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Aceton
| Strukturformel | ||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
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| Allgemeines | ||||||||||||
| Name | Aceton | |||||||||||
| Andere Namen |
| |||||||||||
| Summenformel | C3H6O | |||||||||||
| CAS-Nummer | 67-64-1 | |||||||||||
| PubChem | 180 | |||||||||||
| Kurzbeschreibung |
farblose Flüssigkeit mit süßlichem Geruch[1] | |||||||||||
| Eigenschaften | ||||||||||||
| Molare Masse | 58,08 g·mol−1 | |||||||||||
| Aggregatzustand |
flüssig | |||||||||||
| Dichte |
0,79 g·cm−3 (20 °C)[1] | |||||||||||
| Schmelzpunkt | ||||||||||||
| Siedepunkt |
56 °C[1] | |||||||||||
| Dampfdruck | ||||||||||||
| Löslichkeit |
mischbar mit Wasser[1] und vielen organischen Lösungsmitteln[2] | |||||||||||
| Dipolmoment | ||||||||||||
| Brechungsindex |
1,3588 (20 °C)[4] | |||||||||||
| Sicherheitshinweise | ||||||||||||
| ||||||||||||
| MAK |
500 ml·m−3, 1200 mg·m−3[1] | |||||||||||
| Toxikologische Daten | ||||||||||||
| Soweit möglich und gebräuchlich, werden SI-Einheiten verwendet. Wenn nicht anders vermerkt, gelten die angegebenen Daten bei Standardbedingungen. Brechungsindex: Na-D-Linie, 20 °C | ||||||||||||
Aceton [at͡səˈtoːn] (auch: Azeton) ist der Trivialname für die organisch-chemische Verbindung Propanon bzw. Dimethylketon. Aceton ist eine farblose Flüssigkeit und findet Verwendung als polares, aprotisches Lösungsmittel und als Ausgangsstoff für viele Synthesen der organischen Chemie. Es ist mit seinem Strukturmerkmal der Carbonylgruppe (>C=O), die zwei Methylgruppen trägt, das einfachste Keton.
Gewinnung und Darstellung
Aceton wurde 1606 zum ersten Mal von Andreas Libavius durch Erhitzen von Blei(II)-acetat hergestellt. 1661 konnte Robert Boyle es durch die trockene Destillation von Holz gewinnen.[7] Bis in die Mitte des 20. Jahrhunderts war die Aceton-Butanol-Fermentation ein wichtiges Verfahren zur Gewinnung auch von Aceton. Für die industrielle Produktion kam hierbei das anaerobe Bakterium Clostridium acetobutylicum zum Einsatz.
Das wichtigste Herstellungsverfahren von Aceton ist heutzutage das Cumolhydroperoxid-Verfahren, das auch als Phenolsynthese nach Hock bekannt ist:
Hier werden Benzol und Propen zunächst durch eine Friedel-Crafts-Alkylierung im Sauren in Isopropylbenzol (Cumol) überführt. Dieses reagiert dann mit Sauerstoff in einer Radikalreaktion zum Hydroperoxid, welches sich während der sauren Aufarbeitung zu Phenol und Aceton zersetzt.
Als weiteres Herstellungsverfahren wird die Dehydrierung bzw. Oxidehydrierung von Isopropanol durchgeführt.
Eine weitere Möglichkeit der Acetonherstellung besteht darin, Calciumacetat (1) zu erhitzen, wobei es in Aceton (2) und Calciumoxid zerfällt. (Bekannt unter der Bezeichnung "Kalksalzdestillation")
Dieses Verfahren geht auf die oben genannte historische Synthese von Libavius 1606 zurück.
Eigenschaften
Aceton ist eine farblose, niedrigviskose Flüssigkeit mit einem charakteristischen, leicht süßlichen Geruch, leicht entzündlich und bildet mit Luft ein explosives Gemisch. Der Siedepunkt bei Normaldruck beträgt 56 °C. Es ist in jedem Verhältnis mit Wasser und den meisten organischen Lösungsmitteln mischbar. Das Acetonmolekül zeigt Keto-Enol-Tautomerie; sein pKs-Wert beträgt 20. Aceton kann aufgrund seiner polaren Carbonylgruppe mit Kationen auch Komplexverbindungen bilden.
Die Verbindung bildet mit einer Reihe anderer Lösungsmittel azeotrop siedende Gemische. Die azeotropen Zusammensetzungen und Siedepunkte finden sich in der folgenden Tabelle. Keine Azeotrope werden mit Wasser, Ethanol, 1-Propanol, 2-Propanol, n-Butanol, Benzol, Toluol, Ethylbenzol, Diethylether, Ethylacetat und Acetonitril gebildet.[8]
Azeotrope mit verschiedenen Lösungsmitteln[8] Lösungsmittel n-Pentan n-Hexan n-Heptan Cyclohexan Methanol Chloroform Tetrachlormethan Diisopropylether Methylacetat Gehalt Aceton in Ma% 21 59 90 67 88 22 89 61 50 Siedepunkt in °C 32 50 56 53 55 64 56 54 55
Thermodynamische Eigenschaften
Die Dampfdruckfunktion ergibt sich nach Antoine entsprechend log10(P) = A−(B/(T+C)) (P in bar, T in K) mit A = 4,42448, B = 1312,253 und C = −32.445 im Temperaturbereich von 259,2 bis 507,6 K.[9]
Zusammenstellung der wichtigsten thermodynamischen Eigenschaften Eigenschaft Typ Wert [Einheit] Bemerkungen Standardbildungsenthalpie ΔfH0liquid
ΔfH0gas−249,4 kJ·mol−1[10]
−218,5 kJ·mol−1[10]als Flüssigkeit
als GasVerbrennungsenthalpie ΔcH0gas −1821,4 kJ·mol−1[11] Wärmekapazität cp 125,45 J·mol−1·K−1 (25 °C)[12]
75,02 J·mol−1·K−1 (25 °C)[13]als Flüssigkeit
als GasKritische Temperatur Tc 508,15 K[14] Kritischer Druck pc 47,582 bar[14] Kritische Dichte ρc 4,63 mol·l−1[14] Azentrischer Faktor ωc 0,30653[15] Schmelzenthalpie ΔfH0 10,48 kJ·mol−1[16] beim Schmelzpunkt Verdampfungsenthalpie ΔVH0 29,1 kJ·mol−1[17] beim Normaldrucksiedepunkt
Die Temperaturabhängigkeit der Verdampfungsenthalpie lässt sich entsprechend der Gleichung ΔVH0=A·e(−βTr)(1−Tr)β (ΔVH0 in kJ/mol, Tr =(T/Tc) reduzierte Temperatur) mit A = 46,95 kJ/mol, β = 0,2826 und Tc = 508,2 K im Temperaturbereich zwischen 298 K und 363 K beschreiben.[17] Die spezifische Wärmekapazität kann im Temperaturbereich zwischen 5 °C und 50 °C über eine lineare Funktion mit cp = 1,337 + 2,7752·10−3 ·T (mit cp in kJ·kg−1·K−1 und T in K) abgeschätzt werden.[12]
Dampfdruckfunktion von Aceton
Temperaturabhängigkeit der Verdampfungswärme von Aceton
Spezifische Wärmekapazität von Aceton
Sicherheitstechnische Kenngrößen
Aceton bildet leicht entzündliche Dampf-Luft-Gemische. Die Verbindung hat einen Flammpunkt unterhalb von −20 °C. Der Explosionsbereich liegt zwischen 2,5 Vol% (60 g/m3) als untere Explosionsgrenze (UEG) und 14,3 Vol% (345 g/m3) als obere Explosionsgrenze (OEG).[18] Eine Korrelation der Explosionsgrenzen mit der Dampfdruckfunktion ergibt einen unteren Explosionspunkt von −23 °C sowie einen oberen Explosionspunkt von 8 °C. Die Explosionsgrenzen sind druckabhängig. Eine Erniedrigung des Druckes führt zu einer Verkleinerung des Explosionsbereiches. Die untere Explosionsgrenze ändert sich bis zu einem Druck von 100 mbar nur wenig und steigt erst bei Drücken kleiner als 100 mbar an. Die obere Explosionsgrenze verringert sich mit sinkendem Druck analog.[19]
Explosionsgrenzen unter reduziertem Druck (gemessen bei 100 °C)[19] Druck in mbar 1013 800 600 400 300 250 200 150 100 50 25 Untere Explosionsgrenze (UEG) in Vol% 2,2 2,2 2,3 2,3 2,4 2,4 2,5 2,6 2,7 3,6 5,0 in g·m−3 53 53 53 55 57 58 59 61 63 86 119 Obere Explosionsgrenze (OEG) in Vol% 14,3 14,0 13,7 13,4 13,2 13,1 13,1 13,1 12,5 10,3 9,0 in g·m−3 345 338 331 324 319 316 316 316 302 249 217
Der maximale Explosionsdruck beträgt 9,7 bar.[18] Die Grenzspaltweite wurde mit 1,04 mm (50 °C) bestimmt.[18] Es resultiert damit eine Zuordnung in die Explosionsgruppe IIA.[18] Mit einer Mindestzündenergie von 1,15 mJ sind Dampf-Luft-Gemische extrem zündfähig.[20][21] Die Zündtemperatur beträgt 535 °C.[18] Der Stoff fällt somit in die Temperaturklasse T1. Unter erhöhtem Druck wird ein starkes Absinken der Zündtemperatur beobachtet.[1] Die elektrische Leitfähigkeit ist mit 4,9·10−7 S·m−1 eher gering.[22]
Zündtemperaturen unter erhöhtem Druck[1] Druck in bar 1 2 4 6,8 16,5 Zündtemperatur in °C 535 345 290 265 250
Reaktionen (Auswahl)
Iodierung von Aceton
Als besondere Reaktion sei hier die Iodierung von Aceton als klassisches Beispiel für eine Reaktionskinetik pseudo-nullter Ordnung genannt. Da sich nur die Enolform iodieren lässt, Aceton aber nahezu zu 100 % als Keton vorliegt, kann man bei der Reaktion die Konzentration an 2-Propenol als konstant ansehen. Dessen C=C-Doppelbindung reagiert nun mit Iod unter Abspaltung eines Iodidions zu einem mesomeren Kation, das anschließend ein Proton auf ein Iodidion überträgt.[23]
Die Einstellung des Keto-Enol-Gleichgewichts ist säure- (und auch basen-) -katalysiert. Durch den entstehenden Iodwasserstoff wird die Iodierung daher stark beschleunigt (Autokatalyse).
Iodoformreaktion
Bei Zugabe von Base läuft hingegen die Iodoformreaktion ab:
Bildung von Dibenzalaceton
Aceton reagiert in Gegenwart von Benzaldehyd in alkalischer Lösung zum Dibenzalaceton. Die Reaktion findet nach dem allgemeinen Mechanismus der Aldol-Kondensation statt.
Auch Benzalanilin ist synthetisierbar – dabei reagiert das Anilin mit dem sich in alkalischer Lösung befindenden Aceton unter Wasserabspaltung zur Schiffschen Base (Azomethin). Sowohl Dibenzalaceton als auch Benzalanilin sind wertvolle Substanzen, da sie sehr reaktive Doppelbindungen besitzen, die von Nucleophilen angegriffen werden können.
Bildung von Diacetonalkohol
Lässt man je zwei Acetonmoleküle unter dem Einfluss basischer Reagenzien aldolartig dimerisieren, so entsteht Diacetonalkohol:
Bildung von Acetonperoxid
Aceton reagiert mit Wasserstoffperoxid zu dem explosiven Acetonperoxid:
Verwendung
Aceton ist in der chemischen Industrie Ausgangsstoff für zahlreiche Synthesen. Hauptsächlich dient es zur Herstellung von Polymethylmethacrylat (PMMA), umgangssprachlich als Acrylglas oder Plexiglas bezeichnet. Dazu wird das Aceton zunächst durch Addition von Blausäure in das Acetoncyanhydrin überführt, das im sauren Milieu leicht Wasser abspaltet (Mesomeriestabilisierung der Doppelbindung aufgrund der Konjugation zur Dreifachbindung der Nitrilgruppe). Das dabei entstehende 2-Methylpropennitril wird durch Zugabe eines Gemisches aus konzentrierter Schwefelsäure und Methanol zu Methylmethacrylat umgesetzt, das in einem weiteren Schritt zum Acrylglas polymerisiert wird.
Ferner wird Aceton als gängiges Lösungs- und Extraktionsmittel für Harze, Fette und Öle, Kolophonium, Celluloseacetat sowie als Nagellackentferner und Plastikkleber[24] eingesetzt. Des Weiteren wird es zum Entfernen von durch Bauschaum entstandenen Verunreinigungen zum Beispiel der Reinigung von PU-Schaum-Pistolen eingesetzt. Es löst ein Vielfaches seines Volumens an Ethin (Acetylen). Aceton wird in vielen Reaktionen (Aldoladditionen und Aldolkondensationen) der organischen Chemie benutzt.
In einigen Ländern wird Aceton in kleinen Anteilen (1:2000 – 1:5000) Benzin oder Diesel zugesetzt, um eine vollständigere Verbrennung des Treibstoffs zu erreichen.
In der photochemischen Leiterplattenherstellung wird Aceton zum abschließenden Reinigen der Leiterplatte eingesetzt.
Acetonhaltige Lösungen finden in der Zahnmedizin Verwendung zur Reinigung präparierter Dentinflächen und Wurzelkanäle.
Biochemie
Aceton ist ein Ketonkörper, der nicht in nennenswertem Umfang verstoffwechselt werden kann. Er wird deshalb über die Lunge oder im Ausnahmefall über den Harn abgegeben (Acetonurie, ein Symptom des Diabetes mellitus). Andere Ketonkörper sind Acetessigsäure und 3-Hydroxybutansäure. Diese können im Stoffwechsel verarbeitet werden.
Toxikologie
Auf der Haut verursacht Aceton Trockenheit, da es die Haut entfettet. Deshalb sollte man betroffene Stellen nach Kontakt einfetten. Inhalation größerer Dosen erzeugt Bronchialreizung, Müdigkeit und Kopfschmerz. Sehr hohe Dosen wirken narkotisch.
Einzelnachweise
- ↑ 1,00 1,01 1,02 1,03 1,04 1,05 1,06 1,07 1,08 1,09 1,10 Eintrag zu CAS-Nr. 67-64-1 in der GESTIS-Stoffdatenbank des IFA, abgerufen am 2. Dezember 2012 (JavaScript erforderlich).
- ↑ Aceton. In: Römpp Online. Georg Thieme Verlag, abgerufen am 10. November 2014.
- ↑ David R. Lide (Hrsg.): CRC Handbook of Chemistry and Physics. 90. Auflage. (Internet-Version: 2010), CRC Press/Taylor and Francis, Boca Raton, FL, Dipole Moments, S. 9-52.
- ↑ David R. Lide (Hrsg.): CRC Handbook of Chemistry and Physics. 90. Auflage. (Internet-Version: 2010), CRC Press/Taylor and Francis, Boca Raton, FL, Physical Constants of Organic Compounds, S. 3-4.
- ↑ 5,0 5,1 Eintrag aus der CLP-Verordnung zu CAS-Nr. 67-64-1 in der GESTIS-Stoffdatenbank des IFA (JavaScript erforderlich).
- ↑ Seit dem 1. Dezember 2012 ist für Stoffe ausschließlich die GHS-Gefahrstoffkennzeichnung zulässig. Bis zum 1. Juni 2015 dürfen noch die R-Sätze dieses Stoffes für die Einstufung von Gemischen herangezogen werden, anschließend ist die EU-Gefahrstoffkennzeichnung von rein historischem Interesse.
- ↑ www.chemgapedia.de, Lerneinheit Aceton-Synthese.
- ↑ 8,0 8,1 I.M. Smallwood: Handbook of organic solvent properties, Arnold London 1996, ISBN 0-340-64578-4, S. 27–29.
- ↑ Ambrose, D.; Sprake, C.H.S.; Townsend, R.: Thermodynamic Properties of Organic Oxygen Compounds. XXXIII. The Vapour Pressure of Acetone, in: J. Chem. Thermodyn. 6 (1974) S. 693–700, doi:10.1016/0021-9614(74)90119-0.
- ↑ 10,0 10,1 Wiberg, K.B.; Crocker, L.S.; Morgan, K.M.: Thermochemical studies of carbonyl compounds. 5. Enthalpies of reduction of carbonyl groups, in: J. Am. Chem. Soc. 113 (1991) S. 3447–3450, doi:10.1021/ja00009a033.
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- ↑ Technische Regel für Betriebssicherheit – TRBS 2153, BG RCI Merkblatt T033 Vermeidung von Zündgefahren infolge elektrostatischer Aufladungen, Stand April 2009, Jedermann-Verlag Heidelberg.
- ↑ F. A. Carey, R. J. Sundberg. Organische Chemie. Wiley-VCH Verlag 2004. ISBN 3-527-29217-9.
- ↑ Diskussionsthread zum Kleben von Plastik.
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