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.

Strukturformel
Allgemeines
Name	Acrylsäure
Andere Namen	Prop-2-ensäure Propensäure Ethylencarbonsäure Vinylcarbonsäure ACRYLIC ACID (INCI)[1]
Summenformel	C3H4O2
Kurzbeschreibung	farblose Flüssigkeit mit penetrantem, ekelerregendem Geruch[2]
Externe Identifikatoren/Datenbanken
CAS-Nummer 79-10-7 EG-Nummer 201-177-9 ECHA-InfoCard 100.001.071 PubChem 6581 DrugBank DB02579 Wikidata Q324628
Eigenschaften
Molare Masse	72,06 g·mol−1
Aggregatzustand	flüssig[2]
Dichte	1,05 g·cm−3[2]
Schmelzpunkt	13,6 °C[3]
Siedepunkt	141 °C[2]
Dampfdruck	8,08 hPa (30 °C)[2] 14,4 hPa (40 °C)[2] 24,8 hPa (50 °C)[2]
pKS-Wert	4,26[4]
Löslichkeit	vollständig mischbar mit Wasser, Ethanol und Diethylether[5]
Brechungsindex	1,4224 (20 °C)[6]
Sicherheitshinweise
GHS-Gefahrstoffkennzeichnung aus Verordnung (EG) Nr. 1272/2008 (CLP),[7] ggf. erweitert[2] Gefahr H- und P-Sätze H: 226​‐​332​‐​312​‐​302​‐​314​‐​335​‐​400 P: 210​‐​261​‐​273​‐​280​‐​303+361+353​‐​305+351+338[2]
MAK	DFG/Schweiz: 10 ml·m−3 bzw. 30 mg·m−3[2][8]
Toxikologische Daten	2590 mg·kg−1 (LD50, Ratte, oral)[5]
Thermodynamische Eigenschaften
ΔHf0	−383,8 kJ·mol−1 (Flüssigkeit)[9]
Wenn nicht anders vermerkt, gelten die angegebenen Daten bei Standardbedingungen (0 °C, 1000 hPa). Brechungsindex: Na-D-Linie, 20 °C

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.^[10]

Thermolyse von β-Propiolacton zu Acrylsäure in Gegenwart eines Phosphorsäure / Kupfer-Katalysators

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.^[11]

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:^[12]

Acrylsäuresynthese

Im Jahr 2010 betrug die weltweite Produktionskapazität von Acrylsäure etwa 5,3 Millionen Tonnen.^[13]

Eigenschaften

Physikalische Eigenschaften

Acrylsäure ist eine farblose Flüssigkeit, die unter Normaldruck bei 141 °C siedet. Die Verdampfungsenthalpie beträgt 53,1 kJ·mol⁻¹.^[14] 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.^[15] Die Substanz schmilzt bei 13,6 °C mit einer Schmelzenthalpie von 9,5 kJ·mol⁻¹.^[16] Die kritische Temperatur liegt bei 343 °C, der kritische Druck bei 52,43 bar.^[17]

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.^[18]

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.^[19]

Herstellung von 3-Brompropansäure durch Addition von Bromwasserstoff an Acrylsäure

Sicherheitstechnische Kenngrößen

Acrylsäure bildet leicht entzündliche Dampf-Luft-Gemische. Die Verbindung hat einen Flammpunkt bei 48–55 °C.^[2] Der Explosionsbereich liegt zwischen 3,9 Vol.‑% als untere Explosionsgrenze (UEG) und 19,8 Vol.‑% als obere Explosionsgrenze (OEG).^[2] Die Grenzspaltweite wurde mit 0,86 mm bestimmt.^[2] Es resultiert damit eine Zuordnung in die Explosionsgruppe IIB.^[2] Die Zündtemperatur beträgt 395 °C.^[2] 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:

1. Wellendichtungslose Pumpen (Magnetkupplungspumpen oder Spaltrohrpumpen) sind zum Schutz des Betriebspersonals erforderlich.
2. 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

Commons: Acrylsäure – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

Wiktionary: Acrylsäure – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen