Bài học

Điều chế và ứng dụng carboxylic acid

Mục tiêu bài học

Sau bài này, em viết được phương trình điều chế carboxylic acid từ oxi hoá alcohol hoặc aldehyde, mô tả được phương pháp lên men giấm, và nêu được ứng dụng của acid acetic trong đời sống, công nghiệp.

Kiến thức nền cần nhớ (same-grade bridge)

Bài học nối tiếp chuỗi oxi hoá đã xây dựng xuyên suốt khoá học: alcohol bậc I → aldehyde (Chương 3) → carboxylic acid (bài này) — cùng một hướng oxi hoá, chỉ đi thêm một bước.

Khởi động

Giấm ăn truyền thống được làm từ rượu (ethanol) lên men tự nhiên trong không khí một thời gian dài, không cần hoá chất công nghiệp nào. Quá trình "chua hoá" rượu thành giấm, về bản chất hoá học, là phản ứng gì?

Kiến thức trọng tâm

Điều chế trong phòng thí nghiệm: oxi hoá aldehyde bằng chất oxi hoá thích hợp (như dung dịch $KMnO_4$ , hoặc tiếp tục dùng $AgNO_3/NH_3$ dư) tạo carboxylic acid tương ứng — bước oxi hoá tiếp theo sau phản ứng tráng gương đã học ở Chương 2: $RCHO + [O] \to RCOOH$ (ký hiệu $[O]$ chỉ chất oxi hoá nói chung).

Lên men giấm: phương pháp truyền thống, oxi hoá ethanol bằng oxygen không khí, xúc tác enzyme của vi khuẩn acetic (men giấm), ở nhiệt độ thường: $C_2H_5OH + O_2 \xrightarrow{men giấm} CH_3COOH + H_2O$ Đây là phản ứng lên men vi sinh, khác về bản chất cơ chế so với oxi hoá bằng $CuO$ hay $KMnO_4$ , nhưng cùng tạo ra một sản phẩm — acid acetic.

Điều chế công nghiệp quy mô lớn: phương pháp carbonyl hoá methanol, xúc tác kim loại chuyển tiếp, áp suất cao: $CH_3OH + CO \xrightarrow{xt, t^\circ, p} CH_3COOH$ Đây là phương pháp hiện đại, hiệu suất cao, chiếm phần lớn sản lượng acid acetic công nghiệp toàn cầu, dùng làm nguyên liệu cho ngành hoá chất, dệt nhuộm, dược phẩm.

Ứng dụng của carboxylic acid, tập trung vào acid acetic — chất tiêu biểu nhất: làm giấm ăn (dung dịch acid acetic 2-5%) dùng trong nấu ăn, bảo quản thực phẩm (dưa muối, hạn chế vi khuẩn phát triển nhờ môi trường acid); nguyên liệu sản xuất tơ acetate (dệt vải), chất dẻo, phẩm nhuộm, dược phẩm; dung môi công nghiệp. Các acid khác cũng có vai trò riêng: acid formic dùng trong ngành thuộc da, cao su; acid oxalic dùng tẩy gỉ sét, tẩy trắng.

**Điều chế trong phòng thí nghiệm**: oxi hoá aldehyde bằng chất oxi hoá thích hợp (như dung dịch $KMnO_4$, hoặc tiếp tục dùng $AgNO_3/NH_3$ dư) tạo carboxylic acid tương ứng — bước oxi hoá tiếp theo sau phản ứng tráng gương đã học ở Chương 2: $RCHO + [O] \to RCOOH$ (ký hiệu $[O]$ chỉ chất oxi hoá nói chung). **Lên men giấm**: phương pháp truyền thống, oxi hoá ethanol bằng oxygen không khí, xúc tác enzyme của vi khuẩn acetic (men giấm), ở nhiệt độ thường: $C_2H_5OH + O_2 \xrightarrow{men giấm} CH_3COOH + H_2O$ Đây là phản ứng lên men vi sinh, khác về bản chất cơ chế so với oxi hoá bằng $CuO$ hay $KMnO_4$, nhưng cùng tạo ra một sản phẩm — acid acetic. **Điều chế công nghiệp quy mô lớn**: phương pháp carbonyl hoá methanol, xúc tác kim loại chuyển tiếp, áp suất cao: $CH_3OH + CO \xrightarrow{xt, t^\circ, p} CH_3COOH$ Đây là phương pháp hiện đại, hiệu suất cao, chiếm phần lớn sản lượng acid acetic công nghiệp toàn cầu, dùng làm nguyên liệu cho ngành hoá chất, dệt nhuộm, dược phẩm. **Ứng dụng** của carboxylic acid, tập trung vào acid acetic — chất tiêu biểu nhất: làm giấm ăn (dung dịch acid acetic 2-5%) dùng trong nấu ăn, bảo quản thực phẩm (dưa muối, hạn chế vi khuẩn phát triển nhờ môi trường acid); nguyên liệu sản xuất tơ acetate (dệt vải), chất dẻo, phẩm nhuộm, dược phẩm; dung môi công nghiệp. Các acid khác cũng có vai trò riêng: acid formic dùng trong ngành thuộc da, cao su; acid oxalic dùng tẩy gỉ sét, tẩy trắng.

Điều quan trọng cần phân biệt: acid acetic dùng trong thực phẩm (giấm ăn) BẮT BUỘC phải qua kiểm định an toàn thực phẩm nghiêm ngặt, dù được sản xuất bằng phương pháp lên men truyền thống hay pha loãng từ acid acetic công nghiệp tinh khiết — khác hẳn formalin ở Chương 3, vốn không được phép dùng cho thực phẩm trong bất kỳ trường hợp nào vì độc tính của formaldehyde.

So sánh ba con đường điều chế acid acetic vừa nêu — oxi hoá aldehyde, lên men giấm, carbonyl hoá methanol — cho thấy rõ một quy luật đã gặp ở Chương 3: quy mô càng lớn, phương pháp càng ưu tiên nguyên liệu rẻ và hiệu suất cao hơn là thao tác đơn giản. Lên men giấm gần như không tốn hoá chất nhưng năng suất thấp, chỉ phù hợp sản xuất giấm ăn quy mô hộ gia đình hoặc làng nghề truyền thống; carbonyl hoá methanol đòi hỏi thiết bị áp suất cao, xúc tác đắt tiền, nhưng cho sản lượng công nghiệp khổng lồ với giá thành mỗi tấn thấp hơn nhiều — đây là lý do acid acetic công nghiệp trên thế giới ngày nay chủ yếu sản xuất bằng phương pháp carbonyl hoá chứ không còn dựa vào lên men. Điều quan trọng cần phân biệt: acid acetic dùng trong thực phẩm (giấm ăn) BẮT BUỘC phải qua kiểm định an toàn thực phẩm nghiêm ngặt, dù được sản xuất bằng phương pháp lên men truyền thống hay pha loãng từ acid acetic công nghiệp tinh khiết — khác hẳn formalin ở Chương 3, vốn không được phép dùng cho thực phẩm trong bất kỳ trường hợp nào vì độc tính của formaldehyde.

Ví dụ

So sánh hai con đường điều chế acid acetic

1
Viết phương trình lên men giấm từ ethanol, và phương trình điều chế acid acetic công nghiệp từ methanol và carbon monoxide.
2
$C_2H_5OH + O_2 \xrightarrow{men giấm} CH_3COOH + H_2O$ .
$C_2H_5OH + O_2 \xrightarrow{men giấm} CH_3COOH + H_2O$.
3
$CH_3OH + CO \xrightarrow{xt,t^\circ,p} CH_3COOH$ .
$CH_3OH + CO \xrightarrow{xt,t^\circ,p} CH_3COOH$.
4
Hai con đường khác nhau — sinh học và công nghiệp hoá học — đều cho cùng sản phẩm acid acetic, minh hoạ việc một chất có thể được tổng hợp bằng nhiều phương pháp tuỳ quy mô và mục đích sử dụng. Điểm chung của cả hai: nguyên tử carbon mang nhóm chức cuối cùng đều từng ở trạng thái oxi hoá thấp hơn (ethanol hoặc methanol) trước khi được nâng dần lên mức oxi hoá cao nhất của carboxylic acid.
Hai con đường khác nhau — sinh học và công nghiệp hoá học — đều cho cùng sản phẩm acid acetic, minh hoạ việc một chất có thể được tổng hợp bằng nhiều phương pháp tuỳ quy mô và mục đích sử dụng. Điểm chung của cả hai: nguyên tử carbon mang nhóm chức cuối cùng đều từng ở trạng thái oxi hoá thấp hơn (ethanol hoặc methanol) trước khi được nâng dần lên mức oxi hoá cao nhất của carboxylic acid.

Ví dụ

Tính toán nối tiếp lên men và phản ứng với muối carbonate

1
Cho 23 gam ethanol lên men giấm với hiệu suất 60% (theo ethanol), thu được dung dịch chứa acid acetic. Toàn bộ acid acetic sinh ra được cho tác dụng hết với $Na_2CO_3$ dư. Tính thể tích khí $CO_2$ thoát ra (đkc: $V_m=24{,}79$ lít/mol).
Cho 23 gam ethanol lên men giấm với hiệu suất 60% (theo ethanol), thu được dung dịch chứa acid acetic. Toàn bộ acid acetic sinh ra được cho tác dụng hết với $Na_2CO_3$ dư. Tính thể tích khí $CO_2$ thoát ra (đkc: $V_m=24{,}79$ lít/mol).
2
$n(C_2H_5OH)=\dfrac{23}{46}=0{,}5$ mol.
$n(C_2H_5OH)=\dfrac{23}{46}=0{,}5$ mol.
3
Số mol ethanol thực sự lên men: $n_{pư}=0{,}5\times60\%=0{,}3$ mol. (1)
Số mol ethanol thực sự lên men: $n_{pư}=0{,}5\times60\%=0{,}3$ mol. (1)
4
Theo phương trình lên men $C_2H_5OH+O_2\xrightarrow{men giấm}CH_3COOH+H_2O$ (tỉ lệ 1:1), suy ra $n(CH_3COOH)=0{,}3$ mol. (2)
Theo phương trình lên men $C_2H_5OH+O_2\xrightarrow{men giấm}CH_3COOH+H_2O$ (tỉ lệ 1:1), suy ra $n(CH_3COOH)=0{,}3$ mol. (2)
5
Theo phương trình $2CH_3COOH+Na_2CO_3\to2CH_3COONa+H_2O+CO_2\uparrow$ (Chương 4), suy ra $n(CO_2)=\dfrac{1}{2}n(CH_3COOH)=0{,}15$ mol. (3)
Theo phương trình $2CH_3COOH+Na_2CO_3\to2CH_3COONa+H_2O+CO_2\uparrow$ (Chương 4), suy ra $n(CO_2)=\dfrac{1}{2}n(CH_3COOH)=0{,}15$ mol. (3)
6
Từ (3): $V(CO_2)=0{,}15\times24{,}79\approx3{,}72$ lít. Vậy thể tích khí $CO_2$ thu được xấp xỉ 3,72 lít (đkc).
Từ (3): $V(CO_2)=0{,}15\times24{,}79\approx3{,}72$ lít. Vậy thể tích khí $CO_2$ thu được xấp xỉ 3,72 lít (đkc).

Sai lầm thường gặp

Bài toán nối hai phản ứng liên tiếp (lên men rồi phản ứng với $Na_2CO_3$ ) dễ khiến học sinh áp nhầm hiệu suất vào bước thứ hai — hiệu suất đề cho CHỈ áp dụng cho bước lên men; phản ứng acid với $Na_2CO_3$ sau đó coi là hoàn toàn (trừ khi đề nói khác), tính theo đúng lượng acid thực tế đã tạo thành ở bước một. Đây là dạng bài "chuỗi phản ứng nối tiếp" rất phổ biến trong đề tổng hợp: mỗi phản ứng chỉ dùng ĐÚNG lượng chất thực tế sinh ra từ bước trước, không dùng lại lượng chất ban đầu của đề — một lỗi thường gặp là tính ngược lại từ số mol ethanol ban đầu (23 gam) thay vì từ số mol acid acetic thực tế đã hình thành sau bước lên men.

Bài toán nối hai phản ứng liên tiếp (lên men rồi phản ứng với $Na_2CO_3$) dễ khiến học sinh áp nhầm hiệu suất vào bước thứ hai — hiệu suất đề cho CHỈ áp dụng cho bước lên men; phản ứng acid với $Na_2CO_3$ sau đó coi là hoàn toàn (trừ khi đề nói khác), tính theo đúng lượng acid thực tế đã tạo thành ở bước một. Đây là dạng bài "chuỗi phản ứng nối tiếp" rất phổ biến trong đề tổng hợp: mỗi phản ứng chỉ dùng ĐÚNG lượng chất thực tế sinh ra từ bước trước, không dùng lại lượng chất ban đầu của đề — một lỗi thường gặp là tính ngược lại từ số mol ethanol ban đầu (23 gam) thay vì từ số mol acid acetic thực tế đã hình thành sau bước lên men.

Luyện tập có hướng dẫn

Luyện tập độc lập

Kiểm tra nhanh

Ghi nhớ

Carboxylic acid điều chế từ oxi hoá aldehyde ( $RCHO+[O]\to RCOOH$ ), lên men giấm ( $C_2H_5OH+O_2\xrightarrow{men giấm}CH_3COOH+H_2O$ ), hoặc công nghiệp từ methanol + CO. Acid acetic: giấm ăn, tơ acetate, dung môi, nguyên liệu dược phẩm.

Carboxylic acid điều chế từ oxi hoá aldehyde ($RCHO+[O]\to RCOOH$), lên men giấm ($C_2H_5OH+O_2\xrightarrow{men giấm}CH_3COOH+H_2O$), hoặc công nghiệp từ methanol + CO. Acid acetic: giấm ăn, tơ acetate, dung môi, nguyên liệu dược phẩm.

Chương cuối cùng ôn tập toàn bộ chuỗi oxi hoá alcohol → aldehyde/ketone → carboxylic acid và các phản ứng nhận biết đã học, chuẩn bị cho bài kiểm tra tổng hợp. Đến đây, em đã đi trọn một vòng: từ alcohol (Course 8), qua aldehyde, ketone (Chương 1-3), đến carboxylic acid và ester (Chương 4-5) — năm chương vừa qua thực chất kể một câu chuyện liền mạch về MỘT chuỗi biến đổi hoá học, chứ không phải năm chủ đề rời rạc.