Axit acetic là gì? Các bài nghiên cứu khoa học liên quan

Khái niệm và cấu trúc

Axit acetic là axit cacboxylic đơn chức với công thức hóa học $CH_3COOH$, thường tồn tại ở dạng lỏng không màu và có mùi chua đặc trưng. Phân tử axit acetic gồm nhóm metyl (–CH₃) liên kết với nhóm cacboxyl (–COOH), tạo nên tính chất axit và khả năng hình thành liên kết hydro.

Phân tử khối của axit acetic là 60,05 g/mol; độ phân cực cao giúp nó tan hoàn toàn trong nước, đồng thời có khả năng hòa tan mạnh với nhiều dung môi hữu cơ như ethanol và methanol. Tính phân cực này xuất phát từ nhóm cacboxyl, nơi nguyên tử oxy có điện tích âm tương đối lớn, hút electron từ liên kết C–H và C–O.

Sự tồn tại của liên kết hydro nội phân tử giữa nguyên tử oxy của nhóm cacboxyl và nguyên tử hydro của nhóm metyl tạo ra cấu hình ngưng tụ khi làm lạnh, dẫn đến nhiệt độ đông đặc tương đối cao (16,6 °C) so với các axit béo mạch ngắn khác. Khi nhiệt độ tăng, các liên kết hydro nội và ngoại phân tử bị phá vỡ, dẫn đến điểm sôi 118 °C.

Tính chất vật lý và hóa học

Dưới điều kiện chuẩn, axit acetic là chất lỏng không màu, mùi chua đậm đặc. Nó hút ẩm mạnh từ không khí và có thể tạo khói axit acetic glacial khi nồng độ cao trên 99,5 %. Điều này khiến việc bảo quản yêu cầu bình kín, tránh ẩm và nhiệt độ cao.

Axit acetic tan vô hạn trong nước nhờ khả năng hình thành liên kết hydro với phân tử nước. Độ hòa tan trong một số dung môi hữu cơ cũng cao, khiến nó trở thành dung môi và trung gian quan trọng trong tổng hợp hữu cơ. Nó thường được dùng làm chất phản ứng và dung môi trong tổng hợp este và axit cacboxylic khác.

Về phản ứng hóa học, axit acetic thể hiện tính axit yếu so với axit vô cơ. Nó không dễ bị oxy hóa trong điều kiện thường, nhưng tham gia phản ứng este hóa, phản ứng khử cacbonyl và phản ứng este ngược (hydrolysis). Các phản ứng này thường được xúc tác bởi axit mạnh hoặc bazơ mạnh để tăng tốc.

Tính chất axit

Axit acetic có đặc tính axit yếu với hằng số phân ly $K_a = 1.8\times10^{-5}$ ở 25 °C. Trong dung dịch nước, cân bằng phân ly được mô tả bởi phương trình:

$CH_3COOH \rightleftharpoons CH_3COO^- + H^+$ Giá trị Kd (phân ly ngược) và Ka thể hiện ái lực giữa proton và nhóm cacboxyl, quyết định độ mạnh của axit.

Nồng độ proton trong dung dịch axit acetic 0,1 M cho pH khoảng 2,9, thấp hơn so với dung dịch axit vô cơ mạnh ở cùng nồng độ. Tính axit này đủ để gây ăn mòn nhẹ kim loại và kích ứng da, mắt khi tiếp xúc trực tiếp.

• Phản ứng với bazơ: tạo muối axetat và nước ($CH_3COOH + NaOH \rightarrow CH_3COONa + H_2O$).
• Phản ứng este hóa: với rượu trong môi trường axit tạo este ($CH_3COOH + ROH \xrightarrow{H^+} RCOOCH_3 + H_2O$).
• Phản ứng khử cacbonyl (hydrolysis ngược): tái tạo metanol hoặc ethanol tùy điều kiện nhiệt độ và xúc tác.

Phương pháp sản xuất

Trên quy mô công nghiệp, axit acetic được sản xuất chủ yếu bằng phương pháp lên men ethanol (Quy trình Wood–Winters). Vi sinh vật (Acetobacter) chuyển đổi ethanol thành axit acetic trong môi trường hiếu khí, với hiệu suất cao và chi phí thấp.

Quy trình lên men thường bao gồm hai giai đoạn: đầu tiên chuyển ethanol thành acetaldehyde, sau đó thành axit acetic. Nồng độ axit đạt tới khoảng 10–12 % sau lên men, sau đó được tinh chế qua chưng cất phân đoạn để thu được axit acetic glacial (>99,5 %).

Phương pháp hóa học carbonyl hóa metanol do BASF và Monsanto phát triển sử dụng xúc tác rhodium hoặc iridium cho phản ứng:

$CH_3OH + CO \xrightarrow{Rh/Ir, I^-} CH_3COOH$ Ưu điểm là tốc độ phản ứng nhanh, dễ điều khiển, sản lượng lớn; nhược điểm là chi phí xúc tác cao và đòi hỏi kiểm soát chặt chẽ điều kiện phản ứng.

• Thu hồi sản phẩm: chưng cất phân đoạn để loại bỏ nước và tạp chất.
• Quy trình an toàn: tránh tiếp xúc trực tiếp với hơi axit, kiểm soát áp suất phản ứng.
• Giảm thiểu phát thải: xử lý khí CO dư và tái sử dụng xúc tác.

Ứng dụng công nghiệp

Axit acetic là nguyên liệu chủ chốt trong nhiều ngành công nghiệp nhờ tính axit yếu, khả năng hòa tan và tái hoạt động cao. Trong ngành thực phẩm, axit acetic được sử dụng rộng rãi để sản xuất giấm ăn, chất bảo quản và chất điều chỉnh độ chua cho các sản phẩm đóng hộp và lên men. Giấm có nồng độ axit acetic từ 4–8 % (v/v) giúp ức chế sự phát triển của vi sinh vật gây hư hỏng thực phẩm, đồng thời mang lại hương vị đặc trưng cho salad, dưa chua và nước sốt (PubChem).

Trong công nghiệp hóa dược và hóa chất, axit acetic là tiền chất để tổng hợp este, anhydride và axit cacboxylic khác. Ester như ethyl acetate và butyl acetate được dùng làm dung môi trong sơn, mực in và keo dán. Anhydride acetic (Ac₂O) dùng để acetyl hóa các hợp chất hữu cơ, đặc biệt trong tổng hợp dược phẩm. Quá trình chuyển đổi này thường xúc tác bởi axit vô cơ mạnh hoặc axit hữu cơ khan, đảm bảo độ thu hồi cao và độ tinh khiết sản phẩm.

Trong ngành dệt nhuộm và xử lý bề mặt, axit acetic điều chỉnh pH cho dung dịch nhuộm và loại bỏ độ kiềm dư sau quá trình giặt tẩy. Trong sản xuất polymer, axetat cellulose làm phim và sợi tổng hợp đòi hỏi nguyên liệu axit acetic tinh khiết. Một số ứng dụng quan trọng khác bao gồm sản xuất nhựa polyvinyl acetate, axetat cellulose cho phim ảnh và màng mỏng, cũng như nguyên liệu thô cho polymer polyester (ScienceDirect).

Vai trò sinh học và trong thực phẩm

Axit acetic không chỉ có vai trò bảo quản mà còn ảnh hưởng đến quá trình trao đổi chất của vi sinh vật và động thực vật. Trong quá trình lên men rượu và sản xuất giấm, loài vi khuẩn Acetobacter oxydans oxy hóa ethanol thành axit acetic, đồng thời tạo ra các hợp chất phụ như acetaldehyde và acid lactic ở nồng độ thấp, góp phần tạo hương vị phức hợp (NCBI).

Trong cơ thể người và động vật, axit acetic tham gia chu trình trao đổi carbon: sau khi hấp thụ qua ruột, một phần được chuyển hóa thành acetyl-CoA qua enzyme acetyl-CoA synthetase, bước đầu quan trọng trong chu trình Krebs. Acetyl-CoA là nền tảng cho tổng hợp acid béo, cholesterol và các hợp chất kích hoạt quá trình sinh tổng hợp hormone steroid.

Trong sản xuất thực phẩm chức năng và probiotic, axit acetic hỗ trợ cân bằng hệ vi sinh đường ruột, ức chế vi khuẩn gây bệnh và kích thích tăng trưởng các loài có lợi như Lactobacillus. Nghiên cứu cho thấy dung dịch giấm pha loãng 5 % giúp cải thiện tiêu hóa, giảm đường huyết sau ăn và hỗ trợ kiểm soát cân nặng ở người trưởng thành (Endocrine Society).

Phân tích và xác định

Đo lường nồng độ axit acetic trong dung dịch thực phẩm và môi trường công nghiệp thường sử dụng phương pháp chuẩn độ kiềm với phenolphthalein hoặc bromophenol blue làm chỉ thị. Phương pháp này đơn giản, chi phí thấp, cho kết quả chính xác ±0,1 % nồng độ axit (ACS Publications).

Kỹ thuật sắc ký khí (GC) với detector khối phổ (MS) cho độ nhạy cao, cho phép phát hiện axit acetic ở ngưỡng ppm. Trong điều kiện GC, mẫu được este hóa trước khi phân tích để tăng khả năng bay hơi và tách biệt với các axit béo khác. Sắc ký lỏng hiệu năng cao (HPLC) phối hợp detector UV/RI cũng được sử dụng rộng rãi để phân tích mẫu nước thải và nước uống.

An toàn và xử lý

Axit acetic trong nồng độ cao và ở dạng glacial (>99,5 %) gây ăn mòn da, mắt và đường hô hấp. Tiếp xúc trực tiếp có thể dẫn đến bỏng hóa học, viêm kết mạc và phù nề niêm mạc hô hấp. Vì vậy, khi thao tác, phải mặc đồ bảo hộ, găng tay kháng hóa chất, kính bảo hộ và đảm bảo thông gió đầy đủ (EPA).

Khi xảy ra tràn axit acetic, cần nhanh chóng cách ly khu vực, ngăn chặn lan rộng và pha loãng bằng nước. Sau đó, trung hòa với dung dịch kiềm nhẹ như NaHCO₃ trước khi thu gom. Chất thải axit acetic sau trung hòa có thể xử lý theo quy trình chất thải hóa học thông thường với mức pH cuối cùng từ 6,5–8.

• Mặc đồ phòng thí nghiệm tiêu chuẩn, găng tay nitrile và mặt nạ phòng độc.
• Sử dụng bồn rửa mắt khẩn cấp và vòi sen an toàn trong khu vực thao tác.
• Lưu trữ trong bình thủy tinh hoặc nhựa HDPE chịu axit, kín nắp, tránh nguồn nhiệt và ánh sáng trực tiếp.

Tác động môi trường

Axit acetic có khả năng phân hủy sinh học cao, không tích lũy lâu dài trong môi trường. Tuy nhiên ở nồng độ lớn, axit acetic có thể làm giảm pH nguồn nước và đất, gây ảnh hưởng đến hệ sinh thái thủy sinh và vi sinh vật đất. Nồng độ tối đa cho phép trong nước thải thường được quy định dưới 250 mg/L để tránh hiện tượng sốc pH và thiếu oxy sinh học.

Quá trình sản xuất và sử dụng axit acetic cũng tiềm ẩn rủi ro phát thải khí CO và hơi axit. Các nhà máy cần áp dụng biện pháp thu hồi CO dư, hệ thống hấp phụ hơi axit bằng than hoạt tính hoặc màng hấp thụ. Giảm thiểu phát thải không chỉ bảo vệ môi trường mà còn nâng cao hiệu quả kinh tế của quy trình.

• Tuân thủ tiêu chuẩn thải xả nước thải công nghiệp: pH 6–9, COD < 500 mg/L.
• Thu hồi và tái sử dụng CO dư trong sản xuất carbonyl hóa metanol.
• Ứng dụng hệ thống xử lý sinh học cho nước thải có chứa axit acetic và các chất hữu cơ khác.

Tài liệu tham khảo

• PubChem. “Acetic acid.” pubchem.ncbi.nlm.nih.gov
• ScienceDirect. “Acetic Acid Production and Separation.” sciencedirect.com
• ACS Publications. “Quantitative Determination of Acetic Acid by Titration.” pubs.acs.org
• EPA. “Acetic Acid Hazard Summary.” epa.gov
• Endocrine Society. “Vinegar and Health.” endocrine.org