die tödliche Dosis ungefähr bei 3,0 bis 4,0 ‰, obwohl bereits Werte über 7 ‰ gemessen wurden. Die orale LD₅₀ bei Ratten beträgt 7060 mg·kg⁻¹. Nach einer Studie der Weltgesundheitsorganisation starben 2012 mehr als 3,3 Millionen Menschen an den Folgen des Alkoholkonsums.

Analytischer Nachweis

Ethanol kann durch Bildung eines p-Nitrobenzoesäureesters oder 3,5-Dinitrobenzoesäureesters nachgewiesen werden; dazu reagiert es mit dem jeweiligen Säurechlorid. Die Iodoformprobe ist ein unspezifischer Nachweis. Eine quantitative Bestimmung ist mit Gaschromatografie möglich. Nasschemisch lässt sich Ethanol mit überschüssigem Kaliumdichromat oxidieren; der verbleibende Überschuss wird anschließend iodometrisch bestimmt.

In der Lebensmittelanalytik wird Ethanol durch Wasserdampfdestillation abgetrennt und der Gehalt über die Dichte pyknometrisch oder mit einem Biegeschwinger bestimmt. Tabellen ordnen die gemessene Dichte einer Konzentration zu.

Infrarotspektroskopie kann Produktionsprozesse, etwa in Brauereien, überwachen. Dabei wird unter anderem die C–H-Bande bei etwa 2900 cm⁻¹ gemessen; die breite O–H-Streckschwingung liegt ungefähr bei 3300–3500 cm⁻¹. Auch Kernspinresonanzspektroskopie dient der Untersuchung. Isotopenverhältnisse erlauben es, synthetisches Ethanol aus fossilen Rohstoffen von Ethanol aus nachwachsenden Rohstoffen zu unterscheiden und so beispielsweise das Panschen von Wein oder Spirituosen nachzuweisen.