Муравьиная кислота: химические свойства и применение вещества
Муравьиная кислота - удивительное вещество, которое встречается в природе, но при этом имеет множество уникальных свойств и областей применения. Эта статья расскажет об истории открытия, химических особенностях и роли муравьиной кислоты в промышленности, сельском хозяйстве и медицине. Узнайте много нового и интересного об этом соединении!
История открытия муравьиной кислоты
Впервые муравьиную кислоту выделил в 1670 году английский натуралист Джон Рей. Он обнаружил это вещество в муравьином яде, отсюда и пошло название. Первые способы получения муравьиной кислоты в лаборатории были основаны на реакциях с участием муравьиного альдегида. В XIX веке немецкий химик Герман Кольбе предложил синтез из монооксида углерода и гидроксида натрия. Этот метод используется и в наши дни.
Муравьиная кислота обязана своим названием рыжим лесным муравьям (Formica rufa), из которых впервые была выделена в 1670 году английским натуралистом Джоном Реем.
В конце XIX века немецкий химик Рудольф Фиттиг открыл реакцию карбонилирования метанола с образованием метилформиата, который затем гидролизуется до муравьиной кислоты. Этот промышленный способ широко используется и в наши дни. Также в промышленности муравьиная кислота часто получается как побочный продукт при синтезе уксусной кислоты.
Муравьиная кислота: химические свойства
Муравьиная кислота представляет собой бесцветную жидкость с резким запахом. Ее температура плавления составляет 8,6°С, а температура кипения около 100°С. Муравьиная кислота хорошо растворяется в воде, а также в таких органических растворителях, как бензин, ацетон, этиловый спирт.
По химическим свойствам муравьиная кислота проявляет свойства как карбоновых кислот, так и альдегидов. Она способна к реакциям этерификации, образованию солей, окислению и дегидрированию. Например:
- Реагирует с гидроксидом натрия с образованием формиата натрия:
- Образует сложные эфиры с этанолом:
- Окисляется аммиачным раствором оксида серебра до СО2:
Константа диссоциации муравьиной кислоты составляет 1,77·10-4, то есть по силе она значительно уступает сильным кислотам, но превосходит уксусную кислоту.
Получение муравьиной кислоты
В промышленности основным способом получения муравьиной кислоты является карбонилирование метанола с последующим гидролизом образующегося метилформиата:
- CO + CH3OH → HCOOCH3
- HCOOCH3 + H2O → HCOOH + CH3OH
Реакция проводится при температуре 80°C и давлении 40-45 атм. Катализаторами служат соли цинка, магния, хрома. Этот способ дает около 35% мирового производства муравьиной кислоты.
Еще один распространенный промышленный способ - взаимодействие оксида углерода с гидроксидом натрия при нагревании с последующим подкислением:
CO + 2NaOH → HCOONa + NaOH
HCOONa + H2SO4 → HCOOH + NaHSO4
В лаборатории небольшие количества муравьиной кислоты можно получить путем окисления метанола или разложения муравьиного альдегида. Однако эти способы непригодны для промышленного производства.
Биологическая роль и токсичность
В природе муравьиная кислота встречается в составе ядовных желез некоторых насекомых и растений. Она выполняет защитную функцию, обеспечивая химическую защиту от вредителей. Также муравьиная кислота присутствует в организме человека, где она образуется при метаболизме ряда аминокислот и участвует в переносе углеродных фрагментов.
При попадании на кожу муравьиная кислота вызывает ожоги и раздражение. Особенно опасен контакт с концентрированными растворами (более 10%). При вдыхании паров возможно поражение дыхательных путей и глаз. Также муравьиная кислота токсична при приеме внутрь.
Летальная доза для человека при приеме внутрь составляет от 30 до 100 мл концентрированного раствора. Длительный прием малых доз (до 1000 мг/кг) вызывает поражение печени и почек у подопытных животных. Муравьиная кислота обладает мутагенным действием на некоторые виды насекомых и микроорганизмов.
Применение в промышленности
Благодаря своим свойствам муравьиная кислота нашла широкое применение в различных отраслях промышленности:
- Производство красителей, пластмасс, искусственных волокон
- Изготовление бумаги
- Дубление кожи
- Приготовление моющих средств
- Ингибитор коррозии металлов
Также муравьиную кислоту используют в качестве растворителя и реагента. Она входит в состав топлива для ракетных двигателей, где выполняет функцию одного из компонентов. Ее антибактериальные свойства позволяют применять в качестве консерванта.
Применение в сельском хозяйстве
В сельском хозяйстве муравьиная кислота используется для:
- Консервирования кормов
- Повышения качества силоса
- Увеличения сроков хранения продукции
- Борьбы с вредителями и паразитами
- Обработки семян
- Пропитки древесины
Благодаря антибактериальному и фунгицидному действию, муравьиная кислота позволяет предотвратить порчу кормов и повысить их питательную ценность при хранении. Обработка древесины защищает ее от гниения.
Применение в медицине
Муравьиная кислота традиционно используется в медицине в качестве антисептика и для обеззараживания инструментов. Раньше ее применяли для лечения бородавок, однако сейчас от этого отказались. Также муравьиную кислоту включают в состав обезболивающих и противовоспалительных мазей и гелей для наружного применения. Она улучшает кровообращение в пораженных тканях. Перспективным направлением является использование производных муравьиной кислоты в качестве лекарственных препаратов.
Применение в пищевой промышленности
Муравьиная кислота широко используется в пищевой промышленности в качестве консерванта E236. Она позволяет увеличить срок годности и сохранить качество таких продуктов, как:
- Маринады
- Квашеные овощи
- Фруктовые консервы
- Мясные продукты
- Рыбные консервы
- Напитки
Благодаря антибактериальному действию, муравьиная кислота предотвращает порчу продуктов микроорганизмами. Она безопасна при употреблении в пищу в небольших количествах. Предельно допустимая концентрация в готовых продуктах составляет 1 г/кг.
Экологические аспекты
Муравьиная кислота относится к быстроразлагаемым органическим веществам. Она полностью метаболизируется микроорганизмами, не накапливаясь в окружающей среде. Продукты разложения муравьиной кислоты нетоксичны. При правильном обращении муравьиная кислота не наносит вреда экологии. Однако при больших проливах или сбросах концентрированных растворов возможна локальная гибель растений, рыб и мелких животных.
Правила безопасного обращения
При работе с муравьиной кислотой следует соблюдать меры предосторожности:
- Использовать средства защиты - перчатки, халат, очки
- Избегать попадания на кожу и в глаза
- Проводить работу в вытяжном шкафу
- Не вдыхать пары и аэрозоли
- После работы вымыть руки
Разливы муравьиной кислоты необходимо нейтрализовать раствором соды, известковым молоком или мелом. Хранить муравьиную кислоту следует в прохладном, хорошо вентилируемом месте в закрытой таре.
Перспективы применения
В настоящее время ведутся работы по расширению использования муравьиной кислоты и производных на ее основе. Перспективными направлениями являются:
- Создание новых лекарственных препаратов
- Использование в качестве биоразлагаемого пластика
- Применение для очистки газовых выбросов
- Синтез новых красителей и поверхностно-активных веществ
Также ведутся работы по получению муравьиной кислоты из возобновляемого сырья, в частности из биомассы. Это позволит сделать производство этого ценного соединения более экологичным.