Ethanol: Cyfansoddyn cemegol

Mae'n alcohol syml gyda'r fformiwla gemegol C₂H₆O. Gellir ysgrifennu ei fformiwla hefyd fel CH₃−CH₂− OH neu fel C₂H₅OH (mae'n aelod o'r grŵp ethyl sy'n gysylltiedig â'r grŵp hydrocsyl), ac yn aml yn cael ei dalfyrru fel EtOH. Mae ethanol yn hylif anweddol, fflamadwy, di-liw gydag arogl nodweddiadol tebyg i win a blas cas. Mae'n gyffur seicoweithredol, yn gyffur adloniadol, ac yn gynhwysyn gweithredol mewn diodydd alcoholig.

Ethanol

Enghraifft o'r canlynol	math o endid cemegol
Math	fatty alcohol, alkanol
Màs	46.042 uned Dalton
Fformiwla gemegol	C₂h₆o
Rhan o	ethanol binding, ethanol metabolic process, ethanol catabolic process, ethanol biosynthetic process, acetate catabolic process to butyrate, ethanol, acetone and butanol, acetyl-CoA biosynthetic process from ethanol, glycolytic fermentation to ethanol, glucose catabolic process to D-lactate and ethanol, mixed acid fermentation, pentose catabolic process to ethanol, xylose catabolic process to ethanol, response to ethanol, cellular response to ethanol, hexose catabolic process to ethanol, urethanase activity, fatty-acyl-ethyl-ester synthase activity
Yn cynnwys	hydrogen, ocsigen, carbon
Ffeiliau perthnasol ar Gomin Wicimedia

Mae ethanol yn cael ei gynhyrchu'n naturiol trwy eplesu siwgwr gyda burum neu trwy broses petrocemegol fel hydradiad ethen (ethylene). Mae ganddo gymwysiadau meddygol fel antiseptig ac fel diheintydd. Fe'i defnyddir fel toddydd cemegol ac mewn synthesis cyfansoddion organig. Mae ethanol hefyd yn ffynhonnell tanwydd.

Ethanol yw'r enw systematig a ddiffinnir gan yr Undeb Rhyngwladol Cemeg Bur a Chymhwysol (IUPAC) ar gyfer cyfansoddyn sy'n cynnwys grŵp alcyl â dau atom carbon (rhagddodiad "eth-"), sydd ag un bond rhyngddynt (mewnddodiad "-an-") a grŵp swyddogaethol atodedig sef −OH grŵp (ôl-ddodiad "-ol").

Daw'r rhagddodiad "eth-" a'r rhagosodiad "ethyl" yn "alcohol ethyl" yn wreiddiol o'r enw "ethyl" a roddwyd yn 1834 i'r grŵp C₂H₅ − gan Justus Liebig. Bathodd y gair o'r enw Almaeneg Aether o'r cyfansoddyn C₂H₅−O− C₂H₅ (a elwir yn aml yn "ether" yn Saesneg, ac a elwir yn fwy penodol yn "Diethyl ether"). Yn ôl yr Oxford English Dictionary, mae Ethyl yn gyfyngiad o'r Hen Roeg αἰθήρ (aithḗr, "aer uchaf") a'r gair Groeg ὕλη (hýlē, "sylwedd").

Bathwyd yr enw ethanol o ganlyniad i benderfyniad a fabwysiadwyd yn y Gynhadledd Ryngwladol ar Enwau Cemegol a gynhaliwyd yn Ebrill 1892 yn Genefa, y Swistir.

Mae'r term "alcohol" bellach yn cyfeirio at ddosbarth ehangach o sylweddau cemegol, ond yn gyffredin mae ethanol yn dal i gael ei ddefnyddio. Mae'n fenthyciad canoloesol o'r Arabeg al-kuḥl, mwyn powdr o antimoni a ddefnyddiwyd fel cosmetig, ac a gadwodd yr ystyr hwnnw mewn Lladin Canol. Ceir sawl al (y neu yr yn Gymraeg) mewn geiriau sydd a'u gwreiddiau yn yr Arabeg, gan gynnwys alcemi ac algebra, algorithm ac alcali. Mae'r defnydd o "alcohol" ar gyfer ethanol yn fodern ac fe'i cofnodwyd gyntaf yn 1753.

Meddygol

Antiseptig

Defnyddir ethanol mewn cadachau meddygol ac yn fwyaf cyffredin mewn jeliau glanhau dwylo, gwrthfacterol fel antiseptig ar gyfer ei effeithiau gwrthfacteria a gwrth-ffwngaidd. Mae ethanol yn lladd micro-organebau trwy hydoddi eu lipid eu pilen a dadnatureiddio'u proteinau, ac mae'n effeithiol yn erbyn y rhan fwyaf o facteria, ffyngau a firysau. Fodd bynnag, mae'n aneffeithiol yn erbyn sborau bacteriol, ond gellir dod dros y broblem honno trwy ddefnyddio hydrogen perocsid, mewn rhai achosion. Yn eironig, mae hydoddiant o 70% ethanol yn fwy effeithiol nag ethanol pur oherwydd bod ethanol yn dibynnu ar foleciwlau dŵr ar gyfer y gweithgaredd gwrthficrobaidd gorau posibl. Gall ethanol absoliwt anactifadu microbau heb eu dinistrio oherwydd nad yw'r alcohol yn gallu treiddio'n llawn drwy bilen y microb. Gellir defnyddio ethanol hefyd fel diheintydd ac antiseptig oherwydd ei fod yn achosi dadhydradu celloedd trwy amharu ar y cydbwysedd ar draws y gellbilen, felly mae dŵr yn gadael y gell gan arwain at ei farwolaeth.

Gwrthwenwyn

Gellir rhoi ethanol fel gwrthwenwyn i wenwyn ethylene glycol a gwenwyn methanol.

Adloniadol

Gall ethanol achosi iselder ysbryd, oherwydd ei effaith ar y system nerfol canolog ac mae'n un o'r cyffuriau seicoweithredol a ddefnyddir amlaf.

Er gwaethaf priodweddau seicoweithredol a charsinogenig alcohol, mae ar gael yn rhwydd ac yn gyfreithlon i'w werthu yn y rhan fwyaf o wledydd. Fodd bynnag, mae yna gyfreithiau sy'n rheoleiddio gwerthu, allforio / mewnforio, trethu, gweithgynhyrchu, yfed a meddu ar ddiodydd alcoholig. Er enghraifft, yng Nghymru, mae'n rhaid bod yn 18 oed cyn y gellir ei brynnu mewn siop neu dafarn: dyma'r rheoliad mwyaf cyffredin yn fydeang.

Tanwydd

Tanwydd mewn peiriant

Y defnydd unigol mwyaf o ethanol yw tanwydd injan (peiriant) ac ychwanegyn at danwydd. Mae Brasil yn arbennig yn dibynnu'n fawr ar y defnydd o ethanol fel tanwydd injan, yn rhannol oherwydd ei rôl fel un o gynhyrchwyr ethanol mwyaf blaenllaw'r byd. Mae'r betrol a werthir ym Mrasil yn cynnwys o leiaf 25% ethanol anhydrus. Gellir defnyddio ethanol hydrus (tua 95% ethanol a 5% o ddŵr) fel tanwydd mewn mwy na 90% o geir tanwydd petrol newydd a werthir yn y wlad. Cynhyrchir ethanol Brasil o gansen siwgr, sydd â chynnyrch cymharol uchel (830% yn fwy na'r tanwyddau ffosil a ddefnyddiwyd i'w gynhyrchu) o gymharu â rhai cnydau ynni eraill. Mae'r Unol Daleithiau a llawer o wledydd eraill yn defnyddio cymysgeddau ethanol/petrol E10 (10% ethanol, a elwir weithiau'n gasohol) ac E85 (85% ethanol) yn bennaf.

 

Mae cyfraith Awstralia yn cyfyngu'r defnydd o ethanol pur o wastraff cansen siwgr i 10% mewn cerbydau. Dylid uwchraddio neu newid falfiau ceir hŷn (a cheir hen geir sydd wedi'u dylunio i ddefnyddio tanwydd sy'n llosgi'n arafach).

Mae ethanol fel tanwydd yn lleihau allyriadau niweidiol (garbon monocsid, ocsidau nitrogen ayb) o beipen fwg y cerbyd, ac sy'n difa'r haen oson. Dadansoddodd Labordy Cenedlaethol Argonne allyriadau nwyon tŷ gwydr o lawer o gerbydau gyda gwahanol danwydd, a chanfuwyd bod cyfuniad biodiesel / petrodiesel (B20) yn dangos gostyngiad o 8%, cyfuniad confensiynol E85 ethanol gostyngiad o 17% ac ethanol seliwlosaidd sy'n 64%, o'i gymharu â phetrol pur.

Tanwydd roced

Defnyddiwyd ethanol yn gyffredin fel tanwydd mewn cerbydau roced tanwydd-deuol cynnar (hylif), ar y cyd ag ocsidydd fel ocsigen hylifol. Defnyddiodd roced balistig yr Almaen A-4 o'r Ail Ryfel Byd, sy'n fwy adnabyddus wrth ei henw V-2, ethanol fel prif gyfansoddyn y tanwydd B-Stoff. Cymysgwyd ethanol â 25% o ddŵr i leihau tymheredd y siambr hylosgi. Helpodd yr un tîm Almaenig i ddatblygu'r V-2 ar gyfer yr UDA yn dilyn yr Ail Ryfel Byd, gan gynnwys y roced Redstone â thanwydd ethanol a lansiodd lloeren gyntaf yr UD. Daeth alcohol i ben yn gyffredinol wrth i danwydd gyda mwy o egni gael ei ddatblygu, er bod ethanol yn dal i gael ei ddefnyddio mewn awyrennau rasio ysgafn a bwerir gan danwydd-roced.

Celloedd tanwydd

Mae celloedd tanwydd masnachol yn gweithio gyda nwy naturiol wedi'i ei ailwampio, hydrogen neu fethanol. Gall ethanol fod yn ddewis arall deniadol oherwydd ei argaeledd, cost isel, purdeb uchel a gwenwyndra isel. Mae yna ystod eang o gysyniadau newydd sy'n ymwneud â chelloedd tanwydd gan gynnwys celloedd tanwydd ethanol uniongyrchol, systemau diwygio auto-thermol a systemau thermol integredig. Mae mwyafrif y gwaith yn cael ei wneud ar lefel ymchwil er bod nifer o sefydliadau yn dechrau gwerthu celloedd tanwydd ethanol.

Gwresogi'r cartref a choginio

Gellir defnyddio lleoedd tân ethanol ar gyfer gwresogi cartref neu ar gyfer addurno. Gellir defnyddio ethanol hefyd fel tanwydd stôf ar gyfer coginio.

Porthiant

Mae ethanol yn gynhwysyn diwydiannol pwysig. Mae'n cael ei ddefnyddio'n helaeth fel rhagflaenydd ar gyfer cyfansoddion organig eraill fel halidau ethyl, esterau ethyl, ether diethyl, asid asetig, ac aminau ethyl.

Hylif tymheredd isel

Oherwydd ei bwynt rhewi isel -173.20 °F (−114.14 °C) a gwenwyndra isel, weithiau defnyddir ethanol mewn labordai (gyda rhew sych neu oeryddion eraill) fel baddon oeri i gadw llestri ar dymheredd islaw'r pwynt rhewi dŵr. Am yr un rheswm, fe'i defnyddir hefyd fel yr hylif gweithredol mewn thermomedrau alcohol.

Mae ethanol yn alcohol 2-garbon. Ei fformiwla foleciwlaidd yw CH₃CH₂OH. Nodiant amgen yw CH₃−CH₂−OH, sy'n dangos bod carbon grŵp methyl (CH₃−) yn sownd wrth garbon grŵp methylen (−CH₂-), sy'n sownd wrth ocsigen a grŵp hydrocsyl (−OH). Mae'n isomer cyfansoddiadol o ether dimethyl. Caiff ei dalfyrru weithiau fel EtOH, gan ddefnyddio'r nodiant cemeg organig cyffredin o gynrychioli'r grŵp ethyl (C₂H₅−) ag Et.

Priodweddau ffisegol

 

Mae ethanol yn hylif anweddol, di-liw sydd ag ychydig o arogl, ond ddim llawer. Mae'n llosgi gyda fflam las ddi-fwg nad yw bob amser yn weladwy mewn golau arferol. Mae priodweddau ffisegol ethanol yn deillio'n bennaf o bresenoldeb ei grŵp hydrocsyl a phrinder ei gadwyn garbon. Mae'r grŵp hydrocsyl ethanol yn gallu cymryd rhan mewn bondio hydrogen, gan ei wneud yn fwy gludiog ac yn llai cyfnewidiol na chyfansoddion organig.

Mae ethanol ychydig yn fwy plygiannol (efractivee) a dŵr, gyda mynegrif plygiant o 1.36242 ar λ=589.3 nm a 18.35 °C (65.03 °F). Y pwynt triphlyg ar gyfer ethanol yw 150 K ar wasgedd o 4.3 × 10⁻⁴ Pa .

Fflamadwyedd

Bydd hydoddiant ethanol-dŵr yn cynnau os caiff ei gynhesu uwchlaw ei fflachbwynt a phan rhoddir ffynhonnell danio iddo ee flam noeth. Ar gyfer 20% o alcohol fesul màs (tua 25% yn ôl cyfaint), bydd hyn yn digwydd ar tua 25 °C (77 °F). Fflachbwynt ethanol pur yw 13 °C (55 °F), ond gall gael ei ddylanwadu ychydig iawn gan gyfansoddiad atmosfferig fel gwasgedd-aer a lleithder. Gall cymysgeddau ethanol danio islaw tymheredd cyfartalog ystafell. Mae ethanol yn cael ei ystyried yn hylif fflamadwy (Deunydd Peryglus Dosbarth 3) mewn crynodiadau uwch na 2.35% yn ôl màs (3.0% yn ôl cyfaint; 6 prawf.

Gelwir prydau bwyd sy'n llosgi alcohol ar gyfer effeithiau gweledol mewn coginio yn flambé ee arllwysir ethanol (ar ffurf Brandi) dros bwdin Nadolig, a'i gynnau gyda matsien.

 

Cynhyrchir ethanol fel petrocemegyn, trwy hydradu ethylen a, thrwy brosesau biolegol, a hynny drwy eplesu siwgrau â burum. Mae'r cwestiwn, pa broses sy'n fwy darbodus, yn dibynnu ar brisiau'r stociau porthiant a'r marchnadoedd petrolewm a grawn. Yn y 1970au gwnaed y rhan fwyaf o ethanol diwydiannol yn yr Unol Daleithiau fel petrocemegyn, ond yn yr 1980au cyflwynodd yr Unol Daleithiau gymorthdaliadau ar gyfer ethanol sy'n seiliedig ar ŷd a heddiw mae bron y cyfan wedi'i wneud o'r ffynhonnell honno. Yn India mae ethanol yn cael ei wneud o gansen siwgr.

Hydradiad ethylen

Gwneir ethanol i'w ddefnyddio fel porthiant diwydiannol neu doddydd (y cyfeirir ato weithiau fel ethanol synthetig) o stoc porthiant petrocemegol (petrochemical feed stocks) yn bennaf gan hydradiad ethylen wedi'i gataleiddio ag asid:

C₂H₄ + H₂O → CH₃CH₂OH

Fel arfer, asid ffosfforig yw'r catalydd, wedi'i arsugno ar gynhalydd mandyllog fel gel silica. Defnyddiwyd y catalydd hwn gyntaf i gynhyrchu ethanol ar raddfa fawr gan y Gwmni Olew Shell ym 1947. Mae'r adwaith yn cael ei wneud ym mhresenoldeb stêm pwysedd uchel ar 300 °C (572 °F) lle cedwir cymhareb ethylen i stêm 5:3. Defnyddiwyd y broses hon ar raddfa ddiwydiannol gan yr Union Carbide Corporation ac eraill yn yr Unol Daleithiau, ond erbyn hyn dim ond LyondellBasell sy'n ei defnyddio'n fasnachol.

O CO ₂

Gellir cynhyrchu ethanol yn y labordy trwy drawsnewid carbon deuocsid trwy adweithiau biolegol ac electrocemegol.

CO ₂ + H₂O → CH₃CH₂O + is-gynhyrchion

Eplesu

Mae ethanol mewn diodydd alcoholig a thanwydd yn cael ei gynhyrchu trwy eplesu. Gall rhai rhywogaethau o furum (ee Saccharomyces cerevisiae ) fetaboleiddio siwgr, gan gynhyrchu ethanol a charbon deuocsid. Mae'r hafaliadau cemegol isod yn crynhoi'r trawsnewidiad:

C₁₂H₂₂O₁₁ + H₂O → 4 CH₃CH₂O + 4 CO₂

Eplesu yw'r broses o feithrin burum o dan amodau thermol ffafriol i gynhyrchu alcohol. Cynhelir y broses hon tua 35–40 °C (95–104 °F) . Mae gwenwyndra ethanol i furum yn cyfyngu ar y crynodiad ethanol y gellir ei gael trwy fragu; ceir crynodiadau uwch, felly, trwy atgyfnerthu neu ddistyllu. Gall y straeniau burum sy'n gallu goddef ethanol fwyaf oroesi hyd at tua 18% ethanol yn ôl cyfaint.

Er mwyn cynhyrchu ethanol o ddeunyddiau â starts fel grawnfwydydd, (ee poitín Gwyddelig) rhaid i'r starts gael ei drawsnewid yn siwgr yn gyntaf. Mewn bragu cwrw, mae hyn wedi'i gyflawni'n draddodiadol trwy ganiatáu i'r grawn egino, neu frag, sy'n cynhyrchu'r ensym amylas. Pan fydd y grawn brag yn cael ei stwnsio, mae'r amylas yn troi gweddill y starts yn siwgrau.

Distyllu

Mae hydradu neu fragu ethylene yn cynhyrchu cymysgedd o ethanol-ddŵr. Ar gyfer y rhan fwyaf o ddefnyddiau diwydiannol a thanwydd, rhaid puro'r ethanol. Gall distyllu ffracsiynol ar wasgedd atmosfferig grynhoi ethanol i 95.6% yn ôl pwysau (89.5 môl%). Mae'r cymysgedd hwn yn azeotrope gyda berwbwynt o 78.1 °C (172.6 °F), ac ni ellir ei buro ymhellach trwy ddistyllu. Mae ychwanegu asiant fel bensen, cyclohexane, neu heptan, yn caniatáu i aseotrop tair rhan newydd, ethanol, dŵr, a'r cyfrwng asiant, gael ei ffurfio.

Graddau ethanol

Alcohol wedi'i ddadnatureiddio

Mae ethanol pur a diodydd alcoholaidd yn cael eu trethu'n drwm, gan lawer o lywodraethau'r byd, fel cyffuriau seicoweithredol, ond mae ethanol yn ddefnyddiol ar gyfer lawer o ddefnyddiau eraill. Er mwyn lleddfu'r baich treth ar y defnyddiau hyn, mae'r rhan fwyaf o awdurdodaethau'n hepgor y dreth pan fydd asiant-lliw wedi'i ychwanegu at yr ethanol i'w wneud yn anaddas i'w yfed. Mae'r rhain yn cynnwys ei chwerwi ee denatonium bensoad a thocsinau fel methanol, nafftha, a pyridin. Gelwir cynhyrchion o'r math hwn yn alcohol dadnatureiddiedig.

Alcohol absoliwt

Mae alcohol absoliwt neu anhydrus yn cyfeirio at ethanol sy'n cynnwys ychydig ddŵr. Mae yna raddau amrywiol gydag uchafswm y dŵr yn amrywio o 1% i ychydig rannau fesul miliwn (ppm). Os defnyddir distyllu azeotropig i gael gwared ar ddŵr, bydd yn cynnwys ychydig o'r asiant gwahanu deunydd (ee bensen). Nid yw alcohol absoliwt wedi'i fwriadu i'w yfed gan bob; yn hytrach, fe'i defnyddir fel toddydd ar gyfer labordai diwydiannol, lle bydd dŵr yn adweithio â chemegau eraill, ac fel tanwydd alcohol. Mae ethanol sbectrosgopig yn ethanol absoliwt ac mae ganddo amsugnedd isel mewn golau uwchfioled a golau gweladwy.

Mae ethanol pur yn cael ei ddosbarthu fel 200 prawf yn yr UD, sy'n cyfateb i brawf 175 gradd yn system y DU.

Mae ethanol yn cael ei ddosbarthu fel alcohol cynradd, sy'n golygu bod gan y carbon y mae ei grŵp hydrocsyl yn ei gysylltu o leiaf ddau atom o hydrogen ynghlwm wrtho hefyd. Mae llawer o adweithiau ethanol yn digwydd yn y grŵp hydrocsyl.

Ocsidiad

Gellir ocsideiddio ethanol i asetaldehyde a'i ocsidio ymhellach i asid asetig, yn dibynnu ar yr adweithyddion a'r amodau. Nid yw'r ocsidiad hwn o unrhyw bwys yn ddiwydiannol, ond yn y corff dynol, mae'r adweithiau ocsideiddio hyn yn cael eu cataleiddio gan yr ensym dehydrogenas. Mae cynnyrch ocsideiddio ethanol, asid asetig, yn faetholyn i bobl, gan ei fod yn rhagflaenydd i asetyl CoA, lle gellir llosgi'r grŵp asetyl fel egni neu ei ddefnyddio ar gyfer biosynthesis.

Metabolaeth

Mae ethanol yn debyg i macrofaetholion fel proteinau, brasterau a charbohydradau gan ei fod yn darparu calorïau. Pan gaiff ei fwyta a'i fetaboli, mae'n cyfrannu 7 calori fesul gram trwy fetabolaeth ethanol.

Mae ethanol pur yn llidro'r croen a'r llygaid a gall achosi chwydu a meddwdod. Gall defnydd hirdymor trwy ei yfed arwain at niwed difrifol i'r afu. Uchafswm y crynodiad atmosfferig yw un o bob mil yn ôl yr Undeb Ewropeaidd.

Mae eplesu siwgr yn ethanol yn un o'r biotechnolegau cynharaf a ddefnyddir gan bobl. Yn hanesyddol, mae ethanol wedi'i nodi'n amrywiol fel gwirod, gwin ac fel aqua vitae. Mae ei effaith meddwol ar y corff yn hysbys ers Oes Adda, ac fe'i defnyddiwyd gan bobl ers cynhanes fel cynhwysyn diodydd alcoholig. Cafwyd hyd i weddillion sych ethanol ar grochenwaith 9,000 o flynyddoedd oed yn Tsieina sy'n awgrymu bod pobl Neolithig yn yfed diodydd alcoholig.

Roedd natur fflamadwy allanadliadau gwin-ethanol eisoes yn hysbys i athronwyr hynafol megis Aristoteles (384–322 BCE), Theophrastus (c. 371–287 BCE), a Plinius yr Hynaf (23/24–79 CE). Fodd bynnag, ni arweiniodd hyn ar unwaith at ynysu ethanol, hyd yn oed er gwaethaf datblygiad technegau distyllu mwy datblygedig yn yr Aifft Rufeinig yn yr 2g a'r 3g. Yn un o'r ysgrifau a briodolir i Jābir ibn Ḥayyān (9g), datguddir y gellir gwella fflamadwyedd yr anwedd drwy ychwanegu halen i win berw. Roedd hyn yn ddarganfyddiad pwysig ar y pryd.

Sonir am ddistyllu gwin mewn gweithiau Arabeg a briodolir i al-Kindī (c. 801–873) ac i al-Fārābī (c. 872–950), ac yn Kitāb al-Taṣrīf gan al-Zahrāwī (Lladin: Abulcasis, 936–1013). Yn y 12g, dechreuodd ryseitiau ar gyfer cynhyrchu aqua ardens ("dŵr llosgi", hy, ethanol!) trwy ddistyllu gwin gyda halen; ymddangos y ryset mewn nifer o weithiau Lladin, ac erbyn diwedd y 13g roedd wedi lledu i lawer o wledydd, gan ddod yn hysbys i gemegwyr Gorllewin Ewrop.