Ацетон

Ацетон
Acetone-CRC-MW-ED-dimensions-2D.png Acetone-3D-balls.png
Aceton.png
Sample of Acetone.jpg
Общие
Систематическое
наименование
пропан-​2-​он
Традиционные названия ацето́н, диметилкетон
Хим. формула C3H6O
Рац. формула CH3—C(O)—CH3
Физические свойства
Состояние жидкость
Молярная масса 58,08 г/моль
Плотность 0,7899 г/см³
Энергия ионизации 9,69 ± 0,01 эВ[2]
Термические свойства
Температура
 • плавления −95 °C
 • кипения 56,1 °C
 • вспышки −20 °C
 • самовоспламенения 465 ± 1 °C[1]
Пределы взрываемости 2,5 ± 0,1 об.%[2]
Критическая точка 235,5°C; 4.7МПа
Энтальпия
 • образования −216,5 кДж/моль
 • плавления 5,69 кДж/моль
Давление пара 180 ± 1 мм рт.ст.[2]
Химические свойства
Константа диссоциации кислоты 19,16 ± 0,04[3]
Оптические свойства
Показатель преломления 1,3588
Классификация
Рег. номер CAS 67-64-1
PubChem
Рег. номер EINECS 200-662-2
SMILES
InChI
RTECS AL3150000
ChEBI 15347
Номер ООН 1090
ChemSpider
Безопасность
ЛД50 1159 мг/кг
Краткие характер. опасности (H) H225, H319, H336, EUH066
Меры предостор. (P) P210, P240, P305+P351+P338, P403+P233
Сигнальное слово опасно
Пиктограммы СГС Пиктограмма «Пламя» системы СГСПиктограмма «Восклицательный знак» системы СГС
NFPA 704
Огнеопасность 3: Жидкости и твёрдые вещества, способные воспламеняться почти при температуре внешней среды. Температура вспышки между 23 °C (73 °F) и 38 °C (100 °F)Опасность для здоровья 1: Воздействие может вызвать лишь раздражение с минимальными остаточными повреждениями (например, ацетон)Реакционноспособность 0: Стабильно даже при действии открытого пламени и не реагирует с водой (например, гелий)Специальный код: отсутствуетNFPA 704 four-colored diamond
3
1
0
Приведены данные для стандартных условий (25 °C, 100 кПа), если не указано иное.
Commons-logo.svg Медиафайлы на Викискладе

Ацето́н (диметилкето́н, пропано́н-2, ИЮПАК: пропан-2-он)[4] — органическое вещество, имеющее формулу CH3—C(O)—CH3, простейший представитель насыщенных кетонов.

Своё название ацетон получил от лат. acetum — уксус. Это связано с тем, что ранее ацетон получали из ацетатов, а из самого ацетона получали синтетическую ледяную уксусную кислоту. В 1848 году немецкий профессор медицины и химии Леопольд Гмелин ввёл термин в официальное употребление[5][6], использовав старое немецкое слово Aketon (кетон, ацетон), которое также берёт корни от латинского acetum.

Общая характеристика

Бесцветная летучая жидкость с характерным запахом. Неограниченно смешивается с водой и полярными органическими растворителями, также в ограниченных пропорциях смешивается с неполярными растворителями.

Ацетон является ценным промышленным растворителем и благодаря низкой токсичности он получил широкое применение в производстве лаков, взрывчатых веществ, лекарственных средств. Он является исходным сырьем в многочисленных химических синтезах. В лабораторной практике его применяют в качестве полярного апротонного растворителя, для приготовления охлаждающих смесей вместе с сухим льдом и аммиаком, а также для мытья химической посуды.

Ацетон является одним из продуктов метаболизма в живых организмах, в частности, у человека. Он является одним из компонентов так называемых кетоновых тел, которых в крови здорового человека содержится крайне мало, однако при патологических состояниях (длительное голодание, тяжелая физическая нагрузка, тяжелая форма сахарного диабета) их концентрация может значительно повышаться и достигать 20 ммоль/л.

Открытие

Андреас Либавиус — первым открыл ацетон

Один из простейших и в то же время важнейших из кетонов — ацетон — впервые выявлен в 1595 году немецким химиком Андреасом Либавием в процессе сухой перегонки ацетата свинца. Однако точно определить его природу и химический состав удалось только в 1832 году Жану-Батисту Дюма и Юстусу фон Либиху. До 1914 года ацетон получали практически исключительно коксованием древесины, однако повышенный спрос на него в годы Первой мировой войны очень быстро стимулировал создание новых методов производства.

Физические свойства

Ацетон — бесцветная подвижная летучая жидкость (при н.у.) с характерным резким запахом. Во всех соотношениях смешивается с водой, диэтиловым эфиром, бензолом, метанолом, этанолом, многими сложными эфирами и так далее.

Основные термодинамические свойства ацетона:[7]

  • Поверхностное натяжение (20 °C): 23,7 мН/м
  • Стандартная энтальпия образования ΔH (298 К): −247,7 кДж/моль (ж)
  • Стандартная энтропия образования S (298 К): 200 Дж/моль·K (ж)
  • Стандартная мольная теплоемкость Cp (298 К): 125 Дж/моль·K (ж)
  • Энтальпия плавления ΔHпл: 5,69 кДж/моль
  • Энтальпия кипения ΔHкип: 29,1 кДж/моль
  • Теплота сгорания Qp: 1829,4 кДж/моль
  • Критическое давление: 4,7 МПа
  • Критическая плотность: 0,273 г/см3
  • Динамическая вязкость жидкостей и газов:
    • 0,36 мПа·с (10 °C)
    • 0,295 мПа·с (25 °C)
    • 0,28 мПа·с (41 °C)

Термохимические свойства:

  • Температура вспышки в воздухе[8]: (-20 °C)[4]
  • Температура самовоспламенения на воздухе[8][7]: 465 °C
  • Пределы взрывоопасных концентраций[8]: 2,6-12,8 %

Оптические свойства:

  • Показатель преломления (для D-линии натрия):
    • 1,3591 (20 °C)
    • 1,3588 (25 °C)
  • Показатель диссоциации: pKa = 20 (20 °C, вода)
  • Диэлектрическая проницаемость (20 °C): 20,9
  • Дипольный момент молекулы (20 °C): 2,84 Дебай

Ацетон хорошо растворяет многие органические вещества, в частности, ацетил- и нитроцеллюлозы, воски, алкалоиды и так далее, а также ряд солей.

Ацетон образуется при ацетоновом (ацетон-бутиловом) брожении углеводов, вызываемом Clostridium acetobutylicus. В результате образуется ацетон и бутанол-1, а также ряд побочных примесей. В качестве промышленного такой метод получения ацетона был популярен в XIX — начале XX вв., но был вытеснен технологиями химического синтеза.

Химические свойства

Ацетон является одним из наиболее реакционноспособных кетонов. Так, он один из немногих кетонов образует бисульфитное соединение:

Под действием щелочей вступает в альдольную самоконденсацию, с образованием диацетонового спирта:

Восстанавливается цинком до пинакона:

При пиролизе (700 °C) образует кетен:

Легко присоединяет циановодород с образованием ацетонциангидрина:

Атомы водорода в ацетоне легко замещаются на галогены. Под действием хлора (иода) в присутствии щёлочи образует хлороформ (йодоформ).

+

Качественной реакцией на диметилкетон есть наличие интенсивно-красной окраски с нитропруссидом натрия в щелочной среде. При добавлении CH3COOH окраска переходит в красно-фиолетовую.

Получение

Мировое производство ацетона составляет более 6,9 миллионов тонн в год (по данным на 2012 г[9].) и устойчиво растёт[9]. В промышленности получается напрямую или косвенно из пропена.

Старые методы

Старейший метод промышленного производства ацетона заключался в сухой перегонке ацетата кальция, который образуется при нейтрализации известью древесного уксуса, который образуется при коксовании древесины.[10] Сейчас этот метод уже не применяется, так как ацетон в этом случае содержит слишком много примесей, а исходный материал дефицитный.

Известны также способы получения ацетона бактериальным расщеплением углеводов(крахмала, сахаров, меласса), причем как боковые продукты образуются бутиловый или этиловый спирт.[11][12] Ацетон и бутиловый спирт получают в мольном соотношении от 2:1 до 3:1.

В Германии в 1916 г. был запатентован процесс производства ацетона на основе уксусной кислоты. При 400 ° С через контакты с церия пропускали уксусную кислоту:


Ацетон также производили из ацетилена прямым синтезом:

Ацетилен вступает во взаимодействие с водяной парой при 450 ° С в присутствии катализаторов.

Кумольный способ

Основную часть ацетона получают как сопродукт при получении фенола из бензола по кумольному способу. Процесс протекает в 3 стадии.[13]

На первой стадии бензол алкилируется пропеном с получением кумола, на второй и третьей (реакция Удриса — Сергеева) полученный кумол окисляется кислородом воздуха до гидропероксида, который при действии серной кислоты разлагается на фенол и ацетон:

Из изопропанола

По данному методу изопропанол окисляют в паровой фазе при температурах 450—650 °C на катализаторе (металлические медь, серебро, никель, платина). Ацетон с высоким выходом (до 90 %) получают на катализаторе «серебро на пемзе» или на серебряной сетке:

Метод окисления пропена

Ацетон получают также прямым окислением пропена в жидкой фазе в присутствии PdCl2 в среде растворов солей Pd, Cu, Fe при температуре 50-120 °C и давлении 50-100 атм:

Некоторое значение имеет метод брожения крахмала под действием бактерий Clostridium acetobutylicum с образованием ацетона и бутанола[14]. Метод характеризуется малыми выходами. Используются также методы получения из изопропилового спирта и ацетилена.

Применение

Ацетон применяется как сырьё для синтеза многих важных химических продуктов, таких как уксусный ангидрид, кетен, диацетоновый спирт, окись мезитила, метилизобутилкетон, метилметакрилат, дифенилпропан, изофорон, бисфенол А и так далее; пример:

Последний широко применяется при синтезе поликарбонатов, полиуретанов и эпоксидных смол.

Ацетон также является популярным растворителем. В частности он используется как растворитель

Без ацетона невозможно хранить в компактном (сжиженном и в баллоне) состоянии ацетилен, который под давлением в чистом виде крайне взрывоопасен. Для этого используют ёмкости с пористым материалом, пропитанным ацетоном. 1 литр ацетона растворяет до 250 литров ацетилена.

Ацетон используется также при экстракции многих растительных веществ.

Лабораторное применение

В органической химии ацетон применяется в качестве полярного апротонного растворителя, в частности, в реакции алкилирования

для окисления спиртов в присутствии алкоголятов алюминия по Оппенауэру

Ацетон применяется для приготовления охлаждающих бань в смеси с «сухим льдом» и жидким аммиаком (охлаждает до температуры −78 °C).

В лабораториях используется для мытья химической посуды благодаря низкой цене, малой токсичности, высокой летучести и лёгкой растворимости в воде, а также для быстрой сушки посуды и неорганических веществ.

Очистка

Технический ацетон обычно содержит воду, иногда — спирт и другие восстановители. Проба на присутствие восстановителей:

К 10 мл ацетона прибавляют 1 каплю раствора перменганата калия (1:1000); после 15 мин. при 15° C не должно наблюдаться значительного посветления окраски[16].

Сушат ацетон безводным поташом (около 5 % от веса ацетона), нагревая смесь в течение нескольких часов с обратным холодильником, переливают в другую колбу и перегоняют над свежим осушителем. Металлический натрий и щёлочи непригодны для сушки ацетона[17].

Для использования в качестве растворителя при окислении органических веществ перманганатом калия ацетон перегоняют в присутствии небольшого количества перманганата калия (до устойчивой фиолетовой окраски раствора), при этом для удаления воды добавляют безводный поташ[18].

Очень чистый ацетон получают разложением аддукта ацетона и бисульфита натрия[18] либо продукта присоединения ацетона и иодистого натрия:

В 440 мл сухого свежеперегнанного ацетона растворяют при нагревании на водяной бане 100 г безводного иодистого натрия. Образующийся раствор охлаждают до –8° C и аддукт отделяют отсасыванием. При нагревании аддукт разлагается, освобождающийся ацетон отгоняют, сущат безводным хлористым кальцием и снова перегоняют, защищая от влаги воздуха[19].

Обнаружение

В химико-токсикологическом анализе для обнаружения ацетона применяют реакции с растворами йода, нитропруссида натрия, фурфурола, ο-нитробензальдегида и метод микродиффузии.

Реакция на образование йодоформа[20].

При взаимодействии ацетона с раствором йода в щелочной среде образуется трииодметан (йодоформ):

К 1 мл исследуемого раствора прибавляют 1 мл 10%-го раствора аммиака и несколько капель раствора йода в йодиде калия (йодной настойки). В присутствии йода образуется желтый осадок трииодметана с характерным запахом, а его кристаллы имеют характерную гексалучевую форму. Предел обнаружения — 0,1 мг ацетона в пробе.

Реакция с нитропруссидом натрия (проба Легаля)[20][21].

Ацетон с нитропруссидом натрия в щелочной среде дает интенсивно-красную окраску. При подкислении уксусной кислотой окраска переходит в красно-фиолетовую. Кетоны, в молекулах которых отсутствуют метильные группы, непосредственно связанные с кетоновыми (СО—) группами, не дают такой реакции. Соответственно такие кетоны как метилэтилкетон, метилпропилкетон и другие — также дадут красную окраску с нитропруссидом.

К 1 мл исследуемого раствора прибавляют 1 мл 10%-го раствора гидроксида натрия и 5 капель 1%-го свежеприготовленного раствора нитропруссида натрия. При наличии ацетона в пробе появляется красная или оранжево-красная окраска. При прибавлении 10%-го раствора уксусной кислоты до кислой реакции через несколько минут окраска переходит в красно-фиолетовую или вишнёво-красную. Следует заметить, что бутанон дает аналогичную окраску с нитропруссидом натрия.

Пожароопасность

Одна из основных опасностей при работе с ацетоном — его легкая воспламеняемость. Температура самовоспламенения +465 °C, температура вспышки −20 °C. Воздушные смеси, содержащие от 2,5 % до 12,8 % (по объёму), взрывоопасны. С этим необходимо считаться, так как ацетон быстро испаряется, и образующееся облако может распространиться до места воспламенения (нагрев или искра) вдали от места работы с ним.

Метаболизм

Ацетон является естественным метаболитом, производимым организмами млекопитающих, в том числе и человеческим организмом. Некоторое количество вещества выводится с выдыхаемым воздухом и выделениями кожи, некоторое — с мочой. В медицине ацетон относят к кетоновым телам. Нарушение нормального метаболизма, например, при сахарном диабете, приводит к так называемой ацетонурии — избыточному образованию и выведению ацетона.

В крови в норме содержится 1-2 мг/100 мл ацетона, в суточном количестве мочи — 0,01-0,03 г. При нарушениях обмена веществ, например, при сахарном диабете, в моче и крови повышается содержание ацетона. Незначительная часть ацетона превращается в оксид углерода (IV), который выделяется с выдыхаемым воздухом. Некоторое количество ацетона выделяется из организма в неизменном виде с выдыхаемым воздухом и через кожу, а некоторое — с мочой.

Токсикология, охрана труда

Ацетон токсичен[22]. По данным[23] ПДК ацетона составляет 200 мг/м3 (среднесменная за 8 часов) и 800 мг/м3 (максимально-разовая). По данным ряда исследований, например[24] средний порог восприятия запаха был в ~3 раза выше чем максимально-разовая ПДК, и в ~12 раз выше среднесменной ПДК. При этом у части работников порог был значительно выше среднего значения (например, более 30 и 120 ПДК соответственно). В исследовании[25] среднее значение порога восприятия запаха было ещё выше — 11 000 ppm (28 000 мг/м3), что превышает среднесменную ПДК в 140 раз.

Ацетон ядовит, но относится к малоопасным веществам (класс опасности IV, категория безопасности для здоровья по NFPA — 1). Сильно раздражает слизистые оболочки: длительное вдыхание больших концентраций паров приводит к возникновению воспаления слизистых оболочек, отёку лёгких и токсической пневмонии. Пары оказывают слабое наркотическое действие, сопровождаемое, чаще всего, дисфорией. При попадании внутрь вызывает состояние опьянения, сопровождаемое слабостью и головокружением, нередко — болями в животе; в существенных количествах возникает выраженная интоксикация, хотя, как правило, отравления ацетоном не смертельны. Возможно поражение печени (токсический гепатит), почек (уменьшение диуреза, появление крови и белка в моче) и коматозное состояние. При ингаляционном воздействии ацетон выводится гораздо медленнее (в течение нескольких часов), чем поступает, и поэтому может накапливаться в организме.

Государственный контроль

Ацетон, в концентрации более 60 %, в России входит в таблицу III спиcка IV «Перечня наркотических средств, психотропных веществ и их прекурсоров» и его оборот подлежит контролю. При работе в лаборатории с ацетоном, операции по его расходу должны вноситься в специальный "Журнал регистрации операций, при которых изменяется количество прекурсоров наркотических средств и психотропных веществ".

Примечания

  1. http://www.cdc.gov/niosh/ipcsneng/neng0087.html
  2. 1 2 3 http://www.cdc.gov/niosh/npg/npgd0004.html
  3. Chiang Y., Kresge A. J., Tang Y. S., Wirz J. The pKa and keto-enol equilibrium constant of acetone in aqueous solution (англ.) // J. Am. Chem. Soc. / P. J. StangAmerican Chemical Society, 1984. — Vol. 106, Iss. 2. — P. 460—462. — ISSN 0002-7863; 1520-5126; 1943-2984doi:10.1021/JA00314A055
  4. 1 2 Химическая энциклопедия. — М: Советская энциклопедия, 1988. — Т. 1. — С. 230. — 625 с.
  5. Контроль бета-кетонов.
  6. Ацетон (кетоновые тела) в моче.
  7. 1 2 Рабинович В. А., Хавин З. Я. Краткий химический справочник: Справ. изд. / Под ред. Потехина А. А., Ефимова А. И.. — Издание 3-е, переработанное и дополненное. — Л.:: Химия, 1991. — С. 328—329. — 432 с. — ISBN 5-7245-0703-X.
  8. 1 2 3 Lewis R.J. Sax's Dangerous Properties of Industrial Materials. — 11ed.. — Wiley-interscience, 2004. — С. 22—23.
  9. 1 2 http://www.newchemistry.ru/printletter.php?n_id=4886 ПРОИЗВОДСТВО АЦЕТОНА: получение, применение, рынок по данным АКПР (Академии конъюнктуры промышленных рынков)
  10. Bennewitz. Katalyse. Von Dr. W. Frankenburger und Dr. F. Dürr, Forschungslaboratorium Oppau der I. G. Farbenindustrie A. G. Sonderdruck aus Bd. VI der Enzyklopädie der technischen Chemie. Herausgegeben von Prof. Dr. Fritz Ullmann, Genf. Zweite, völlig neubearbeitete Auflage. 56 S. Verlag Urban & Schwarzenberg, Berlin und Wien 1930. Preis RM. 3,50 // Angewandte Chemie. — 1932-01-30. — Т. 45, вып. 5. — С. 116–116. — ISSN 1521-3757 0044-8249, 1521-3757. — doi:10.1002/ange.19320450511.
  11. John H. Northrop, Lauren H. Ashe, R. R. Morgan. A Fermentation Process for the Production of Acetone and Ethyl Alcohol. // Journal of Industrial & Engineering Chemistry. — 1919-08. — Т. 11, вып. 8. — С. 723–727. — ISSN 1943-2968 0095-9014, 1943-2968. — doi:10.1021/ie50116a006.
  12. TOC // Industrial & Engineering Chemistry. — 1921-10-01. — Т. 13, вып. 10. — С. 861–861. — ISSN 0019-7866. — doi:10.1021/ie50142a900.
  13. Химическая энциклопедия. М. 1988, Т1, стр. 230
  14. http://kodomo.cmm.msu.ru/~ramil.mintaev/projects/C.acetobutylicum/index.php Ацито-бутановая бактерия
  15. Ацетон // Фотокинотехника: Энциклопедия / Гл. ред. Е. А. Иофис. — М.: Советская энциклопедия, 1981. — 447 с.
  16. K. Bernhauer. Einführung in die organisch-chemische Laboratoriumstechnik. — Wien: Springer, 1944. — С. 49.
  17. Лабораторная техника органической химии / Б. Кейл. — Москва: Мир, 1966. — С. 603. — 751 с.
  18. 1 2 Л. Физер. Эксперимент в органической химии в книге "Современные методы эксперимента в органической химии". — Москва: Госхимиздат, 1960.
  19. Pl. A. Plattner. Analytische Methode der organischen Chemie. — Zürich: ETH, 1947.
  20. 1 2 Крамаренко В. Ф. Токсикологическая химия. — К.: Выща шк. Головное изд-во, 1989. — С. 146—149. — 447 с. — ISBN 5-11-000148-0.
  21. Легаля проба.
  22. Чельцова М.А., Смусин Я.С. Ацетон // Большая медицинская энциклопедия : в 30 т. / гл. ред. Б.В. Петровский. — 3 изд. — Москва : Советская энциклопедия, 1975. — Т. 2. Антибиотики - Беккерель. — 608 с. — 150 000 экз.
  23. (Роспотребнадзор). № 1795 Пропан-2-он (Ацетон) // ГН 2.2.5.3532-18 «Предельно допустимые концентрации (ПДК) вредных веществ в воздухе рабочей зоны» (рус.) / утверждены А.Ю. Поповой. — Москва, 2018. — С. 125. — 170 с. — (Санитарные правила).
  24. Charles J. Wysocki , Pamela Dalton , Michael J. Brody & Henry J. Lawley. Acetone Odor and Irritation Thresholds Obtained From Acetone-Exposed Factory Workers and From Control (Occupationally Unexposed) Subjects (англ.) // AIHA & ACGIH American Industrial Hygiene Association Journal. — Akrin (Ohio): Taylor & Francis, 1997. — October (vol. 58 (iss. 10). — P. 704—712. — ISSN 0002-8894. — doi:10.1080/15428119791012342.
  25. J. Enrique Cometto-Muñiz & William S. Cain. Efficacy of Volatile Organic Compounds in Evoking Nasal Pungency and Odor (англ.) // Archives of Environmental Health: An International Journal. — Taylor & Francis, 1993. — May (vol. 48 (iss. 5). — P. 309—314. — ISSN 0003-9896. — doi:10.1080/00039896.1993.9936719.

Ссылки