Essigsäure

Essigsäure, nach IUPAC-Regelung Ethansäure (standardsprachlich: Äthansäure), ist eine farblose, flüssige, ätzende, typisch nach Essig riechende Carbonsäure. Als Lebensmittelzusatzstoff hat sie die Bezeichnung E260. Wässrige Lösungen der Essigsäure werden trivial nur Essig und konzentrierte Essigsäure Eisessig genannt. Der lateinische Name für Essigsäure ist Acidum aceticum. Die Salze und Ester der Essigsäure werden als Acetate (systematische Benennung: Ethanoate) bezeichnet. In der Biochemie wird der Begriff Acetat dem der Essigsäure vorgezogen, da Essigsäure unter physiologischen Bedingungen größtenteils deprotoniert als Acetat-Anion (CH₃COO⁻) vorliegt.

Inhaltsverzeichnis

1 Gewinnung und Darstellung
- 1.1 Klassische biologische Herstellung
- 1.2 Großtechnische chemische Herstellung
2 Eigenschaften
3 Verwendung
4 Salze der Essigsäure (Acetate)
5 Quellen
6 Weblinks
- 6.1 Sicherheitsdatenblätter

[Bearbeiten] Gewinnung und Darstellung

[Bearbeiten] Klassische biologische Herstellung

Die klassische Herstellung von Essigsäure ist die Veratmung von Ethanol (Alkohol) durch Acetobacter oder Gluconobacter-Bakterien. Diese wandeln durch Gärungsprozesse entstandenes Ethanol durch Oxidation in Essigsäure um. Es handelt sich biochemisch betrachtet um eine unvollständige Atmung (nicht wie es irrtümlich oft beschrieben wird, um eine Gärungsform). Ausgangsprodukte können z. B. Wein, Bier oder Malz sein. Haushaltsessig besteht aus biogenem Essig oder verdünntem synthetischen Essig und enthält 5 % Essigsäure. Essigessenz ist eine 25%ige synthetische Essigsäurelösung in Wasser, riecht stark stechend und darf nur verdünnt in Speisen verwendet werden.

[Bearbeiten] Großtechnische chemische Herstellung

Die bedeutendste industrielle Synthese für Essigsäure ist die katalytische Umsetzung von Methanol mit Kohlenmonoxid unter Druck (Monsanto-Prozess).

$\mathrm{CH_3OH + CO \longrightarrow CH_3COOH}$

Daneben kann Essigsäure auch synthetisch durch Oxidation von Acetaldehyd mit Luft oder Sauerstoff unter Verwendung von Mn(OAc)₂ als Katalysator oder durch partielle Oxidation anderer Kohlenwasserstoffe hergestellt werden.

Technisch werden auch noch die Luftoxidation von n-Butan bei etwa 180 °C und 85 bar sowie die katalytische Oxidation von Leichtbenzin genutzt.

[Bearbeiten] Eigenschaften

[Bearbeiten] Physikalische Eigenschaften

Essigsäure besitzt mit 118 °C eine relativ hohe Siedetemperatur gegenüber polaren Stoffen mit vergleichbarer molarer Masse (beispielsweise 1-Propanol: Siedepunkt 97 °C). Die Ursache dafür ist die Fähigkeit der Essigsäure-Moleküle, über ihre Carboxylgruppen zwei "gegenseitige" Wasserstoffbrückenbindungen auszubilden, so dass Dimere aus zwei Essigsäure-Molekülen entstehen, die sich wie ein Molekül doppelter molarer Masse verhalten. Daher wird für die Überleitung dieser Dimere in die Gasphase ein höherer Energiebetrag erforderlich, erkennbar an der „erhöhten“ Siedetemperatur.

[Bearbeiten] Chemische Eigenschaften

Essigsäure steht in wässriger Lösung mit Acetat im Gleichgewicht (dissoziiert), wobei die negative Ladung des Acetates mesomeriestabilisiert ist.

Diese Delokalisation der entstehenden negativen Ladung macht den Ablauf der Dissoziation (genauer Protolyse) überhaupt erst in nennenswertem Umfang möglich, was aber für alle Carbonsäuren gilt. Das dabei entstehende Hydroniumion macht ihren Säurecharakter aus. Dieses Gleichgewicht liegt in Essigsäurelösung nennenswerter Konzentration (z. B. 1 mol/l) allerdings stark auf Seiten der undissoziierten Säure, weshalb sie den schwachen Säuren zuzurechnen ist.

Puffersystem In diesem Beispiel beträgt das Verhältnis zwischen dissoziierten und undissoziierten Essigsäuremolekülen 1 zu 237. Dies ändert sich aber, wenn man den pH-Wert erhöht und so einen Puffer erzeugt. So beträgt am Punkt pH = pKs = 4,75 das Verhältnis genau 1 zu 1. Dies ist der optimale Pufferbereich, da hier eine gegebene absolute Änderung der Essigsäure- und Acetatkonzentration das Verhältnis zwischen Essigsäure- und Acetatkonzentration und damit den pH-Wert am wenigsten ändert (siehe Henderson-Hasselbalch-Gleichung).

Der Essigsäure-Acetatpuffer ist ein bedeutendes Puffersystem für biochemische Systeme im sauren Bereich, da es einen günstigen pKA von 4,75 hat und die beteiligten Komponenten für die meisten Organismen und Biomoleküle nicht schädlich sind. Er ist ein geschlossenes Puffersystem, das heißt die entstehende konjugierte Säure/Base verbleibt in der Lösung und wird nicht wie z. B. beim Hydrogencarbonatpuffer aus dem System eliminiert.

Essigsäure oxidiert an der Luft vollständig unter Hitzeentwicklung zu Wasser und Kohlenstoffdioxid. Dies geschieht bei Raumtemperatur jedoch nur extrem langsam.

Unedle Metalle wie Magnesium, Calcium, Zink oder Eisen lösen sich in verdünnter Essigsäure unter Bildung wasserlöslicher Acetate und Freisetzung von Wasserstoff auf.

Mit Kupfer reagiert die Essigsäure in Gegenwart von Sauerstoff (Luft) zu Kupferacetat, einem grünen, gesundheitsschädlichen Salz, das besser unter dem Namen „Grünspan“ bekannt ist.

Essigsäure reagiert mit Ethanol säure katalysiert zu Essigsäureethylester, einem viel verwendeten Lösemittel. Wird 1-Pentanol statt Ethanol verwendet, erhält man Essigsäureamylester, einen stark riechenden Ester. Salicylsäure lässt sich ebenfalls mit Essigsäure verestern. Dabei entsteht Acetylsalicylsäure, der Wirkstoff des Aspirins.

Essigsäure reagiert bei 800 °C unter Dehydratisierung zu Essigsäureanhydrid.

Essigsäure wird in verdünnter Form auch zum Kalklösen verwendet (siehe Essig). Die Reaktionsgleichung sieht folgendermaßen aus:

$\mathrm{2 \ CH_3COOH + CaCO_3 \longrightarrow Ca^{2+}_{\ (aq)} + 2 \ CH_3COO^-_{\ (aq)} + CO_2 + H_2O}$

[Bearbeiten] Thermodynamische Eigenschaften

Die Standardentropie der Flüssigkeit bei einem Bar (S⁰_{l, 1 bar}) beträgt 158,0 J·mol⁻¹·K⁻¹, die des Feststoffes (S⁰_s) 282,84 J·mol⁻¹·K⁻¹.

[Bearbeiten] Verwendung

25% Essigsäure für den Küchengebrauch

Essigsäure hat eine große Bedeutung als Geschmacksstoff. Essigsäure und ihre Salze Kaliumacetat (E 261), Natriumacetat (E 262) und Calciumacetat (E 263) werden als Säuerungsmittel für Obst und Gemüse in Dosen und Gläsern (0,5–3 % Essigsäure), bei Fisch in allen Variationen, Konserven, verschiedenste Marinaden, Feinkostsalaten, Mayonnaisen, Salatsoßen zusammen mit Sorbinsäure (E 200) oder Benzoesäure (E 210) und für das Einlegen und Abwaschen von frischem Fleisch verwendet.

Der bakterizide Effekt der Essigsäure besteht darin, dass durch den veränderten pH-Wert physiologische Prozesse unterbunden werden und auch Eiweiße denaturieren.

Essigsäure wird außerdem bei der Produktion von Kosmetikartikel (Cremen, Seifen) eingesetzt.

[Bearbeiten] Salze der Essigsäure (Acetate)

Die Salze oder Ester der Essigsäure werden als Acetate bezeichnet. Es sind zumeist farblose kristalline Salze, die in ihren Kristallgittern (Ionengittern) das Acetat-Anion (CH₃COO⁻) enthalten.

Acetation

Beispiele für salzartige Acetate sind Natriumacetat (NaCH₃COO), Kaliumacetat (KCH₃COO) oder Blei(II)-acetat (Pb(CH₃COO)₂).

Die salzartigen Acetate gewinnt man durch Neutralisation der Essigsäure mit Metallhydroxiden oder Metalloxiden:

$\mathrm{CH_3COOH + NaOH \rightarrow CH_3COONa + H_2O}$

Essigsäure und Natriumhydroxid reagieren zu Natriumacetat und Wasser.

$\mathrm{2 \; CH_3COOH + PbO \rightarrow Pb(CH_3COO)_2 + H_2O}$

Essigsäure und Blei(II)-oxid ergeben Bleiacetat und Wasser.

In der chemischen Analytik können Acetate leicht nachgewiesen werden, indem man die Probe mit Kaliumhydrogensulfat im Mörser zerreibt. Dabei wird das Proton (H⁺) des Hydrogensulfat-Ions auf das Acetation übertragen, wobei die flüchtige Essigsäure entsteht, die leicht durch ihren typischen Geruch identifiziert werden kann:

$\mathrm{CH_3COO^- + HSO_4^- \rightarrow CH_3COOH + SO_4^{2-} }$

Acetat wird durch Hydrogensulfat protoniert. Es entsteht Essigsäure und Sulfat.

Die Essigsäureester enthalten als Säurerest den Acetylrest. Der bekannteste dieser Ester ist der Essigsäureethylester. Organische Acetate erhält man durch eine Veresterung der Essigsäure mit Alkoholen (R-OH):

$\mathrm{CH_3COOH + R \! - \! OH \rightarrow CH_3COOR + H_2O}$