Acrylsäure
Acrylsäure oder Propensäure gehört zu den ungesättigten Carbonsäuren. Sie ist eine farblose, mit Wasser mischbare bei Raumtemperatur flüssige chemische Verbindung mit stechendem, essigähnlichem Geruch. Acrylsäure wirkt stark korrodierend und ist entzündlich. Ihre Salze und Ester (Acrylsäureester) werden Acrylate genannt.
Gewinnung und Darstellung
Propiolacton-Verfahren
Eines der ersten großtechnischen Verfahren zur Herstellung von Acrylsäure basiert auf der Thermolyse von Propiolacton, welches man bei Temperaturen von 140–180 °C und Drücken von 25–250 bar in Gegenwart von Phosphorsäure und Kupferpulver als Katalysator quantitativ zu Acrylsäure umsetzt.<ref name="ARPE">Vorlage:Literatur</ref>
.svg){kind=link}
Dieses Verfahren wurde bereits vor langer Zeit durch wirtschaftlichere Prozesse, wie der Zweistufen-Oxidation von Propen, abgelöst, die vor allem durch die preisgünstigen Einsatzstoffe auf Basis petrochemischer Erzeugung bevorzugt wird. In neuerer Zeit wurden jedoch wieder Entwicklungen hinsichtlich der Thermolyse von Propiolacton vorangetrieben, das nun durch ein neuartiges Verfahren im Rahmen einer Carbonylierung von Ethylenoxid preiswert herstellbar ist.<ref name="VERFAHREN">Vorlage:Patent</ref>
Propen-Oxidation
Die großindustrielle Herstellung erfolgt durch eine zweistufige Oxidation von Propen mit Hilfe von Katalysatoren. In der ersten Stufe wird Propen mit Luft an Bismut-Molybdänoxid-Katalysatoren bei Temperaturen um 300 °C zu Propenal (Acrolein) umgesetzt. In der zweiten Stufe erfolgt die Oxidation von Propenal an Molybdän-Vanadium-Oxid-Katalysatoren bei Temperaturen von 250 bis 300 °C zu Acrylsäure.
Reppe-Verfahren
Die Herstellung kann auch über Carbonylierung nach Walter Reppe aus Acetylen, Kohlenmonoxid und Wasser erfolgen, die Methode hat aber in der heutigen Zeit keine großtechnische Anwendung:<ref name="Beyer">Hans Beyer und Wolfgang Walter: Organische Chemie. S. Hirzel Verlag, Stuttgart 1984, ISBN 3-7776-0406-2, S. 99.</ref>
Im Jahr 2010 betrug die weltweite Produktionskapazität von Acrylsäure etwa 5,3 Millionen Tonnen.<ref name="Technische Chemie">Vorlage:Literatur</ref>
Eigenschaften
Physikalische Eigenschaften
Acrylsäure ist eine farblose Flüssigkeit, die unter Normaldruck bei 141 °C siedet. Die Verdampfungsenthalpie beträgt 53,1 kJ·mol−1.<ref>Yu. Ya. Van-chin-syan, V. V. Kochubei, V. V. Sergeev u. a.: Thermodynamic properties of some acids and aldehydes of the acrylic series. In: Sov. J. Chem. Phys. (Engl. Transl.) 70, (1996), 1789–1794.</ref> Die Dampfdruckfunktion ergibt sich nach Antoine entsprechend log10(p) = A−B/(T+C) (p in bar, T in K) mit A = 2,69607, B = 621,275 und C = −121,929 im Temperaturbereich von 293 K bis 343 K.<ref>A. N.Gubkov, N. A. Fermor, N. I. Smirnov: Vapor Pressure of Mono-Poly Systems. In: Zh. Prikl. Khim. (Leningrad) 37, (1964), S. 2204–2210.</ref> Die Substanz schmilzt bei 13,6 °C mit einer Schmelzenthalpie von 9,5 kJ·mol−1.<ref>M. K. Karabaev, T. P. Abduzhaminov, M. M. Kenisarin, A. A.Saidov: Thermodynamics of the crystal-liquid phase transition in acrylates and methacrylates. In: Izv. Akad. Nauk Uzb. SSR, Ser. Fiz.-Mat. Nauk, 1985, (5), 74–77.</ref> Die kritische Temperatur liegt bei 343 °C, der kritische Druck bei 52,43 bar.<ref>R. D’Souza, A. S. Teja: The prediction of the vapor pressures of carboxylic acids In: Chem. Eng. Commun. 61 (1987) 13–22, doi:10.1080/00986448708912028.</ref>
Chemische Eigenschaften
Acrylsäure neigt stark zur Polymerisation und wird mit kleinen Mengen Hydrochinonmonomethylether stabilisiert. Die Polymerisationswärme beträgt −67 kJ·mol−1 bzw. −930 kJ·kg−1.<ref>Berufsgenossenschaft Rohstoffe und chemische Industrie, Merkblatt R 008 Polyreaktionen und polymerisationsfähige Systeme. Ausgabe 05/2015, ISBN 978-3-86825-069-5.</ref>
Acrylsäure erfordert weiters besondere Sorgfalt beim Transport im flüssigen Aggregatzustand mittels Pumpen, um eine Zerstörung von Anlagenteilen aufgrund spontaner Polymerisation zu verhindern.
Die Lagerung sollte unterhalb von 25 °C erfolgen. Dabei ist darauf zu achten, dass der Festpunkt nicht unterschritten wird. Bei der Kristallisation würde sich stabilisatorfreie Reinst-Acrylsäure als Feststoff abscheiden, die beim Auftauen, da unstabilisiert, explosionsartig polymerisieren kann. Die Polymerisationsenthalpie beträgt 75 kJ·mol−1.
Die Additionsreaktion mit Bromwasserstoff an Acrylsäure liefert 3-Brompropansäure.<ref name="Kowski">E. Kowski: Ueber gebromte Propionsäuren. In: Justus Liebigs Annalen der Chemie. 342(1), 1905, S. 124–138, doi:10.1002/jlac.19053420109.</ref>
Sicherheitstechnische Kenngrößen
Acrylsäure bildet leicht entzündliche Dampf-Luft-Gemische. Die Verbindung hat einen Flammpunkt bei 48–55 °C.<ref name="GESTIS" /> Der Explosionsbereich liegt zwischen 3,9 Vol.‑% als untere Explosionsgrenze (UEG) und 19,8 Vol.‑% als obere Explosionsgrenze (OEG).<ref name="GESTIS" /> Die Grenzspaltweite wurde mit 0,86 mm bestimmt.<ref name="GESTIS" /> Es resultiert damit eine Zuordnung in die Explosionsgruppe IIB.<ref name="GESTIS" /> Die Zündtemperatur beträgt 395 °C.<ref name="GESTIS" /> Der Stoff fällt somit in die Temperaturklasse T2.
Verwendung
Ihre Hauptverwendung ist die Polymerisation zu Superabsorbern (Anwendung z. B. in Windeln), Acrylsäureester (die wiederum zur Herstellung von Polyacrylaten verwendet werden) und als anionisches Comonomer bei der Herstellung von Polymerdispersionen.
Verfahrenstechnik
Da Acrylsäure in der chemischen Industrie in großen Mengen verarbeitet wird, zugleich jedoch gesundheitsschädlich und umweltgefährdend ist, und zudem zur Bildung von Polymeren neigt, sind besondere anlagentechnische Maßnahmen erforderlich:
- Wellendichtungslose Pumpen (Magnetkupplungspumpen oder Spaltrohrpumpen) sind zum Schutz des Betriebspersonals erforderlich.
- Die Betriebsparameter müssen laufend überwacht werden, da Acrylsäure bei Überschreitung der Druck- oder Temperaturgrenzen spontan polymerisiert, sich also von einem flüssigen Medium in den plastischen Stoff Polyacrylsäure verwandelt.
Letzterer Vorgang zerstört nicht nur die Pumpe, sondern potentiell die gesamte Anlage.
Weblinks
Vorlage:Commonscat Vorlage:Wiktionary
Einzelnachweise
<references />