Информационный кейс для 10-11 классов по химии "Уксусная кислота"

МБОУ СОШ № 2

Информационный кейс

на тему:

«Уксусная кислота».

                           Подготовила: учитель химии, ВК

                                                       Виноградова К.А.

                                                                Бугуруслан, 2015

История.

Уксус является продуктом брожения вина и известен человеку с давних времен. Первое упоминание о практическом применении уксусной кислоты относится к третьему веку до н. э. Греческий ученый Теофраст впервые описал действие уксуса на металлы, приводящее к образованию некоторых используемых в искусстве пигментов. Уксус применялся для получения «свинцовых белил», а также ярь-медянки (зелёной смеси солей меди, содержащей помимо всего ацетат меди). В Древнем Риме готовили специально прокисшее вино в свинцовых горшках. В результате получался очень сладкий напиток, который называли «сапа». «Сапа» содержала большое количество ацетата свинца — очень сладкого вещества, которое также называют «свинцовым сахаром» или «сахаром Сатурна». Высокая популярность «сапы» была причиной хронического отравления свинцом, распространенного среди римской аристократии. В VIII веке арабский алхимик Джабир ибн Хайян впервые получил концентрированную уксусную кислоту путем перегонки. Во времена Эпохи Возрождения уксусную кислоту получали путём возгонки ацетатов некоторых металлов (чаще всего использовался ацетат меди (II)) (при сухой перегонке ацетатов металлов получается ацетон, вполне промышленный способ до середины 20 века). Свойства уксусной кислоты меняются в зависимости от содержания в ней воды. В связи с этим многие века химики ошибочно считали, что кислота из вина и кислота из ацетатов являются двумя разными веществами. Идентичность веществ, полученных различными способами, была показана немецким алхимиком XVI века Андреа Либавиусом (нем. Andreas Libavius) и французским химиком Пьером Августом Адэ. В 1847 году немецкий химик Адольф Кольбе впервые синтезировал уксусную кислоту из неорганических материалов. Последовательность превращений включала в себя хлорирование сероуглерода до тетрахлорметана с последующим пиролизом до тетрахлорэтилена. Дальнейшее хлорирование в воде привело к трихлоруксусной кислоте, которая после электролитического восстановления превратилась в уксусную кислоту. В конце XIX — начале XX века большую часть уксусной кислоты получали перегонкой древесины. Основным производителем уксусной кислоты являлась Германия.

Вопрос 1: В каком году немецкий химик Адольф Кольбе впервые синтезировал уксусную кислоту из неорганических материалов?

А)1840      Б)1847     В)1850    Г)1857

Вопрос 2: Как зовут арабского алхимика, который в VIII веке впервые получил концентрированную уксусную кислоту путем перегонки?

А) Теофраст     Б) Пьер Август Адэ    В) Джабир ибн Хайян    Г) Адольф Кольбе

Вопрос 3: Какая страна являлась основным производителем уксусной кислоты?

А) Германия    Б) США    В)Россия   Г)Франция

Вопрос 4: Объясните что такое «свинцовый сахар» или «сахар Сатурна»?

Вопрос 5: Где готовили специально прокисшее вино в свинцовых горшках?

Получение.

В промышленности

Ранними промышленными методами получения уксусной кислоты были окисление ацетальдегида и бутана. Ацетальдегид окислялся в присутствии ацетата марганца (II) при повышенной температуре и давлении. Выход уксусной кислоты составлял около 95 % при температуре 50—60 °С.

Окисление н-бутана проводилось при температуре 150—200 °C и давлении 150 атм. Катализатором этого процесса являлся ацетат кобальта.

Оба метода базировались на окислении продуктов крекинга нефти. В результате повышения цен на нефть оба метода стали экономически невыгодными, и были вытеснены более совершенными каталитическими процессами карбонилирования метанола.

Каталитическое карбонилирование метанола.

Важным способом промышленного синтеза уксусной кислоты является каталитическое карбонилирование метанола моноксидом углерода, которое происходит по формальному уравнению:

Реакция карбонилирования метанола была открыта учеными фирмы BASF в 1913 году. В 1960 году эта компания запустила первый завод, производящий уксусную кислоту этим методом. Катализатором превращения служил йодид кобальта. Усовершенствованная реакция синтеза уксусной кислоты карбонилированием метанола была внедрена исследователями фирмы Monsanto в 1970 году. Это гомогенный процесс, в котором используются соли родия в качестве катализаторов, а также йодид-ионы в качестве промоторов. Важной особенностью метода является большая скорость, а также высокая селективность (99 % по метанолу и 90 % по CO). Этим способом получают чуть более 50 % всей промышленной уксусной кислоты. В процессе фирмы BP в качестве катализаторов используются соединения иридия.

Биохимический способ производства.

При биохимическом производстве уксусной кислоты используется способность некоторых микроорганизмов окислять этанол. Этот процесс называют уксуснокислым брожением. В качестве сырья используются этанолсодержащие жидкости (вино, забродившие соки), либо же просто водный раствор этилового спирта. Реакция окисления этанола до уксусной кислоты протекает при участии фермента алкогольоксидазы. Это сложный многоступенчатый процесс, который описывается формальным уравнением:

СН3СН2ОН + О2 → СН3СООН + Н2О

Гидратация ацетилена в присутствии ртути и двухвалентных солей ртути.

C2H2 + 2H2O → CH3COOH + H2↑

Вопрос 1: При какой температуре  проводилось окисление н-бутана?

А)90-100 °C            Б)100-150 °C            В)150—200 °C      Г)200-250°C

Вопрос 2: В каком году компания BASF запустила первый завод, производящий уксусную кислоту каталитическим карбонилированием метанола моноксидом углерода?   А)1940           Б)1950      В)1960      Г)1970

Вопрос 3:Выход уксусной кислоты при температуре 50—60 °С составлял около …?

А)25%     Б)55%    В)75%   Г)95%

Вопрос 4: При биохимическом производстве уксусной кислоты используется способность некоторых микроорганизмов окислять этанол. Как называется этот процесс?

Вопрос 5: Назовите ранние промышленные методы получения уксусной кислоты?

Физические свойства.

Уксусная кислота представляет собой бесцветную жидкость с характерным резким запахом и кислым вкусом. Гигроскопична. Неограниченно растворима в воде. Смешивается со многими растворителями; в уксусной кислоте хорошо растворимы неорганические соединения и газы, такие как HF, HCl, HBr, HI и другие. Существует в виде циклических и линейных димеров.

Абсолютная уксусная кислота называется ледяной, ибо при замерзании образует льдовидную массу.

§  Давление паров (в мм. рт. ст.):

§  10 (17,1 °C)

§  40 (42,4 °C)

§  100 (62,2 °C)

§  400 (98,1 °C)

§  560 (109 °C)

§  1520 (143,5 °C)

§  3800 (180,3 °C)

§  Относительная диэлектрическая проницаемость: 6,15 (20 °C)

§  Динамическая вязкость жидкостей и газов (в мПа·с): 1,155 (25,2 °C); 0,79 (50 °C)

§  Поверхностное натяжение: 27,8 мН/м (20 °C)

§  Удельная теплоёмкость при постоянном давлении: 2,01 Дж/г·K (17 °C)

§  Стандартная энергия Гиббса образования ΔfG0 (298 К, кДж/моль): −392,5 (ж)

§  Стандартная энтропия образования ΔfS0 (298 К, Дж/моль·K): 159,8 (ж)

§  Энтальпия плавления ΔHпл: 11,53 кДж/моль

§  Температура вспышки в воздухе: 38 °C

§  Температура самовоспламенения на воздухе: 454 °C

§  Теплота сгорания: 876,1 кДж/моль

Уксусная кислота образует двойные азеотропные смеси со следующими веществами:  четырёххлористый углерод, циклогексан, бензол, толуол, гептан, трихлорэтилен, этилбензол, о-ксилол, п-ксилол, бромоформ. Уксусная кислота образует тройные азеотропные смеси: с водой и бензолом (tкип 88 °C); с водой и бутилацетатом (tкип 89 °C).

Химические свойства.

Уксусная кислота обладает всеми свойствами карбоновых кислот. Связь между водородом и кислородом карбоксильной группы (−COOH) карбоновой кислоты является сильно полярной, вследствие чего эти соединения способны легко диссоциировать и проявляют кислотные свойства.

В результате диссоциации уксусной кислоты образуется ацетат-ион CH3COO− и протон H+. Уксусная кислота является слабой одноосновной кислотой со значением pKa в водном растворе равным 4,75. Раствор с концентрацией 1.0 M (приблизительная концентрация пищевого уксуса) имеет pH 2,4, что соответствует степени диссоциации 0,4 %. На слабой диссоциации уксусной кислоты в водном растворе основана качественная реакция на наличие солей уксусной кислоты: к раствору добавляется сильная кислота (например, серная), если появляется запах уксусной кислоты, значит, соль уксусной кислоты в растворе присутствует. Исследования показывают, что в кристаллическом состоянии молекулы образуют димеры, связанные водородными связями. Уксусная кислота способна взаимодействовать с активными металлами. При этом выделяется водород и образуются соли — ацетаты.

Mg(тв) + 2CH3COOH → (CH3COO)2Mg + H2  Уксусная кислота может хлорироваться действием газообразного хлора. При этом образуется хлоруксусная кислота.

CH3COOH + Cl2 → CH2ClCOOH + HCl  Этим путем могут быть получены также дихлоруксусная (CHCl2COOH) и трихлоруксусная (CCl3COOH) кислоты. Уксусная кислота вступает во все реакции, характерные для карбоновых кислот. Она может быть восстановлена до этанола действием алюмогидрида лития. Уксусная кислота также может быть превращена в хлорангидрид действием тионилхлорида. Натриевая соль уксусной кислоты декарбоксилируется при нагревании со щелочью, что приводит к образованию метана.

Вопрос 1: С чем уксусная кислота образует двойные азеотропные смеси?

А) с водой       Б) с бензолом     В) с водой и бензолом   Г) с водой и бутилацетатом

Вопрос 2: Как называется абсолютная уксусная кислота?

А) ледяная     Б) ледянистая    В) лед     Г) льдинка

Вопрос 3: Способна ли уксусная кислота взаимодействовать с активными металлами?   А) Да    Б) Нет

Вопрос 4: Какие неорганические соединения и газы хорошо растворимы в уксусной кислоте?

Вопрос 5: Что образуется в результате диссоциации уксусной кислоты?

Применение.

Уксусную кислоту применяют для получения лекарственных и душистых веществ, как растворитель (например, в производстве ацетата целлюлозы), в виде столового уксуса при изготовлении приправ, маринадов, консервов. Водный раствор уксусной кислоты используют в качестве вкусового и консервирующего средства (приправа к пище, маринование грибов, овощей). В состав уксуса входят такие кислоты, как яблочная, молочная, аскорбиновая, уксусная.

Яблочный уксус( 4% уксусной кислоты ). Яблочный уксус содержит 20 важнейших минеральных веществ и микроэлементов, а также уксусную, пропионовую, молочную и лимонную кислоты, целый ряд ферментов и аминокислот, ценные балластные вещества, такие, как поташ, пектин. Яблочный уксус широко применяется при приготовлении различных блюд и консервировании. Он прекрасно сочетается со всевозможными салатами, как из свежих овощей, так и мясными и рыбными. В нем можно мариновать мясо, огурцы, капусту, каперсы, портулак, а также трюфели. Однако, на Западе яблочный уксус известен больше своими лечебными свойствами. Он применяется при повышенном кровяном давлении, мигренях, астме, головной боли, алкоголизме, головокружении, артрите, болезнях почек, высокой температуре, ожогах, пролежнях и др. Здоровым людям рекомендуется каждый день употреблять полезный и освежающий напиток: в стакане воды размешать ложку меда и добавить 1 ложку яблочного уксуса. Желающим похудеть, рекомендуем каждый раз во время еды выпивать стакан несладкой воды с двумя ложками яблочного уксуса. Уксус широко используется в домашнем консервировании для приготовления маринадов различной крепости.  В народной медицине уксус используется как неспецифическое жаропонижающее средство (путем протирания кожи раствором воды и уксуса в пропорции 3:1), а также при головных болях методом примочек. Распространено применение уксуса при укусах насекомых посредством компрессов. Известно применение спиртового уксуса в косметологии. А именно для придания мягкости и блеска волосам после химической завивки и перманентной окраски. Для этого волосы рекомендуется ополаскивать теплой водой с добавлением спиртового уксуса (на 1 литр воды - 3-4 ложки уксуса).

Уксус виноградный (4% уксусной кислоты). Виноградный уксус широко используется ведущими поварами не только Словении, но и всего мира. В Словении его традиционно используют при приготовлении различных овощных и сезонных салатов (2-3 ст. ложки на салатницу), т.к. он придает неповторимый и изысканный вкус блюду. Также виноградный уксус прекрасно сочетается с различными рыбными салатами и блюдами из морских продуктов. При приготовлении шашлыков из различных сортов мяса, но особенно из свинины, виноградный уксус просто незаменим.

Уксусная кислота применяется также для производства лекарственных средств. Таблетки Аспирина (ЭС) содержат активный ингредиент ацетилсалициловую кислоту, которая представляет собой уксусный эфир салициловой кислоты. Ацетилсалициловая кислота производится путём нагревания салициловой кислоты с безводной уксусной кислотой в присутствии небольшого количества серной кислоты (в качестве катализатора). При нагревании с гидроксидом натрия (NaOH) в водном растворе ацетилсалициловая кислота гидролизуется до салицилата натрия и ацетата натрия. При закислении среды салициловая кислота выпадает в осадок и может быть идентифицирована по температуре плавления (156-1600С). Другим методом идентификации салициловой кислоты, образующейся при гидролизе, является окрашивание её раствора в тёмно-фиолетовый цвет при добавлении хлорида железа (FeCl3). Уксусная кислота, присутствующая в фильтрате, превращается при нагревании с этанолом и серной кислотой в этоксиэтанол, который можно легко распознать по его характерному запаху. Кроме того, ацетилсалициловая кислота может быть идентифицирована при помощи различных хроматографических методов. Ацетилсалициловая кислота кристаллизуется с образованием бесцветных моноклинных многогранников или игл, немного кислых на вкус. Они стабильны в сухом воздухе, однако во влажной среде постепенно гидролизуются до салициловой кислоты и уксусной кислоты (Leeson и Mattocks, 1958; Stempel, 1961). Чистое вещество представляет собой белый кристаллический порошок, почти не обладающий запахом. Запах уксусной кислоты свидетельствует о том, что вещество начало гидролизоваться. Ацетилсалициловая кислота подвергается эстерификации под действием щелочных гидроксидов, щелочных бикарбонатов, а также в кипящей воде. Ацетилсалициловая кислота оказывает противовоспалительное, жаропонижающее, а также болеутоляющее действие, и ее широко применяют при лихорадочных состояниях, головной боли, невралгиях и др. и в качестве противоревматического средства.

Уксусная кислота используется в и химической промышленности (производство ацетилцеллюлозы, из которой получают ацетатное волокно, органическое стекло, киноплёнку; для синтеза красителей, медикаментов и сложных эфиров), в производстве негорючих пленок, парфюмерных продуктов, растворителей, при синтезе красителей, лекарственных веществ, например, аспирина . Соли уксусной кислоты используют для борьбы с вредителями растений.

Вопрос 1: Где уксус виноградный используют при приготовлении различных овощных и сезонных салатов?

Вопрос 2: В качестве чего используют водный раствор уксусной кислоты?

Вопрос 3: В народной медицине уксус используется как  жаропонижающее средство? А) Да    Б) Нет

Вопрос 4: Ацетилсалициловая кислота производится путём нагревания салициловой кислоты с безводной уксусной кислотой в присутствии небольшого количества … кислоты (в качестве катализатора)?

А) уксусной        Б) серной         В) молочной       Г) аскорбиновой

Вопрос 5: Соли уксусной кислоты используют для борьбы с …?

Вопрос 6: Для чего применяется  спиртовой уксус в косметологии?

Безопасность.

Пары уксусной кислоты раздражают слизистые оболочки верхних дыхательных путей. Порог восприятия запаха уксусной кислоты в воздухе находится в районе 0,4 мг/л. ПДК в атмосферном воздухе составляет 0,06 мг/м³, в воздухе рабочих помещений — 5 мг/м³. Действие уксусной кислоты на биологические ткани зависит от степени её разбавления водой. Опасными считаются растворы, в которых концентрация кислоты превышает 30 %.

Концентрированная уксусная кислота способна вызывать химические ожоги, инициирующие развитие коагуляционных некрозов прилегающих тканей различной протяженности и глубины. Токсикологические свойства уксусной кислоты не зависят от способа, которым она была получена. Смертельная доза составляет примерно 20 мл.

Последствиями приёма концентрированной уксусной кислоты являются тяжёлый ожог слизистой оболочки полости рта, глотки, пищевода и желудка; последствия всасывания уксусной эссенции — ацидоз, гемолиз, гемоглобинурия, нарушение свёртываемости крови, сопровождающееся тяжёлыми желудочно-кишечными кровотечениями. Характерно значительное сгущение крови из-за потери плазмы через обожжённую слизистую оболочку, что может вызвать шок. К опасным осложнениям отравления уксусной эссенцией относятся острая почечная недостаточность и токсическая дистрофия печени. При приёме уксусной кислоты внутрь следует выпить большое количество жидкости. Вызов рвоты является крайне опасным, так как вторичное прохождение кислоты по пищеводу усугубит ожог. Показано промывание желудка через зонд. Необходима немедленная госпитализация.

Вопрос 1: Опасными считаются растворы, в которых концентрация кислоты превышает …?   А) 5%     Б) 10%    В) 20%     Г) 30%

Вопрос 2: Смертельная доза составляет примерно…?

А) 3 мл          Б) 5 мл        В) 10 мл       Г) 20 мл

Вопрос 3: Верно, или нет, что концентрированная уксусная кислота способна вызывать химические ожоги?  А) Да   Б) Нет

Вопрос 4: Последствиями приёма концентрированной уксусной кислоты являются…?

Вопрос 5: К опасным осложнениям отравления уксусной эссенцией относятся…?