Оцетна киселина

Оцетната киселина (CH3COOH), позната още като етанова киселина, е органично химическо съединение, най-известно с това, че на него оцетът дължи киселия си вкус и острата си миризма. Чистата, безводна оцетна киселина е безцветна хигроскопична течност и замръзва под 16,7°C до безцветно твърдо кристално вещество. Оцетната киселина е корозивна и изпаренията ѝ дразнят очите и носа, въпреки че е слаба киселина, що се отнася до способността ѝ да се дисоциира във водни разтвори.

Оцетната киселина е една от най-простите карбоксилни киселини (най-простата след мравчената киселина). Тя е важен химически реактив и промишлен химикал, който се използва в производството на полиетилентерефталат (PET), използван главно за производство на пластмасови бутилки за напитки; на целулозен ацетат, главно за фотофилми и на поливинилацетат за лепило за дърво, както и в много синтетични влакна и тъкани. В домакинството разтвор на оцетна киселина се използва често за отстраняване на варовикови отлагания. В хранителната промишленост оцетната киселина се използва под код за хранителна добавка Е260 като регулатор на киселинността.

Глобалните нужди от оцетна киселина са около 6,5 милиона тона годишно, от които около 1,5 Mt/година се получават от рециклиране, останалите се произвеждат от нефтохимически суровини или от биологически източници.

Оцетната киселина има широко приложение в домакинството. 6% и 9%-ните ѝ разтвори са известни под търговското наименование оцет. Освен като подправка, оцетът се използва и като консервиращо средство при приготвянето на различни туршии.

Номенклатура Тривиалното наименование „оцетна киселина“ се използва най-често и е официално предпочитано от IUPAC. То съответства на латинското наименование acidum aceticum, произлизащо от латинската дума за „оцет“ – acetum. Синонимът „етанова киселина“ е систематично наименование, което понякога се използва при въведение в химическата номенклатура.

Тривиалното наименование на безводната оцетна киселина е „ледена оцетна киселина“. Както и немското наименование Eisessig (букв. „леден оцет“), името идва от подобните на лед кристали, които се образуват малко под стайна температура при 16,7 °C.

Най-често използваното официално съкращение за оцетна киселина AcOH или HOAc, където Ac обозначава ацетилната група CH3−C(=O)−;. В контекста на киселинно-основните взаимодействия често се използва съкращението HAc, където Ac този път обозначава ацетатен анион(CH3COO−), въпреки че тази употреба се смята от мнозина за заблуждаваща. И в двата случая Ac не трябва да се обърква с означението на химичния елемент актиний.

Оцетната киселина има емпирична формула CH2O и молекулна формула C2H4O2. Последната често се изписва CH3-COOH, CH3COOH или CH3CO2H, за да се отрази по-добре структурата. Йонът, който се получава след загубване на H+ от оцетната киселина, е ацетатния анион. „Ацетати“ се наричат и солите, съдържащи този анион, или естерите на оцетната киселина.

История

Оцетът е стар колкото човешката цивилизация, дори може би по-стар. Бактерии, произвеждащи оцетна киселина, има по целия свят и всяка култура, практикуваща варене на бира или производство на вино, неизбежно е открила оцета като естествен резултат от излагането на тези алкохолни напитки на въздух.

Използването на оцетна киселина в химията достига до древността. През 3 век пр.н.е. гръцкият философ Теофраст описва действието на оцета върху метал, при което се получават пигменти, използвани в изкуството, между които „оловно белило“ (оловен карбонат) и зелена смес от медни соли като меден(II) ацетат. Древните римляни варели вкиснато вино в оловни съдове, за да получат много сладък сироп, наречен „сапа“. Сапата била богата на оловен ацетат, сладко вещество, наричано също „захар от олово“ или „захар на Сатурн“, което причинявало оловно отравяне сред римската аристокрация. Иранският алхимик от 8 век Джабир ибн Хаян концентрирал оцетна киселина от оцет чрез дестилация.

През Ренесанса била приготвяна ледена оцетна киселина чрез суха дестилация на метални ацетати. Немският алхимик от 16 век Андреас Либавиус описва една такава процедура и сравнява ледената оцетна киселина, получена по този начин, с оцета. Наличието на вода в оцета се отразява толкова силно на свойствата на оцетната киселина, че в продължение на векове алхимиците мислят, че ледената оцетна киселина и киселината в оцета са две различни вещества. Френският химик Пиер Аде доказва, че те са идентични.

През 1847 г. немският химик Херман Колбе синтезира за първи път оцетна киселина от неорганични материали. Тази поредица от реакции се състои от хлориране на въглероден дисулфид до въглероден тетрахлорид, последвана от пиролиза до тетрахлоретилен и водна хлорация до трихлороцетна киселина и завършва с електролитна редукция до оцетна киселина.Goldwhite, Harold (2003). New Haven Sect. Bull. Am. Chem. Soc. (September 2003) .

До 1910 г. повечето ледена оцетна киселина е получавана от „пиролигнеова течност“ от дестилация на дървесина. Оцетната киселина се изолира от нея чрез обработка с гасена вар и полученият калциев ацетат впоследствие се окислява със сярна киселина, за да се получи оцетна киселина. По това време Германия произвежда 10 000 тона ледена оцетна киселина, около 30% от която е използвана за производство на индиго.Martin, Geoffrey (1917). Industrial and Manufacturing Chemistry, Part 1, Organic. London:Crosby Lockwood, pp. 330 – 31.Schweppe, Helmut (1979). Identification of dyes on old textiles . J. Am. Inst. Conservation 19(1/3), 14 – 23.

Химични свойства Киселинност Водородният (H) атом в карбоксилната група (−COOH) в карбоксилните киселини като оцетната киселина може да се освободи като H+ йон (протон), давайки им техния киселинен характер. Оцетната киселина е слаба, ефективно едноосновна киселина във воден разтвор, с pKa 4,8. Разтвор с моларна концентрация 1 (приблизително концентрацията на готварския оцет) има pH 2,4, което показва, че едва 0,4% от молекулите на оцетната киселина са дисоциирани.

Цикличен димер

Кристалната структура на оцетната киселинаJones, R.E.; Templeton, D.H. (1958). „The crystal structure of acetic acid“. Acta Crystallogr. 11(7), 484 – 87. показва, че молекулите се свързват по две в димери, свързани с помощта на водородни връзки. Тези димери могат да се открият и в пара при 120 °C. Те сигурно присъстват също и в течната фаза на чистата оцетна киселина, но бързо се разрушават в присъствие на вода. Димеризация се среща и при други прости карбоксилни киселини.

Разтворител Течната оцетна киселина е хидрофилен полярен основен разтворител, подобен на етанола и водата. С умерено висока диелектрична константа от 6,2, тя може да разтваря не само полярни съединения като неорганични соли и захари, но и неполярни съединения като масла и химични елементи като сяра и йод. Тя веднага се смесва с много други полярни и неполярни разтворители като вода, хлороформ и хексан. Това разтварящо свойство и смесваемост на оцетната киселина я правят широко използван промишлен химикал.

Химични реакции Оцетната киселина е вещество, корозивно за много метали като желязо, магнезий и цинк, като образува водород и метални соли, наречени ацетати. Алуминият, когато бъде изложен на кислород, образува тънък пласт алуминиев оксид на повърхността си, който е относително устойчив, така че оцетна киселина може да се превозва в алуминиеви резервоари. Метални ацетати могат да се получават и от оцетна киселина и подходяща основа, като например в популярната реакция „сода за хляб+оцет“. Със забележителното изключение на хром(II) ацетата, почти всички ацетати са разтворими във вода.

Mg(т) + 2 CH3COOH(в) → (CH3COO)2Mg(в) + H2(г)

NaHCO3(т) + CH3COOH(в) → CH3COONa(в) + CO2(г) + H2O(тч)

Оцетната киселина е подложена на типичните за една карбоксилна киселина химични реакции, особено получаването на етанол чрез редукция и получаването на производни като ацетилхлорид чрез ацилно нуклеофилно заместване. Друго вещество, производно от заместване, е оцетният анхидрид. Той се получава чрез отделяне на вода от две молекули оцетна киселина. По подобен начин, чрез естерификация по метода на Фишер, могат да се получат естери на оцетната киселина, а също така и амиди. Когато се нагрее над 440 °C, оцетната киселина се разлага до въглероден диоксид и метан или до кетон и вода.

Откриване Оцетната киселина може да се открие по характерната си миризма. Цветна реакция за соли на оцетната киселина е с разтвор железен(III) хлорид, който има наситен червен цвят, изчезващ при окисляване. При нагряване с арсенов триоксид ацетатите образуват какодилоксид, който може да се открие по зловонните си пари.

Биохимия Ацетилната група, получена от оцетната киселина, на практика е фундаментална за биохимията на всички форми на живот. Когато е свързана с коензим А, тя има централна роля в метаболизма на въглехидратите и мазнините. Концентрацията на свободна оцетна киселина в клетките обаче се поддържа ниска с цел избягване разстройването на контрола на pH на съдържанието на клетката. За разлика от някои карбоксилни киселини с по-дълга верига (мастните киселини), оцетната киселина не се среща в естествените триглицериди. Изкуственият триглицерид триацетин (глицеринтриацетат) обаче е широко използвана хранителна добавка и се съдържа в козметични средства и лекарствени средства за местна употреба.

Оцетната киселина се произвежда и отделя от определени бактерии, особено от рода Acetobacter и от Clostridium acetobutylicum. Тези бактерии присъстват навсякъде в хранителните продукти, водата и почвата и оцетна киселина се получава естествено при разваляне на плодове и някои други храни. Оцетната киселина е компонент и на вагиналната лубрикация при човека и други примати, където тя сигурно служи като слаб антибактериален агент.Dictionary of Organic Compounds (6th Edn.), Vol. 1 (1996). London:Chapman & Hall. ISBN 0-412-54090-8

Производство Оцетна киселина се произвежда както синтетично, така и чрез бактериална ферментация. В наши дни биологичният начин носи само около 10% от световното производство, но остава важен за производството на оцет, тъй като според много закони по света оцетът, използван в хранителните продукти, трябва да бъде с биологичен произход. Около 75% от оцетната киселина, която се използва в химическата промишленост, се произвежда чрез карбонилация на метанол, описана по-долу. Останалата се получава по други методи.Yoneda, Noriyki; Kusano, Satoru; Yasui, Makoto; Pujado, Peter; Wilcher, Steve (2001). Appl. Catal. A: Gen. 221, 253 – 265.

Общото световно производство на чиста оцетна киселина се оценява на 5 Mt/година, приблизително половината от което се произвежда в Съединените щати. Европейското производство е от около 1 Mt/година и намалява, а 0,7 Mt/година се произвежда в Япония. Други 1,5 Mt се рециклират всяка година, с което общият световен пазар достига 6,5 Mt/година.„Production report“. Chem. Eng. News (July 11, 2005), 67 – 76.Suresh, Bala (2003). Acetic Acid. CEH Report 602.5000, SRI International. Двата най-големи производителя на чиста оцетна киселина са Селаниз и БиПи Кемикълс. Други големи производители са Милениъм Кемикълс, Стърлинг Кемикълс, Самсунг, Ийстман и Свенск Етанолкеми.

Карбонилация на метанол Повечето чиста оцетна киселина се произвежда чрез карбонилация на метанол. В този процес реагират метанол и въглероден монооксид, като се получава оцетна киселина по химическото уравнение:

CH3OH + CO → CH3COOH

Процесът използва като посредник йодометан и преминава в три стъпки. За карбонилацията е нужен катализатор, обикновено метален комплекс (стъпка 2).

(1) CH3OH + HI → CH3I + H2O

(2) CH3I + CO → CH3COI

(3) CH3COI + H2O → CH3COOH + HI