Etano rūgštis, plačiau žinoma kaip acto rūgštis, yra svarbi karboksirūgštis, plačiai naudojama įvairiose pramonės šakose ir buityje. Tai yra viena iš svarbiausių organinių rūgščių. Šiame straipsnyje išsamiai apžvelgsime etano rūgšties savybes, įskaitant jos virimo temperatūrą, fizines ir chemines charakteristikas, gavimo būdus ir panaudojimo sritis. Vienas iš svarbiausių šios rūgšties fizikinių savybių yra jos virimo temperatūra. Išsamiai aptarsime etano rūgšties virimo temperatūrą, ją lemiančius veiksnius ir palyginsime su kitų panašių junginių virimo temperatūromis.
Kas yra Etano Rūgštis?
Etano rūgštis (CH3COOH) yra bespalvis, aštraus kvapo higroskopiškas skystis. Jos cheminė formulė yra CH3COOH. Tai yra karboksirūgštis, organinis junginys, kurio molekulėje yra karboksilo grupė (-COOH). Etano rūgštis yra karboksirūgštis, kurios molekulėje yra metilo grupė (CH3), prisijungusi prie karboksilo grupės (COOH). Po skruzdžių rūgšties HCOOH, etano rūgštis yra viena iš paprasčiausių organinių rūgščių.
Etano rūgštis gerai tirpsta vandenyje, etanolyje, dietileteryje ir benzene, taip pat gerai tirpina daugelį organinių junginių, tokių kaip HF, HCl, HBr, HI ir kitos dujos.
Etano rūgšties molekulinė masė yra 60,05 g/mol, o jos tankis yra 1049 kg/m³. Jos tankis yra 1,051 g/cm³ esant 68 °F (1,044 g/cm³ esant 25 °C).
Etano Rūgšties Virimo ir Lydymosi Temperatūra
Etanolio rūgšties virimo temperatūra yra 118 °C (244 °F) esant 760 mmHg. Bevandenė acto rūgštis, dažnai vadinama ledine acto rūgštimi, yra kristalinė medžiaga, kurios lydymosi temperatūra yra 16,75 °C (61,9 °F).
Ši virimo temperatūra yra gana aukšta, palyginti su kitais panašios molekulinės masės junginiais. Norint išgarinti acto rūgštį, turi būti tiekiama pakankamai energijos, kad būtų nutraukta molekulių tarpusavio sąveika. Būtent dėl šios priežasties etano rūgštis yra skystis, kurio virimo temperatūra yra aukštesnė už vandenį (apie 118 °C).
Veiksniai, Lemiami Etano Rūgšties Virimo Temperatūrą
Virimo temperatūra yra temperatūra, kurioje skystis virsta dujomis. Ją lemia tarpmolekulinės jėgos, veikiančios tarp molekulių. Kuo stipresnės šios jėgos, tuo aukštesnė virimo temperatūra. Etano rūgšties atveju, pagrindiniai veiksniai, lemiantys jos aukštą virimo temperatūrą, yra šie:
Vandeniliniai Ryšiai
Vandeniliniai ryšiai yra stiprios tarpmolekulinės jėgos, susidarančios tarp vandenilio atomų, prisijungusių prie labai elektroneigiamų atomų, tokių kaip deguonis (O), ir kitų elektroneigiamų atomų. Etano rūgšties molekulėse yra karboksilo grupė (-COOH), kurioje yra deguonies atomai. Dėl šių vandenilinių ryšių etano rūgšties molekulės stipriai traukia viena kitą, todėl reikia daugiau energijos (aukštesnės temperatūros), kad jas atskirti ir paversti dujomis.
Dimerizacija
Etanolio rūgštis linkusi dimerizuotis, t. y., dvi molekulės susijungia į didesnį darinį - dimerą. Dimerizacija vyksta dėl dviejų vandenilinių ryšių susidarymo tarp karboksilo grupių. Dėl dimerizacijos efekto padidėja efektyvus molekulės dydis ir tarpmolekulinės jėgos, todėl dar labiau padidėja virimo temperatūra. Molekulės yra išdėstytos taip, kad sudarytų dvi vandenilio jungtis: O-H...O ir O-H...O. Būtent šie tiltai erdviškai orientuoja CH3COOH molekules, susidaro dimeriai skystoje (ir dujinėje) būsenoje.
Dipolinės Sąveikos
Karboksilo grupė (-COOH) yra polinė, t. y., joje yra dalinis neigiamas krūvis ant deguonies atomų ir dalinis teigiamas krūvis ant vandenilio atomo. Ši poliarizacija sukuria dipolines sąveikas tarp molekulių, kurios prisideda prie bendro tarpmolekulinių jėgų stiprumo.
Van der Valso Jėgos
Van der Valso jėgos yra silpnos tarpmolekulinės jėgos, atsirandančios dėl laikinų elektronų pasiskirstymo fluktuacijų molekulėse. Nors šios jėgos yra silpnesnės už vandenilinius ryšius, jos vis tiek prisideda prie bendro tarpmolekulinių jėgų stiprumo, ypač didesnėse molekulėse.
Palyginimas su Kitais Junginiais
Norint geriau suprasti etano rūgšties virimo temperatūrą, verta ją palyginti su kitų panašių junginių virimo temperatūromis:
| Junginys | Cheminė formulė | Virimo temperatūra (°C) | Pagrindinės tarpmolekulinės jėgos |
|---|---|---|---|
| Etano rūgštis | CH3COOH | 118 | Vandeniliniai ryšiai, dimerizacija, dipolinės sąveikos, Van der Valso jėgos |
| Etanolis | CH3CH2OH | 78.37 | Vandeniliniai ryšiai, dipolinės sąveikos, Van der Valso jėgos |
| Etanalis | CH3CHO | 20.85 | Dipolinės sąveikos, Van der Valso jėgos |
| Etanas | CH3CH3 | -88.6 | Van der Valso jėgos |
Etanolio molekulinė masė yra panaši į etano rūgšties, tačiau jo virimo temperatūra yra tik 78.37 °C. Etanolis taip pat sudaro vandenilinius ryšius, tačiau jie yra silpnesni nei etano rūgšties, nes etanolis neturi karboksilo grupės, kuri leidžia dimerizuotis ir sudaryti stipresnius vandenilinius ryšius.
Etanalio virimo temperatūra yra 20.85 °C. Etanalis yra aldehidas, turintis polinę karbonilo grupę (C=O), tačiau jis negali sudaryti vandenilinių ryšių tarp molekulių, todėl jo virimo temperatūra yra žema.
Etanas yra alkanas, turintis tik Van der Valso jėgas tarp molekulių. Jo virimo temperatūra yra -88.6 °C, daug žemesnė nei etano rūgšties.
Šis palyginimas rodo, kad vandeniliniai ryšiai ir dimerizacija yra labai svarbūs veiksniai, lemiantys etano rūgšties aukštą virimo temperatūrą.
Fizinės ir Cheminės Etano Rūgšties Savybės
Etano rūgštis pasižymi unikaliomis fizinėmis ir cheminėmis savybėmis, kurios lemia jos panaudojimą įvairiose srityse. Štai išsamus savybių sąrašas:
- Cheminiai pavadinimai: Actas, etaninis, etilas
- Molekulinė formulė: C2H4O2 arba CH3COOH
- Fizinė išvaizda: Bespalvis skystis
- Kvapas: Aštraus, būdingo acto kvapo
- Skonis: Deginantis
- Virimo temperatūra: 118 °C (244 °F) prie 760 mmHg
- Lydymosi temperatūra: 16,6 °C (61,9 °F)
- Pliūpsnio temperatūra: 44,4 °C (112 °F) atviroje taroje, 40 °C (104 °F) uždaroje taroje
- Tirpumas vandenyje: Maišoma visomis proporcijomis (106 mg/ml esant 25 °C)
- Tirpumas organiniuose tirpikliuose: Tirpsta etanolyje, etilo eteryje, acetone, benzene ir anglies tetrachloride. Tai polinis tirpiklis, gebantis sudaryti vandenilio jungtis. Jis gali ištirpinti polinius junginius, tokius kaip neorganinės druskos ir cukrūs, bet taip pat ištirpina ne polinius junginius, pvz., aliejus ir riebalus. Be to, acto rūgštis yra maišoma su poliniais ir nepoliniais tirpikliais. Acto rūgšties maišymas su alkanais priklauso nuo jų grandinės išplėtimo: didėjant alkanų grandinės ilgiui, sumažėja jo maišymas su acto rūgštimi.
- Tankis: 1,051 g/cm³ esant 68 °F (1,044 g/cm³ esant 25 °C)
- Garų tankis: 2,07 (palyginti su oru = 1)
- Garų slėgis: 15,7 mmHg esant 25 °C
- Skilimas: Įkaitinus iki daugiau kaip 440 °C, skaidosi, kad susidarytų anglies dioksidas ir metanas
- Klampumas: 1,056 mPa·s esant 25 °C
- Korozija: Ledinė acto rūgštis yra labai ėsdinanti ir jos nurijimas gali sukelti sunkius stemplės ir pylorus sužalojimus žmogui. Acto rūgštis yra ėsdinanti daugeliui metalų, išskirianti H2 dujas ir formuojanti metalo druskas, vadinamas acetatais. Išskyrus chromo (II) acetatą, acetatai tirpsta vandenyje.
- Degimo šiluma: 874,2 kJ/mol
- Garinimas: 23,70 kJ/mol esant 117,9 °C; 23,36 kJ/mol esant 25,0 °C
- pH:
- 1 M koncentracijos tirpalo pH yra 2,4
- 0,1 M tirpalo pH yra 2,9
- 3,4, jei tirpalas yra 0,01 M
- Paviršiaus įtampa: 27,10 mN/m esant 25 °C
- pKa: 4,76 esant 25 °C
- Cheminės reakcijos:
- Jos reakcija su magniu yra tokia cheminė lygtis: Mg (s) + 2 CH3COOH (aq) => (CH3COO)2Mg (aq) + H2 (g)
- Sumažinus acto rūgštį, susidaro etanolis.
- Taip pat gali susidaryti acto rūgšties anhidridas, prarandant vandenį iš dviejų vandens molekulių.
- Iš 2 molekulių atskėlus vandenį gaunamas acetanhidridas, pakeitus hidroksigrupę chloru - acetilchloridas, aminogrupe - acetamidas.
- Reaguodama su etilenu, acto rūgštis sudaro etilacetatą.
- Su acetilenu (katalizatorius Hg druskos) - vinilacetatą.
- Reaguodama su hidroksidais, ji sudaro druskas, o su alkoholiais - acetatus.
Etano Rūgšties Gavimo Būdai
Etano rūgštis gali būti gaunama įvairiais būdais:
Oksidacinis arba Aerobinis Fermentavimas
Actobacter genties bakterijos gali veikti etanoliui arba etilo alkoholiui, o jo rūgštis acto pavidalu tampa acto rūgštimi. Šiuo metodu galima gaminti actą su 20% acto rūgšties koncentracija. Šios bakterijos gali gaminti actą, veikdamos įvairiomis medžiagomis, kurios apima įvairius vaisius, fermentuotus ankštinius augalus, salyklas, grūdus, pvz., ryžius ar kitas daržoves, kuriose yra arba gali pagaminti etilo alkoholio. Cheminė reakcija, kurią palengvina Actobacter genties bakterijos, yra tokia: CH3CH2OH + O2 => CH3COOH + H2O. Oksidacinis fermentavimas atliekamas rezervuaruose su mechaniniu maišymu ir deguonies tiekimu.
Anaerobinis Fermentavimas
Šis metodas grindžiamas kai kurių bakterijų gebėjimu gaminti acto rūgštį, veikiant tiesiogiai dėl cukrų, nereikalaujant tarpinių produktų acto rūgšties gamybai. C6H12O6 => 3CH3COOH. Šiame procese dalyvaujanti bakterija yra Clostridium acetobutylicum, kuri gali prisidėti prie kitų junginių sintezės, be acto rūgšties. Acetogeninės bakterijos gali gaminti acto rūgštį, veikiančią tik vienos anglies atomo molekules; toks yra metanolio ir anglies monoksido atveju. Anaerobinė fermentacija yra pigesnė nei oksidacinė fermentacija, tačiau ji riboja Clostridium genties bakterijų atsparumą rūgštingumui. Tai riboja jo gebėjimą gaminti actą su didele acto rūgšties koncentracija, kaip tai pasiekiama oksidacijos fermentacijos metu.
Metanolio Karbonilinimas
Metanolis gali reaguoti su anglies monoksidu, kad susidarytų acto rūgštis, esant katalizatoriams: CH3OH + CO => CH3COOH. Naudojant katalizatorių, metanolio karbonilinimas vyksta trimis etapais: pirmajame etape hidroksi rūgštis (HI) reaguoja su metanoliu, gamindama jodmetaną, kuris antrajame etape reaguoja su anglies monoksidu, sudarančiu junginį jodo acetaldehidą (CH3IOC). Kitas, CH3COI yra hidratuotas, kad susidarytų acto rūgštis ir regeneruotų HI. „Monsanto“ procesas (1966 m.) yra acto rūgšties gamybos metodas, katalizuojant metanolį. Šis procesas yra pigesnis ir mažiau teršiantis. Vėliau 1990 m. kompanija BP pristatė Cativa procedūrą su tuo pačiu tikslu naudojamu iridžio katalizatoriumi. Šis metodas pasirodė esąs efektyvesnis ir mažiau agresyvus aplinkai nei Monsanto metodas.
Acetaldehido Oksidavimas
Šiam oksidavimui reikia metalo katalizatorių, tokių kaip naftenatai, mangano druskos, kobalto arba chromo. 2 CH3CHO + O2 => 2 CH3COOH. Acetaldehido oksidacija gali būti labai didelė, o atitinkamais katalizatoriais gali pasiekti 95%. Šalutiniai reakcijos produktai atskiriami nuo acto rūgšties distiliuojant. Po metanolio karbonilinimo metodo acetaldehido oksidacija yra antroji acto rūgšties pramoninės gamybos procentinė dalis.
Kiti Gavimo Būdai
- Oksiduojant naftos angliavandenilių frakciją: Naftos angliavandenilių frakciją (C5-C6; 140-180 °C, 5-8 MPa). Šiuo būdu be acto rūgšties dar susidaro skruzdžių ir propiono rūgštys.
- Pirolizuojant medieną.
- Distiliuojant sauso CH3COONa ir H2SO4 mišinį: Bevandenė acto rūgštis gaunama distiliuojant sauso CH3COONa ir H2SO4 mišinį.
Etano Rūgšties Panaudojimo Sritys
Etano rūgštis plačiai naudojama įvairiose pramonės šakose ir buityje:
Pramoninis Naudojimas
- Celiuliozės acetatų gamyba: Daug acto rūgšties sunaudojama celiuliozės acetatams gaminti, kurie naudojami fotofilmų gamybai ir sintetiniams audiniams.
- Acetono gamyba.
- Acetanhidrido gamyba: Kondensuojant dvi acto rūgšties molekules, prarandant vieną vandens molekulę, susidaro acto anhidridas, CH3CO-O-COCH3.
- Chloracto rūgšties gamyba.
- Vaistų sintezė.
- Vinilo acetato monomero gamyba: Acto rūgštis reaguoja su etilenu, dalyvaujant deguoniui, kad susidarytų vinilo acetato monomeras, o paladis naudojamas kaip reakcijos katalizatorius. Vinilo acetatas polimerizuojasi polivinilacetate, kuris naudojamas kaip dažų ir lipnios medžiagos komponentas.
- Esterių gamyba: Reaguoja su įvairiais alkoholiais esterių gamybai, įskaitant etilacetatą ir propilacetatą. Acetato esteriai naudojami kaip tirpikliai dažams, nitroceliuliozei, dangoms, lakams ir akriliniams lakams.
Maisto Pramonė
Actas ilgą laiką buvo naudojamas kaip prieskonis ir aromatas maistui, todėl tai yra geriausiai žinomas acto rūgšties panaudojimas. Etano rūgštis naudojama kaip konservantas ir rūgštingumą reguliuojanti medžiaga. Ji taip pat yra acto pagrindinis ingredientas. Ji naudojama mėsai, žuvims, grybams, daržovėms konservuoti ir kaip prieskonis (3-15% acto rūgštis vadinama actu, 80% - acto esencija).
Tekstilės Pramonė
Geležies, aliuminio ir chromo acetatai naudojami tekstilės pramonėje pluoštams dažyti kaip kandikai.
Medicinoje
Praskiestas acto rūgštis naudojama kaip antiseptikas, naudojamas vietiškai, gebantis atakuoti bakterijas, tokias kaip streptokokai, stafilokokai ir pseudomonas. Dėl šio veiksmo jis naudojamas gydant odos infekcijas. Barreto stemplės endoskopijoje naudojama acto rūgštis. Tai būklė, kai stemplės gleivinės pakitimai tampa panašūs į plonosios žarnos gleivinę. Atrodo, kad 3% acto rūgšties gelis yra veiksmingas adjuvantas gydymui su makšties narkotikais Misoprostolis, dėl kurio vidutinis trimestras sukelia medicininį abortą, ypač moterims, kurių makšties pH yra 5 arba daugiau. Jis yra naudojamas kaip cheminio šveitimo pakaitalas. Tačiau dėl šio vartojimo atsirado komplikacijų, nes buvo pranešta apie bent vieną paciento nudegimų atvejį.
Etano Rūgštis Gamtoje
Acto rūgšties esterių, druskų, taip pat laisvos acto rūgšties yra augalų lapuose, šlapime, tulžyje. Grybai ir bakterijos suskaido organines medžiagas iki acto rūgšties - jos susidaro rūgpienyje, sūryje, iš vyno mikroorganizmai pagamina vyno actą.