Ameisensäure (nach der Nomenklatur der IUPAC Methansäure, lat. acidum formicum von formica ‚Ameise‘) ist eine farblose, ätzende und in Wasser lösliche Flüssigkeit, die in der Natur vielfach von Lebewesen zu Verteidigungszwecken genutzt wird. Sie ist mit der Halbstrukturformel HCOOH die einfachste Carbonsäure und kürzestkettige Alkansäure, die Carboxygruppe (–COOH) bestimmt besonders stark ihre Eigenschaften. Das Kohlenstoffatom hat eine Oxidationsstufe von +2. Es kann deswegen analog den Carbonylverbindungen als Hydridüberträger wirken, daher rührt ihre reduzierende Wirkung. Die Salze der Ameisensäure heißen Formiate (systematisch auch Methanoate) und haben die Halbstrukturformel (HCOO)nM, wobei n der Wertigkeit des Metallions entspricht. Beispiele von Formiaten sind Natriumformiat, HCOONa, und Aluminiumformiat, (HCOO)3Al. Auch die Ester der Ameisensäure werden Formiate genannt.
| Strukturformel | ||||||||||||||
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| Allgemeines | ||||||||||||||
| Name | Ameisensäure | |||||||||||||
| Andere Namen | ||||||||||||||
| Summenformel | CH2O2 | |||||||||||||
| Kurzbeschreibung | farblose, stechend riechende Flüssigkeit | |||||||||||||
| Externe Identifikatoren/Datenbanken | ||||||||||||||
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| Eigenschaften | ||||||||||||||
| Molare Masse | 46,03 g·mol−1 | |||||||||||||
| Aggregatzustand | flüssig | |||||||||||||
| Dichte | 1,22 g·cm−3 (20 °C) | |||||||||||||
| Schmelzpunkt | 8 °C | |||||||||||||
| Siedepunkt | 101 °C (Zersetzung) | |||||||||||||
| Dampfdruck |
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| pKS-Wert | 3,77 | |||||||||||||
| Löslichkeit | mischbar mit Wasser, Ethanol, Glycerin und Diethylether | |||||||||||||
| Brechungsindex | 1,3714 (20 °C) | |||||||||||||
| Sicherheitshinweise | ||||||||||||||
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| MAK |
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| Thermodynamische Eigenschaften | ||||||||||||||
| ΔHf0 | −425,0 kJ/mol | |||||||||||||
| Soweit möglich und gebräuchlich, werden SI-Einheiten verwendet. Wenn nicht anders vermerkt, gelten die angegebenen Daten bei Standardbedingungen. Brechungsindex: Na-D-Linie, 20 °C |
Geschichte Bearbeiten
Im frühen 15. Jahrhundert beobachteten einige Alchemisten und Naturalisten, dass bestimmte Ameisen (Arten aus der Gruppe der Schuppenameisen) eine saure Flüssigkeit absondern.
Der englische Naturalist John Ray isolierte 1671 als erster die Ameisensäure, indem er eine große Anzahl von Ameisen destillierte. Der Arzt Christoph Girtanner schrieb 1792 zur Gewinnung von Ameisensäure folgenden Text:
„Die Ameisensäure erhält man durch Destillation aus den großen Ameisen (Formica rufa). Man destilliert Ameisen bei gelindem Feuer, und erhält in der Vorlage die Ameisensäure. Sie macht ungefähr die Hälfte des Gewichtes der Ameisen aus. Oder man wäscht die Ameisen in kaltem Wasser ab, legt sie nachher auf ein Tuch, und gießt kochendes Wasser darüber. Drückt man die Ameisen gelinde aus, wird die Säure stärker. Um die Säure zu reinigen, unterwirft man sie wiederholt der Destillation, und um sie zu konzentrieren, läßt man sie gefrieren.“
Der französische Chemiker Joseph Louis Gay-Lussac synthetisierte die Ameisensäure als erster aus dem Cyanwasserstoff. 1855 erfand ein anderer französischer Chemiker, Marcelin Berthelot, die Synthese aus Kohlenstoffmonoxid, die noch heute angewendet wird. Lange Zeit war Ameisensäure nur von geringer technischer Bedeutung. In den späten 1960er Jahren fielen bedeutende Mengen Ameisensäure als Nebenprodukt bei der Synthese von Essigsäure an. Erst später wurde Ameisensäure in größerem Stil genutzt. Sie wurde jetzt nicht mehr nur als Nebenprodukt gewonnen, sondern gezielt synthetisch hergestellt.
Vorkommen Bearbeiten
In der Natur ist Ameisensäure weit verbreitet. Sie wird von vielen Pflanzen- und Tierarten, besonders von Stechimmen, als Bestandteil von Giftmischungen zu Verteidigungs- und Angriffszwecken genutzt.
Ameisensäure ist ein natürlicher Bestandteil von Bienenhonig; je nach Sorte enthält 1 Kilogramm Honig 50 bis über 1000 Milligramm. Ameisensäure ist auch Bestandteil des Tabakrauchs.
Die Raupen des Großen Gabelschwanzes (Cerura vinula) – einer Schmetterlingsart – sowie einige Ameisenarten (Angehörige der Unterfamilie Formicinae) verspritzen zur Verteidigung eine ameisensäurehaltige Flüssigkeit. Einige Laufkäfer-, Skorpion- und Bienenarten benutzen ameisensäurehaltige Sekrete sowohl zu Verteidigungs- als auch zu Angriffszwecken. Bei einigen Quallenarten ist Ameisensäure Bestandteil des Giftes der Nesselkapseln.
In den Brennhaaren der Brennnesseln befindet sich ein Nesselgift, das unter anderem Ameisensäure und Natriumformiat enthält.
Im menschlichen Organismus entsteht Ameisensäure neben Formaldehyd bei der Metabolisierung von Methanol. Ameisensäure ist biologisch leicht abbaubar.
Spuren von Ameisensäure im Weltall wurden spektroskopisch nachgewiesen. In der Koma des Kometen C/1995 O1 (Hale-Bopp) wurden nach Beobachtungen mit dem Interferometer auf dem Plateau de Bure im März 1997 erstmals neben weiteren organischen Verbindungen wie Cyanwasserstoff, Acetonitril, Methanol oder Ameisensäuremethylester auch Ameisensäure in einer Häufigkeit von 9 % relativ zu Wasser gefunden. Für die Entstehung dieser Verbindungen gibt es zwei Theorien: entweder befanden sich die Verbindungen ursprünglich im Kern des Kometen und strömen dort heraus oder sie entstehen durch Gasphasenreaktionen in der Koma. Nach Simulationen ist jedoch auf Grund der Verteilungen ersteres wahrscheinlich.
Gewinnung, Herstellung Bearbeiten
Die historische Isolation der Ameisensäure aus toten Ameisen wird heutzutage nicht mehr durchgeführt. Die Herstellung der Ameisensäure erfolgt in der chemischen Industrie meist nach dem von Marcelin Berthelot 1855 erfundenen Verfahren. Die Synthese gliedert sich hierbei in zwei Verfahrensschritte:
Auch die Herstellung der Ameisensäure aus Methanol erfolgt unter anderem mit Hilfe von Kohlenstoffmonoxid. Auch hier werden zwei Verfahrensschritte durchlaufen. Als Zwischenprodukt wird Ameisensäuremethylester hergestellt. Am Ende wird Methanol zurückgewonnen, welches wieder als Ausgangsprodukt für diese Synthese genutzt werden kann:
Weil die Hydrolyse des Ameisensäuremethylesters viel Wasser verbrauchen würde, benutzen einige Hersteller von Ameisensäure ein indirektes Verfahren mit Ammoniak, bei dem wiederum zwei Verfahrensschritte vonnöten sind. Dieses indirekte Verfahren birgt jedoch Probleme, weil teilweise das Nebenprodukt Ammoniumsulfat freigesetzt wird:
- Hydrolyse von Chloroform (Trichlorid der Orthoameisensäure) mit Kaliumhydroxid (KOH)
Aufgrund dieses Problems wurde von den Herstellern ein neues Verfahren der direkten Hydrolyse entwickelt, bei dem die Ameisensäure energiegünstig aus den großen Mengen von Wasser abgesondert werden kann (Flüssigextraktion).
Ameisensäure fällt als Nebenprodukt bei der Herstellung von Essigsäure aus Leichtbenzin oder Butan an und kann auch mit Hilfe von Blausäure hergestellt werden. Für die Herstellung aus Methanol gibt es ein zweites Verfahren. Hierbei wird Methanol zu Formaldehyd und Ameisensäure umgesetzt. Diese drei Verfahren sind allerdings von geringer technischer Bedeutung.
Biosynthetisch wird Ameisensäure aus Glycin oder Serin und Tetrahydrofolsäure über Formyltetrahydrofolsäure in der Giftdrüse von Ameisen freigesetzt.
Eigenschaften Bearbeiten
Physikalische Eigenschaften Bearbeiten
Ameisensäure ist eine relativ instabile, farblose, klare und leicht flüchtige Flüssigkeit. Bei 8 °C erstarrt sie zu einem farblosen Feststoff; bei 100,7 °C siedet sie. Schmelz- und Siedepunkt liegen wesentlich höher als die von organischen Verbindungen mit ähnlichen molaren Massen (beispielsweise Propan), da beim Schmelzen und Sieden auch Wasserstoffbrückenbindungen zwischen den einzelnen Molekülen aufgebrochen werden müssen. Diese bestehen teilweise auch im gasförmigen Zustand weiter, weswegen Ameisensäure stark vom Verhalten eines idealen Gases abweicht. Mit Wasser bildet sie ein Azeotrop.
Die Ameisensäure hat eine Dichte von 1,22 g·cm−3 bei 20 °C. Zum Schmelzen der Ameisensäure werden 12,7 kJ/mol benötigt, zum Verdampfen 22,7 kJ/mol. Der Tripelpunkt liegt bei 8,3 °C und 0,0236 bar.
Ameisensäure riecht stark und stechend. Die Geruchsschwelle liegt bei 1 ml/m3. Mit Wasser, Ethanol sowie Glycol ist Ameisensäure in jedem Verhältnis mischbar. In den meisten anderen polaren organischen Stoffen ist sie ebenfalls löslich, in Kohlenwasserstoffen nur in geringen Mengen.
Die Säurekonstante (pKs-Wert) ist 3,77. Sie ist die stärkste unsubstituierte Monocarbonsäure. Zum Vergleich: Essigsäure hat einen pKs-Wert von 4,76, Trifluoressigsäure von 0,23, Schwefelsäure von −3 und Chlorwasserstoff (Salzsäure) von −6,2.
Der Nachweis von Ameisensäuredämpfen (z. B. zur Ermittlung der Konzentrationen am Arbeitsplatz) kann mit Hilfe von Gasspürgeräten erfolgen. Ansonsten wird die Ameisensäure über ihre reduzierende Wirkung nachgewiesen, meist dadurch, dass sie eine ammoniakalische Silbernitratlösung zu Silber reduzieren kann.
Thermodynamische Eigenschaften Bearbeiten
Die Standardbildungsenthalpie ΔfH0liquid beträgt −424,72 kJ·mol−1, ΔfH0gas beträgt −378,6 kJ·mol−1.
Die Standardentropie S0liquid ist 128,95 J·mol−1·K−1, S0gas 248,7 J·mol−1·K−1.
Die Wärmekapazität der Flüssigkeit wird mit 99,04 J·mol−1·K−1 (25 °C), die des Gases mit 45,7 J·mol−1·K−1 (25 °C) angegeben.
Die Dampfdruckfunktion ergibt sich nach Antoine entsprechend log10(P) = A−(B/(T+C)) (P in bar, T in K) mit A = 2,00121, B = 515,000 K und C = −139,408 K im Temperaturbereich von 273,6 K bis 307,3 K.
Chemische Eigenschaften Bearbeiten
In Anwesenheit von Sauerstoff verbrennt Ameisensäure zu Kohlenstoffdioxid und Wasser. Die Ameisensäure ist ein starkes Reduktionsmittel, da sie gleichzeitig einen Aldehyd darstellt (Hydroxyformaldehyd).
Mit Metallen reagiert Ameisensäure zu Metallformiaten und Wasserstoff:
Natrium reagiert mit Ameisensäure unter Wasserstoffbildung zu Natriumformiat.
Mit Alkoholen reagiert Ameisensäure in Anwesenheit eines Katalysators (meist Schwefelsäure) zu Wasser und Ameisensäurealkylestern.
Sicherheitstechnische Kenngrößen Bearbeiten
Ameisensäure gilt als eine entzündliche Flüssigkeit. Oberhalb des Flammpunktes können sich entzündliche Dampf-Luft-Gemische bilden. Die Verbindung hat einen Flammpunkt bei 45 °C. Der Explosionsbereich liegt zwischen 10 Vol.-% (190 g/m3) als untere Explosionsgrenze (UEG) und 45,5 Vol.-% (865 g/m3) als obere Explosionsgrenze (OEG). Mit einer Normspaltweite von 1,76 mm wird sie der Explosionsgruppe IIA zugeordnet. Die Zündtemperatur beträgt 520 °C. Der Stoff fällt somit in die Temperaturklasse T1. Die elektrische Leitfähigkeit ist mit 6,08·10−3 S·m−1 gering.
Verwendung Bearbeiten
Ameisensäure wurde bis 1998 unter der E-Nummer E236 als Konservierungsmittel in Fisch-, Obst- und Gemüseprodukten verwendet, ist seitdem aber in der EU – im Gegensatz zur Schweiz – nicht mehr als Lebensmittelzusatzstoff zugelassen. Auch die verwandten Stoffe Natrium- und Calciumformiat sind nicht mehr als Lebensmittelzusatzstoffe zugelassen (E237 und E238). In der Medizin wird sie als Antirheumatikum sowie zur Behandlung von vulgären Warzen eingesetzt. Hierbei appliziert man eine gebrauchsfertige ameisensäurehaltige Lösung auf die Warze. In der Textil- und Lederindustrie verwendet man sie zum Beizen und Imprägnieren. Teilweise wird sie auch als Desinfektionsmittel (auch in sauren Reinigungsmitteln) verwendet. Gemäß der Einfuhrvorschriften der EU wird sie z. B. bei bestimmten Gütern aus dem EU-Ausland eingesetzt, um die Ausbreitung von Tierseuchen zu verhindern. Sie tötet zudem Bakterien gut ab. In der chemischen Industrie wird sie zur Neutralisation von alkalischen Reaktionsgemischen genutzt. In der Elektronikproduktion wird Ameisensäure als Reduktionsmittel beim Lötprozess verwendet. Sie wird industriell zur Entkalkung von Kühlwassersystemen eingesetzt, da das entstehende Abwasser nur das unschädliche Calciumformiat mit geringem CSB-Wert aufweist.
Imker benutzen sie üblicherweise in 60%iger, in streng indizierten Ausnahmefällen bis maximal 85 %iger Konzentration in wässriger Lösung zur Behandlung der Bienen gegen die Varroamilbe. In der Genetik kann man Ameisensäure in Verbindung mit dem Enzym AP-Endonuclease nutzen, um zufällig Insertionsmutanten herzustellen, die sogenannte In-vitro-Mutagenese. In der Kunststoffindustrie wird sie zum Verkleben von Polyamid-Kunststoffen verwendet.
Konzentrierte Ameisensäure wird zum Säubern von Rohedelsteinen benutzt, da sie Kalkstein und andere Verunreinigungen stark angreift und so den Edelstein freilegt, ohne dass dieser beschädigt wird. Dieses Reinigungsverfahren sollte nur bei säurebeständigen Edelsteinen angewandt werden.
Experimentell gelang Wissenschaftlern des Leibniz-Instituts für Katalyse die katalytische Freisetzung von Wasserstoff aus Ameisensäure auch bei Raumtemperatur. Dieser Wasserstoff könnte z. B. in Brennstoffzellen zu Strom umgewandelt werden. Diese Möglichkeit soll zur kleinräumigen Speicherung von Energie genutzt werden. Die direkte Bildungsreaktion von Ameisensäure aus Wasserstoff und Kohlenstoffdioxid ist thermodynamisch jedoch stark limitiert und die Effizienz entsprechender Prozesse daher eher niedrig.
Gesundheitsgefahren Bearbeiten
Ameisensäure kann vom Körper abgebaut werden. Der direkte Kontakt mit Ameisensäure oder konzentrierten Dämpfen reizt die Atemwege und Augen. Bei Konzentrationen über zehn Prozent führt der Hautkontakt zu schweren Verätzungen und Blasen. Bei dauerhafter Aussetzung kann sie Hautallergien, in extrem hohen Dosen auch neben Verätzungen und Nekrosen an Mund- und Rachenschleimhaut, der Speiseröhre und dem Magen-Darm-Trakt Azidose, Bewusstlosigkeit, Blutdruckabfall, Schädigung von Blut, Leber und Niere sowie Lungenentzündung und Schäden am Herz hervorrufen.
Beim Zerfall von Ameisensäure kann das Atemgift Kohlenstoffmonoxid entstehen. Die Säure muss an einem gut belüfteten, kühlen Ort aufbewahrt werden. Behälter, in denen Ameisensäure gelagert wird, müssen außerdem mit einer Druckausgleichverschraubung verschlossen werden, da die beim Zerfall gebildeten Gase einen Überdruck erzeugen können.
Literatur Bearbeiten
- Ameisensäure, Formiate, Diglykol-bis–chlorformiat. VCH, Weinheim 1992, ISBN 3-527-28529-6.
- Ausgewählte C-H-O Radikale. Ameisensäure. Essigsäure. Oxalsäure (Gmelin Handbook of Inorganic and Organometallic Chemistry – 8th edition ELEM C TL C LFG 4). Springer, Berlin 1975, ISBN 3-540-93283-6.
- Gundula Jänsch-Kaiser und Dieter Behrens: Ameisensäure und Erdalkalihydroxide. DECHEMA Gesellschaft für Chemische Technik und Biotechnologie e. V., ISBN 3-926959-00-2.
Weblinks Bearbeiten
Einzelnachweise Bearbeiten
- Eintrag zu FORMIC ACID in der CosIng-Datenbank der EU-Kommission, abgerufen am 25. Februar 2020.
- ↑ Eintrag zu Ameisensäure in der GESTIS-Stoffdatenbank des IFA, abgerufen am 20. Januar 2022. (JavaScript erforderlich)
- H. C. Brown, D. H. McDaniel, O. Häfliger: Chapter 14 - Dissociation Constants. In: E. A. Braude, F. C. Nachod (Hrsg.): Determination of Organic Structures by Physical Methods. Academic Press, 1955, S. 567–662, doi:10.1016/B978-1-4832-3166-2.50018-4.
- Eintrag zu Ameisensäure. In: Römpp Online. Georg Thieme Verlag, abgerufen am 24. Mai 2014.
- 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. 3-262.
- Eintrag zu Formic acid im Classification and Labelling Inventory der Europäischen Chemikalienagentur (ECHA), abgerufen am 1. Februar 2016. Hersteller bzw. Inverkehrbringer können die harmonisierte Einstufung und Kennzeichnung erweitern.
- Schweizerische Unfallversicherungsanstalt (Suva): Grenzwerte – Aktuelle MAK- und BAT-Werte (Suche nach 64-18-6 bzw. Ameisensäure), abgerufen am 14. September 2019.
- David R. Lide (Hrsg.): CRC Handbook of Chemistry and Physics. 90. Auflage. (Internet-Version: 2010), CRC Press / Taylor and Francis, Boca Raton FL, Standard Thermodynamic Properties of Chemical Substances, S. 5-20.
- Christoph Girtanner: Anfangsgründe der antiphlogistischen Chemie. 1. Auflage, 1792, S. 389 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche).
- Imkerverein Tempelhof: (Memento vom 3. Januar 2015 im Internet Archive).
- D. Bockelée-Morvan, D. C. Lis, J. E. Wink, D. Despois, J. Crovisier, R. Bachiller, D. J. Benford, N. Biver, P. Colom, J. K. Davies, E. Gérard, B. Germain, M. Houde, D. Mehringer, R. Moreno, G. Paubert, T.G. Phillips, H. Rauer: New molecules found in comet C/1995 O1 (Hale-Bopp) – Investigating the link between cometary and interstellar material. In: Astronomy & Astrophysics. Bd. 353, 2000, S. 1101–1114 bibcode:2000A&A...353.1101B. (PDF; 821 kB)
- S. D. Rodgers, S. B. Charnley: Organic synthesis in the coma of Comet Hale-Bopp? In: Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. Bd. 320, Nr. 4, 2001, S. L61–L64 doi:10.1046/j.1365-8711.2001.04208.x. (PDF; 108 kB)
- Arnold Willmes: Taschenbuch Chemische Substanzen, Harri Deutsch, Frankfurt (M.), 2007, ISBN 978-3-8171-1787-1.
- Abraham Hefetz, Murray S. Blum: Biosynthesis of formic acid by the poison glands of formicine ants. In: Biochimica et Biophysica Acta – General Subjects. Band 543, Nr. 4, 1978, S. 484–496, doi:10.1016/0304-4165(78)90303-3.
- ↑ Eintrag zu Ameisensäure. In: P. J. Linstrom, W. G. Mallard (Hrsg.): NIST Chemistry WebBook, NIST Standard Reference Database Number 69. National Institute of Standards and Technology, Gaithersburg MD, abgerufen am 20. Juli 2012.
- Technische Regel für Gefahrstoffe TRGS 727, BG RCI Merkblatt T033 Vermeidung von Zündgefahren infolge elektrostatischer Aufladungen, Stand August 2016, Jedermann-Verlag Heidelberg, ISBN 978-3-86825-103-6.
- Gita Faghihi, Anahita Vali, Mohammadreza Radan, Golamreza Eslamieh, Shadi Tajammoli: A double-blind, randomized trial of local formic acid puncture technique in the treatment of common warts. In: Skinmed. Band 8, Nr. 2, 2016, S. 70–71, PMID 20527136 (skinmedjournal.com [PDF]).
- R. M. Bhat, K. Vidya, G. Kamath: Topical formic acid puncture technique for the treatment of common warts. In: International Journal of Dermatology. Band 40, Nr. 6, 2001, S. 415–419, PMID 11589750.
- FAZ.net: Auslandseinsatz Material aus Afghanistan landet in Emden an, 10. August 2013.
- Bienenkunde/Bienengesundheit/Varroose/Infomaterialien. Dienstleistungszentrum Ländlicher Raum Rheinpfalz, abgerufen am 24. Oktober 2018.
- Strom aus Ameisensäure. Meldung bei heise.de vom 7. Mai 2008.
- Roland Knauer: Ameisensäure als Zwischenlager für Wasserstoff. Das Leibniz-Institut für Katalyse entwickelt einen Speicher für saubere Energie. In: Leibniz. Heft 3/2010, S. 18–19, Leibniz-Gemeinschaft, Bonn 2010.
- Jan Oliver Löfken: Ameisensäure als Wasserstoffspeicher. Neuer Eisen-Katalysator setzt bereits bei milden Bedingungen das energiereiche Gas frei. Meldung bei weltderphysik.de vom 23. September 2011.
- Séverine Moret, Paul J. Dyson & Gábor Laurenczy: Direct synthesis of formic acid from carbon dioxide by hydrogenation in acidic media, Nature Communications 5, Article number: 4017, doi:10.1038/ncomms5017.
- Irma Schmidt, Karsten Müller, Wolfgang Arlt: Evaluation of Formic-Acid-Based Hydrogen Storage Technologies, Energy & Fuels, 2014, 58, 540–6544, doi:10.1021/ef501802r.