L’éthanol, aussi appelé alcool éthylique () ou alcool, est un alcool de formule semi-développée . C'est un liquide incolore, volatil, inflammable et miscible à l'eau en toutes proportions. C'est un psychotrope, et l'une des plus anciennes drogues considérées comme récréatives, sous la forme de boisson alcoolisée. L'éthanol est utilisé par l'industrie agroalimentaire (pour la production de spiritueux notamment), la parfumerie et la pharmacie galénique (comme solvant) ainsi qu'en biocarburant (bioéthanol). Il est en outre utilisé dans les thermomètres à alcool.
Formule L'éthanol est un alcool primaire à deux carbones de formule brute et de formule semi-développée ou , indiquant que le carbone du groupe méthyle () est attaché au groupe méthanediyle () lui-même attaché au groupe hydroxyle (). C'est un isomère de constitution de l'éther méthylique.. L’éthanol est usuellement désigné par l’abréviation « EtOH », le groupe éthyle () étant communément abrégé « Et » en chimie organique.
Nom Éthanol est le nom systématique défini par la nomenclature des composés organiques pour une molécule avec deux atomes de carbone (préfixe éth-) ayant une liaison simple entre eux (suffixe -ane) et attaché à un groupe hydroxyle (suffixe -ol).
Histoire
La fermentation des sucres en éthanol est l'une des plus anciennes biotechnologies employée par l'humain, notamment dans l'industrie de l'alcool et a été utilisée depuis la Préhistoire pour obtenir des boissons alcoolisées. Des analyses chimiques de composés organiques absorbés dans des jarres datant du Néolithique trouvées dans un village de la province du Henan en Chine, ont révélé que des mélanges de boissons fermentées composés de riz, de miel et de fruits étaient produits dès le .
Bien que la distillation soit une technique connue des alchimistes gréco-égyptiens (comme Zosime de Panopolis), les premières traces écrites de production d'alcool à partir du vin ne remontent qu'au avec les travaux des alchimistes de l'école de médecine de Salerne.. La première mention de la distinction entre alcool absolu et mélanges eau-alcool est rapportée elle au par Raymond Lulle. Cependant, le savant persan Rhazès aurait isolé l'éthanol dans le courant du ..
vignette|gauche|Esprit de vin, bouteilles du .
En 1796, Johann Tobias Lowitz obtient de l'éthanol pur en filtrant sur du charbon actif de l'éthanol distillé. Antoine Lavoisier détermine que l'éthanol est composé de carbone, d'oxygène et d'hydrogène, et en 1808, Nicolas Théodore de Saussure détermine sa formule brute.. En 1858, Archibald Scott Couper publie la structure chimique de l'éthanol, qui est l'une des premières structures déterminées..
L'éthanol est pour la première fois préparé de façon synthétique en 1826 par les travaux indépendants de Georges Serullas en France et de Henry Hennel au Royaume-Uni.. En 1828, Michael Faraday synthétise de l'éthanol par l'hydratation en catalyse acide de l'éthylène, une synthèse similaire au procédé industriel utilisé de nos jours.
L'éthanol a aussi été utilisé comme combustible dans les lampes, et comme carburant pour les automobiles jusque dans les . Par exemple, la Ford T pouvait fonctionner jusqu'en 1908 avec de l'éthanol pur...
Présence naturelle L'éthanol est un sous-produit volatil du métabolisme des levures. Il est donc présent dans l'habitat de ces organismes et dans notre atmosphère. On le trouve aussi émis par les fruits murs., et dans de nombreuses plantes du fait de l'anaérobiose naturelle durant la germination ou quand les plantes manquant d'oxygène (en cas d'inondation par exemple Kreuzwieser J, Papadopoulou E & (2004) , , 6, 299–306, 2004.) tirent de l'énergie de la fermentation Kimmerer T.W & MacDonald R.C (1987) , , 84, 1204–1209...
Au début des , son cycle atmosphérique est encore mal compris. On cherche à quantifier l’éthanol émis par les végétaux et levures, ses taux dans l'atmosphère et son taux de conversion via l'hydroxyle de l'air (par titrage du méthylchloroforme). Une première estimation, grossière, donnait un taux d'émission d'éthanol par les végétaux comprise entre , soit une contribution majeure au total estimé d'éthanol introduit dans l'atmosphère annuellement (entre ). Puis de nouveaux travaux ont revu les émissions par les végétaux à la hausse : (de ), 75 % environ de l’éthanol introduit de l'air étant en réalité détruit par réaction avec des radicaux hydroxyles dans l'air sec ou humide. Des dépôts secs et humides sur la terre ferme existent aussi Kirstine W.V & Galbally I.E (2011) ; 11(1):25909-25936 | Septembre ..
De l'éthanol a aussi été détecté dans l'espace, recouvrant sous forme solide des grains de poussière dans les nuages interstellaires..
Propriétés physico-chimiques L'éthanol est un liquide volatil, incolore et qui a une odeur. Sa combustion est sans fumée et donne une flamme bleutée. Les propriétés physico-chimiques de l'éthanol proviennent principalement de la présence du groupe hydroxyle et de la courte chaîne carbonée. Le groupe hydroxyle peut former des liaisons hydrogène, rendant l'éthanol plus visqueux et moins volatil que des solvants organiques de masses moléculaires équivalentes. L'indice de réfraction de l'éthanol est plus élevé que celui de l'eau (1,3594 à ). Le point triple de l'éthanol est observé à pour une pression de .
Propriétés comme solvant L'éthanol est un solvant polaire protique. Il est miscible avec de nombreux solvants organiques, comme les solvants chlorés (tétrachlorure de carbone, chloroforme, , tétrachloroéthylène), les hydrocarbures aliphatiques (pentane, ), les solvants aromatiques (benzène, toluène, pyridine), l'acide acétique, l'acétone, l'éther diéthylique, l'éthylène glycol ou encore le nitrométhane.. Néanmoins la miscibilité de l'éthanol avec les hydrocarbures aliphatiques tend à diminuer avec l'augmentation de la longueur de la chaîne carbonée de l'alcane et la diminution de la température, la limite de miscibilité étant par exemple de pour le dodécane..
Du fait de la nature polaire du groupe hydroxyle, l'éthanol peut aussi dissoudre des composés ioniques, comme les hydroxydes de sodium et de potassium, les chlorures de magnésium, de calcium et d'ammonium ou encore les bromures d'ammonium et de sodium. Les chlorures de sodium et de potassium ne sont eux que légèrement solubles dans l'éthanol.
La partie apolaire de l'éthanol lui permet de dissoudre des substances hydrophobes, et notamment des huiles essentielles et de nombreux composés odorants, colorants et médicinaux.
L'éthanol peut être utilisé comme solvant dans de nombreuses réactions chimiques lors de synthèses, comme dans les substitutions nucléophiles SN1, lors des hydrogénations catalytiques, lors des réactions d'aldolisation, lors des réactions de Wittig, lors des réactions de Diels-Alder ou lors de réactions de diazotation..
L'éthanol est inerte vis-à-vis de la quasi-totalité des surfaces plastifiées de la vie courante, les vernis (hormis les vernis cellulosiques, et ceux à la gomme laque), les peintures acryliques et glycérophtaliques tout en étant un très bon solvant. Ceci en fait un solvant de nettoyage très utilisé seul ou en mélange avec d'autres composés.
Miscibilité avec l'eau Les mélanges eau-éthanol occupent un volume inférieur à la somme des volumes des deux composants pris individuellement. Le mélange d'un volume d'eau et d'un volume d'éthanol donne par exemple un volume équivalent de 1,92.. La réaction de mélange de l'eau et de l'éthanol est exothermique, et à jusqu'à peuvent être libérées.. Le caractère polaire de l'éthanol le rend hygroscopique, à tel point que, pur, il absorbe l'humidité de l'air.
Un azéotrope se forme avec l'eau à 89,47 %mol d'éthanol et 10,53 %mol d'eau à pression atmosphérique. Le point d'ébullition de l'éthanol est de et de pour l'eau, mais l'azéotrope bout lui à , ce qui est inférieur aux points d’ébullition de chacun des constituants.. Les proportions du mélange azéotropique varient en fonction de la pression..
+ Évolution de la composition de l'azéotrope éthanol-eau avec la pression Pression Point d'ébullition Fraction molaire d'éthanol 0,894 0,882 0,874 0,862 0,852
L'ajout de quelques pour cent d'éthanol dans l'eau diminue de façon drastique la tension superficielle de l'eau. Cette propriété permet d'expliquer le phénomène des larmes de vin. Lorsque l'on fait tournoyer le vin dans un verre, l'éthanol s'évapore plus rapidement dans le film mince le long des parois du verre. La proportion d'éthanol diminue, donc la tension de surface augmente et le film se transforme en gouttelettes. Ce phénomène est appelé effet Marangoni, et a été décrit et expliqué en 1855 par James Thomson..
Le titre alcoométrique volumique, aussi appelé degré alcoolique, est le rapport entre le volume d'alcool contenu dans le mélange et le volume total de ce mélange à . On l'utilise pour déterminer la proportion d'alcool, c'est-à-dire d'éthanol, dans une boisson alcoolisée. L'unité utilisée pour exprimer le titre est la fraction volumique (%vol) ou degré (noté « ° »).
Les mélanges eau-éthanol contenant plus de 50 % d'éthanol sont inflammables à température ambiante, mais en chauffant un mélange contenant moins de 50 % d'éthanol peut s'enflammer. La technique de flambage en cuisine fait appel à cette propriété. L'alcool ajouté dans une poêle chaude se consume en flammes et donne une réaction complexe. La température de l'alcool qui brûle peut alors dépasser les et conduit à la caramélisation des sucres présents.
Production L'éthanol peut être produit industriellement à partir de la pétrochimie par hydratation de l'éthylène, et par fermentation alcoolique de levures ou de cellulose.. Le procédé le plus économique dépend principalement du marché pétrolier.
Catalyse directe Ce procédé développé dans les années 1970 a complètement supplanté les autres méthodes de production. L'éthanol ainsi produit est utilisé par l'industrie comme matière première ou comme solvant. Il est produit grâce à la pétrochimie, en utilisant l'hydratation par catalyse acide de l'éthylène, suivant la réaction :
Le catalyseur le plus communément utilisé est l'acide phosphorique, adsorbé sur un support poreux comme un gel de silice ou de la célite. Une augmentation de la pression aide à déplacer l'équilibre vers la production d'éthanol, suivant le principe de Le Chatelier, et il est donc pertinent d'utiliser un catalyseur sous haute pression de vapeur d'eau pour approcher l'équilibre rapidement. Le produit final est un mélange eau-éthanol contenant entre et d'éthanol.
Catalyse indirecte Un procédé plus ancien, mais aujourd'hui obsolète, est développé dans les années 1930 par Union Carbide, et sera utilisé durant une grande partie du . L'éthylène est estérifié par l'acide sulfurique pour produire du sulfate d'éthyle, qui est ensuite hydrolysé pour donner de l'éthanol et de l'acide sulfurique, qui sert donc de catalyseur lors de cette réaction :
Ce procédé consomme de grandes quantités d'acide sulfurique et nécessite en entrée un mélange gazeux de bonne qualité.
Fermentation
L'éthanol utilisé dans les boissons alcoolisées est produit par la fermentation alcoolique. De même, la majeure partie du bioéthanol provient du traitement par fermentation de plantes sucrières, comme la betterave et la canne à sucre, ou de céréales, comme le maïs et le blé. Certains types de levures, comme Saccharomyces cerevisiae, métabolisent les sucres en éthanol et dioxyde de carbone, suivant ces réactions :