Bài học

Điều chế và ứng dụng alcohol

Mục tiêu bài học

Sau bài này, em so sánh được hai phương pháp điều chế ethanol — lên men và hydrate hoá ethylene — theo nguyên liệu và điều kiện, tính được khối lượng ethanol thu được từ phản ứng lên men có hiệu suất cho trước, và giải thích được vì sao methanol độc hơn ethanol dù cấu tạo hoá học gần giống nhau.

Kiến thức nền cần nhớ

Ở Course 5 (Đại cương hữu cơ), em đã học các phương pháp tách và tinh chế hợp chất hữu cơ, trong đó chưng cất (distillation) tách các chất lỏng theo nhiệt độ sôi khác nhau. Ethanol thu được từ lên men luôn lẫn nước và tạp chất, nên bước chưng cất ở cuối quy trình dưới đây chính là ứng dụng trực tiếp của kiến thức đó.

Khởi động

Xăng sinh học E5 bán ở các trạm xăng chứa 5% ethanol. Lượng ethanol khổng lồ đó không thể lấy từ lên men rượu gạo truyền thống — vậy công nghiệp sản xuất ethanol quy mô lớn bằng cách nào, và cách đó khác gì với cách lên men mà em đã biết?

Kiến thức trọng tâm

Ethanol được sản xuất theo hai con đường chính.

Lên men (phương pháp truyền thống, sinh học): tinh bột hoặc đường trong nguyên liệu nông nghiệp (gạo, sắn, mía) được thuỷ phân thành glucose, sau đó enzyme trong men rượu chuyển hoá glucose thành ethanol và khí carbon dioxide, ở nhiệt độ thường: $\text{C}_6\text{H}_{12}\text{O}_6 \xrightarrow{\text{men rượu}} 2\text{C}_2\text{H}_5\text{OH} + 2\text{CO}_2\uparrow$ Sau lên men, hỗn hợp còn lẫn nước và tạp chất, cần chưng cất để thu ethanol tinh khiết hơn.

Hydrate hoá ethylene (phương pháp công nghiệp, hoá học): ethylene (từ dầu mỏ) phản ứng cộng nước trực tiếp, có xúc tác acid, nhiệt độ và áp suất cao: $\text{CH}_2=\text{CH}_2 + \text{H}_2\text{O} \xrightarrow[t°, p]{\text{xúc tác}} \text{CH}_3\text{CH}_2\text{OH}$ Phương pháp này cho hiệu suất cao, không phụ thuộc mùa vụ nông nghiệp, phù hợp sản xuất quy mô công nghiệp lớn — trong khi lên men vẫn được dùng rộng rãi cho đồ uống có cồn và ở quy mô nhỏ, thủ công.

Về ứng dụng, ethanol được dùng làm nhiên liệu sinh học (pha vào xăng, ví dụ xăng E5), dung môi hoà tan nhiều hợp chất hữu cơ, chất sát khuẩn y tế, và nguyên liệu tổng hợp nhiều hoá chất khác. Đáng chú ý, cồn y tế sát khuẩn hiệu quả nhất ở nồng độ khoảng 70% — chứ không phải 100% — vì cần một lượng nước nhất định để ethanol thấm sâu và làm biến tính protein của vi khuẩn; cồn tuyệt đối bốc hơi quá nhanh, chưa kịp ngấm đã khô. Ethanol dùng cho công nghiệp (không phải để uống) thường bị pha thêm một lượng nhỏ methanol hoặc chất có vị đắng, khó chịu — gọi là "biến tính" (denatured) — để tránh bị lạm dụng làm đồ uống trong khi vẫn giữ nguyên các tính chất hoá học cần thiết cho sản xuất, dung môi công nghiệp.

Methanol (CH $_3$ OH) có cấu tạo tương tự ethanol nhưng độc hơn nhiều. Trong cơ thể, enzyme alcohol dehydrogenase ở gan oxi hoá methanol thành formaldehyde rồi thành formic acid — chất gây tổn thương thần kinh thị giác, có thể dẫn đến mù loà hoặc tử vong. Đây là lý do vì sao rượu giả pha methanol cực kỳ nguy hiểm dù mùi vị gần giống rượu ethanol thông thường.

Ethanol được sản xuất theo hai con đường chính. **Lên men** (phương pháp truyền thống, sinh học): tinh bột hoặc đường trong nguyên liệu nông nghiệp (gạo, sắn, mía) được thuỷ phân thành glucose, sau đó enzyme trong men rượu chuyển hoá glucose thành ethanol và khí carbon dioxide, ở nhiệt độ thường: $$\text{C}_6\text{H}_{12}\text{O}_6 \xrightarrow{\text{men rượu}} 2\text{C}_2\text{H}_5\text{OH} + 2\text{CO}_2\uparrow$$ Sau lên men, hỗn hợp còn lẫn nước và tạp chất, cần chưng cất để thu ethanol tinh khiết hơn. **Hydrate hoá ethylene** (phương pháp công nghiệp, hoá học): ethylene (từ dầu mỏ) phản ứng cộng nước trực tiếp, có xúc tác acid, nhiệt độ và áp suất cao: $$\text{CH}_2=\text{CH}_2 + \text{H}_2\text{O} \xrightarrow[t°, p]{\text{xúc tác}} \text{CH}_3\text{CH}_2\text{OH}$$ Phương pháp này cho hiệu suất cao, không phụ thuộc mùa vụ nông nghiệp, phù hợp sản xuất quy mô công nghiệp lớn — trong khi lên men vẫn được dùng rộng rãi cho đồ uống có cồn và ở quy mô nhỏ, thủ công. Về ứng dụng, ethanol được dùng làm nhiên liệu sinh học (pha vào xăng, ví dụ xăng E5), dung môi hoà tan nhiều hợp chất hữu cơ, chất sát khuẩn y tế, và nguyên liệu tổng hợp nhiều hoá chất khác. Đáng chú ý, cồn y tế sát khuẩn hiệu quả nhất ở nồng độ khoảng 70% — chứ không phải 100% — vì cần một lượng nước nhất định để ethanol thấm sâu và làm biến tính protein của vi khuẩn; cồn tuyệt đối bốc hơi quá nhanh, chưa kịp ngấm đã khô. Ethanol dùng cho công nghiệp (không phải để uống) thường bị pha thêm một lượng nhỏ methanol hoặc chất có vị đắng, khó chịu — gọi là "biến tính" (denatured) — để tránh bị lạm dụng làm đồ uống trong khi vẫn giữ nguyên các tính chất hoá học cần thiết cho sản xuất, dung môi công nghiệp. Methanol (CH$_3$OH) có cấu tạo tương tự ethanol nhưng độc hơn nhiều. Trong cơ thể, enzyme alcohol dehydrogenase ở gan oxi hoá methanol thành formaldehyde rồi thành formic acid — chất gây tổn thương thần kinh thị giác, có thể dẫn đến mù loà hoặc tử vong. Đây là lý do vì sao rượu giả pha methanol cực kỳ nguy hiểm dù mùi vị gần giống rượu ethanol thông thường.

Quy trình 5 bước sản xuất ethanol bằng lên men.

Ví dụ minh hoạ

Ví dụ

Tính khối lượng ethanol thu được từ lên men có hiệu suất

1
Từ 900 gam glucose (C $_6$ H $_{12}$ O $_6$ ), lên men với hiệu suất phản ứng 80%, thu được bao nhiêu gam ethanol?
Từ 900 gam glucose (C$_6$H$_{12}$O$_6$), lên men với hiệu suất phản ứng 80%, thu được bao nhiêu gam ethanol?
2
M(C $_6$ H $_{12}$ O $_6$ ) = 180 g/mol. Ta có n(glucose) = 900 / 180 = 5 mol.
M(C$_6$H$_{12}$O$_6$) = 180 g/mol. Ta có n(glucose) = 900 / 180 = 5 mol.
3
PTHH: C $_6$ H $_{12}$ O $_6$ $\xrightarrow{\text{men rượu}}$ 2C $_2$ H $_5$ OH + 2CO $_2$ . Theo PT, 1 mol glucose tạo 2 mol ethanol, nên n(ethanol) lí thuyết = 5 × 2 = 10 mol.
PTHH: C$_6$H$_{12}$O$_6$ $\xrightarrow{\text{men rượu}}$ 2C$_2$H$_5$OH + 2CO$_2$. Theo PT, 1 mol glucose tạo 2 mol ethanol, nên n(ethanol) lí thuyết = 5 × 2 = 10 mol.
4
Vì hiệu suất chỉ đạt 80%, lượng ethanol thực tế thu được bằng 80% lượng lí thuyết: n(ethanol) thực tế = 10 × 0,8 = 8 mol.
5
m(ethanol) = 8 × 46 = 368 gam. Vậy khối lượng ethanol thu được là 368 gam.

Ví dụ

So sánh hai phương pháp sản xuất ethanol

1
Lập bảng so sánh phương pháp lên men và phương pháp hydrate hoá ethylene theo nguyên liệu, điều kiện phản ứng và quy mô ứng dụng.
2
Lên men dùng nguyên liệu tái tạo (tinh bột, đường từ nông nghiệp); hydrate hoá dùng ethylene, thường có nguồn gốc từ dầu mỏ — nguyên liệu hoá thạch.
3
Lên men xảy ra ở nhiệt độ thường, nhờ enzyme sinh học, không cần xúc tác hoá học. Hydrate hoá cần xúc tác acid, nhiệt độ và áp suất cao — điều kiện công nghiệp nghiêm ngặt hơn.
4
Lên men phù hợp sản xuất đồ uống có cồn và quy mô nhỏ, thủ công, phụ thuộc mùa vụ. Hydrate hoá ethylene cho hiệu suất cao, ổn định quanh năm, phù hợp sản xuất ethanol công nghiệp quy mô lớn làm dung môi hay nguyên liệu hoá chất.

Ví dụ

Đề bài dạng thi — vì sao ethanol y tế dùng cấp cứu ngộ độc methanol

1
Trong y học, khi cấp cứu ban đầu cho người bị ngộ độc rượu chứa methanol, bác sĩ có thể cho uống hoặc truyền một lượng ethanol y tế. Giải thích vì sao biện pháp có vẻ nghịch lý này lại có tác dụng.
2
Cùng một loại enzyme (alcohol dehydrogenase) trong gan oxi hoá cả ethanol lẫn methanol, nhưng enzyme này có ái lực với ethanol cao hơn methanol.
3
Khi có mặt đồng thời cả hai chất, enzyme ưu tiên oxi hoá ethanol trước, làm chậm đáng kể tốc độ chuyển hoá methanol thành formaldehyde rồi thành formic acid — chất trực tiếp gây độc cho thần kinh thị giác.
4
Truyền ethanol không loại bỏ methanol khỏi cơ thể, nhưng tranh thủ được thời gian để đào thải hoặc lọc máu loại bỏ methanol trước khi nó kịp chuyển hoá thành chất độc. Đây là ví dụ thực tế cho thấy hiểu cơ chế phản ứng hoá học có thể cứu sống người bệnh.

Sai lầm thường gặp

Khi tính hiệu suất phản ứng, nhiều em nhân nhầm chiều: từ lượng chất lí thuyết, phải NHÂN với hiệu suất (dạng thập phân hoặc %) để ra lượng thực tế thu được — chứ không phải chia. Ngược lại, nếu đề cho lượng sản phẩm thực tế và hỏi lượng nguyên liệu lí thuyết cần dùng, phải chia cho hiệu suất. Nhầm chiều phép tính này là lỗi phổ biến nhất trong các bài toán có hiệu suất.

Luyện tập có hướng dẫn

Luyện tập độc lập

Kiểm tra nhanh

Ghi nhớ

Ethanol sản xuất bằng hai con đường: lên men (sinh học, từ tinh bột/đường) và hydrate hoá ethylene (công nghiệp, từ dầu mỏ). Methanol độc hơn ethanol vì bị oxi hoá trong gan thành formic acid gây hại thần kinh thị giác. Bài toán hiệu suất: lượng thực tế = lượng lí thuyết × hiệu suất.

Cầu nối

Chương sau chuyển sang phenol — hợp chất cũng mang nhóm –OH nhưng gắn trực tiếp trên vòng benzene, mang tính chất hoá học khác hẳn alcohol mà em vừa học.