Sirćetna Kiselina

U hidratisanom obliku to je bezbojna tečnost, neprijatnog mirisa na sirće, blag je kaustik ali izlaganje njenim parama može da izazove iritacije sluznice nosa, očiju i pluća. U bezvodnom obliku naziva se glacijalna sirćetna kiselina i to je higroskopna supstanca koja na temperaturama ispod 16,5 °C kristališe do čvrstih bezbojnih kristala.

Sirćetna kiselina
IUPAC ime	Acetatna kiselina
Naziv po klasifikaciji	Etanoinska kiselina
Drugi nazivi	Metanekarboksilna kiselina
Identifikacija
Abrevijacija	AcOH
CAS registarski broj	64-19-7 Y
PubChem	176
ChemSpider	171 Y
UNII	Q40Q9N063P Y
EINECS broj	200-580-7
UN broj	2789
DrugBank	DB03166
KEGG	D00010
MeSH	Acetic+acid
ChEBI	15366
ChEMBL	CHEMBL539 Y
IUPHAR ligand	1058
RTECS registarski broj toksičnosti	AF1225000
ATC code	G01AD02,S02AA10
Bajlštajn	506007
Gmelin Referenca	1380
3DMet	B00009
Jmol-3D slike	Slika 1
SMILES CC(O)=O
InChI InChI=1S/C2H4O2/c1-2(3)4/h1H3,(H,3,4) Y Kod: QTBSBXVTEAMEQO-UHFFFAOYSA-N Y
Svojstva
Molekulska formula	C2H4O2
Molarna masa	60.05 g mol−1
Agregatno stanje	bezbojna tečnost
Miris	slično sirćetu
Gustina	1,049 g cm-3
Tačka topljenja	16-17 °C, 289-290 K, 61-62 °F
Tačka ključanja	118-119 °C, 391-392 K, 244-246 °F
Rastvorljivost u vodi	meša se
log P	-0.322
pKa	4.76
Baznost (pKb)	9.198
Indeks prelamanja (nD)	1,371
Viskoznost	1,22 mPa s
Dipolni moment	1,74 D
Termohemija
Standardna entalpija stvaranja jedinjenja ΔfHo298	-483,88--483,16 kJ mol-1
Std entalpija sagorevanja ΔcHo298	-875,50--874,82 kJ mol-1
Standardna molarna entropija So298	158,0 J K-1 mol-1
Specifični toplotni kapacitet, C	123,1 J K-1 mol-1
Opasnost
EU-klasifikacija	C
EU-indeks	607-002-00-6
NFPA 704	2 3 0
R-oznake	R10, R35
S-oznake	(S1/2), S23, S26, S45
Tačka paljenja	40 °C
Tačka spontanog paljenja	427 °C
Eksplozivni limiti	4-16%
LD50	3,31 g kg-1, oralno (pacov)
Srodna jedinjenja
Srodna karboksilne kiseline	Mravlja kiselina Propionska kiselina
Srodna jedinjenja	Acetaldehid Acetamid Acetni anhidrid Acetonitril Acetil hlorid Etanol Etil acetat Kalijum acetat Natrijum acetat Tioacetatna kiselina
Y (šta je ovo?)   (verifikuj) Ukoliko nije drugačije napomenuto, podaci se odnose na standardno stanje (25 °C, 100 kPa) materijala
Infobox references

Jedna je od najjednostavnijih organskih kiselina. Disosuje u vodenom rastvoru ali daje relativno malo protona. Ima široku primenu u industriji kao primarna sirovina za proizvodnju drugih organskih jedinjenja, u širokoj je upotrebi kao hemijski reagens i rastvarač, a koristi se i u domaćinstvima u razblaženim oblicima kao agens za uklanjanje kamenca. U prehrambenoj industriji koristi se kao aditiv za regulaciju kiselosti i pojavljuje se pod oznakom E260.

Godišnje potrebe za ovom kiselinom su oko 6,5 miliona tona, od čega se oko 1,5 tona zadovoljava recikliranjem dok se ostatak dobija iz bioloških i petrohemijskih izvora.

Sirćetna kiselina je trivijalni naziv koji je u najširoj upotrebi i prisutan je posebno u literaturi koja nije direktno vezana za organsku hemiju. Acetatna kiselina je naziv koji priznat od IUPAC koji je takođe dosta korišćen naročito zbog direktne asocijacije sa solima ove kiseline - acetatima. Potiče od latinske reči acetum za sirće. Sistemsko ime je etanska kiselina ali se ovaj naziv izuzetno retko koristi osim za objašnjenja nomenklature i u nazivima derivata. Glacijalna sirćetna kiselina je takođe trivijalan naziv koji se koristi za bezvodan, kristalni oblik kiseline koji se javlja na temperaturima ispod 16,5 °C.

Skraćeni oblik zapisivanja sirćetne kiseline je AcOH, gde je Ac acetatna grupa (CH₃C(=O)-). Ovakav način prikazivanja je praktičan jer ističe reaktivni centar jedinjenja. Drugi vidovi prikaza, kao što je prikaz kiselog eksplicitnog vodonika uz zamenu celog acetatnog anjona sa Ac (AcH), nisu pravilni i stvaraju zabunu. Sve navedene varijante su prihvatljive uglavnom u organskoj hemiji, jer je oznaka Ac po standardu rezervisana za element aktinijum, te se njena upotreba u opštoj i neorganskoj hemiji izbegava.

Empirijska formula sirćetne kiseline je CH₂O a kondenzovani oblik molekulske formule C₂H₄O₂. Ovaj oblik molekulske formule je stehiometrijski pravilan ali se primarno koriste eksplicitniji oblici koji bolje reflektuju strukturu molekula: CH₃-COOH, CH₃COOH, CH₃CO₂H.

Sirće je staro koliko i sama civilizacija, ako ne i starije. Bakterije koje proizvode sirćetnu kiselinu su rasprostranjene širom sveta, te se svaka kultura koja se bavila pravljenjem piva i vina neumitno susretala i sa sirćem koje bi nastajalo nakon produženog izlaganja ovih napitaka vazduhu.

Upotreba sirćetne kiseline u hemijskim tradicijama je takođe veoma stara. U trećem veku pre nove ere, grčki filozof Teofrast je opisao dejstvo sirćeta na metale u dobijanju brojnih pigmenata korisnih u umetnosti, kao što su belo olovo (olovo-acetat) i patina, smeša soli bakra koja uključuje i bakar(II)-acetat. Stari Rimljani su praktikovali kuvanje ukišeljenog vina u olovnim posudama u svrhu dobijanja veoma slatkog sirupa koji su nazivali sapa. Sapa je bila bogata olovo-acetatom, slatkom supstancom koja se još nazivala i olovnim šećerom ili šećerom Saturna, a njena upotreba bila je jedan od vodećih uzroka trovanja olovom među rimskom aristokratijom. Persijski alhemičar Jabir ibn Hajan, poznatiji pod imenom Geber, je u 8. veku koncentrovao acetatnu kiselinu destilacijom sirćeta.

Tokom renesanse, glacijalna sirćetna kiselina je proizvođena destilacijom na suvo metalnih acetata. U 16. veku nemački alhemičar Andreas Libavijus je opisao ovaj postupak i dao poređenje glacijalne sirćetne kiseline sa sirćetom. Naime, prisustvo vode u sirćetu uslovljava veliku pojavnu razliku između ova dva vida acetatne kiseline što je dugo vremena održavalo zabludu u hemijskim krugovima da su ovo zapravo dve potpuno različite supstance. Ovo verovanje prestaje u 18. veku sa dokazom francuskog hemičara Pjera Adea da se zapravo radi o istom jedinjenju.

1847. nemački hemičar Herman Kolbe je uspešno sintetisao sirćetnu kiselinu iz neorganskih prekursora. Sekvenca reakcija se sastojala od hlorovanja ugljenik-disulfida do ugljeniktetrahlorida, zatim pirolize do tetrahloretena, hlorovanja u vodenom rastvoru do tetrahloretanske kiseline i naknadne elektrolitičke redukcije do acetatne kiseline. Ova sinteza, zajedno sa Volerovom revolucionarnom sintezom uree iz neorganskih supstanci, predstavlja ujedno i jedan od poslednjih udaraca vitalističkim tradicijama u hemiji.

Do 1910. najveći deo sirćetne kiseline se dobijao iz „pirolignitnog likvora“ dobijenog destilacijom drveta. Na ovaj preparat bi se delovalo gašenim krečom, a iz rezultujućeg kalcijum-acetata bi se sulfatnom kiselinom istiskivala sirćetna kiselina. U ovom periodu, Nemačka je proizvodila oko 10.000 tona glacijalne sirćetne kiseline godišnje, od čega se oko 30% upotrebljavalo u proizvodnji indigo boja.

Kiselost

Sirćetna kiselina je slaba monoprotična kiselina sa konstantom aciditeta od 4,8. Kiselost potiče od kiselog vodonika karboksilne grupe koji se može otpustiti pri čemu nastaje acetatni anjon - konjugovana baza sirćetne kiseline. Jednomolarni rastvor ove kiseline ima pH od oko 2,4 što ukazuje da je konstanta disocijacije tek oko 0,4%, odnosno da tek taj procenat molekula zapravo otpušta proton.

Dimerizacija

 

Kristalna struktura sirćetne kiseline pokazuje da se molekuli uparuju u ciklične dimere povezane vodoničnom vezom. Dimere je moguće uočiti i u gasnoj fazi pri temperaturi od 120 °C. Dimeri se pojavljuju i u tečnoj fazi u rastvorima sa rastvaračima kod kojih se ne obrazuju vodonične veze, a u izvesnom stepenu i u čistoj kiselini, dok dimerizaciju ometaju rastvarači kao što je voda kod koje se obrazuju vodonične veze. Entalpija disocijacije dimera se kreće u intervalu 65,0–66,0 kJ/mol, dok je entropija oko 154–157 J mol⁻¹ K⁻¹.. Ovakva svojstva dimerizacije su zajednička za većinu nižih karboksilnih kiselina.

Rastvarač

Tečna sirćetna kiselina je polaran hidrofilan protični rastvarač, po svojstvima blizak vodi i etanolu. Ima umerenu dielektričku konstantu od 6,2. što joj omogućava da rastvara ne samo neorganske soli već i brojna nepolarna jedinjenja kao što su ulja i neke elemente kao npr. sumpor i jod. Dobro se rastvara i u polarnim rastvaračima kao što je voda ali i u nepolarnim kao što su benzen i hloroform. Dobra rastvorljivost i povoljna svojstva rastvarača daju acetatnoj kiselini široku primenu u industriji.

Hemijske reakcije

Acetatna kiselina deluje korozivno na veliki broj metala, kao što su gvožđe, magnezijum i cink, pri čemu nastaju metalni acetati uz izdvajanje vodonika. Aluminijum je indiferentan na dejstvo acetatne kiseline jer se pri izlaganju kiseoniku iz vazduha presvlači tankim slojem aluminijum-oksida koji sprečava reakciju sa kiselinom. Iz ovog razloga, u transportu sirćetne kiseline mogu se upotrebljavati aluminijumske cisterne. Kao i sve kiseline, sa bazama, baznim oksidima i nekim konjugovanim bazama daje reakciju neutralizacije. Sa izuzetkom hrom-acetata, gotovo svi acetati su rastvorni u vodi.

Mg_(s) + CH₃COOH_(aq) → Mg(CH₃COO)_2(aq) + H_{2 (g)}
HCO₃^- + CH₃COOH ⇌ CH₃COO^- + H₂O + CO₂

Sirćetna kiselina podleže i svim reakcijama karakterističnim za karboksilne kiseline. Njenom redukcijom dobija se etanol a nukleofilnim acilnom supstitucijom moguće je dobiti derivate kao što su etanoil-halogenidi koji se dalje mogu koristiti u reakcijama kao što je Fridel-Kraftsovo acilovanje. Drugi važni derivati su anhidrid sirćetne kiseline čijom hidrolizom se dobijaju dva molekula kiseline, te brojni estri (koji se mogu dobiti Fišerovom esterifikacijom) i amidi. Na temperaturama iznad 440 °C dolazi do degradacije kiseline pri čemu se dobijaju metan i ugljenik(IV)-oksid ili keten i voda.

Dokazne reakcije

U kvalitativnoj analizi, sirćetna kiselina se primarno dokazuje preko karakterističnog mirisa. Većina dokaznih reakcija na acetate zasniva se na dobijanju sirćetne kiseline i dedektovanju mirisa. Reakcije se najčešće izvode na suvo, mešanjem acetata sa čvrstim kalijum-hidrogensulfatom u porculanskoj šolji. Mogu se izvoditi i iz rastvora, dejstvom razblažene sumporne kiseline, koja izdvaja sirćetnu.

Od reakcija bojenja, najviše se koristi reakcija iz rastvora u semimikro postupku sa gvožđe(III)-hloridom, pri čemu se formira mrko-crveno jedinjenje čija se boja gubi dodatnim zakišeljavanjem. Prisustvo anjona treće analitičke grupe, npr. oksalata ili tartarata može da dovede do lažno pozitivne reakcije.

Acetatna grupa, izvedena iz sirćetne kiseline, esencijalna je za biohemiju većine oblika života. Vezana za koenzim A, predstavlja centar metabolizma ugljenih hidrata i masti. Ipak, koncentracija slobodnog oblika sirćetne kiseline u organizmu svedena je na minimum radi izbegavanja poremećaja u regulaciji kiselosti celularnog sadržaja. Za razliku od viših karboksilnih kiselina (prvenstveno masnih kiselina), acetatna kiselina se ne pojavljuje u prirodnim trigliceridima. Međutim, veštački triglicerid triacetin je široko upotrebljavan prehrambeni aditiv, koristi se i u kozmetičkim proizvodima kao i u topikalnim preparatima u farmaciji.

Sirćetnu kiselinu proizvode i izlučuju neke bakterije, najpoznatije od kojih su pripadnice roda Acetobacter uz Clostridium acetobutylicum. Ove bakterije su široko rasprostranjene u hrani, vodi i zemljištu, i sirćetna kiselina prirodno nastaje prilikom kvarenja voća i druge hrane. Acetatna kiselina je takođe i komponenta prirodnog vaginalnog lubrikanta koji se izlučuje kod ljudi i drugih primata, gde se čini da igra ulogu blagog antibakterijskog agensa.

Sirćetna kiselina se proizvodi kako sintetičkim metodama tako i bakterijskom fermentacijom. Danas se biološkim putem dobija tek oko 10% svetske proizvodnje, ali ovaj vid dobijanja i dalje ima veoma važnu ulogu u proizvodnji sirćeta, jer zakonske regulative velikog broja zemalja propisuju da sirće za upotrebu u ishrani mora da bude biološkog porekla. Najveći deo svetskih potreba za acetatnom kiselinom se podmiruje sintetički, i to čak 75% samo procesom karboksilacije metanola, uz manju zastupljenost drugih metoda koje daju oko 15% ukupno proizvedene količine na godišnjem nivou.

Godišnje se proizvede oko 5 miliona tona kiseline, dok se oko 1,5 miliona tona dobija reciliranjem, dajući ukupnu veličinu tržišta od oko 6,5 miliona tona na godišnjem nivou. Najveći deo se proizvodi u SAD (2,5 Mt/a), zatim u Evropi (1 Mt/a) i u Japanu (0,7 Mt/a). Evropska proizvodnja sirćetne kiseline je u opadanju.

Karboskilacija metanola

Najveći deo novih zaliha sirćetne kiseline se proizvodi u procesu karboksilacije metanola, pri čemu se metanol sjedinjuje sa ugljenik(II)-oksidom dajući acetatnu kiselinu u skladu sa reakcijom:

CH₃OH + CO → CH₃COOH

Proces obuhvata jodmetan kao intermedijer, i odvija se u tri koraka, pri čemu obično zahteva katalizator u vidu metalnog kompleksa:

1. CH₃OH + HI → CH₃I + H₂O
2. CH₃I + CO → CH₃COI
3. CH₃COI + H₂O → CH₃COOH + HI

Modifikovanjem reakcionih uslova, iz istog postrojenja se može dobiti i anhidrid sirćetne kiseline. Kako su i metanol i ugljen-monoksid široko dostupni reagensi, karboksilacija metanola se dugo vremena činila odličnim metodom proizvodnje sirćetne kiseline. Henri Drajfus je radeći za Britiš Celanezi kompaniju dao planove za potencijalno postrojenje za proizvodnju već davne 1925. godine. Međutim, nedostatak praktičnih materijala u kojima bi se reakciona smeša izlagala uslovima ekstremnog pritiska (preko 200 atm) i dejstvu korozivnog proizvoda, usporila je razvoj ovog procesa na industrijskom nivou. Prvo komercijalno postrojenje, koje je koristilo kobaltni katalizator, otvorila je nemačka kompanija BASF 1963. godine. 1968. otkriven je rodijumski katalizator (cis−[Rh(CO)₂I₂]⁻) koji je omogućio odvijanje reakcije pri znatno nižem pritisku i uz minimalan udeo sporednih proizvoda. Prvo postrojenje koje je koristilo ovaj katalizator izgradila je američka kompanije Monsanto 1970. godine, a ovaj metod proizvodnje (nazvan Monsanto proces) je u kasnijim godinama dobio primat u odnosu na sve druge. U kasnim 90-tim godinama prošlog veka, kompanija BP hemikalije razvila je tzv. Kativa katalizator ([Ir(CO)₂I₂]⁻) zasnovan na iridijumu i favorizovan rutenijumom, koji je omogućio veću efikasnost procesa i manju štetnost po okolinu. Danas je Kativa proces u velikoj meri zamenio Monsanto proces, uglavnom adaptacijom postojećih postrojenja za upotrebu drugog katalizatora.

Oksidacija acetaldehida

Pre komercijalizacije Monsanto procesa, glavni izvor sirćetne kiseline bio je proces oksidacije acetaldehida. Ovo je danas drugi po značaju proces, ali je sve više nekonkurentan karboksilaciji metanola. Acetaldehid je moguće dobiti npr. oksidacijom butana, ali su reakcioni uslovi redovno nedovoljno blagi sa selektivnu oksidaciju te se kao proizvod dobija sirćetna kiselina.

Zagrevanjem butana na vazduhu u prisustvu tragova različitih metalnih jona, primarno mangana, kobalta i hroma, dolazi do formiranja peroksida koji se zatim disproporcionira dajući acetatnu kiselinu prema reakciji:

2 C₄H₁₀ + 5 O₂ → 4 CH₃COOH + 2 H₂O

Reakcija se najčešće izvodi pri takvom pritisku i temperaturi da je reakciona smeša na što većoj temperaturi ali tako da butan ostane u tečnom stanju. Tipično se radi o oko 150 °C i 55 atm. Dobija se i nekoliko sporednih proizvoda, najviše butanona, mravlje kiseline, propionske kiseline i etil-acetata. Svi ovi sporedni proizvodi su od komercijalne vrednosti, pa se proces može modifikovati za povećanje njihovog prinosa, mada naknadno razdvajanje komponenata smeše proizvoda povećava proizvodne troškove.

Pri sličnim reakcionim uslovima i u prisustvu sličnih katalizatora, moguće je izvesti oksidaciju acetaldehida kiseonikom iz vazduha:

2 CH₃CHO + O₂ → 2 CH₃COOH

Upotrebom novijih generacija katalizatora, prinos sirćetne kiseline može biti i 95%, sa sporedenim proizvodima kao što su etil-acetat, mravlja kiselina i formaldehid, svi od kojih imaju niže tačke ključanja od sirćetne kiseline, te se lako mogu ukloniti destilacijom.

Oksidacija etanola

Acetaldehid može biti dobijen iz etena putem Vekerovog procesa, pa zatim oksidovan kao što je opisano gore. Nešto jeftiniji proces konverzije etena u acetatnu kiselinu u jednom koraku je skoro komercijalizovan od strane hemijske kompanije Showa Denko, koja je otvorila postrojenje za oksidaciju etanola u Japanu 1997. godine. Proces je katalizovan paladijumovim metalnim katalizatorom podržanim kiselinom kakva je tungostosilikonska kiselina. Veruje se da je ovaj postupak konkurentan sa karboksilacijom metanola za mala postrojenja (100–250 kt/a), zavisno od lokalne cene etena.

Portal Hemija

 

Sirćetna kiselina na Wikimedijinoj ostavi

• Internacionalna karta hemijske bezbednosti 0363
• National Pollutant Inventory - Acetic acid fact sheet
• NIOSH Pocket Guide to Chemical Hazards
• Method for sampling and analysis
• 29 CFR 1910.1000, Table Z-1 (US Permissible exposure limits)