Úvod do problematiky
Při míchání dvou látek, jako je například ethanol a voda, vzniká směs. Látka, která je ve směsi v nadbytku, se obvykle nazývá rozpouštědlo. Nejčastěji si pod tímto pojmem představíme kapalinu, ale může to být i plyn nebo pevná látka. Po přidání látky do vody může dojít ke dvěma situacím: látka se ve vodě buď nerozpouští, nebo se rozpouští. V tomto případě nás zajímá druhá možnost.
Abychom pevnou látku rozpustili, musíme nejdříve rozbít vazby v její krystalové mřížce. K tomu je nutné dodat energii, kterou nazýváme mřížková energie. V případě chloridu sodného (NaCl) musíme dodat přibližně 776 kJ na 1 mol.
Druhým významným krokem během rozpouštění je hydratace iontů (či molekul). Při hydrataci dochází k obalení iontu molekulami vody. Molekula vody je takzvaně polární - má částečný kladný náboj na atomech vodíku a částečný záporný náboj na atomu kyslíku. Při hydrataci se uvolní takzvaná hydratační energie.
O tom, zda se během rozpouštění energie celkově uvolní, nebo spotřebuje, rozhoduje rozdíl mezi mřížkovou a hydratační energií. V příkladu s NaCl je mřížková energie +776 kJ/mol, hydratační energie iontů jsou −381 kJ/mol (pro Cl⁻) a −390 kJ/mol (pro Na⁺). Po sečtení nám vyjde, že celková energie je +5 kJ/mol. Nemusíme mít tedy strach, že by se nám polévka při solení příliš ochlazovala. Jeden mol NaCl (přibližně 58 gramů) by se nám sice v talíři horké polévky rozpustit podařilo, ale ta by pak určitě nebyla poživatelná.
Objemová kontrakce při míchání
V případě míchání ethanolu s vodou také dochází k energetickým změnám - mimo jiné i k takzvané objemové kontrakci, kdy je součet původních objemů větší než objem výsledné směsi. Největší energie (teplo) se uvolní, když vznikne asi 7% roztok ethanolu ve vodě.
Pro srovnání, například hydroxid sodný (NaOH) při rozpouštění uvolní 44,2 kJ/mol. Tepelné změny při rozpouštění velmi pěkně ilustrují také pravidlo ředění kyselin. Ve škole jsme asi všichni slyšeli poučku, že se vždy musí lít kyselina do vody, nikdy obráceně. Kyseliny jsou silně polární látky, které při styku s vodou disociují - odštěpují kationty H⁺. Tyto ionty se ve vodě hydratují, přičemž se uvolňuje velké množství energie ve formě tepla. V případě kyseliny sírové (H₂SO₄) jde o 94,5 kJ/mol, což je asi dvakrát více než při rozpouštění hydroxidu sodného.
Nebezpečí tkví právě v prudkém zvýšení teploty při disociaci. Pokud bychom postupovali opačně a do koncentrované kyseliny přidali trochu vody, došlo by v daném místě k prudkému zvýšení teploty. V malém objemu vody disociuje mnoho molekul kyseliny, uvolní se obrovské množství energie, směs se může začít vařit a vyprsknout do okolí.
Existují ovšem také látky, jež při rozpouštění teplo spotřebovávají. Běžným příkladem je dusičnan amonný (NH₄NO₃), který na rozpuštění jednoho molu potřebuje dodat 25,4 kJ energie. Jinými slovy to znamená, že dusičnan amonný odebírá energii (teplo) vodě, čímž ji ochlazuje. Jeden mol dusičnanu amonného může v ideálním případě ochladit 100 ml vody z 60 °C na nulu.
Výpočet objemového procenta vody v roztoku ethanolu
Pro výpočet objemového procenta vody v roztoku ethanolu je nutné si uvědomit, že objemové procento vody není jednoduše 100 % minus objemové procento ethanolu. To by zanedbalo objemovou kontrakci či dilataci. Řešení proto provedeme přepočtem přes hustoty.
Příkladem může být výpočet objemového procenta vody v 500 cm³ vodného roztoku ethanolu, kde víme, že roztok obsahuje 200 cm³ ethanolu (tj. 40 obj. %).
- Objem ethanolu V(CH₃CH₂OH) = 200 cm³
- Celkový objem roztoku V(roztoku) = 500 cm³
- Objemová koncentrace ethanolu φ%(CH₃CH₂OH) = 40 %
- Hustota 40% roztoku ethanolu ρ₄₀%(CH₃CH₂OH) = 0,9352 g·cm⁻³
- Hustota čistého ethanolu ρ₁₀₀%(CH₃CH₂OH) = 0,7893 g·cm⁻³
- Hustota vody ρ(H₂O) = 0,9982 g·cm⁻³
Nejprve určíme objem vody v roztoku. Podle zákona zachování hmotnosti platí, že součet hmotností všech látek obsažených v roztoku je roven celkové hmotnosti roztoku. Z definice objemové koncentrace můžeme vyjádřit hmotnost ethanolu:
m(CH₃CH₂OH) = ρ₄₀%(CH₃CH₂OH) ⋅ V(roztoku) - V(CH₃CH₂OH) ⋅ ρ(H₂O)
Po dosazení zadaných hodnot:
m(CH₃CH₂OH) = 0,9352 g·cm⁻³ ⋅ 500 cm³ - 0,7893 g·cm⁻³ ⋅ 200 cm³ = 467,6 g - 157,86 g = 309,74 g
Pomocí hmotnosti vody vypočteme její objem v roztoku:
V(H₂O) = m(H₂O) / ρ(H₂O)
V(H₂O) = 309,74 g / 0,9982 g·cm⁻³ ≈ 310,30 cm³
Pomocí objemu vody v roztoku vypočteme objemové procento vody:
φ%(H₂O) = (V(H₂O) / V(roztoku)) ⋅ 100 %
φ%(H₂O) = (310,30 cm³ / 500 cm³) ⋅ 100 % ≈ 62,06 %
Objemové procento vody v daném roztoku je tedy přibližně 62,06 %.
Ethanol v organismu
Ethanol je tlumivá látka, která v nižších dávkách zlepšuje náladu a působí povzbudivě. Mezi časté projevy patří pocity uvolnění, euforie a ztráta zábran. Tlumivý účinek má ve větších dávkách. Ovlivněním plazmatických membrán je ovlivněn přenos iontů a vedení vzruchů. Se zvyšující se dávkou se dostavují poruchy koncentrace, koordinace pohybů, úsudku a rozhodování, je prodloužen reakční čas. Může tlumit i nervové centrum řídící dýchání, a tím může způsobit smrt na zástavu dechu.
Ethanol produkují v malém množství střevní bakterie a stopy nalezneme v ovoci. Obvykle se využívá ve formě alkoholického nápoje, jenž obsahuje různá množství jiných látek. Společným základem pro vznik alkoholického nápoje obsahujícího ethanol je kvašení cukru působením kvasinek. Kvašením lze dosáhnout koncentrace ethanolu do 14 %. Vyšší koncentrace zabíjí kvasinky. Nápoje o vyšších koncentracích ethanolu jsou získávány destilací. Jeho obsah je udáván v objemových procentech (vol.).
Pro odhad příjmu alkoholu a jeho množství v krvi je vhodný přepočet na gramy ethanolu. Láhev půllitru piva (4 obj. %) obsahuje 20 ml = 16 g ethanolu (hustota ethanolu je 0,79 kg/l), 0,7 l láhev vína (12 obj. %) 84 ml = 66 g ethanolu.
Vstřebávání alkoholu a jeho distribuce v organismu jsou poměrně rychlé (15-60 minut). Zároveň jsou vzhledem k pohlaví a různým částem těla nerovnoměrné. Například ve svalech a centrálním nervovém systému bude koncentrace ethanolu vyšší než v tukové tkáni a kostech. Vstřebávání probíhá v celém zažívacím ústrojí včetně sliznice úst, jícnu a žaludku. Právě v žaludku je vstřebána asi jedna pětina alkoholu, zbytek pak v tenkém střevě. Přibližně 70 % těla je ethanolu k dispozici jako distribuční prostor.
Úplná resorpce ethanolu z 0,5 l piva (16 g) odpovídá u dospělého člověka o hmotnosti 70 kg krevní hladině 0,33 ‰ (distribuce v 70 kg * 70 % / 100 = 49 kg; 16 g ethanolu v 0,5 l piva / 49 kg = 0,33 ‰). Letální koncentrace se pohybuje kolem 3,5 ‰. Maximální hladina v krvi je dosažena za 60-90 minut po konzumaci. Rychlost resorpce ale závisí na dalších okolnostech. Podporuje ji prázdný žaludek, teplé nápoje, přítomnost cukru nebo kyseliny uhličité (bublinkové nápoje). Zpomalení resorpce dochází při konzumaci těžce stravitelného jídla.
Malé množství ethanolu je vyloučeno již plícemi a ledvinami v nezměněné formě (2-10 %). Většina absorbovaného ethanolu je pak oxidována v játrech. Maximální rychlost odbourávání je asi 0,15 ‰/h a je dosažena již při malých koncentracích ethanolu.
Energetická hodnota ethanolu činí 29,4 kJ/g. Díky tomu mohou alkoholické nápoje pokrýt (u alkoholiků) podstatnou část potřebného energetického příjmu.
Metabolismus etanolu: Rozklad alkoholu v těle
Biotransformace ethanolu
Oxidační reakce probíhají v hepatocytech, jaterních buňkách, na hladkém endoplazmatickém retikulu. Ethanol je oxidován alkoholdehydrogenázou na acetaldehyd. Acetaldehyd, který je zodpovědný za alkoholovou „kocovinu“, je dále oxidován aldehyddehydrogenázou na kyselinu octovou, oxid uhličitý a vodu.
Rychlost detoxikace jaterními enzymy je stálá a nezávisí na dávce ethanolu. Enzymy, které jsou potřebné k jeho oxidaci, má lidský organismus k dispozici již od narození. Nemusí se tedy na požívání alkoholu zvlášť adaptovat. Další zajímavostí je, že ženy mají méně alkoholdehydrogenázy, díky čemuž mají vyšší hladinu alkoholu při požití stejného množství jako muži.
Požití většího množství ethanolu kromě účinku na centrální nervový systém vyvolává metabolickou acidózu, hypoglykémii. Otrava alkoholem často doprovází jiné otravy, např. lékové.
Další účinky a rizika spojená s konzumací ethanolu
Ethanol je diuretikum, neboť působí na zadní lalok hypofýzy, kde inhibuje uvolňování antidiuretického hormonu. Má vliv i na termoregulační centrum. Tím, že rozšiřuje kožní cévy, dochází ke ztrátám tepla. Také dochází ke ztrátě zábran, čímž se zvyšuje pravděpodobnost rizikového sexu a následný přenos infekčních onemocnění (HIV/AIDS, žloutenka). Časté jsou i dopravní nehody a úrazy osob pod vlivem alkoholu.
Nepřetržitá konzumace alkoholu může vést ke zrychlení metabolismu ethanolu. Může dojít až k přechodu na kinetiku prvního řádu, kdy se rychlost metabolismu ethanolu přímo úměrně zvyšuje s množstvím výchozí látky. Vzniká i fyzická závislost. Alkoholismus se řadí mezi celosvětové problémy.
Patologickými projevy spojenými s chronickou konzumací alkoholu jsou poruchy využití některých složek stravy (uhlovodíky, tuky, vitamíny). Významný je vliv alkoholu na metabolismus retinolu. Ethanol inhibuje jeho oxidaci na kyselinu retinovou, která je aktivní formou retinolu. Škodí srdci a slinivce břišní, zvýšené je riziko kornatění cév, dochází ke změnám na pokožce a k předčasnému stárnutí. Zvýšená konzumace alkoholu vede k závažnému onemocnění jater. Chronické používání alkoholu může vést k steatóze až cirhóze s typickými laboratorními nálezy. Alkoholická jaterní steatóza je nejčastějším patologickým nálezem. Lze ji pozorovat u 60 - 100 % alkoholiků. Při pokračování závislosti vede během 2 až 5 let u 20 - 30 % z nich ke steatohepatitidě, u 10 % k cirhóze. Avšak při úplné abstinenci 4 - 8 týdnů dojde k úplnému ústupu steatózy. Problémem je málo významná symptomatologie. Mnoho pijáků alkoholu tedy podcení svůj zdravotní stav.
Další nežádoucí účinek ethanolu je teratogenní účinek. Může dospět až k fetálnímu alkoholovému syndromu se závažnými neurologickými příznaky. Ten patří k nejčastějším příčinám vrozených vad v rozvinutých zemích. Vzniká, pije-li těhotná žena alkohol. Plod je tímto syndromem ohrožen po celé těhotenství, nejvíce však v první třetině, kdy žena často o těhotenství ještě neví. Známkami alkoholového metabolického syndromu jsou vrozené vady v oblasti hlavy a obličeje, nižší porodní váha a poškození mozku projevující se poruchami chování a nižším intelektem.
V neposlední řadě je s dlouhodobým užíváním alkoholu spojeno zhoršení duševních funkcí člověka, jež mají negativní dopad na osobní i profesní život. Nejtěžší odvykací stav po alkoholu se nazývá delirium tremens, který vede k ohrožení na životě. Jde o „šílenství“ z nedodání alkoholu mozku, jež je na něm závislý. Tento stav je doprovázen halucinacemi.
Interakce ethanolu s léky
Ethanol interaguje s celou řadou léků a jiných látek. V případě, že se kombinuje s disulfiramem, vyvolává takzvaný „antabusový syndrom“ charakterizovaný bolestí břicha, zvracením, flush syndromem, zmateností, tachykardií, hypotenzí, bolestí hlavy či subjektivně nepříjemným pocitem dušnosti. Příčinou této reakce je metabolická blokáda, při které je inaktivován enzym aldehyddehydrogenáza. Dochází tedy k intoxikaci organismu hromadícím se acetaldehydem a k popsanému účinku.
Disulfiram (Antabus) je medikament na podporu abstinence. Jeho účinky působí na úrovni metabolické i psychologické. Musí být užíván systematicky a pod kontrolou (ambulantní léčba). Před podáváním musí být dodržena nulová hladina alkoholu. Jedná se o léčebný postup, při němž je původní návyková látka nahrazena jinou látkou, která má výhodnější bezpečnostní profil, známou koncentraci, známé složení a je podávána pod lékařskou kontrolou. Na český trh je dodáván ve formě tablety rozpustné ve vodě. V optimálním případě je podáván po dobu jednoho roku od zahájení abstinence, respektive od ukončení základní odvykací léčby.
První pomoc při otravě alkoholem
- Nevyvolávat zvracení, nepodávat aktivní uhlí (nemá vliv na vstřebávání alkoholu).
- Pozor na možnost zvracení a aspirace, prevencí je semilaterální poloha s ústy dolů.
- Podat slazený nápoj.
- Případně kontaktovat Toxikologické informační středisko (TIS).