Уксусная кислота: свойства и применение¶

Уксусная кислота (этановая кислота, химическая формула CH₃COOH) — органическое соединение класса предельных карбоновых кислот, широко распространённое в природе и промышленности. Представляет собой бесцветную жидкость с характерным резким запахом и кислым вкусом. Является основным компонентом пищевого уксуса, где содержится в виде водных растворов различной концентрации.

¶Физические свойства

В чистом виде уксусная кислота — гигроскопичная жидкость без цвета, температурой плавления 16,75 °C и кипения 118,1 °C. При температуре ниже точки плавления кристаллизуется в прозрачные ледяные кристаллы, благодаря чему безводную кислоту называют «ледяной». Плотность безводного вещества составляет 1,0492 г/см³ при 20 °C.

Вещество смешивается с водой в любых соотношениях с выделением тепла и незначительным уменьшением общего объёма. При замерзании водных растворов образуются кристаллогидраты различного состава. Уксусная кислота также хорошо растворяется в большинстве органических растворителей: этаноле, ацетоне, бензоле, диэтиловом эфире. Показатель преломления — 1,3716. Вязкость при 20 °C составляет 1,22 мПа·с.

¶Химические свойства

Уксусная кислота — слабая кислота, константа диссоциации Ka ≈ 1,75·10⁻⁵ (pKa = 4,76). В водном растворе диссоциирует обратимо с образованием ацетат-иона и иона водорода. Степень диссоциации в 0,1 М растворе составляет около 1,3 %.

Как типичная карбоновая кислота, CH₃COOH вступает в характерные реакции:

• С основаниями и основными оксидами — образует соли (ацетаты) и воду, например, с гидроксидом натрия даёт ацетат натрия.
• С активными металлами — выделяет водород, образуя ацетаты (цинк, железо, магний).
• С солями более слабых кислот — вытесняет их из солей (например, из карбонатов и гидрокарбонатов с выделением углекислого газа).
• Этерификация — реакция со спиртами в присутствии кислотного катализатора с образованием сложных эфиров (ацетатов), например, этилацетата.
• Образование галогенангидридов — при взаимодействии с хлоридами фосфора или тионилхлоридом образует ацетилхлорид.
• Образование ангидрида — при дегидратации (отщеплении воды) двумя молекулами кислоты образуется уксусный ангидрид.
• Замещение в метильной группе — при галогенировании (хлор, бром) в присутствии катализаторов образуются галогенуксусные кислоты (хлоруксусная, бром-уксусная).
• Декарбоксилирование — при нагревании с щелочами отщепляет углекислый газ с образованием метана.

Ацетаты щелочных металлов и аммония хорошо растворимы в воде. Ацетаты тяжёлых металлов (свинца, серебра, ртути) растворимы значительно хуже. При нагревании ацетатов с щелочами происходит декарбоксилирование.

¶Получение

¶Промышленные способы

Основным промышленным методом производства уксусной кислоты в мире является карбонилирование метанола — реакция метанола с оксидом углерода(II) в присутствии родиевого или иридиевого катализатора (процессы Монсанто и Катива). Процесс протекает при давлении 3–6 МПа и температуре 150–200 °C, выход продукта превышает 99 %.

Другие промышленные методы:

• Окисление ацетальдегида кислородом воздуха в присутствии солей марганца или кобальта (исторически важный, но постепенно вытесняемый метод).
• Окисление н-бутана или лёгкой нафты в жидкой фазе при повышенном давлении и температуре (даёт смесь продуктов с последующим выделением кислоты).
• Окисление этилена в одну стадию (разработан, но применяется ограниченно).

¶Лабораторные и исторические методы

В лабораторных условиях уксусную кислоту получают окислением этанола или ацетальдегида, гидролизом ацетонитрила, а также действием серной кислоты на ацетаты натрия или кальция.

Исторически уксусную кислоту получали брожением — уксуснокислым сбраживанием этанола бактериями рода Acetobacter. Этот метод используется и сегодня для производства пищевого уксуса. При брожении спиртосодержащего сырья (вина, сидра, пива) бактерии окисляют этанол до уксусной кислоты в аэробных условиях. В зависимости от сырья получают винный, яблочный, бальзамический и другие виды уксуса.

¶Применение

Уксусная кислота — один из крупнотоннажных продуктов химической промышленности, мировое производство превышает 15 миллионов тонн в год. Основные области применения:

¶Промышленность

• Производство мономера винилацетата — ключевого сырья для поливинилацетата (клеи, краски) и поливинилового спирта. На это направление приходится около 40 % потребления.
• Производство уксусного ангидрида — используется для ацетилирования целлюлозы (производство ацетатного волокна, ацетата целлюлозы для плёнок и лаков), а также в фармацевтике.
• Синтез сложных эфиров — этилацетат (растворитель), бутилацетат, изопропилацетат, пропилацетат применяются как растворители в лакокрасочной промышленности.
• Производство солей — ацетаты натрия, калия, кальция, алюминия используются в текстильной промышленности (протравы, регулирование pH), кожевенном деле, производстве катализаторов.
• Производство хлоруксусных кислот — моно-, ди- и трихлоруксусной, используемых в синтезе гербицидов, красителей, фармацевтических препаратов.
• Пищевая промышленность — как консервант (E260) и регулятор кислотности в производстве маринадов, соусов, консервов, хлебобулочных изделий.

¶Другие сферы

• Медицина — в виде разбавленных растворов как антисептическое средство; для коррекции кислотно-щелочного баланса в лабораторной диагностике.
• Бытовая химия — как средство для удаления накипи и известкового налёта (реагирует с карбонатом кальция).
• Аналитическая химия — компонент буферных растворов, реактив для титрования.
• Фотография — компонент стоп-ванн и кислых фиксажей.
• Сельское хозяйство — в качестве гербицида контактного действия против сорняков (в виде водных растворов).

¶Биологическая роль и безопасность

Уксусная кислота — естественный метаболит живых организмов. В малых концентрациях образуется в процессе обмена веществ, участвует в цикле трикарбоновых кислот (цикле Кребса) в виде ацетил-коэнзима А. В желудочно-кишечном тракте человека присутствует в следовых количествах как продукт бактериальной ферментации.

Концентрированная уксусная кислота (выше 30 %) опасна: вызывает химические ожоги кожи и слизистых оболочек, при вдыхании паров — поражение дыхательных путей. ПДК в воздухе рабочей зоны составляет 5 мг/м³. При работе с ледяной кислотой обязательны средства индивидуальной защиты. Разбавленные растворы (3–9 %) безопасны и используются в пищевых целях.

При попадании концентрированной кислоты на кожу поражённое место обильно промывают водой. В отличие от серной кислоты, уксусная не обугливает ткани, однако глубоко проникает в них, что делает ожоги опасными.

¶Интересные факты

• Уксус используется человечеством более 7000 лет — древнейшие следы его производства обнаружены в Египте и Месопотамии.
• В Древнем Риме существовал напиток «поссия» — разбавленный уксус с водой, которым утоляли жажду легионеры.
• «Ледяной» уксусную кислоту назвали за способность кристаллизоваться при комнатной температуре в холодных помещениях.
• В 2008 году в Китае произошёл скандал с добавлением малеинового ангидрида в пищевой уксус, что привело к ужесточению контроля качества.

¶Источники

• Кнунянц И. Л. (ред.). Химическая энциклопедия: в 5 т. — М.: Советская энциклопедия, 1988.
• Карапетьянц М. Х., Дракин С. И. Общая и неорганическая химия. — М.: Химия, 1994.
• Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry. — Wiley-VCH, 2007.
• ГОСТ 61-75. Реактивы. Кислота уксусная. Технические условия.