Про алкоголь. Честно

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ. ОБЗОР ГОСТОВ

Каждый, наверное, знаком с таким понятием, как алкоголь. Термин «алкоголь» имеет больше бытовое значение, и подразумевается, что составной частью алкоголя, или собственно алкоголем, является спирт. Рассмотрим подробнее, что такое спирт.

Это вещество имеет множество названий – «этиловый спирт», «винный спирт», часто просто «спирт», а также «алкоголь». При стандартных условиях это летучая, горючая, бесцветная прозрачная жидкость. Алкоголь – действующий компонент «алкогольных напитков», являющийся психоактивным веществом и воздействующий как депрессант на центральную нервную систему человека.

В Большой советской энциклопедии дается следующее описание в рубрике «Этиловый спирт» (с сокращением).

Этиловый спирт, этанол, винный спирт, C2H5OH; бесцветная подвижная жидкость с характерным запахом и жгучим вкусом; tпл -114,15 °С, tkип 78,39 °С, плотность 0,794 г/см3; смешивается с водой, эфиром, ацетоном и многими другими органическими растворителями; легко воспламеняется (температура вспышки 14 °С), с воздухом образует взрывоопасные смеси (3,28—18,95% по объему)1.

Этиловый спирт – наркотическое вещество, вызывает характерное алкогольное возбуждение; в больших дозах угнетает функции центральной нервной системы. В медицине применяют главным образом как наружное антисептическое и раздражающее средство для обтираний, компрессов и т. п., а также для приготовления настоек, экстрактов и других лекарственных форм2.

Это проходят в средней школе, но, к сожалению, в средней школе детям не сообщают, что алкоголь является наркотическим веществом (даже ядом). Также не принято и в среде молодежи и взрослого населения считать покупаемую бутылку водки, вина или пива смертельно действующим наркотиком. Но не все, что принято, – верно. Тем более, уже давно – с 1972 г. – известен официальный ГОСТ на этиловый спирт. Но и здесь не все так однозначно. С течением времени, с развитием науки и техники, накоплением знаний ГОСТ на спирт почему-то, наоборот, упрощался, видимо, на то были какие-то причины. Наиболее полным является ГОСТ от 1972 г.

ГОСТ 18300—72. Этиловый спирт – легковоспламеняющаяся, бесцветная жидкость с характерным запахом, относится к сильнодействующим наркотикам, вызывающим сначала возбуждение, а затем паралич нервной системы3.

Обратите внимание: «относится к сильнодействующим наркотикам, вызывающим сначала возбуждение, а затем паралич нервной системы». Это прописано не в какой-то околонаучной литературе, а в государственном стандарте.

Далее читаем следующую редакцию стандарта.

ГОСТ 5964—82. Этиловый спирт – легковоспламеняющаяся, бесцветная жидкость с характерным запахом, относится к сильнодействующим наркотикам4.

Дополнение «вызывающим сначала возбуждение, а затем паралич нервной системы» исчезает из ГОСТа. Но на этом дело не заканчивается, следующая редакция ГОСТа еще более краткая.

ГОСТ 5964—93. Этиловый спирт – легковоспламеняющаяся, бесцветная жидкость с характерным запахом5.

Вот так за 20 лет полностью исчезли из первоначального определения слова «относится к сильнодействующим наркотикам, вызывающим сначала возбуждение, а затем паралич нервной системы».

Определившись с тем, что собой представляет этиловый спирт (в быту часто говорят «алкоголь»), рассмотрим процессы современного производства и применения этилового спирта.

МИКРОБИОЛОГИЧЕСКОЕ ПРОИЗВОДСТВО СПИРТА (СПИРТОВОЕ БРОЖЕНИЕ)

Современное промышленное производство спирта достигло огромных размеров. На сегодняшний день существует два основных способа получения этилового спирта: микробиологический (спиртовое брожение) и синтетический (гидратация этилена).

Успехи алкогольной промышленности обязаны достижениям науки, особенно сделанным в XIX в., а именно: во второй половине XIX в. великий французский ученый Луи Пастер доказал, что получение спирта при брожении сахаристых жидкостей (виноградного и фруктового соков, меда, хлебного сусла и проч.) происходит под влиянием дрожжей, которые попадают туда из воздуха и разлагают содержащийся в них сахар на спирт и углекислоту. Дрожжи являются одним из видов микроорганизмов, которые населяют мир. Они производят как продукт своей жизнедеятельности особые вещества, свойственные тому или другому виду. Одни производят ядовитые вещества – токсины, и являются опасными для человека и животных, потому что, попадая в организм, быстро в нем размножаются и отравляют его своими токсинами (продуктами жизнедеятельности).

Другие – вырабатывают иные вещества, называемые ферментами, которые разлагают сложные по своему химическому составу выделения животных и растений, а также их умершие тела на более простые составляющие. Например, гнилостные микробы производят гниение, т. е. разложение умерших животных и растений на ряд простейших веществ – перегной, из которого в конце концов получаются минеральные соли.

Без гнилостных микробов нет гниения. Таким образом, они очищают поверхность земного шара от животной и растительной падали и превращают эту падаль в необходимые для формирования растений вещества – минеральные соли. Растения всасывают их своими корнями и употребляют в числе прочих материалов для роста и развития тела. Следовательно, при помощи микробов мертвое вновь превращается в живое.

По существу, точно так же, как гнилостные микробы, действуют и дрожжи, т.е. они выделяют вещества – ферменты, – которые разлагают сахар на более простые вещества и превращают его в спирт и углекислый газ. Эту работу дрожжи могут свершать только при отсутствии воздуха. Дрожжи всегда содержатся в воздухе и ко времени созревания ягод или фруктов размножаются в огромном количестве (белый налет на винограде – дрожжи и воск). Они находятся на поверхности груш, яблок, винограда и других плодов и ягод, дрожжи попадают в сахаристые массы и жидкости (виноградный сок, хлебное сусло и проч.) из воздуха и производят брожение; этим путем и приготовляли раньше «спиртные напитки» – вино, алкогольный мед, пиво, брагу. Данный способ выработки этанола называют «спиртовым брожением». Раствор, полученный в результате такого брожения, содержит не более 15% этанола, т. к. при более высокой концентрации этанола дрожжи погибают. Произведённы таким путем раствор этилового спирта нуждается в очистке и концентрации, обычно проводимых путем дистилляции. Этот способ производства алкоголя известен с древнейших времен и использовался в основном для получения «алкогольных напитков»: для производства спирта в промышленных масштабах способ слишком затратный.

В промышленных производствах этанола используют 2 способа: микробиологический (брожение и гидролиз) и синтетический (гидратация этилена).

Для промышленного производства спирта микробиологическим способом (брожение и гидролиз) тоже используется дрожжевое брожение, а необходимые дрожжи выращивают на профильных заводах, используя в качестве питательной среды специально обработанные древесные опилки и раствор, полученный из них. Благодаря этому стало возможно производить алкоголь из продуктов, содержащих сахар или крахмал. Так как спирт получается только из сахара, то для добывания его из крахмала необходимо последний предварительно переработать в сахар. Добывание спирта из крахмалистых продуктов называется винокурением. Кстати, в России до середины XIX в. процесс производства «алкогольных напитков» назывался винокурением. На винокуренных заводах из семян хлебных растений и из картофеля вырабатывали водки и наливки. Содержащийся в хлебе и картофеле крахмал на заводе благодаря особой обработке превращается в сахар. А из сахара путем брожения, то есть его разложения, происходящего под влиянием дрожжей, получается спиртовая жидкость и углекислота (углекислый газ).

В промышленных масштабах этиловый спирт производят из сырья, содержащего целлюлозу (древесина, солома), которую предварительно гидролизуют. Образовавшуюся при этом смесь пентоз и гексоз подвергают спиртовому брожению. На гидролизных заводах из 1 т древесины вырабатывают до 200 л этилового спирта (спирт, полученный таким путем, называют гидролизным или техническим, применять его внутрь запрещено), что позволяет заменить 1,5 т картофеля или 0,7 т зерна. Такой спирт выходит значительно дешевле, т. к. предполагает использование отходов деревообрабатывающей промышленности взамен пищевых продуктов.

Полученная при брожении спиртовая жидкость (неважно, из какого сырья: пищевых продуктов или древесины) содержит 15% этилового спирта (т. к. при более высокой концентрации этанола дрожжи погибают) и некоторые другие спирты и примеси. Эту водно-спиртовую смесь для выделения этанола подвергают очистке. В промышленном производстве используют фракционную перегонку, которая позволяет производить этанол с концентрацией около 95,6% об.; эта неразделимая перегонкой азеотропная смесь содержит 4,4% воды (вес.) и имеет температуру кипения 78,2° C.

Перегонка освобождает этанол как от легколетучих, так и от тяжелых фракций органических веществ (кубовый остаток). В кустарном (домашнем) приготовлении «алкогольных напитков» в качестве очистки используют тот же метод перегонки или, как его еще называют, дистилляции, но значительно упрощенный. Емкость с брагой соединяют шлангом со змеевиком, опущенным в холодную воду, на выход змеевика надевается трубка, конец которой опускается в емкость для сбора этилового спирта. При нагреве емкости с брагой происходит кипение браги и выделение легких фракций, пары которых, охлаждаясь, оседают на змеевике и стекают в приемник. Это наиболее ядовитые составляющие браги, они не годятся даже для наружного применения и удаляются. При последующем нагревании происходит отделение паров этилового спирта, которые, так же оседая в змеевике, конденсируются и стекают в емкость для приема спирта. Здесь важно не перегреть брагу, иначе вместе с этиловым спиртом начинают испаряться и более тяжелые (а также более ядовитые) вещества. Собранную спиртовую смесь в дальнейшем подвергают вторичной перегонке для очистки от попавших в нее тяжелых веществ. На выходе получают «алкогольный продукт», который в разных странах называется по-разному: самогон, виски, коньяк и т. д. Кустарный (домашний) способ очистки – довольно упрощенный – позволяет относительно легко очистить и концентрировать этиловый спирт, но качество очистки довольно низкое, и конечный продукт все же содержит большое количество посторонних веществ (они, к сожалению, являются сильными ядами).

Произведённая брожением спиртовая жидкость (неважно, из какого сырья: пищевых продуктов или древесины) представляет собой собственно смесь из нескольких видов спирта; один из них, который образуется в наибольшем количестве и называется этиловым или винным спиртом, искусственно отделяется от других спиртов и идет на производственные нужды и приготовление продаваемых «спиртных напитков» – водки, наливок, ликеров (в случае применения этилового спирта в пищевой промышленности в качестве сырья, конечно же, используют пищевые продукты, гидролизный спирт не применяют, т. к. гидролизный спирт значительно более ядовит). Этиловый спирт является наименее вредным сравнительно с другими спиртами, образующимися при винокурении. Эти остальные спирты в два и более раз ядовитее, чем этиловый спирт. Они вместе с другими примесями, образующимися при винокурении, составляют так называемое сивушное масло.

Сивушное масло является неотъемлемым результатом процесса брожения, и отделение его (очистка) – процесс довольно сложный технологически (если говорить о высокой степени очистки от сивушных масел) и невозможен в домашних условиях. Конечно, в домашних условиях тоже в некоторой степени производят очистку от сивушных масел, но концентрация их в конечном продукте все-таки велика и во многом зависит от типа конечного «алкогольного напитка». Например, пиво совершенно не подвергается подобной очистке (возможно, вы замечали, что похмелье от пива значительно более болезненное, чем от качественной водки), меньшей очистке подвергаются виски и коньяки. Наибольшую очистку от сивушных масел проходит медицинский спирт и водка, т. к. она производится из ректифицированного спирта (конечно же, если водка качественная, что бывает не всегда).

В зависимости от продуктов, используемых для брожения, а также от особенностей процессов брожения и очистки произведённых спиртовых растворов изготавливают различные «алкогольные напитки» (вино, наливки, пиво и т. д.) или даже совсем не напитки (технический спирт). Но в любом из них содержится в разных пропорциях этиловый спирт (и не стоит забывать о присутствии сивушных масел), действие которого всегда одинаково и не зависит от того, каким путем он добыт. Произведены ли эти напитки из винограда в виде всевозможных сортов виноградного вина, или из картофеля и хлебных продуктов в виде очищенной от сивушного масла водки, произведены ли из фруктов или ягод в виде фруктовых и ягодных вин, получены ли, наконец, из ячменя в виде пива, – все равно в них всегда имеется один и тот же этиловый спирт, действие которого опьяняет и привлекает пьющего человека. Прекрасные дары земли – хлеб, фрукты, виноград и проч. – превращаются рукой человека в спирт, всегда одинаковый по своему химическому составу и всегда с одинаковой силой действующий на человека. Чем крепче напиток, т. е. чем больше в нем спирта, тем сильнее он действует.

ПРИМЕНЕНИЕ ЭТИЛОВОГО СПИРТА

Этиловый спирт достаточно востребованное и необходимое вещество, и дело даже не только в «алкогольных напитках». Широкое применение этанол получил в промышленности (в том числе и пищевой) и медицине. Но обо всем по порядку.

Довольно широкое применение этанол получил в качестве топлива. Например, этиловый спирт использовался как топливо в серийной баллистической ракете – немецкой «Фау-2».

В конце XIX в. с появлением промышленного производства автомобилей этанол соревновался с бензином по частоте использования как топлива для двигателей. Сильным аргументом в пользу этанола стал выпуск Генри Фордом в 1908 г. автомобиля Model T, который мог работать на бензине, этаноле и их смеси. Во времена Первой мировой войны автомобилисты большинства стран мира использовали этанол в виде топлива. Нефтяное топливо победило лишь в конце 1930-х гг., когда существенно увеличилась добыча нефти и цены на бензин значительно снизились. Этиловый спирт продолжали использовать уже в качестве добавок к бензину, чтобы увеличить октановое число и улучшить работу двигателей. В 1927 г. на гонках Indianapolis 500 этанол был впервые использован в качестве топлива для гоночного автомобиля.

Следующий период активного использования начался в 1970-х годах, что было связано с топливным кризисом. Как известно, тогда арабские государства-экспортеры ввели эмбарго на поставку нефти государствам, поддержавшим Израиль в арабо-израильском конфликте (США, Японии и странам Западной Европы), из-за чего цены на бензин выросли в пять раз. Возник новый всплеск интереса к этанолу. С 2010-х гг. эта идея снова обретает актуальность, причиной тому явились неуклонно повышающиеся цены на нефть. Во многих странах законодательно закреплено использование этанола в смеси с бензином для уменьшения вредных выбросов при сжигании топлива автомобилями. Популярность применения этанола в качестве топлива прямо зависит от цен на нефть, а с 2020-х гг. – и от цен на зерновые.

С недавнего времени в США, Бразилии, странах Евросоюза, Японии и многих других странах действуют программы по применению этанола на транспорте. Достаточно распространенным стало биотопливо E85 (бензин или дизель с добавлением этанола) – 85% спирта и 15% бензина. Использование литеры E говорит о процентном содержании этанола в топливе. Наибольшее распространение таких видов топлива в настоящее время наблюдается в США и Бразилии, они же являются наиболее крупными производителями этилового спирта в мире, на их долю приходится около половины общемирового производства этанола.

Использование этанола в качестве добавки к бензину (до 10% этанола) не требует изменений в конструкции двигателей и систем зажигания, при большем количестве этанола требуется изменение системы зажигания двигателей. Многие современные автомобили изначально спроектированы с возможностью использования бензино-этаноловых смесей (биотоплива) в качестве топлива.

Автолюбители даже советуют иногда доливать в бензобак спирт для избавления от воды, которая, конденсируясь, постепенно накапливается на дне бака. Дело в том, что этанол очень гигроскопичен (способен втягивать влагу); смешиваясь с бензином, спирт втягивает воду (вода с бензином не смешивается, а опускается на дно) и поступает в топливную систему, а там, сгорая, выходит наружу. Таким образом, спирт бывает полезен и в случаях использования разбавленного недобросовестными продавцами бензина. Постепенный отвод воды таким способом менее опасен для топливной системы и двигателя, чем если бы вода напрямую попала в систему зажигания и двигатель.

Являясь отличным растворителем, этиловый спирт применяется в лакокрасочной промышленности, производстве товаров бытовой химии, парфюмерии. Благодаря низкой температуре замерзания задействуется в производстве антифризов и стеклоомывателей.

Традиционной сферой применения этилового спирта является медицина. К слову сказать, медицина вообще активно обращается к ядам для сохранения здоровья человека.

В настоящее время этиловый спирт в медицине часто применяют для дезинфекции. Дело в том, что все живые организмы (в том числе микробы, вирусы и т. п.) состоят из множества клеток (либо из одной единственной клетки – простейшие одноклеточные организмы), которые содержат в себе воду в больших количествах (без воды клетки погибают, так уж природой устроено), а также многие белки (белок, вообще, называют строительным элементом организма). Спирт, как уже говорилось, очень гигроскопичен (имеет способность впитывать влагу из окружающей среды), окружая клетки, он вытягивает из них воду и удерживает ее. Например, если кусочек мяса опустить в спирт, то этот кусочек сморщивается и делается плотным, потому что в нем остается меньше воды. На этом свойстве спирта отнимать воду основывается его ядовитое действие на живую клетку. Нормальная работа всякой клетки совершается тогда, когда в ней содержится, среди прочих элементов, достаточное количество воды, – тогда клетка находится в разбухшем состоянии, необходимом для ее жизнедеятельности. Алкоголь извлекает воду из клетки, отчего она не способна нормально продолжать свою жизнедеятельность и может погибнуть. Кроме того, спирт отнимает у клетки кислород, что тоже ведет к ее гибели. Погибают клетки – погибают и микроорганизмы, состоящие из этих клеток.

Если наблюдать под микроскопом амебу – одноклеточный организм, то можно увидеть, как этот комочек живой слизи передвигается, захватывает и переваривает частицы питательного материала и через некоторые промежутки времени делится. Но если подействовать на амебу слабым раствором спирта, то она сразу же сморщивается, останавливается, деление прекращается. Если подействовать более сильным раствором спирта, то амеба погибает.

Дезинфицирующие свойство этилового спирта также объясняется способностью обезвоживать и денатурировать белки. Денатурацией называется потеря белком его естественной структуры и свойств в результате действия внешних факторов. Простейший пример денатурации – процесс, протекающий при варке или жарке яйца, когда белок становится плотным и непрозрачным. Для стерилизации хирургических инструментов используется 95—96% этиловый спирт. Обработку ран, рук хирурга и участков тела пациентов перед операцией производят 70% спиртом, поскольку чистый спирт слишком быстро денатурирует белки в поверхностном слое кожи. От этого он хуже проникает в глубокие поры, где могут оставаться микроорганизмы. Если разбить яйцо в спирт, то процесс денатурации белка можно будет наблюдать вживую – яичный белок побелеет и начнет сворачиваться.

Описанными особенностями спирта и объясняется его дезинфицирующий эффект.

Спирт, применяемый в виде спиртовых или полуспиртовых компрессов, а также в виде растираний, оказывает на кожу умеренное раздражающее действие и вызывает определенные рефлексы. Впрыскивание в ткань 90% алкоголя вызывает денатурацию тканевых белков. Этим действием пользуются, впрыскивая спирт при невралгиях, для дегенерации нервных стволов (хотя в современной медицине уже используют другие методы).

Известны примеры использования спирта в качестве наркозного, обезболивающего средства. Были случаи использования спирта для наркоза во время войны. Наркозная доза (для получения эффекта наркоза – когда не чувствуется боль) равна 4—6 г на 1 кг веса, то есть 280—420 г для человека весом 70 кг. Но если человек единовременно принимает более 8 г этилового спирта на 1 кг веса, то он от этого яда умирает. Например, если человек весом 70 кг примет 560 г чистого спирта сразу и у него не вызовут рвоту, то этот спирт его убьет. Как видно, наркозная и смертельная дозы отличаются совсем незначительно, к тому же, если учесть индивидуальные особенности организма в части реакции на алкоголь, то граница смертельной и наркозной доз вообще размывается. Одна и та же доза может оказать наркозный эффект на одного человека и убить другого, хотя их вес и будет совпадать и концентрация алкоголя на килограмм веса окажется одинаковой. К тому же, такие концентрации алкоголя наносят серьезный вред организму, осложняют послеоперационное восстановление. Эти факторы, а также появление более эффективных и безопасных препаратов для наркоза послужили причиной полного отказа от этилового спирта как наркозного средства.

Широко используется спирт для приготовления лекарственных настоек наружного применения, ведь он является хорошим растворителем, а также оказывает дезинфицирующий и раздражающий эффект.

Также в настоящее время стало привычным и является нормой применение этилового спирта в пищевой индустрии. Спирт используется как растворитель для пищевых ароматизаторов, как консервант в хлебобулочных и кондитерских изделиях. Этанол зарегистрирован в качестве пищевой добавки Е1510 (не входит в список пищевых добавок, разрешенных к применению в пищевой промышленности в Российской Федерации6). В некоторых напитках, получаемых брожением, спирт содержится (именно содержится, а не добавляется искусственно) в малых количествах, такие напитки не относят к алкогольным. Например, кефир в свежем виде содержит ничтожное количество этанола (0,12%), но в долго стоявшем, особенно в теплом месте, кефире количество этанола может достичь 1,5%. В квасе может содержаться от 0,5 до 1,2% спирта, а в кумысе – от 1 до 3%.

Основная доля этилового спирта в пищевой промышленности приходится на «алкогольные напитки». Вот некоторые данные по производству алкоголя в разных странах на 2004 г. (тыс. гекталитров7):

С ДРЕВНЕЙШИХ ВРЕМЕН ДО НАШИХ ДНЕЙ

Человек примерно 8—10 тыс. лет знаком с различными одурманивающими наркотическими веществами. Точнее, причастны к прямому «знакомству» были отдельные представители, и то лишь в исключительных случаях. Так, люди каменного века знали опиум, гашиш, кокаин, а применяли его для поднятия боевого духа при подготовке к сражению и в культовых религиозных обрядах для придания сознанию определенной податливости. Шумерская цивилизация оставила на глиняных табличках (примерно 3 500 г. до н. э.) самые ранние советы по приготовлению и употреблению опиума. Использование галлюциногенных грибов в религиозных ритуалах засвидетельствовано ранними источниками во всех уголках планеты: в Мексике, Скандинавии, Сибири. На стенах погребальных пещер индейцев Центральной и Южной Америки встречаются изображения людей, жующих листья коки (один из наиболее распространенных способов приема кокаина в тех регионах и теперь). Эти рисунки специалисты датируют примерно 3 000 г. до н. э.