Уксусная кислота

Эта статья находится на начальном уровне проработки, в одной из её версий выборочно используется текст из источника, распространяемого под свободной лицензией
Материал из энциклопедии Руниверсалис
(перенаправлено с «Ацетат»)
Уксусная кислота

Общие
Систематическое
наименование		 Этановая кислота
Сокращения Уксус
Традиционные названия Уксусная кислота
Хим. формула CH3COOH
Физические свойства
Состояние Жидкость
Молярная масса 60,05 г/моль
Плотность 1,0492 г/см³
Термические свойства
Температура
 • плавления 16,75 °C
 • кипения 118,1 °C
Критическая точка 321,6 °C, 5,79 МПа
Мол. теплоёмк. 123,4 Дж/(моль·К)
Энтальпия
 • образования −487 кДж/моль
Химические свойства
Константа диссоциации кислоты [math]\displaystyle{ pK_a }[/math] 4,76 (Ka=1,75*10-5)
Оптические свойства
Показатель преломления 1,372
Структура
Дипольный момент 1,74 Д
Классификация
Рег. номер CAS 64-19-7
Безопасность
Пиктограммы ECB Пиктограмма «C: Разъедающее» системы ECB
NFPA 704
Приведены данные для стандартных условий (25 °C, 100 кПа), если не указано иное.

У́ксусная кислота́ (эта́новая кислота, в быту «у́ксус», химическая формула — C2H4O2 или CH3COOH, AcOH) — cлабая органическая кислота, относящаяся к классу предельных карбоновых кислот.

При стандартных условиях уксусная кислота — это одноосновная карбоновая кислота, представляющая собой бесцветную жидкость с характерным запахом и кислым вкусом.

Соли и сложные эфиры уксусной кислоты называются ацета́тами.

История

Уксус является продуктом брожения вина и известен человеку с давних времен.

Первое упоминание о практическом применении уксусной кислоты относится к III веку до н. э. Греческий учёный Теофраст впервые описал действие уксуса на металлы, приводящее к образованию некоторых используемых в искусстве пигментов. Уксус применялся для получения свинцовых белил, а также ярь-медянки (зелёной смеси солей меди, содержащей, помимо прочего, ацетат меди).

Завод, производящий уксусную кислоту. 1884 год

В Древнем Риме готовили специально прокисшее вино в свинцовых горшках. В результате получался очень сладкий напиток, который называли «сапа». Сапа содержала большое количество ацетата свинца — очень сладкого вещества, которое также называют свинцовым сахаром или сахаром Сатурна. Высокая популярность сапы была причиной хронического отравления свинцом, распространённого среди римской аристократии[1].

В VIII веке арабский алхимик Джабир ибн Хайян впервые изложил способы получения уксуса.

Во времена Эпохи Возрождения уксусную кислоту получали путём возгонки ацетатов некоторых металлов (чаще всего использовался ацетат меди (II)) (при сухой перегонке ацетатов металлов получается ацетон, вполне промышленный способ до середины XX века).

Свойства уксусной кислоты меняются в зависимости от содержания в ней воды. В связи с этим многие века химики ошибочно считали, что кислота из вина и кислота из ацетатов являются двумя разными веществами. Идентичность веществ, полученных различными способами, была показана немецким алхимиком XVI века Андреасом Либавиусом (нем. Andreas Libavius) и французским химиком Пьером Огюстом Аде (фр. Pierre Auguste Adet)[1].

В 1847 году немецкий химик Адольф Кольбе впервые синтезировал уксусную кислоту из неорганических материалов. Последовательность превращений включала в себя хлорирование сероуглерода до тетрахлорметана с последующим пиролизом до тетрахлорэтилена. Дальнейшее хлорирование в воде привело к трихлоруксусной кислоте, которая после электролитического восстановления превратилась в уксусную кислоту[2].

В конце XIX — начале XX века большую часть уксусной кислоты получали перегонкой древесины. Основным производителем уксусной кислоты являлась Германия. В 1910 году ею было произведено более 10 тысяч тонн кислоты, причем около 30 % этого количества было израсходовано на производство красителя индиго[1][3].

Физические свойства

Ледяная уксусная кислота

Уксусная кислота — это одноосно́вная карбоновая кислота, представляющая собой бесцветную жидкость с характерным резким запахом и кислым вкусом. Гигроскопична. Неограниченно растворима в воде. Смешивается со многими растворителями; в уксусной кислоте хорошо растворимы неорганические соединения и газы, такие как HF, HCl, HBr, HI и другие. Существует в виде циклических и линейных димеров[4].

Абсолютная уксусная кислота называется ледяной, так как при замерзании образует льдовидную массу. Способ получения ледяной уксусной кислоты в 1789 году открыл российский химик немецкого происхождения Товий Егорович Ловиц.

Давление паров
Давление паров (в мм. рт. ст.): Температура(°C)
10 17,1
40 42,4
100 62,2
400 98,1
560 109
1520 143,5
3800 180,3

Уксусная кислота образует двойные азеотропные смеси со следующими веществами.

Вещество tкип, °C массовая доля уксусной кислоты
четырёххлористый углерод 76,5 3 %
циклогексан 81,8 6,3 %
бензол 88,05 2 %
толуол 104,9 34 %
гептан 91,9 33 %
трихлорэтилен 86,5 4 %
этилбензол 114,65 66 %
о-ксилол 116 76 %
п-ксилол 115,25 72 %
бромоформ 118 83 %

Получение

В промышленности

Ранними промышленными методами получения уксусной кислоты были окисление ацетальдегида и бутана[5].

Ацетальдегид окислялся в присутствии ацетата марганца(II) при повышенной температуре и давлении. Выход уксусной кислоты составлял около 95 % при температуре +50—+60 °С.

[math]\displaystyle{ \mathsf{2CH_3CHO + O_2 \longrightarrow 2CH_3COOH } }[/math]

Окисление н-бутана проводилось при 150 атм. Катализатором этого процесса являлся Ацетат кобальта(II).

[math]\displaystyle{ \mathsf{2C_4H_{10} + 5O_2 \longrightarrow 4CH_3COOH + 2H_2O } }[/math]

Оба метода базировались на окислении продуктов крекинга нефти. В результате повышения цен на нефть оба метода стали экономически невыгодными, и были вытеснены более совершенными каталитическими процессами карбонилирования метанола[5].

Каталитическое карбонилирование метанола

Каталитическая схема процесса фирмы Monsanto

Важным способом промышленного синтеза уксусной кислоты является каталитическое карбонилирование метанола монооксидом углерода[6], которое происходит по формальному уравнению:

[math]\displaystyle{ \mathsf{CH_3OH + CO \longrightarrow CH_3COOH} }[/math]

Реакция карбонилирования метанола была открыта учеными фирмы BASF в 1913 году. В 1960 году эта компания запустила первый завод, производящий уксусную кислоту этим методом.[7] Катализатором превращения служил йодид кобальта. Метод заключался в барботаже монооксида углерода при температуре 180 °С и давлениях 200—700 атм через смесь реагентов. Выход уксусной кислоты составляет 90 % по метанолу и 70 % по СО. Одна из установок была построена в Гейсмаре (шт. Луизиана) и долго оставалась единственным процессом BASF в США[8].

Усовершенствованная реакция синтеза уксусной кислоты карбонилированием метанола была внедрена исследователями фирмы Monsanto в 1970 году.[9][10] Это гомогенный процесс, в котором используются соли родия в качестве катализаторов, а также йодид-ионы в качестве промоторов. Важной особенностью метода является большая скорость, а также высокая селективность (99 % по метанолу и 90 % по CO).[5]

Этим способом получают чуть более 50 % всей промышленной уксусной кислоты.[11]

В процессе фирмы BP в качестве катализаторов используются соединения иридия.

Биохимический способ производства

При биохимическом производстве уксусной кислоты используется способность некоторых микроорганизмов окислять этанол. Этот процесс называют уксуснокислым брожением. В качестве сырья используются этанолсодержащие жидкости (вино, забродившие соки), либо же просто водный раствор этилового спирта[12].

Реакция окисления этанола до уксусной кислоты протекает при участии фермента алкогольдегидрогеназы. Это сложный многоступенчатый процесс, который описывается формальным уравнением[13]:

[math]\displaystyle{ \mathsf{CH_3CH_2OH + O_2 \rightarrow CH_3COOH + H_2O} }[/math]

Гидратация ацетилена в присутствии ртути и двухвалентных солей ртути

[math]\displaystyle{ \mathsf{C_2H_2 + H_2O \xrightarrow[]{Hg^{2+}} CH_3CHO} }[/math] — реакция Кучерова
[math]\displaystyle{ \mathsf{CH_3CHO \xrightarrow[]{CrO_3, H_2SO_4} CH_3COOH} }[/math]

Химические свойства

Уксусная кислота обладает всеми свойствами карбоновых кислот, и иногда рассматривается как их наиболее типичный представитель (в отличие от муравьиной кислоты, которая обладает некоторыми свойствами альдегидов). Связь между водородом и кислородом карбоксильной группы (−COOH) карбоновой кислоты является сильно полярной, вследствие чего эти соединения способны легко диссоциировать и проявляют кислотные свойства.

Диссоциация уксусной кислоты в воде

В результате диссоциации уксусной кислоты образуется ацетат-ион CH3COO− и протон H+. Уксусная кислота является слабой одноосновной кислотой со значением pKa в водном растворе равным 4,75. Раствор с концентрацией 1,0 M (приблизительная концентрация пищевого уксуса) имеет pH 2,4, что соответствует степени диссоциации 0,4 %.

На слабой диссоциации уксусной кислоты в водном растворе основана качественная реакция на наличие солей уксусной кислоты: к раствору добавляется сильная кислота (например, серная), если появляется запах уксусной кислоты, значит, соль уксусной кислоты в растворе присутствует (кислотные остатки уксусной кислоты, образовавшиеся из соли, связались с катионами водорода от сильной кислоты и получилось большое количество молекул уксусной кислоты)[14].

Циклический димер уксусной кислоты; штрихами показаны водородные связи.
Циклический димер уксусной кислоты; штрихами показаны водородные связи.

Исследования показывают, что в кристаллическом состоянии молекулы образуют димеры, связанные водородными связями[15].

Уксусная кислота способна взаимодействовать с активными металлами. При этом выделяется водород и образуются соли — ацетаты:

[math]\displaystyle{ \mathsf{Mg + 2CH_3COOH \rightarrow (CH_3COO)_2Mg + H_2\uparrow} }[/math]

Уксусная кислота может хлорироваться действием газообразного хлора. При этом образуется хлоруксусная кислота:

[math]\displaystyle{ \mathsf{CH_3COOH + Cl_2 \rightarrow CH_2ClCOOH + HCl} }[/math]
Характерные реакции уксусной кислоты
Характерные реакции уксусной кислоты

Этим путём могут быть получены также дихлоруксусная (CHCl2COOH) и трихлоруксусная (CCl3COOH) кислоты.

Уксусная кислота может быть восстановлена до этанола действием алюмогидрида лития. Она также может быть превращена в хлорангидрид действием тионилхлорида. Натриевая соль уксусной кислоты декарбоксилируется при нагревании со щелочью, что приводит к образованию метана и карбоната натрия.

Взаимодействует с растворимыми гидроксидами (щелочами) и не растворимыми гидроксидами

Уксусная кислота в биохимии организмов

Уксусная кислота образуется в живых организмах в процессе углеводного обмена, в том числе в организме человека в процессе биохимических реакции, в частности в цикле Кребса, утилизации алкоголя.

Применение

Уксусную кислоту, концентрация которой близка к 100 %, называют «ледяной». 70—80%-й водный раствор уксусной кислоты называют «уксусной эссенцией», а 3—15%-й — «уксусом»[16]. Водные растворы уксусной кислоты используются в пищевой промышленности (пищевая добавка E260) и бытовой кулинарии, а также в консервировании и для избавления от накипи. Однако количество уксусной кислоты, используемой в качестве уксуса, очень мало, по сравнению с количеством уксусной кислоты, используемой в крупнотоннажном химическом производстве.

Уксусную кислоту применяют для получения лекарственных и душистых веществ, таких как растворитель (например, в производстве ацетилцеллюлозы, ацетона). Она используется в книгопечатании и крашении.

Уксусная кислота используется как реакционная среда для проведения окисления различных органических веществ. В лабораторных условиях это, например, окисление органических сульфидов пероксидом водорода, в промышленности — окисление пара-ксилола кислородом воздуха в терефталевую кислоту.

Поскольку пары уксусной кислоты обладают резким раздражающим запахом, возможно её применение в медицинских целях в качестве замены нашатырного спирта для выведения больного из обморочного состояния (что является нежелательным, если только это необходимо для его эвакуации из опасного места его собственными силами).

Токсикология

Пиктограмма «C: Разъедающее» системы ECB Безводная уксусная кислота — едкое вещество. Пары уксусной кислоты раздражают слизистые оболочки верхних дыхательных путей. Предельно допустимая концентрация в атмосферном воздухе составляет 0,06 мг/м3, в воздухе рабочих помещений — 5 мг/м3[4][17]. Порог восприятия запаха уксусной кислоты в воздухе по данным[4],[18] составляет 300—500 мг/м3 (то есть в 100 раз превышает ПДК).

Местное действие уксусной кислоты на биологические ткани зависит от степени её разбавления водой. Опасными считаются растворы, в которых концентрация кислоты превышает 30 %[4]. Концентрированная уксусная кислота способна вызывать химические ожоги, инициирующие развитие коагуляционных некрозов прилегающих тканей различной протяженности и глубины[19].

Токсикологические свойства уксусной кислоты не зависят от способа, которым она была получена[20]. Смертельная разовая доза составляет примерно 20 мл (при энтеральном приёме в перерасчёте на 100 % кислоту).

Последствиями приёма внутрь концентрированной уксусной кислоты являются тяжёлый ожог слизистой оболочки полости рта, глотки, пищевода и желудка; общетоксические последствия отравления уксусной кислотой — ацидоз, гемолиз, гемоглобинурия, нарушение свёртываемости крови, сопровождающееся тяжёлыми желудочно-кишечными кровотечениями. Характерно значительное сгущение крови из-за потери плазмы через обожжённую слизистую оболочку, что может вызвать шок. К опасным осложнениям отравления уксусной эссенцией относятся острая почечная недостаточность и токсическая дистрофия печени.

В качестве первой помощи при приёме уксусной кислоты внутрь следует выпить большое количество жидкости. Вызов рвоты является крайне опасным, так как вторичное прохождение кислоты по пищеводу усугубит ожог, также кислое содержимое может попасть в дыхательные пути. Допускается в целях нейтрализации кислоты и защиты слизистой приём жжёной магнезии, сырого яичного белка, киселя. Нельзя употреблять в этих целях соду, так как образующийся углекислый газ и вспенивание будет также способствовать забросу кислоты обратно в пищевод, гортань, а также может привести к прободению стенок желудка. Показано промывание желудка через зонд. Необходима немедленная госпитализация.

При ингаляционном отравлении парами требуется ополоснуть слизистые водой или 2 % раствором пищевой соды, приём внутрь молока, слабого щелочного раствора (2 % сода, щелочные минеральные воды) с последующей госпитализацией.

Примечания

  1. ↑ 1,0 1,1 1,2 Martin, Geoffrey. Industrial and Manufacturing Chemistry (неопр.). — Part 1, Organic. — London: Crosby Lockwood, 1917. — С.  330—31.
  2. ↑ Goldwhite, Harold. Short summary of the career of the German organic chemist, Hermann Kolbe (англ.) // New Haven Section Bull. Am. Chem. Soc. : journal. — 2003. — September (vol. 20, no. 3). Архивировано 4 марта 2009 года.
  3. ↑ Schweppe, Helmut. Identification of dyes on old textiles (неопр.) // J. Am. Inst. Conservation. — 1979. — Т. 19, № 1/3. — С.  14—23. — doi:10.2307/3179569. Архивировано 29 мая 2009 года.
  4. ↑ 4,0 4,1 4,2 4,3 Уксусная кислота. Дата обращения: 8 сентября 2009. Архивировано 5 июня 2008 года.
  5. ↑ 5,0 5,1 5,2 Реутов О. А. Органическая химия. — М.: Изд-во МГУ, 1999. — Т. 4.
  6. ↑ Advances in Organometallic Chemistry. Дата обращения: 3 октября 2017. Архивировано 17 сентября 2014 года.
  7. ↑ Acetic Acid Production and Manufacturing Process. Дата обращения: 13 сентября 2009. Архивировано 6 октября 2009 года.
  8. ↑ Б. Лич. Катализ в промышленности. Том 1. — Москва: Мир, 1986. — 324 с.
  9. ↑ U.S. Patent 3 769 329
  10. ↑ Патент США
  11. ↑ Экологический фактор, или Окружающая среда как стимул эволюции промышленной химии. Дата обращения: 11 сентября 2009. Архивировано 28 января 2010 года.
  12. ↑ Кандидат биологических наук Н. Кустова. Уксус. Что это такое и как его делают (недоступная ссылка). Интернет-ресурс «Всякая всячина». Дата обращения: 2 сентября 2010. Архивировано 20 октября 2009 года.
  13. ↑ Биотехнология органических кислот и белковых препаратов: Учебное пособие (недоступная ссылка)
  14. ↑ Ходаков Ю. В., Эпштейн Д. А., Глориозов П. А. § 8. Реакции ионного обмена // Неорганическая химия. Учебник для 9 класса. — 7-е изд. — М.: Просвещение, 1976. — С. 15—18. — 2 350 000 экз.
  15. ↑ Jones, R.E.; Templeton, D.H. The crystal structure of acetic acid (англ.) // Acta Crystallogr.[англ.] : journal. — International Union of Crystallography, 1958. — Vol. 11, no. 7. — P.  484—87. — doi:10.1107/S0365110X58001341.
  16. ↑ Уксус — статья из Большой советской энциклопедии. 
  17. ↑ (Роспотребнадзор). № 2400. Этановая кислота (уксусная кислота) // ГН 2.2.5.3532-18 «Предельно допустимые концентрации (ПДК) вредных веществ в воздухе рабочей зоны» / утверждены А.Ю. Поповой. — Москва, 2018. — С. 162. — 170 с. — (Санитарные правила). Архивная копия от 12 июня 2020 на Wayback Machine
  18. ↑ Balavoine P. Observatiojns sur les Qualités Olfactifves et Gustatives des Aliments (англ.) // Mitteilungen aus dem Gebiete der Lebensmitteluntersuchung und Hygiene. — Bern: BAG, 1948. — Vol. 39. — P. 342–350. — ISSN 1424-1307. цитируется по: Odor Threshold Values Архивная копия от 11 июля 2020 на Wayback Machine p. 73.
  19. ↑ Уксусная кислота : Медицинский портал Eurolab. Дата обращения: 8 сентября 2009. Архивировано 15 декабря 2010 года.
  20. ↑ www.textra-vita.com/technology Глава 17. Уксусная кислота 7. Токсиколого-гигиеническая оценка (недоступная ссылка). Дата обращения: 16 мая 2011. Архивировано 25 мая 2012 года.

Ссылки

Источник — https://xn--h1ajim.xn--p1ai/index.php?title=Уксусная_кислота&oldid=25588611