Синтез уксуснокислого натрия

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Для исследования была выбрана соль уксусной кислоты ацетат натрия (CH₃COONa) или уксуснокислый натрий. Ацетат натрия обладает свойствами интересными для изучения, при этом они изучены мало. Уксуснокислый натрий распространен достаточно широко. Это вещество широко используемся в различных сферах жизнедеятельности человека, а также в природе. Например, CH₃COONa входит в состав животной клетки, используется в промышленности (добавка для бетона), в грелках и обогревателях, как добавка для красителей, - в хлебобулочной промышленности и в других областях. Поэтому целью работы явилось изучение ацетата натрия. При этом рассматривались следующие вопросы: физико-химические свойства, кристаллизация, качественные реакции и применения уксуснокислого натрия в сферах жизнедеятельности.

1. История открытия ацетата натрия

уксуснокислый натрий химический

Ацетат натрия, также как уксусная кислота известны людям с древности.

Об уксуснокислом натрии, со страниц истории, мы знаем достаточно мало, но можно сделать предположение о человеке, который синтезировал это вещество. Для этого обратимся к истории открытия уксусной кислоты. Уксус является продуктом брожения вина и известен человеку с давних времен.

Первое упоминание о практическом применении уксусной кислоты относится к III 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.[1]

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 XX 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 Андреасом Либавиусом (нем. Andreas Libavius) и французским химиком Пьером Огюстом Аде.[8]

Имя немецкого ученого Адольфа Кольбе напрямую связано с синтезом уксусной кислоты.

В 1847 году он 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. А. Кольбе изучал свойства физические и химические свойства уксусной кислоты, а также применение ее в жизнедеятельности. Поэтому можно сделать вывод, что Адольф Кольбе синтезировал соль уксусной кислоты - ацетат натрия.[9]

2. Строение молекулы ацетата натрия

В молекулу ацетата натрия входят три атома водорода (на изображении выделены серым цветом), два атома углерода (черного цвета), один из которых связан с атомом кислорода двойной связью, два атома кислорода (красного цвета) и атом натрия (синего цвета)[18]

По строению молекулы ацетата натрия можно сделать вывод, что вещество относится к классу солей.

Линейный пример строения молекулы ацетата натрия:

[7]

3. Физические свойства ацетата натрия

Внешний вид: бесцветные моноклинные кристаллы:

Молекулярная масса (в а.е.м.): 82,03

Температура плавления (в °C): 324

Плотность: 1,528 (20°C, г/см3)

Показатель диссоциации: pKa (1) = 24 (20 C, вода)

Ацетат натрия представляет собой бесцветное кристаллическое вещество, обладающее слабым запахом уксусной кислоты. Кристаллы его малорастворимые в спирте и эфире, но хорошо растворяются в воде, образуя раствор ацетата натрия. Не горят, обладают низкой токсичностью. Стандартная энтальпия образования ДH (298 К, кДж/моль): -709,32 (т) Стандартная энергия Гиббса образования ДG (298 К, кДж/моль): -607,7 (т) Стандартная энтропия образования S (298 К, Дж/моль·K): 123,1 (т) Стандартная мольная теплоемкость C_p (298 К, Дж/моль·K): 79,9 (т) Энтальпия плавления ДH_пл (кДж/моль): 18

При температуре 123,4°С плавится в своей кристаллизационной воде.[2]

4.Определение подлинности ацетата натрия

Для определения подлинности вещества мною были проведены следующие опыты:

1. Реакция на ион натрия (Na⁺) Сухая реакция. Вношу соль натрия, в пламя спиртовки, оно окрашивается в желтый цвет с кирпичным оттенком. [20]

2. Реакция на CH₃COO^-

Первый способ:

Приливаю к раствору вещества немного серной кислоты. Для ускорения реакции, слегка подогреваю пробирку на пламени спиртовки. Осторожно нюхаю. Запомните, что нельзя нюхать непосредственно содержимое пробирки, надо как бы «гнать» к себе воздух движениями руки над ее срезом. Если это был ацетат натрия, вы должны почувствуем характерный запах уксуса. Дело в том, что серная кислота, как гораздо более сильная, вытесняет слабую уксусную кислоту из ее соли: H₂SO₄ + 2CH₃COONa = Na₂SO₄ + 2CH₃COOH[14]

Второй способ:

Приливаю к раствору вещества любую растворимую соль трехвалентного железа (например, FeCl₃). Если там содержался ацетат-ион, раствор тут же примет красно-коричневую окраску. При дальнейшем нагревании из-за произошедшего гидролиза выпадет темно-бурый осадок гидроксида железа Fe(OH)₃.

3CH₃COONa+FeCl₃+3H₂O> Fe(OH)₃v+3CH₃COOH+3NaCl[12]

На фотографии мы отчетливо видим красно-коричневый цвет раствора, значит можно сделать вывод, что исходная соль - соль уксусной кислоты.

5. Общие основы получения ацетата натрия

В лабораторных условиях ацетат натрия получают при взаимодействии уксусной кислоты, например, с карбонатом натрия, гидрокарбонатом натрия или гидроксидом натрия.

CH₃COO^-+H⁺ + Na⁺+HCO₃^? > CH₃COO^? +Na⁺ + H₂O + CO₂.

CH₃COO^-+H⁺+Na⁺+OH^-> CH₃COO^-+Na⁺+H₂O[17]

Это -- хорошо известная реакция «гашения» пищевой соды и винного уксуса.

В результате нее образуется ацетат натрия и угольная кислота, являющаяся крайне нестойким соединением, которое практически сразу разлагается на воду и углекислый газ. Поэтому вполне можно сказать, что в результате взаимодействия уксусной кислоты и питьевой соды образуется водный раствор ацетата натрия, из которого можно получить кристаллическую форму этого вещества путем выпаривания.

Реакция уксусной кислоты с карбонатом (или гидрокарбонатом) натрия, самый быстрый и выгодный способ получения ацетата натрия.

Так же в лабораторных условиях ацетат натрия можно получить при добавлении гидроксида натрия к метиловому эфиру уксусной кислоты:

СН3-СОО-CH2-CH3+NaOH>CH3COONa+C2H5OH

В промышленности ацетата натрия получают путем сухой перегонки древесины. При перегонке получают метиловый спирт (CH₃OH), а далее происходит каталитическое карбонилирование метанола моноксидом углерода:

CH₃OH+CO>CH₃COOH

Катализатором превращения служит йодид кобальта. Метод заключается в барботаже монооксида углерода при температуре 180°С и давлениях 200--700 атм через смесь реагентов. Выход уксусной кислоты составляет 90 % по метанолу и 70 % по СО. Далее получают ацетат натрия путем добавления к уксусной кислоте едкого натра [13]

6. Химические свойства ацетата натрия.

Ацетат натрия может быть использован для образования эфира с алкилгалогенидами, такими как, например, бромэтан:

H₃C-COONa + Br-CH₂-CH₃ > H₃C-COO-CH₂-CH₃ + NaBr[6]

При сильном нагревании (более 324 °C) ацетат натрия разлагается на карбонат натрия и ацетон:

2СН₃СOONa >Na₂CO₃ + CH₃COCH₃[16]

Одновременно может проходить разложение до оксида натрия, ацетона и диоксида углерода:

2СН₃СOONa > Na₂O + CO₂ + CH₃COCH₃

При нагревании смеси ацетата натрия и гидроксида натрия выделяется метан:

CH₃COONa+NaOH> CH₄^+Na₂CO₃[10]

При взаимодействии ацетата натрия с галогенопроизводными углеводородов образуется эфир

CH₃COONa + CH₃I>СH₃COOCH₃+NaI

Полученный раствор является коллоидным, то есть это дисперсная система между истинным раствором и взвесями. Для получившихся веществ запишем мицеллу отрицательного золя:

{(CH₃COOCH3)_nnI^-pCH₃⁺}^(n-p)-(n-p)Na⁺

Реакция с сильными неорганическими кислотами:

H₂SO₄ + 2CH₃COONa> Na₂SO₄ + 2CH₃COOH [5]

7. Кристаллизация ацетата натрия. Исследование кристаллов на приборе NanoEducator LE

Ацетат натрия CH₃COONa·3H₂O представляет собой бесцветные кристаллы, легко растворимые в воде. Как видно из формулы, соль образует кристаллогидрат с тремя молекулами воды. [15]

Для изучения ацетата натрия нами были выращены его кристаллы.

Методика работы:

Кристаллогидрат ацетата натрия осторожно нагреваем - он расплавляется¹. Но это плавление не совсем обычное - соль растворяется в собственной кристаллогидратной воде. При охлаждении такой раствор застывает, превращаясь в белую массу, похожую на лед - произойдет кристаллизация, которая к тому же сопровождается

значительным выделением тепла.

Подобным образом ведут себя и некоторые другие соли, например - хромокалиевые квасцы KCr(SO₄)₂·12H₂O. Для сравнения с кристаллами ацетата натрия также был выращен кристалл сульфата(III) хрома-калия. (более подробная информация по сравнению кристаллов приложена далее) Однако ацетат натрия склонен образовывать пересыщенные растворы - т.е. растворы, которые содержат вещества больше, чем может раствориться при данной температуре. Если твердый ацетат натрия (с небольшими добавками воды) нагреть на водяной бане в закрытой колбе, он постепенно расплавится, образуя насыщенный раствор. Насыщенный - при температуре горячей водяной бани.

1Перед плавлением в колбу с твердым ацетатом натрия нужно добавить немного воды. Если в растворе будет слишком мало воды, то при охлаждении раствор ацетата натрия начнет кристаллизоваться еще горячим (т.е. холодный пересыщенный раствор не образуется). В некоторых случаях наблюдается неполное плавление (растворение) соли: часть кристаллов останется, несмотря на нагревание. [1]

Теперь снимем колбу с водной бани и оставим охлаждаться. Раствор постепенно остынет до комнатной температуры, растворимость соли значительно понизится, но кристаллизации не произойдет - образуется пересыщенный раствор. В закрытой колбе пересыщенный раствор может храниться днями, неделями, месяцами и даже годами. Но когда мы вносим ранее приготовленную затравку - небольшой кристаллик ацетата натрия - и сразу же произойдет кристаллизация. Итак, проведем эксперимент.

Ход работы:

Возьмем колбу на 200-300 мл и насыпаем в нее ацетат натрия CH₃COONa·3H₂O - приблизительно на 2/3 объема. Добавляем примерно 7-10 мл дистиллированной воды. При этом стараемся смыть вниз кристаллы, прилипшие к горлышку колбы. Колбу плотно закрываем резиновой или корковой пробкой и ставим на водяную баню. По мере того, как вода будет нагреваться, ацетат натрия начнет растворяться в собственной кристаллизационной воде. Аккуратно перемешиваем содержимое колбы. Необходимо добиться полного растворения соли - чтобы внутри колбы не осталось кристаллов. Если на поверхности раствора образуется пленка или в нем плавают кристаллы, которые не желают растворяться - тогда открываем колбу и добавляем немного воды (примерно 5-10 мл). После полного растворения соли снимите колбу с водяной бани и дайте ей остыть до комнатной температуры. Этот процесс можно ускорить, поставив

колбу под струю холодной воды.

В результате эксперимента мы приготовили перенасыщенный раствор ацетата натрия. Добавили затравки в раствор. В месте, где затравки попали на поверхность раствора, началась быстрая кристаллизация. Весь раствор в колбе за несколько секунд превратился в белую массу, похожую на лед. Затвердеет даже пленка раствора на стенках колбы - образуя подобие морозных узоров. Колбу можно перевернуть вверх дном - из нее не вытечет ни капли. За счет тепла кристаллизации колба нагреется, в чем могут убедиться все желающие. Это явление используют в "соляных грелках" (о которых упоминается далее). Иногда кристаллизация начинается в момент открытия колбы - к пробке могли прилипнуть кристаллики, которые при ее открытии падают в раствор. Роль затравки могут играть не только кристаллы ацетата натрия, но и пыль или другие посторонние частицы, при этом нужно содержать чистоту.

Результаты опыта мы видим на фотографии.

Исследование кристаллов на приборе NanoEducator LE

На изображении мы видим образование кристаллов ацетата натрия. В основу легла реакция взаимодействия карбоната натрия и уксусной кислоты. При реакции выделяется большое количество углекислого газа (на изображении черные круги).

Уравнение реакции:

Na₂СO₃+ +2CH₃COOH>2CH₃COONa+H₂O+CO₂

Мы видим центры кристаллизации ацетата натрия. Затемнено, изображены кристаллы более многослойные.

8. Распространение ацетата натрия в природе

Ацетат натрия распространен в природе. Его можно встретить в составе растительных и животных клеток. А именно во внеклеточной жидкости. Основная функция внеклеточной жидкости -- обеспечение клеток питательными веществами и удаление продуктов обмена. Поддержание нормального объема внеклеточного пространства, особенно внутрисосудистой жидкости, чрезвычайно важно для нормального функционирования организма. Натрий -- основной катион и осмотически активный компонент внеклеточной жидкости, поэтому именно концентрация натрия определяет объем внеклеточной жидкости. Следовательно, изменения объема внеклеточной жидкости сопряжены с изменениями общего содержания натрия в организме, что, в свою очередь, определяется поступлением натрия в организм, его экскрецией почками и внепочечными потерями. Многие из фруктов наряду с природными кислотами содержат ацетат натрия. Кроме того, соединение образуется во время бактериальной ферментации, в связи с этим его можно найти в кисломолочной продукции.[7]

9. Области применения

Ацетат натрия активно используется в производстве пищевых продуктов, так как он добавляется в муку для защиты изделия от так называемой “картофельной болезни”. Кроме этого, пищевая добавка под номером Е262 добавляется в консервы из овощей благодаря свойствам смягчителя насыщенного вкуса уксусной кислоты. Часто применяется вещество при производстве чипсов, в результате чего продукт обретает приятные вкусовые и ароматические характеристики. Однако лидером в сфере применение ацетата натрия является хлебобулочная промышленность. [4]

Раствор ацетата натрия и уксусная кислота используются в роли буфера для сохранения постоянного уровня рН. Это свойство полезно в биохимии в реакциях, которые зависят от рН.

Буферные растворы -- растворы с определённой устойчивой концентрацией водородных ионов; смесь слабой кислоты с сопряженным основанием (напр., СН₃СООН и CH₃COONa -- ацетатный буфер) или слабого основания и сопряженной кислоты (напр., NH₃ и NH₄CI -- аммиачный буфер). Величина рН буферного раствора мало изменяется при добавлении небольших количеств свободной сильной кислоты или щёлочи, при разбавлении или концентрировании. Буферные растворы широко используют в различных химических и биохимических процессах.

Буферные растворы имеют большое значение для протекания реакций в живых организмах. Например, в крови постоянство водородного показателя рН (химический гомеостаз) поддерживается тремя независимыми буферными системами: бикарбонатной, фосфатной и белковой. Известно большое число буферных растворов (ацетатно-аммиачный буферный раствор, фосфатный буферный раствор, боратный буферный раствор, формиатный буферный раствор и др.).

Значение pH буферного раствора можно рассчитать по формуле:

pH=pK+lg,

где pK это отрицательный десятичный логарифм от константы диссоциации кислоты [19]

Ацетат натрия также используется в быту как составная химических грелок (англ. heating pad) или химических обогревателей (англ. Hand warmer), применяется как составная часть смеси «горячего льда» (англ. «hot ice»), при кристаллизации ацетата натрия выделяется тепло -- это экзотермический процесс. При нагреве тригидрата ацетата натрия (имеющего точку плавления в 58 °C) до 100 °C (обычно ёмкость с ним кладут в кипящую воду) он расплавляется (вернее, растворяется в собственной кристаллизационной воде) и переходит в водный раствор ацетата натрия. При охлаждении этого раствора образуется перенасыщенный раствор ацетата натрия в воде. Этот раствор прекрасно переохлаждается до комнатной температуры без образования твёрдой фазы, затем нажатием на металлический диск в ёмкости образуется центр кристаллизации, который, вырастая, заставляет перенасыщенный раствор переходить в твёрдую фазу тригидрата ацетата натрия. Этот процесс сопровождается значительным выделением тепла (экзотермическая реакция). При этом процессе выделяется около 264--289 кДж/кг (Теплота фазового перехода)[11]

В строительстве в роли присадки, которая позволяет получить более стойкие противоморозные характеристики бетона

В медицине в составе ряда лекарственных препаратов, которые являются мочегонными средствами, такие как эфилин, меркузал

В химии с целью получения разнородных химических соединений

Ацетат натрия используется в текстильном производстве для нейтрализации отработанной серной кислоты в сточных водах и как фоторезист при использовании анилиновых красителей. Также используется при дублении солями хрома (для протравливания), и замедляет процесс вулканизации хлоропрена при производстве синтетических резин

Применяется в производстве красителей, мыл, уксусного ангидрида, ацетилхлорида, винилацетата, ацетатов меди и др.[6]

В гальванотехнике. Гальванотехника -- раздел прикладной электрохимии, описывающий физические и электрохимические процессы, происходящие при осаждении катионов металлов на каком-либо виде катода.

В фотографии, в качестве кислого закрепителя.

10. Фармакология

Влияние ацетата натрия на человеческий организм, несмотря на низкую степень токсичности соединения, его употребление может нанести вред самочувствию и здоровью человека. В связи с этим не рекомендуется применять продукцию с пищевой добавкой Е262 тем людям, которые страдают от артериальной гипертензии, вегетососудистой дистонии, дисбактериоза. Факторами, которые делают невозможным употребление пищи с ацетатом натрия, являются проблемы с кишечником, мочевыводящими путями, печенью, желчным пузырем. В чем же опасность употребления продуктов с данной пищевой добавкой? При попадании в кишечник соединение претерпевает превращение в токсичные соединения, которые имеют канцерогенный эффект. В ходе проведенных исследований было обнаружено, что злоупотребление данным веществом повышает риск развития раковых клеток, а также возникновения серьезных аллергических реакций. Большие дозы ацетата натрия провоцируют отравление, симптомами которого являются: внезапные боли в животе; головная боль, которая сопровождается головокружением; нарушение координации; бледность слизистых оболочек и кожных покровов; обморочные состояния; судороги; затрудненное дыхание.[3]

11. Сравнительная таблица исследования кристаллов

№	Название Кристаллогидрата	Формула кристаллогидрата	Образец кристалла	Цвет Блеск Сингония	Изображение кристалла под микроскопом	Поиск центров кристаллизации Вольфрамовым зондом	Вывод
1	Тригидрат ацетата натрия	CH3COONa*3H2O	Образцы кристаллов будут приложены к печатному варианту работы	Белые кристаллы Смолистый блеск Кубическая сингония			Многочисленные центры кристаллизации. Центры кристаллизации сложно обнаруживается VP
2	Додекагидрат сульфата хрома(III)-калия	KCr(SO4)2* 12H2O		Фиолетовые кристаллы Стеклянный блеск Тригональная сингония			На данном образце 4 центра кристаллизации. Центры кристаллизации легко обнаруживаются VP
3	Пентагидрат тиосульфата натрия	Na2S2O3* 5H2O		Белые кристаллы Матовый блеск Тригональная сингония			Многочисленные центры кристаллизации Центры кристаллизации легко обнаруживаются VP

Вывод

Химия - это не только решение задач, выполнение расчетов, это все то, что окружает нас повсеместно. На примере одного вещества - ацетата натрия мы доказали его широкое применение в промышленности, а также жизнедеятельности человека. Таких веществ, солей, кислот, оснований - существует миллионы, а их областей применений еще больше. Поэтому наука становится более загадочной, удивительной и интересной для изучения.

По результатам работы можно сделать следующие выводы:

1) были рассмотрены физико-химические свойства ацетата натрия;

2) рассмотрены области применения исследуемого вещества в жизнедеятельности;

3) рассмотрены методы получения ацетата натрия в лаборатории и промышленности. Можно сделать вывод, что самое выгодное получение ацетата натрия в лаборатории - это взаимодействие карбоната натрия с уксусной кислотой, а в промышленности - сухая перегонка древесины;

4) изучено действие ацетата натрия на организм человека;

5) вырастили кристаллы ацетата натрия, изучили их с помощью прибора NanoEducator LE, а также сделали сравнительную таблицу по исследованию кристаллов.

Список использованной литературы

1. http://chemistry-chemists.com/Video/sodium-acetate-1.html

2. http://chemister.ru/Database/properties.php?dbid=1&id=172

3. http://kristallov.net/acetat_natrija.html

4. ГОСТ Р 54626-2011

5. Харитонов Ю.Я., Джабаров Д.Н. Аналитическая химия (1973) -[c.51, c.176 , c.178 , c.327 , c.413 , c.414]

6. Попков В.А., Пузаков С.А. Учебник общей химии (1981) -[c.154]

7. Кнунянц И.Л Химический энциклопедический словарь (1983) - [c.361 ]

8. Кнунянц И.Л Большой энциклопедический словарь Химия изд.2 (1998) -- [c.361]

9. Морелл Д. Катализ в неорганической и органической химии книга вторая (1949) - [c.66 , c.204 , c.205 , c.215 , c.227 , c.439 , c.564]

10. Гиллебранд В.Ф., Лендель Г.Э., Брайт Г.А Практическое руководство по неорганическому анализу (1966)

11. Реми Г. Курс неорганической химии (2000) - [c.485 , c.496]

12. Файгль Ф. Капельный анализ органических веществ (1962) - [c.107]

13. А. Комаровский Реакции и реактивы для качественного анализа неорганических соединений (1950) - [c.3, c.83, c.119, c.236]

14. Цитович И.К. Курс аналитической химии Издание 5 (1981) -[c.213, c.215, c.217]

15. Петрухин О.М. Аналитическая химия (1980) - [c.114]

16. Г. А. БРАЙТ, Д. И. ГОФМАН Практическое руководство по неорганическому анализу (1960) -- [c.96, c.104, c.108]

17. Некрасов Б.ВОсновы общей химии Том 2 Издание 3 (1973) - [c.199]

18. Савельев Г.Г., Смолова Л.М. Общая химия (1986) - [c.495]

19. Барнард А.Курс неорганической химии - [c.434 , c.445]

Размещено на Allbest.ru

...