酢酸
酢酸は水素結合を介して2分子が結合した、環状の二量体を形成する。気体状態では電子回折により、固体状態ではX線結晶構造解析により、それぞれ構造が確認されている。純粋な液体状態ではほとんど単量体としては存在しないが、二量体となっているか、もしくは直鎖状あるいは環状の多量体となっているとされる。希薄な溶液の場合、四塩化炭素やベンゼンなどの非プロトン性溶媒中では二量体を形成するが、水などプロトン性の溶媒中では単量体として存在する。
この二量体を形成するという性質のため、酢酸(分子量60.05)の沸点は水素結合を作らない酢酸メチル(分子量74.08、沸点 57 °C)よりも高く、分子量が2倍程度のオクタン(分子量114.23、沸点 125 °C)に近い。
人類の歴史の大部分において、酢酸は酢の形でアセトバクター属 (Acetobacter) の細菌によって作られてきた。充分な量の酸素がある環境、すなわち好気的な条件において、それらのバクテリアはエタノールを含有する様々な食品から食酢(以下「酢」とのみ表記)を作り出す。普通に使われるのはリンゴ酒、ワイン、発酵させた穀物、麦芽、米、すりつぶしたジャガイモである。バクテリアによって促進される化学反応は、全体として以下のようなものである。
C 2 H 5 OH + O 2 ⟶ CH 3 COOH + H 2 O {\displaystyle {\ce {C2H5OH + O2 -> CH3COOH + H2O}}}
すなわちエタノールが持つ水酸基の酸化を行っているのである。アセトバクター属を接種して保温すると、空気に触れている部分が数か月後に酢になる。工業的な酢の製造過程では、酸素を供給することによってバクテリアによる酸化を促進する。
発酵によって酢が初めて作られたのは、おそらくワインの製造の失敗によるものである。 発酵中のブドウ果汁(ムスト)の熟成時に温度が高すぎると、アセトバクター属が自然にブドウに付着している酵母を圧倒してしまう。
酢酸のカルボキシ基 − COOH {\displaystyle {\ce {-COOH}}} は溶液中でプロトン (H) を放出し、解離して酢酸イオン(カルボキシラートイオン)となる。
CH 3 CO 2 H + H 2 O ⟶ CH 3 CO 2 − + H 3 O + {\displaystyle {\ce {CH3CO2H + H2O -> CH3CO2^- + H3O^+}}}
この性質のため、酢酸は酸性を持つ。酢酸は弱酸であり、水溶液中でのpKaはおよそ4.76である。すなわち、1.0 mol/L の水溶液のpHは2.4となり、全体の0.4%が解離していることになる。酢酸は塩酸や硫酸などの無機酸よりは弱く、炭酸やフェノール、アルコールよりは強い酸である。
なお、酢酸の2位の炭素に結合する水素が、フッ素や塩素や臭素やヨウ素に置換されると酸性度が上がることが知られている。特にトリフルオロ酢酸やトリクロロ酢酸は強酸として知られる。
酢の歴史は文明と同程度に古く、酢酸産生菌はいたるところに存在する。そして、ビールやワインなど酒を醸造する文明は、酒を大気にさらすと、自然に酢ができることを発見することになる。紀元前、ギリシャの哲学者テオプラストスやローマのウィトルウィウス、プリニウスは酢が金属に作用して芸術に有用な顔料、たとえば鉛白(塩基性炭酸鉛)やビリジリス(酢酸銅(II) を含む銅塩の緑色の混合物)となることについて著述している。また、酢はその時代にはローマでは治療の目的、エジプトでは死体の保存に用いられていたともされている。古代ローマ人は酸っぱくなったワインを鉛の壷で煮沸すると、サパあるいはデフルタム(英語版)と呼ばれる非常に甘いシロップができることを見出している。サパやデフルタムの甘さは含まれる酢酸鉛(II) によるもので、その物質は鉛糖 (sugar of lead) とか土の糖 (sugar of saturn) と呼ばれ好まれたが、ローマ貴族の間で鉛中毒を引き起こした。
酢酸の主要な用途は酢酸ビニルモノマーの製造である。2003年、全世界で消費される酢酸のうち43.5%がこの目的で消費された。酸素の存在下、エチレンと酢酸をパラジウム触媒で反応させることで得られる。
2 CH 3 COOH + 2 CH 2 = CH 2 + O 2 ⟶ 2 CH 3 COO − CH = CH 2 + 2 H 2 O {\displaystyle {\ce {2 CH3COOH + 2 CH2=CH2 + O2 -> 2CH3COO-CH=CH2 + 2 H2O}}}
酢酸ビニルは重合させてポリ酢酸ビニルなどのポリマーとしたのち、塗料や接着剤として使われる。
また、水との混合により比重が増加し、酢酸の濃度が約80%のとき最も大きくなり、43%のとき純粋な酢酸と同じになる。蒸気を燃やすとき、炎は淡青色である。
酢酸は水、アセトニトリル、エタノール、酢酸エチル、クロロホルム、ベンゼン、エーテル、石油エーテルと任意の割合で混和する。オクタンなど長鎖炭化水素には溶けにくく、溶解度は鎖が長くなるほど低くなる。二硫化炭素には不溶である。比誘電率は約6であり、あまり高くはないが、無機塩や糖といった極性化合物を溶かすことができる。また単体硫黄 S8、ヨウ素 I2 など無極性の分子も酢酸に溶ける。ほかにゼラチン、フィブリン、アルブミン、樟脳、ニトロセルロースも溶ける。酢酸の純度を知る古い方法としてレモン油を加えるというものがあり、これは純粋な酢酸であれば重量で10%のレモン油を完全に溶かすことによる。
酢酸を構成する炭素原子と酸素原子は平面上に位置し、結合角は C−C=O と C−C−OH が119°、O=C−OH が122°で、結合距離は C−C が 152 pm、C=O が125 pm、C−OH が131 pm である。