Уксусная кислота

Уксусная кислота (этановая кислота, химическая формула CH₃COOH) — органическое соединение, относящееся к классу предельных одноосновных карбоновых кислот. Представляет собой бесцветную жидкость с характерным резким запахом и кислым вкусом. Является слабой кислотой, однако в высоких концентрациях (более 30 %) обладает разъедающим действием на кожу и слизистые оболочки. Уксусная кислота широко распространена в природе (входит в состав многих растительных соков, образуется при скисании вина и пива) и имеет огромное промышленное значение: используется в пищевой промышленности (как консервант и регулятор кислотности), в химической промышленности (для производства сложных эфиров, ацетатов, лекарственных средств), в быту и медицине.

История

Уксусная кислота известна человечеству с глубокой древности. Первые упоминания о ней относятся к III тысячелетию до н. э. в Древнем Египте, где уксус (разбавленный раствор уксусной кислоты) получали из скисшего вина и использовали как консервант и приправу. В Древней Греции и Риме уксус также применяли в кулинарии и медицине. Долгое время уксусную кислоту получали исключительно биологическим способом (уксуснокислое брожение спиртосодержащих жидкостей).

В Средние века алхимики пытались получить концентрированную уксусную кислоту. Первым, кто получил её в концентрированном виде (ледяную уксусную кислоту), считается арабский алхимик Джабир ибн Хайян (VIII–IX века) — он перегонял уксус с добавлением некоторых веществ. В Европе концентрированную уксусную кислоту впервые получил в 1700 году немецкий химик Иоганн Кункель, а в 1722 году — французский химик Пьер Жозеф Макер.

В 1845 году немецкий химик Адольф Кольбе разработал первый промышленный метод синтеза уксусной кислоты из древесного угля (через хлоруксусную кислоту). Однако настоящий прорыв произошёл в начале XX века, когда были разработаны методы каталитического окисления ацетальдегида и бутана. В 1960-х годах компания Monsanto (США) внедрила процесс карбонилирования метанола (катализируемый родием), который стал основным промышленным способом получения уксусной кислоты. Позднее, в 1990-х годах, компания BP Chemicals (Великобритания) разработала более эффективный процесс Cativa на основе иридиевого катализатора.

Физические и химические свойства

Физические свойства

Уксусная кислота — бесцветная жидкость с резким запахом. Основные физические константы:

Молярная масса: 60,05 г/моль.
Плотность (при 20 °C): 1,049 г/см³.
Температура плавления: 16,6 °C (при охлаждении кристаллизуется в виде льдоподобной массы, поэтому концентрированную кислоту называют «ледяной»).
Температура кипения: 118,1 °C.
Растворимость: неограниченно смешивается с водой, спиртами, эфирами.
Показатель преломления (nD20): 1,3719.
Диэлектрическая проницаемость: 6,2.

Химические свойства

Уксусная кислота — слабая одноосновная карбоновая кислота (константа диссоциации Ka = 1,75×10⁻⁵ при 25 °C). В водных растворах частично диссоциирует на ионы водорода и ацетат-ионы. Химические свойства типичны для карбоновых кислот:

Кислотные свойства: реагирует с активными металлами (Zn, Fe, Mg) с выделением водорода; с основаниями и оксидами металлов образует соли (ацетаты); с карбонатами — выделяет углекислый газ.
Реакции этерификации: с одноатомными и многоатомными спиртами в присутствии кислотного катализатора образует сложные эфиры (например, этилацетат, метилацетат).
Реакции замещения: галогенирование (например, хлорирование до хлоруксусной кислоты) — важный путь синтеза производных.
Декарбоксилирование: при нагревании с щелочами или специальными катализаторами отщепляет CO₂ с образованием метана.
Восстановление: до этанола (с помощью LiAlH₄ или при электролизе).
Окисление: при сильном окислении (например, перманганатом калия) может образовывать углекислый газ и воду.

Способы получения

Промышленные методы

Карбонилирование метанола (процессы Monsanto и Cativa) — основной современный метод. Метанол реагирует с оксидом углерода (II) в присутствии катализатора (родий или иридий) при температуре 150–200 °C и давлении 30–60 атм. Выход уксусной кислоты превышает 99 %.
Окисление ацетальдегида — ацетальдегид окисляется кислородом воздуха в присутствии катализатора (ацетат марганца или кобальта) при 50–70 °C. Метод устарел, но используется на некоторых предприятиях.
Окисление бутана — бутан окисляется воздухом при 150–200 °C и давлении 50–100 атм в присутствии катализатора (ацетат кобальта). Получается смесь уксусной кислоты, муравьиной кислоты и других продуктов.
Окисление этилена — прямой синтез из этилена и кислорода в присутствии палладиевого катализатора (процесс Wacker) с последующим окислением ацетальдегида.

Биологический метод (уксуснокислое брожение)

Используется для получения пищевого уксуса. Спиртосодержащие жидкости (вино, пиво, сидр) подвергаются окислению уксуснокислыми бактериями (род Acetobacter) при доступе воздуха. Процесс идёт при 25–30 °C в течение нескольких недель. Полученный раствор содержит 4–15 % уксусной кислоты. Для получения более концентрированных растворов применяют дистилляцию или вымораживание.

Лабораторные методы

Окисление этанола хромовой смесью (K₂Cr₂O₇ + H₂SO₄).
Гидролиз ацетилхлорида или уксусного ангидрида.
Реакция Кольбе (электролиз растворов ацетатов).

Применение

Уксусная кислота — один из важнейших продуктов органического синтеза. Её мировое производство составляет около 15–20 миллионов тонн в год (по данным на 2020-е годы).

Пищевая промышленность

Консервант (пищевая добавка E260) — используется в производстве маринадов, соусов, солений, консервов. Уксусная кислота подавляет рост бактерий и плесневых грибов.
Регулятор кислотности — добавляется в напитки, желе, кондитерские изделия.
Приправа — столовый уксус (3–9 % раствор) используется в кулинарии.

Химическая промышленность

Производство сложных эфиров (этилацетат, бутилацетат, метилацетат) — растворители для лаков, красок, клеев.
Производство ацетатов (натрия, кальция, алюминия) — используются в текстильной промышленности (программные вещества), в производстве пластмасс, в медицине.
Производство уксусного ангидрида — сырьё для синтеза ацетилцеллюлозы (искусственное волокно, плёнки), аспирина, красителей.
Производство хлоруксусной кислоты — используется в синтезе гербицидов, красителей, фармацевтических препаратов.
Синтез лекарственных средств (ацетилсалициловая кислота — аспирин, парацетамол, сульфаниламиды).

Медицина и быт

Антисептик — 3–6 % раствор применяется для обработки ран, при грибковых заболеваниях кожи, для дезинфекции поверхностей.
Средство для удаления накипи — растворяет карбонатные отложения в чайниках, кофеварках, стиральных машинах.
Средство для чистки — удаляет известковый налёт, ржавчину, жир.
В фотографии — используется в фиксаже для остановки проявления.

Сельское хозяйство

Гербициды — на основе уксусной кислоты (в виде ацетатов) производят некоторые гербициды, например, 2,4-дихлорфеноксиуксусную кислоту.
Консервант силоса — добавка к кормам для предотвращения порчи.

Биологическая роль и токсикология

Уксусная кислота является естественным метаболитом многих организмов. В организме человека она образуется в процессе обмена жирных кислот и углеводов, а также при расщеплении этанола. В малых концентрациях (до 1 % в пище) она безопасна и даже полезна — стимулирует пищеварение.

Однако в высоких концентрациях (более 30 %) уксусная кислота токсична и опасна:

При попадании на кожу — вызывает химический ожог (коагуляционный некроз). Концентрированная кислота может проникать глубоко в ткани.
При вдыхании паров — раздражает дыхательные пути, вызывает кашель, отёк лёгких при высокой концентрации.
При проглатывании — смертельная доза для человека составляет 20–50 мл ледяной уксусной кислоты. Вызывает ожоги пищевода, желудка, гемолиз, почечную недостаточность.

Предельно допустимая концентрация (ПДК) в воздухе рабочей зоны — 5 мг/м³. Класс опасности — 3 (умеренно опасное вещество). При работе с концентрированной кислотой необходимы средства индивидуальной защиты (перчатки, очки, респиратор).

Интересные факты

Ледяная уксусная кислота — это концентрированная (99–100 %) уксусная кислота. Название получила из-за того, что при 16,6 °C замерзает, образуя кристаллы, похожие на лёд.
Уксусная кислота является важным компонентом феромонов некоторых насекомых (например, муравьёв).
В Древнем Риме уксус использовали для приготовления напитка «поска» (смесь воды и уксуса), который пили легионеры.
В 2014 году было обнаружено, что уксусная кислота присутствует в межзвёздном пространстве (в молекулярных облаках), что указывает на возможность её образования в космических условиях.
Уксусная кислота — одна из немногих карбоновых кислот, которая входит в состав многих эфирных масел (например, в масле корицы).

Источники

Химическая энциклопедия: в 5 т. — М.: Советская энциклопедия, 1988–1998. — Т. 5.
Кнунянц И. Л. (ред.) Краткая химическая энциклопедия. — М.: Советская энциклопедия, 1961–1967.
Ullmann’s Encyclopedia of Industrial Chemistry. — Wiley-VCH, 2003. — Vol. 1.
ГОСТ 19814-74 «Кислота уксусная синтетическая. Технические условия».
Вредные вещества в промышленности: Справочник / Под ред. Н. В. Лазарева. — Л.: Химия, 1977. — Т. 2.
Патент США US 4,994,608 (1991) — процесс Cativa.

BFOmetr — база данных и аналитика по компаниям России.

На главную BFOmetr →