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

Định nghĩa và danh pháp hóa học

Axit formic là một hợp chất hữu cơ thuộc nhóm axit cacboxylic, có công thức phân tử $HCOOH$ và là axit đơn chức có khối lượng phân tử nhỏ nhất trong nhóm này. Đây là một chất lỏng không màu, mùi hăng mạnh, có vị chua và khả năng bay hơi tương đối cao. Mặc dù là một axit yếu, axit formic vẫn có khả năng phản ứng mạnh mẽ với nhiều chất vô cơ và hữu cơ khác nhau.

Trong hệ thống danh pháp quốc tế IUPAC, axit formic được gọi là axit methanoic. Tên gọi phổ biến “formic” xuất phát từ tiếng Latinh “formica”, có nghĩa là “kiến”, do hợp chất này được phát hiện lần đầu tiên vào thế kỷ 17 từ dịch chiết của kiến. Nó cũng có mặt trong nọc của một số loài côn trùng như ong, bọ cánh cứng, và là một trong các thành phần gây cảm giác nóng rát khi bị cắn.

Axit formic là chất trung gian quan trọng trong quá trình chuyển hóa của một số sinh vật, đồng thời cũng đóng vai trò như một tác nhân sinh học tự nhiên trong môi trường. Ở điều kiện tiêu chuẩn, nó có thể tồn tại ở dạng monomer hoặc dimer liên kết qua cầu hydro, làm thay đổi một số đặc tính vật lý như điểm sôi và độ nhớt.

Cấu trúc phân tử và tính chất hóa học

Phân tử axit formic có cấu trúc rất đơn giản, bao gồm một nguyên tử carbon trung tâm liên kết với ba nhóm nguyên tử: một nguyên tử hydro, một nhóm hydroxyl ($-OH$) và một nguyên tử oxy kép ($=O$). Cấu trúc này tạo thành nhóm chức axit cacboxylic đặc trưng. Công thức cấu tạo thu gọn của axit formic là:

$H - C(=O) - OH$

Do chứa cả nhóm formyl và nhóm hydroxyl, axit formic có thể thể hiện tính chất hóa học của cả hai nhóm. Nó có thể đóng vai trò như một axit, một chất khử hoặc một tác nhân tạo este. Khả năng phản ứng này khiến axit formic rất linh hoạt trong các phản ứng hữu cơ và vô cơ.

Một số phản ứng hóa học tiêu biểu của axit formic gồm:

• Phản ứng với kim loại hoạt động như Na, Zn: $2HCOOH + Zn \rightarrow (HCOO)_2Zn + H_2$
• Oxi hóa tạo khí CO₂: $HCOOH \xrightarrow{heat} CO_2 + H_2$
• Este hóa với rượu: $HCOOH + ROH \rightarrow HCOOR + H_2O$

Về mặt acid–base, axit formic có hằng số phân ly axit $K_a = 1.8 \times 10^{-4}$, tương đương với $pK_a = 3.75$, mạnh hơn axit axetic. Điều này là do ảnh hưởng cộng hưởng và tính điện âm cao hơn của nhóm formyl so với nhóm methyl.

Tính chất vật lý

Axit formic là chất lỏng không màu, có độ hòa tan cao trong nước và nhiều dung môi phân cực như ethanol, methanol, acetone. Nhờ có khả năng hình thành liên kết hydro mạnh, axit formic có điểm sôi cao bất thường so với khối lượng phân tử nhỏ của nó. Ở điều kiện nhiệt độ phòng, nó có thể tồn tại ở cả dạng monomer và dimer.

Các thông số vật lý quan trọng của axit formic:

Thuộc tính	Giá trị
Khối lượng phân tử	46.03 g/mol
Điểm nóng chảy	8.4 °C
Điểm sôi	100.8 °C
Khối lượng riêng	1.22 g/cm³ ở 20 °C
Áp suất hơi	42 mmHg ở 30 °C
Độ nhớt	1.57 cP (ở 25 °C)

Do có tính phân cực mạnh, axit formic có thể thẩm thấu nhanh qua da và vật liệu polymer, khiến nó cần được lưu trữ và xử lý trong các thiết bị chuyên dụng, không phản ứng như thép không gỉ hoặc thủy tinh borosilicate. Dưới ánh sáng hoặc nhiệt độ cao, axit formic có thể bị phân hủy thành khí CO và H₂O, gây áp suất trong môi trường kín.

Sản xuất công nghiệp

Hiện nay, axit formic chủ yếu được sản xuất theo quy mô công nghiệp bằng phương pháp gián tiếp thông qua methyl formate, trong đó methanol và carbon monoxide được phản ứng dưới điều kiện nhiệt độ và áp suất cao để tạo ra methyl formate, sau đó thủy phân thành axit formic. Quy trình này được sử dụng bởi nhiều công ty hóa chất lớn như BASF (Đức).

Phản ứng chính trong quy trình này như sau:

1. $CH_3OH + CO \rightarrow HCOOCH_3$
2. $HCOOCH_3 + H_2O \rightarrow HCOOH + CH_3OH$

Phương pháp này có ưu điểm là khả năng tái chế methanol sau phản ứng, giảm lãng phí nguyên liệu và hạn chế phát thải. Quá trình thường diễn ra dưới điều kiện áp suất 40–100 atm và nhiệt độ 80–150 °C, sử dụng xúc tác kim loại như NaOMe hoặc kiềm yếu.

Một số phương pháp sản xuất khác bao gồm quá trình hydrocarbonyl hóa trực tiếp từ khí CO và nước, tuy nhiên phương pháp này đòi hỏi điều kiện khắc nghiệt và xúc tác đắt tiền nên ít được áp dụng trong thương mại.

Bảng sau so sánh các phương pháp sản xuất phổ biến:

Phương pháp	Nguyên liệu chính	Ưu điểm	Hạn chế
Methyl formate	Methanol + CO	Hiệu suất cao, tái sử dụng methanol	Yêu cầu áp suất cao
Oxi hóa formaldehyde	CH2O + O2	Nguyên liệu rẻ, không cần CO	Hiệu suất thấp, tạo phụ phẩm
Hydrocarbonyl hóa trực tiếp	CO + H2O	Không sinh methanol	Khó kiểm soát, chi phí cao

Trên thế giới, hơn 80% sản lượng axit formic phục vụ cho các ngành công nghiệp sản xuất thức ăn chăn nuôi, dệt may, da thuộc, và hóa chất trung gian. Sự linh hoạt trong phản ứng và khả năng tái chế nguyên liệu là yếu tố quan trọng giúp quy trình sản xuất axit formic tiếp tục được cải tiến.

Ứng dụng trong công nghiệp và đời sống

Axit formic là một hóa chất công nghiệp đa năng, được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực nhờ tính chất kháng khuẩn, tính axit nhẹ và khả năng tham gia các phản ứng hóa học quan trọng. Trong ngành nông nghiệp, axit formic được dùng như một chất bảo quản và sát khuẩn trong thức ăn chăn nuôi, đặc biệt cho gia súc và gia cầm. Nó giúp ức chế sự phát triển của vi khuẩn và nấm mốc, kéo dài thời gian bảo quản thức ăn và cải thiện tiêu hóa ở vật nuôi.

Trong ngành công nghiệp dệt và da, axit formic đóng vai trò như một chất cố định thuốc nhuộm và tác nhân làm sạch trong quá trình thuộc da. Nhờ khả năng làm giảm pH và kiểm soát phản ứng thủy phân, axit formic giúp da mềm hơn, giữ được màu sắc đồng đều và ngăn chặn sự phát triển của vi khuẩn sau xử lý.

Các ứng dụng quan trọng khác của axit formic bao gồm:

• Thành phần trong sản xuất cao su thiên nhiên để làm đông tụ mủ cao su.
• Chất xúc tác trong tổng hợp hữu cơ, ví dụ như tạo este và amid.
• Dung môi đặc biệt trong phân tích hóa học, sắc ký lỏng hiệu năng cao (HPLC).
• Chất chống ăn mòn trong hệ thống công nghiệp như nồi hơi và tháp giải nhiệt.

Hiện nay, với sự phát triển của công nghệ pin nhiên liệu và lưu trữ năng lượng sạch, axit formic còn được nghiên cứu như một chất mang hydro tiềm năng nhờ khả năng chứa tới 4,4% khối lượng hydro và dễ dàng giải phóng dưới điều kiện nhẹ.

Vai trò sinh học và sự hiện diện trong tự nhiên

Axit formic là hợp chất tồn tại tự nhiên trong nhiều sinh vật, đặc biệt là côn trùng. Nó được tìm thấy trong nọc của kiến (đặc biệt là kiến gỗ thuộc chi *Formica*), ong, và bọ cánh cứng, nơi nó đóng vai trò như chất bảo vệ chống lại kẻ thù hoặc vi khuẩn. Khi bị tấn công, các loài này tiết ra axit formic để gây cảm giác bỏng rát hoặc làm mất phương hướng kẻ thù.

Ngoài côn trùng, axit formic còn hiện diện trong cây tầm ma, một số loại nấm và kết quả của quá trình lên men yếm khí ở một số vi sinh vật. Nó cũng có thể phát sinh từ sự phân giải các chất hữu cơ tự nhiên như formate hoặc formaldehyde trong môi trường đất và nước.

Axit formic đóng vai trò sinh học như một chất trung gian trong quá trình trao đổi chất, ví dụ như trong chu trình tổng hợp folate ở vi khuẩn. Nó cũng có thể ảnh hưởng đến pH nội bào và quá trình điều hòa oxy hóa–khử, mặc dù ở nồng độ cao sẽ gây độc cho tế bào.

Độc tính và an toàn hóa chất

Axit formic là một chất ăn mòn mạnh khi ở nồng độ đậm đặc và có thể gây nguy hiểm nếu không được xử lý đúng cách. Tiếp xúc qua da hoặc mắt với axit formic có thể gây bỏng hóa học, đỏ, rát và tổn thương mô. Hít phải hơi axit formic gây kích ứng đường hô hấp, ho, và trong trường hợp nghiêm trọng có thể dẫn đến phù phổi.

Theo khuyến cáo từ các tổ chức an toàn lao động quốc tế:

• Giới hạn tiếp xúc trung bình 8 giờ (TWA) theo ACGIH: 5 ppm (9.4 mg/m³)
• Ngưỡng nguy hiểm ngay lập tức (IDLH) theo NIOSH: 30 ppm

Khi làm việc với axit formic, cần trang bị đầy đủ thiết bị bảo hộ cá nhân như găng tay kháng hóa chất, kính bảo hộ, mặt nạ chống hơi axit và áo chống ăn mòn. Trong môi trường sản xuất, hệ thống thông gió cưỡng bức và cảm biến phát hiện rò rỉ axit cần được lắp đặt để giảm rủi ro tai nạn.

Phản ứng của axit formic với chất oxy hóa mạnh như acid nitric, hydrogen peroxide hoặc permanganate có thể gây phản ứng cháy nổ. Do đó, phải tránh bảo quản chung với các chất này. Trong trường hợp bị tràn, axit formic nên được trung hòa bằng dung dịch kiềm loãng như NaHCO₃ trước khi thu gom.

Vai trò trong nghiên cứu và công nghệ mới

Trong bối cảnh toàn cầu đang tìm kiếm các giải pháp lưu trữ năng lượng và sản xuất năng lượng tái tạo, axit formic nổi lên như một trong những ứng viên tiềm năng trong lĩnh vực "hydrogen carrier" – chất mang hydro. Nó có thể chứa hydro dưới dạng phân tử và giải phóng một cách dễ dàng thông qua phản ứng phân hủy xúc tác:

$HCOOH \rightarrow CO_2 + H_2$

Quá trình này có thể được thực hiện dưới điều kiện nhiệt độ thấp (40–80 °C) với sự hỗ trợ của xúc tác như ruthenium, iridium hoặc hệ xúc tác phi kim như borane–phosphine. Điểm nổi bật là phản ứng này không tạo ra khí CO độc hại, giúp axit formic trở thành chất phụ gia an toàn hơn so với methanol hoặc hydride kim loại.

Ứng dụng tiềm năng của axit formic trong lĩnh vực công nghệ mới bao gồm:

• Nhiên liệu lỏng cho pin nhiên liệu di động
• Hệ thống cung cấp hydro cho xe điện sử dụng pin H₂
• Giải pháp lưu trữ năng lượng tái tạo quy mô nhỏ
• Vật liệu đầu vào trong điện phân và tổng hợp hóa học xanh

Nhiều dự án nghiên cứu của châu Âu và Hoa Kỳ hiện đang phát triển các hệ thống "LOHC" (Liquid Organic Hydrogen Carrier) dựa trên axit formic, trong đó nổi bật là các nghiên cứu tại Helmholtz Centre for Infection Research và U.S. Department of Energy.

Tác động môi trường và xử lý

Axit formic là một hợp chất dễ phân hủy sinh học và có khả năng hòa tan cao trong nước, giúp nó ít tích lũy trong môi trường sinh học. Tuy nhiên, nếu được xả thải trực tiếp với khối lượng lớn mà không qua xử lý, nó có thể làm thay đổi pH của nước hoặc đất, ảnh hưởng đến hệ vi sinh vật và động vật thủy sinh.

Trong các hệ thống xử lý nước thải công nghiệp, axit formic được trung hòa bằng các dung dịch kiềm như NaOH, Ca(OH)₂, hoặc xử lý thông qua các hệ thống vi sinh vật phân hủy sinh học. Một số loài vi khuẩn có khả năng sử dụng axit formic làm nguồn carbon, giúp tái sử dụng trong xử lý môi trường.

Quy định về xử lý và xả thải axit formic được giám sát bởi các cơ quan như Cơ quan Bảo vệ Môi trường Hoa Kỳ (EPA) và Cơ quan Hóa chất Châu Âu (ECHA). Theo tiêu chuẩn của EPA, axit formic không được phép xả thải trực tiếp ra nguồn nước mặt nếu chưa xử lý đạt ngưỡng pH và COD cho phép.

Biện pháp quản lý rủi ro môi trường khi sử dụng axit formic bao gồm:

• Sử dụng hệ thống thu hồi và tái chế tại chỗ
• Áp dụng kỹ thuật xử lý sinh học cho nước thải
• Kiểm soát khí thải và hơi bay hơi trong không khí
• Giám sát pH và chỉ số hóa học định kỳ

Tài liệu tham khảo

• U.S. National Institute for Occupational Safety and Health (NIOSH). Formic Acid Safety Profile
• BASF SE. Formic Acid in Industry
• U.S. Department of Energy. Hydrogen Storage Technologies
• European Chemicals Agency (ECHA). Substance Information - Formic Acid
• Laurenczy, G., & Fellay, C. (2014). Hydrogen production from formic acid. ChemSusChem, 7(10), 2632–2640.
• Environmental Protection Agency (EPA). www.epa.gov