Rượu etylic, hay còn gọi là ethanol, là hợp chất hữu cơ đơn giản nhất thuộc nhóm ancol, có công thức hóa học C2H5OH. Chất lỏng không màu, dễ bay hơi này đóng vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực, từ y tế, công nghiệp đến đời sống con người. Bài viết này, yeuhoahoc.edu.vn sẽ đi sâu tìm hiểu về những khía cạnh khác nhau của rượu etylic, giúp bạn hiểu rõ hơn về hợp chất đa năng này.

Khái niệm về rượu etylic

Định nghĩa:

Rượu etylic (hay còn gọi là ethanol, ancol etylic, etanol) là một hợp chất hữu cơ thuộc nhóm ancol no, đơn chức, mạch hở, có công thức hóa học là C2H5OH. Rượu etylic là chất lỏng không màu, nhẹ hơn nước, tan vô hạn trong nước và một số dung môi hữu cơ khác. Rượu etylic có vị cay, dễ cháy và là thành phần chính trong các loại đồ uống có cồn.

Công thức hóa học:

$\mathrm{Công} \mathrm{thức} \mathrm{hóa} \mathrm{học} \mathrm{của} \mathrm{rượu} \mathrm{etylic} \mathrm{là} {\mathrm{C}}_2{\mathrm{H}}_5\mathrm{OH} \mathrm{hoặc} {\mathrm{CH}}_3–{\mathrm{CH}}_2–\mathrm{OH}.$

Cấu tạo:

Phân tử rượu etylic được cấu tạo bởi 3 nguyên tử cacbon (C), 6 nguyên tử hydro (H) và 1 nguyên tử oxy (O). Các nguyên tử kết nối với nhau theo cấu trúc dưới đây

   H   H

   │   │

  C – C – O – H

   │   │

   H   H

• Nguyên tử cacbon thứ nhất (C1) liên kết với 3 nguyên tử hydro (-CH3) tạo thành nhóm metyl.
• Nguyên tử cacbon thứ hai (C2) liên kết với 2 nguyên tử hydro (-CH2-) và 1 nguyên tử oxy (-O-).
• Nguyên tử oxy liên kết với 1 nguyên tử cacbon (C2) và 1 nguyên tử hydro (-OH) tạo thành nhóm hydroxyl (-OH).

Nhóm hydroxyl (-OH) là nhóm chức đặc trưng của rượu etylic, quyết định tính chất hóa học cơ bản của nó.

Nguồn gốc và lịch sử hình thành rượu etylic

Quá trình lên men tự nhiên:

Rượu etylic được hình thành từ quá trình lên men tự nhiên của các loại trái cây, ngũ cốc và các chất có chứa tinh bột. Quá trình lên men diễn ra dưới tác động của các vi sinh vật, điển hình là nấm men Saccharomyces cerevisiae.

• Quá trình lên men: Nấm men sử dụng đường (glucose) trong trái cây, ngũ cốc hoặc tinh bột để tạo ra năng lượng và sản phẩm sinh ra là rượu etylic và khí carbon dioxide.
• Bằng chứng khảo cổ học: Các bằng chứng khảo cổ học cho thấy con người đã biết đến rượu etylic từ rất sớm. Dấu vết rượu etylic được tìm thấy trong các bình gốm có niên đại từ 7000 năm trước Công nguyên ở Trung Quốc, Iran và Gruzia.

Phát triển kỹ thuật chưng cất rượu:

Kỹ thuật chưng cất rượu được phát triển vào khoảng thế kỷ thứ 8 sau Công nguyên. Kỹ thuật này giúp tách rượu etylic ra khỏi hỗn hợp lên men, tạo ra rượu etylic có nồng độ cao hơn.

• Phương pháp chưng cất: Phương pháp chưng cất ban đầu sử dụng các thiết bị đơn giản như nồi đất nung và ống tre. Sau đó, các thiết bị chưng cất được cải tiến dần dần với sự ra đời của bình chưng cất bằng đồng và tháp chưng cất.
• Tác động của kỹ thuật chưng cất: Kỹ thuật chưng cất đã đóng vai trò quan trọng trong việc phát triển ngành công nghiệp rượu etylic. Nhờ kỹ thuật chưng cất, con người có thể sản xuất rượu etylic với nồng độ cao hơn và chất lượng tốt hơn, từ đó đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng của con người.

Sự phát triển của rượu etylic qua các thời kỳ:

• Thời cổ đại: Rượu etylic được sử dụng như một loại đồ uống, thuốc men và trong các nghi lễ tôn giáo.
• Trung cổ: Rượu etylic được sử dụng rộng rãi trong y học và làm dung môi cho các loại thuốc.
• Thế kỷ 18 và 19: Ngành công nghiệp rượu etylic phát triển mạnh mẽ với sự ra đời của các kỹ thuật sản xuất mới và nhu cầu tiêu thụ ngày càng tăng.
• Thế kỷ 20: Rượu etylic được sử dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau như: sản xuất đồ uống, thực phẩm, dược phẩm, hóa chất, mỹ phẩm,..

Phương pháp và quá trình chưng cất rượu etylic

1. Nguyên tắc:

Chưng cất rượu etylic là phương pháp tách rượu etylic ra khỏi hỗn hợp lên men bằng cách dựa trên sự khác biệt về nhiệt độ sôi của rượu etylic và các thành phần khác trong hỗn hợp. Rượu etylic có nhiệt độ sôi thấp hơn nước (78,3°C so với 100°C), do đó khi đun nóng hỗn hợp lên men, rượu etylic sẽ bay hơi trước, sau đó được ngưng tụ thành chất lỏng.

2. Thiết bị:

Bộ dụng cụ chưng cất rượu etylic cơ bản bao gồm:

• Nồi đun: Nơi chứa hỗn hợp lên men và cung cấp nhiệt để làm bay hơi rượu etylic.
• Cột chưng cất: Giúp tăng hiệu quả tách rượu etylic khỏi các tạp chất.
• Bình ngưng tụ: Nơi hơi rượu etylic được làm mát và ngưng tụ thành chất lỏng.
• Bình thu: Nơi thu gom rượu etylic đã được ngưng tụ.

3. Quá trình:

Quá trình chưng cất rượu etylic bao gồm các bước sau:

• Cho hỗn hợp lên men vào nồi đun: Hỗn hợp lên men thường được pha loãng với nước để giảm độ nhớt và dễ dàng bay hơi hơn.
• Đun nóng hỗn hợp: Nung nóng hỗn hợp lên men đến nhiệt độ phù hợp (thường từ 80°C đến 90°C).
• Hơi rượu etylic bay hơi: Hơi rượu etylic sẽ bay lên và đi vào cột chưng cất.
• Tách rượu etylic khỏi tạp chất: Trong cột chưng cất, hơi rượu etylic sẽ tiếp xúc với các đĩa phân đoạn, giúp tách rượu etylic khỏi các tạp chất có nhiệt độ sôi cao hơn.
• Ngưng tụ rượu etylic: Hơi rượu etylic sau khi được tách tạp chất sẽ đi vào bình ngưng tụ và được làm mát bằng nước hoặc dung dịch lạnh.
• Thu gom rượu etylic: Rượu etylic đã được ngưng tụ sẽ chảy xuống bình thu.

4. Các phương pháp chưng cất:

Có hai phương pháp chưng cất rượu etylic chính:

• Chưng cất đơn giản: Phương pháp này sử dụng một nồi đun và bình ngưng tụ đơn giản. Phương pháp này cho ra sản phẩm rượu etylic có nồng độ thấp và chứa nhiều tạp chất.
• Chưng cất phân đoạn: Phương pháp này sử dụng cột chưng cất để tách rượu etylic khỏi tạp chất hiệu quả hơn. Phương pháp này cho ra sản phẩm rượu etylic có nồng độ cao hơn và chất lượng tốt hơn.

Tính chất của rượu etylic

Tính chất vật lý

• Trạng thái: Chất lỏng không màu, trong suốt.
• Mùi: Mùi thơm đặc trưng.
• Vị: Vị cay.
• Điểm sôi: 78,3°C.
• Điểm nóng chảy: -114,1°C.
• Khối lượng riêng: 0,789 g/cm³ (ở 20°C).
• Độ tan: Tan vô hạn trong nước và các dung môi hữu cơ như ether, chloroform,…
• Độ nhớt: Nhỏ hơn nước.
• Khả năng cháy: Dễ cháy, tạo ra ngọn lửa màu xanh lam.

Tính chất hóa học

• Phản ứng oxy hóa: Rượu etylic có thể bị oxy hóa thành axit axetic (CH3COOH) dưới tác dụng của xúc tác và nhiệt độ.

${\mathrm{CH}}_3{\mathrm{CH}}_2\mathrm{OH} + {\mathrm{O}}_2 \to {\mathrm{CH}}_3\mathrm{COOH} + {\mathrm{H}}_2\mathrm{O}$

• Phản ứng khử: Rượu etylic có thể bị khử thành etan (C2H6) dưới tác dụng của kim loại hoạt động mạnh như natri (Na) hoặc kali (K) trong môi trường kiềm.

$2{\mathrm{CH}}_3{\mathrm{CH}}_2\mathrm{OH} + 2\mathrm{Na} \to 2{\mathrm{C}}_2{\mathrm{H}}_{6 }+ 2\mathrm{NaOH} + {\mathrm{H}}_2$

• Phản ứng este hóa: Rượu etylic có thể tác dụng với axit axetic (CH3COOH) tạo thành este etylic (CH3COOC2H5) và nước (H2O) dưới tác dụng của xúc tác axit sunfuric (H2SO4) đậm đặc.

${\mathrm{CH}}_3{\mathrm{CH}}_2\mathrm{OH} + {\mathrm{CH}}_3\mathrm{COOH} \rightleftharpoons {\mathrm{CH}}_3{\mathrm{COOC}}_2{\mathrm{H}}_5 + {\mathrm{H}}_2\mathrm{O}$

• Phản ứng halogen hóa: Rượu etylic có thể tác dụng với halogen (X2) như clo (Cl2) hoặc brom (Br2) tạo thành dẫn xuất halogen của ancol (RX) và axit halogenhydric (HX) dưới tác dụng của xúc tác ánh sáng.

${\mathrm{CH}}_3{\mathrm{CH}}_2\mathrm{OH} + {\mathrm{X}}_2 \to {\mathrm{CH}}_3{\mathrm{CH}}_2\mathrm{X} + \mathrm{HX}$

Sản xuất rượu etylic

Nguyên liệu và phương pháp sản xuất rượu etylic

Nguyên liệu: Rượu etylic được sản xuất từ các nguyên liệu chứa tinh bột hoặc đường như:

• Hạt ngũ cốc: Gạo, nếp, bắp, lúa mì,…
• Củ: Khoai lang, khoai mì,…
• Trái cây: Nho, chuối, táo,…
• Mật mía: Mật mía nguyên chất hoặc mật rỉ.

Phương pháp sản xuất:

Có hai phương pháp sản xuất rượu etylic chính:

• Phương pháp lên men: Đây là phương pháp truyền thống và phổ biến nhất để sản xuất rượu etylic. Phương pháp này bao gồm các bước sau:
  • Chuẩn bị nguyên liệu: Nguyên liệu được sơ chế, nghiền nhỏ và nấu chín để chuyển hóa tinh bột thành đường.
  • Lên men: Đường được lên men bởi vi sinh vật, điển hình là nấm men Saccharomyces cerevisiae, để tạo thành rượu etylic và khí carbon dioxide.
  • Chưng cất: Rượu etylic được tách khỏi hỗn hợp lên men bằng phương pháp chưng cất.
• Phương pháp tổng hợp: Phương pháp này sử dụng ethylene (C2H4) làm nguyên liệu để sản xuất rượu etylic. Phương pháp này được sử dụng khi nguồn nguyên liệu truyền thống khan hiếm hoặc giá thành cao.

Các giai đoạn chính trong quá trình sản xuất rượu etylic

Giai đoạn 1: Chuẩn bị nguyên liệu:

• Nguyên liệu được sơ chế, loại bỏ tạp chất và rửa sạch.
• Nguyên liệu chứa tinh bột được nghiền nhỏ và nấu chín để chuyển hóa tinh bột thành đường.
• Nguyên liệu chứa đường được pha loãng đến nồng độ phù hợp cho quá trình lên men.

Giai đoạn 2: Lên men:

• Nấm men được bổ sung vào hỗn hợp nguyên liệu đã được chuẩn bị.
• Nấm men sử dụng đường để tạo thành rượu etylic và khí carbon dioxide.
• Quá trình lên men được diễn ra trong điều kiện nhiệt độ và độ pH thích hợp cho nấm men phát triển.

Giai đoạn 3: Chưng cất:

• Hỗn hợp lên men được chưng cất để tách rượu etylic khỏi các tạp chất khác.
• Quá trình chưng cất được thực hiện bằng cách đun nóng hỗn hợp lên men và thu gom hơi rượu etylic bay ra.
• Hơi rượu etylic được làm mát và ngưng tụ thành chất lỏng.

Giai đoạn 4: Xử lý rượu sau chưng cất:

• Rượu sau chưng cất có thể được pha loãng với nước để điều chỉnh nồng độ.
• Rượu có thể được xử lý thêm bằng các phương pháp khác như lọc, khử tạp chất, lão hóa,… để nâng cao chất lượng.

Kỹ thuật chưng cất rượu etylic

Có hai phương pháp chưng cất rượu etylic chính:

• Chưng cất đơn giản: Phương pháp này sử dụng một nồi đun và bình ngưng tụ đơn giản. Phương pháp này cho ra sản phẩm rượu etylic có nồng độ thấp và chứa nhiều tạp chất.
• Chưng cất phân đoạn: Phương pháp này sử dụng cột chưng cất để tách rượu etylic khỏi tạp chất hiệu quả hơn. Phương pháp này cho ra sản phẩm rượu etylic có nồng độ cao hơn và chất lượng tốt hơn.

Các nhân tố tác động đến chất lượng của rượu etylic.

• Chất lượng nguyên liệu: Chất lượng nguyên liệu ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng rượu etylic. Nguyên liệu tốt sẽ cho ra sản phẩm rượu etylic có hương vị thơm ngon và ít tạp chất.
• Quá trình lên men: Quá trình lên men cần được thực hiện trong điều kiện nhiệt độ và độ pH thích hợp để đảm bảo nấm men phát triển tốt nhất và tạo ra rượu etylic có chất lượng cao.
• Kỹ thuật chưng cất: Kỹ thuật chưng cất ảnh hưởng đến nồng độ và chất lượng của rượu etylic. Phương pháp chưng cất phân đoạn cho ra sản phẩm rượu etylic có chất lượng tốt hơn phương pháp chưng cất đơn giản.
• Phương pháp xử lý rượu sau chưng cất: Phương pháp xử lý rượu sau chưng cất có thể giúp nâng cao chất lượng rượu etylic, loại bỏ tạp chất và tạo ra hương vị mong muốn.

Phân loại rượu etylic

Rượu etylic có thể được phân loại theo nhiều tiêu chí khác nhau, phổ biến nhất là dựa vào nồng độ cồn, nguồn gốc sản xuất và công dụng.

1. Phân loại dựa vào nồng độ cồn:

• Rượu nhẹ: Có nồng độ cồn từ 0% đến 15%. Ví dụ: bia, rượu vang nhẹ.
• Rượu trung bình: Có nồng độ cồn từ 15% đến 40%. Ví dụ: vang nho, rượu vang sủi tăm.
• Rượu mạnh: Có nồng độ cồn trên 40%. Ví dụ: rượu whisky, vodka, rum, tequilla.

2. Phân loại dựa vào nguồn gốc sản xuất:

• Rượu vang: Được sản xuất từ nho lên men.
• Rượu bia: Được sản xuất từ ngũ cốc lên men.
• Rượu sake: Được sản xuất từ gạo lên men.
• Rượu soju: Được sản xuất từ gạo, lúa mì hoặc khoai lang lên men.
• Rượu vodka: Được sản xuất từ khoai tây, lúa mì hoặc ngũ cốc lên men.
• Rượu whisky: Được sản xuất từ ngũ cốc lên men và ủ trong thùng gỗ sồi.
• Rượu rum: Được sản xuất từ mật mía lên men.
• Rượu tequilla: Được sản xuất từ cây thùa lên men.

3. Phân loại dựa vào công dụng:

• Rượu uống: Đây là loại rượu etylic phổ biến nhất, được sử dụng để thưởng thức trong các bữa ăn, tiệc tùng hoặc các dịp đặc biệt.
• Rượu y học: Rượu etylic được sử dụng trong y học để sát trùng, làm dung môi cho thuốc hoặc làm tá dược.
• Rượu công nghiệp: Rượu etylic được sử dụng trong công nghiệp để sản xuất hóa chất, dung môi, nhiên liệu sinh học,…

Công thức tính độ rượu

Độ rượu là số ml rượu nguyên chất trong 100 ml dung dịch rượu, được đo ở 20°C và được biểu diễn bằng % vol (phần trăm thể tích).

Công thức tính độ rượu:

$\mathrm{Độ} \mathrm{rượu} = \frac{{\mathrm{V}}_{{\mathrm{r}}_{\mathrm{nc}}}}{{\mathrm{V}}_{{\mathrm{r}}_{\mathrm{dd}}}} \mathrm{x} 100 \%$

Ví dụ:

Có 50 ml rượu nguyên chất được pha với 50 ml nước để tạo thành dung dịch rượu. Tính độ rượu của dung dịch này.

Giải:

Thể tích dung dịch rượu = 50 ml + 50 ml = 100 ml

$\mathrm{Độ} \mathrm{rượu} = \frac{50 \mathrm{ml} }{100 \mathrm{ml}} \mathrm{x} 100 \% = 50 \%$

Vậy, độ rượu của dung dịch này là 50 %.

Lưu ý:

• Công thức này chỉ áp dụng cho dung dịch rượu ở 20°C.
• Độ rượu của dung dịch rượu có thể thay đổi tùy theo nhiệt độ.
• Có nhiều phương pháp khác nhau để đo độ rượu, bao gồm sử dụng nhiệt kế tiêm, máy đo độ rượu,…

Ứng dụng của rượu etylic

Trong thực phẩm và đồ uống:

• Rượu uống: Rượu etylic là thành phần chính trong các loại rượu bia, vang nho, rượu mạnh như whisky, vodka, rum, tequilla,…
• Nước giải khát: Rượu etylic được sử dụng trong sản xuất một số loại nước giải khát có cồn như bia không cồn, rượu vang sủi tăm,…
• Gia vị và chất bảo quản: Rượu etylic được sử dụng để làm gia vị cho một số món ăn và làm chất bảo quản thực phẩm.

Trong y học:

• Sát trùng: Rượu etylic được sử dụng để sát trùng da, dụng cụ y tế và các bề mặt.
• Dung môi: Rượu etylic được sử dụng làm dung môi cho thuốc, dược phẩm và các sản phẩm y tế khác.
• Tá dược: Rượu etylic được sử dụng làm tá dược trong một số loại thuốc.

Trong công nghiệp:

• Sản xuất hóa chất: Rượu etylic được sử dụng để sản xuất nhiều loại hóa chất khác nhau như axit axetic, etyl axetat, etyl chloride,…
• Sản xuất dung môi: Rượu etylic được sử dụng làm dung môi trong nhiều ngành công nghiệp khác nhau như sơn, mực in, mỹ phẩm,…
• Nhiên liệu sinh học: Rượu etylic có thể được sử dụng làm nhiên liệu sinh học cho động cơ xăng hoặc động cơ diesel.

Ứng dụng khác:

• Chất chống đông: Rượu etylic được sử dụng làm chất chống đông cho hệ thống làm mát động cơ.
• Chất tẩy rửa: Rượu etylic được sử dụng trong một số loại chất tẩy rửa và dung dịch vệ sinh.
• Sản phẩm mỹ phẩm: Rượu etylic được sử dụng trong một số loại nước hoa, kem dưỡng da và các sản phẩm mỹ phẩm khác.

Rượu etylic là một hợp chất có giá trị cao với nhiều ứng dụng quan trọng. Tuy nhiên, việc sử dụng nó cần được thực hiện một cách có trách nhiệm và tuân thủ đúng liều lượng khuyến cáo. Hiểu rõ về bản chất, tính chất và tác động của rượu etylic sẽ giúp chúng ta sử dụng hợp chất này một cách hiệu quả và an toàn, đóng góp vào việc bảo vệ sức khỏe cá nhân và của cộng đồng.