Salzsäure

Salzsäure
Allgemein
Systematischer Name	Salzsäure
Andere Namen	Muriasäure, Salzgeist
Molekulare Formel	HCl in Wasser (H2O)
Molare Masse	36.46 g/mol (HCl)
Erscheinungsbild	Klare farblose bis hellgelbe Flüssigkeit
CAS-Nummer
Eigenschaften
Dichte, Phase	1.18 g/cm³, 37% Lösung.
Löslichkeit in Wasser	Vollständig mischbar.
Schmelzpunkt	-26 °C (247 K) 38%ige Lösung.
Siedepunkt	110 °C (383 K), 20.2%ige Lösung; 48 °C (321 K), 38%ige Lösung.
Säuredissoziation konstanter pKa	-8,0
Viskosität	1,9 mPa-s bei 25 °C, 31.5%ige Lösung
Gefahren
MSDS	Externes Sicherheitsdatenblatt
NFPA 704	0 3 1 32-38%ige Lösung
Hauptgefahren	Hochgradig ätzend.
Flammpunkt	Nicht brennbar.
R/S-Angabe	R34, R37, S26, S36, S45
RTECS-Nummer	MW4025000
Ergänzende Daten Seite
Struktur und Eigenschaften	n, εr, usw.
Thermodynamische Daten	Phasenverhalten Fest, Flüssig, Gas
Spektraldaten	UV, IR, NMR, MS
Verwandte Verbindungen
Andere Anionen	HF, HBr, HI
Sonstige Kationen	N/a
Verwandte Säuren	Flusssäure Fluorwasserstoffsäure Jodwasserstoffsäure Schwefelsäure
Soweit nicht anders angegeben, Die Daten sind für Materialien in ihrem Standardzustand (bei 25 °C, 100 kPa) Infobox Disclaimer und Referenzen

Die chemische Verbindung Salzsäure (oder Muriatic Acid) ist die wässrige (auf Wasser basierende) Lösung von Chlorwasserstoffgas (HCl). Diese starke Säure ist stark ätzend und muss mit entsprechenden Sicherheitsvorkehrungen gehandhabt werden. Sie ist der Hauptbestandteil der Magensäure. Sie wird routinemäßig in chemischen Forschungslabors und Produktionsbetrieben verwendet. Zu ihren Anwendungen gehören die großtechnische Herstellung bestimmter Verbindungen (z. B. Vinylchlorid für den Kunststoff Polyvinylchlorid (PVC)), die Entfernung von Rost und Zunder von Metallen, die Erdölförderung und die Erzverarbeitung. Zu den Anwendungen in kleinerem Maßstab gehören die Herstellung von Gelatine und anderen Lebensmittelzutaten sowie die Lederverarbeitung. Jährlich werden schätzungsweise 20 Millionen Tonnen Salzsäure hergestellt.

Geschichte

Salzsäure wurde erstmals um 800 n. Chr. von dem Alchemisten Jabir ibn Hayyan (Geber) entdeckt, indem er Kochsalz mit Vitriol (Schwefelsäure) mischte. Jabir entdeckte viele wichtige Chemikalien und hielt seine Erkenntnisse in über 20 Büchern fest, die sein chemisches Wissen über Salzsäure und andere Grundchemikalien über Hunderte von Jahren weitergaben. Jabirs Erfindung des goldlösenden Königswassers, das aus Salzsäure und Salpetersäure besteht, war für Alchemisten auf der Suche nach dem Stein der Weisen von großem Interesse.

Jabir ibn Hayyan, mittelalterliche Manuskriptzeichnung.

Im Mittelalter war Salzsäure den europäischen Alchemisten als Salzgeist oder acidum salis bekannt. Gasförmiges HCl wurde als saure Meeresluft bezeichnet. Der alte (präsystematische) Name Muriatsäure hat denselben Ursprung (muriatic bedeutet „zur Sole oder zum Salz gehörig“), und dieser Name wird manchmal noch verwendet. Eine nennenswerte Produktion wurde von Basilius Valentinus, dem Alchemistenkanoniker des Benediktinerpriorats Sankt Peter in Erfurt, Deutschland, im fünfzehnten Jahrhundert verzeichnet. Jahrhundert verwendete Johann Rudolf Glauber aus Karlstadt am Main (Deutschland) Natriumchloridsalz und Schwefelsäure zur Herstellung von Natriumsulfat nach dem Mannheimer Verfahren, wobei Chlorwasserstoffgas freigesetzt wurde. Joseph Priestley aus Leeds, England, stellte 1772 reinen Chlorwasserstoff her, und 1818 wies Humphry Davy aus Penzance, England, nach, dass die chemische Zusammensetzung Wasserstoff und Chlor enthält.

Während der industriellen Revolution in Europa stieg die Nachfrage nach alkalischen Stoffen wie Soda, und das neue industrielle Soda-Verfahren von Nicolas Leblanc (Issoundun, Frankreich) ermöglichte eine billige, großtechnische Produktion. Beim Leblanc-Verfahren wird Salz mit Hilfe von Schwefelsäure, Kalkstein und Kohle in Soda umgewandelt. Als Nebenprodukt wird Chlorwasserstoff freigesetzt. Bis zum Alkali-Gesetz von 1863 wurde überschüssiges HCl in die Luft abgeleitet. Nach der Verabschiedung des Gesetzes waren die Sodahersteller gezwungen, die Abgase in Wasser zu absorbieren, wodurch Salzsäure in industriellem Maßstab hergestellt wurde.

Als Anfang des zwanzigsten Jahrhunderts das Leblanc-Verfahren durch das Solvay-Verfahren ohne das Nebenprodukt Salzsäure ersetzt wurde, war Salzsäure als wichtige Chemikalie in zahlreichen Anwendungen bereits voll etabliert. Das kommerzielle Interesse führte zu anderen Produktionsmethoden, die auch heute noch verwendet werden, wie im Folgenden beschrieben. Heute wird der größte Teil der Salzsäure durch Absorption von Chlorwasserstoff aus der industriellen Produktion organischer Verbindungen hergestellt.

Salzsäure ist im Übereinkommen gegen den unerlaubten Verkehr mit Suchtstoffen und psychotropen Stoffen von 1988 als Ausgangsstoff in Tabelle II aufgeführt, da sie zur Herstellung von Drogen wie Heroin, Kokain und Methamphetamin verwendet wird.

Chemie

Säuretitration.

Chlorwasserstoff (HCl) ist eine monoprotische Säure, was bedeutet, dass jedes Molekül nur einmal dissoziieren (ionisieren) kann und dabei ein H+-Ion (ein einzelnes Proton) freisetzt. In wässriger Salzsäure verbindet sich das H+ mit einem Wassermolekül zu einem Hydronium-Ion, H3O+:

HCl + H2O ⇌ H3O+ + Cl-

Molekülmodell von Chlorwasserstoff.

Das andere gebildete Ion ist Cl-, das Chlorid-Ion. Salzsäure kann daher zur Herstellung von Salzen verwendet werden, die Chloride genannt werden, wie z. B. Natriumchlorid. Salzsäure ist eine starke Säure, da sie in Wasser vollständig dissoziiert.

Einprotige Säuren haben eine Säuredissoziationskonstante, Ka, die den Grad der Dissoziation in Wasser angibt. Für eine starke Säure wie HCl ist die Ka groß. Es wurden theoretische Versuche unternommen, HCl eine Ka zuzuordnen. Wenn Chloridsalze wie NaCl zu wässriger HCl hinzugefügt werden, haben sie praktisch keinen Einfluss auf den pH-Wert, was darauf hindeutet, dass Cl- eine äußerst schwache konjugierte Base ist und dass HCl in wässriger Lösung vollständig dissoziiert. Für mittelstarke bis starke Lösungen von Salzsäure ist die Annahme, dass die H+-Molarität (eine Konzentrationseinheit) gleich der HCl-Molarität ist, hervorragend, da sie mit vier signifikanten Stellen übereinstimmt.

Von den sieben in der Chemie üblichen starken Säuren, die alle anorganisch sind, ist Salzsäure die einprotonige Säure, bei der am wenigsten wahrscheinlich eine störende Oxidations-Reduktions-Reaktion auftritt. Sie ist eine der am wenigsten gefährlichen starken Säuren; trotz ihrer Säure bildet sie das weniger reaktive und ungiftige Chloridion. Salzsäurelösungen mittlerer Stärke sind recht stabil und behalten ihre Konzentrationen über längere Zeit bei. Aufgrund dieser Eigenschaften und der Tatsache, dass sie als reines Reagenz zur Verfügung steht, eignet sich Salzsäure hervorragend als Säurereagenz und Säuretitriermittel (zur Bestimmung der Menge einer unbekannten Basenmenge bei der Titration). Starke saure Titriermittel sind nützlich, weil sie bei einer Titration deutlichere Endpunkte ergeben, was die Titration präziser macht. Salzsäure wird häufig in der chemischen Analyse und zum Aufschluss von Proben für die Analyse verwendet. Konzentrierte Salzsäure löst einige Metalle auf und bildet oxidierte Metallchloride und Wasserstoffgas. Sie erzeugt Metallchloride aus basischen Verbindungen wie Kalziumkarbonat oder Kupfer(II)-oxid. Sie wird auch als einfacher saurer Katalysator für einige chemische Reaktionen verwendet.

Physikalische Eigenschaften

Die physikalischen Eigenschaften von Salzsäure, wie Siede- und Schmelzpunkt, Dichte und pH-Wert, hängen von der Konzentration oder Molarität von HCl in der sauren Lösung ab. Sie können von denen von Wasser bei 0 Prozent HCl bis zu Werten für rauchende Salzsäure bei über 40 Prozent HCl reichen.

Salzsäure als binäres (Zweikomponenten-)Gemisch aus HCl und H2O hat ein konstant siedendes Azeotrop bei 20,2 Prozent HCl und 108,6 °C (227 °F). Für Salzsäure gibt es vier eutektische Punkte mit konstanter Kristallisation: zwischen der Kristallform HCl-H2O (68 % HCl), HCl-2H2O (51 % HCl), HCl-3H2O (41 % HCl), HCl-6H2O (25 % HCl) und Eis (0 % HCl). Es gibt auch einen metastabilen eutektischen Punkt bei 24,8 Prozent zwischen Eis und der HCl-3H2O-Kristallisation

Herstellung

Salzsäure wird durch Auflösen von Chlorwasserstoff in Wasser hergestellt. Chlorwasserstoff kann auf viele Arten erzeugt werden, und so gibt es mehrere verschiedene Vorstufen von Salzsäure. Die großtechnische Herstellung von Salzsäure ist fast immer mit der Produktion anderer Chemikalien im industriellen Maßstab verbunden.

Industriemarkt

Salzsäure wird in Lösungen bis zu 38 Prozent HCl (konzentrierter Grad) hergestellt. Höhere Konzentrationen bis knapp über 40 Prozent sind chemisch möglich, aber die Verdampfungsrate ist dann so hoch, dass Lagerung und Handhabung zusätzliche Vorsichtsmaßnahmen wie Druck und niedrige Temperatur erfordern. Die Industriequalität liegt daher bei 30 % bis 34 %, was für einen effektiven Transport und einen begrenzten Produktverlust durch HCl-Dämpfe optimiert ist. Lösungen für Haushaltszwecke, vor allem für Reinigungszwecke, haben in der Regel einen Anteil von 10 % bis 12 %, wobei dringend empfohlen wird, sie vor der Verwendung zu verdünnen.

Zu den weltweit größten Herstellern gehören Dow Chemical mit 2 Millionen Tonnen jährlich (2 Mio. t/Jahr), berechnet als HCl-Gas, und FMC, Georgia Gulf Corporation, Tosoh Corporation, Akzo Nobel und Tessenderlo mit jeweils 0,5 bis 1,5 Mio. t/Jahr. Die weltweite Gesamtproduktion, ausgedrückt als HCl, wird zu Vergleichszwecken auf 20 Mio. t/Jahr geschätzt, wobei 3 Mio. t/Jahr aus der Direktsynthese und der Rest als Nebenprodukt aus organischen und ähnlichen Synthesen stammen. Der weitaus größte Teil der Salzsäure wird vom Hersteller selbst verbraucht. Der offene Weltmarkt wird auf 5 Mio. t/Jahr geschätzt.

Anwendungen

Salzsäure ist eine starke anorganische Säure, die in vielen industriellen Prozessen verwendet wird. Die Anwendung bestimmt oft die erforderliche Produktqualität.

Regeneration von Ionenaustauschern

Eine wichtige Anwendung von hochwertiger Salzsäure ist die Regeneration von Ionenaustauschharzen. Der Kationenaustausch ist weit verbreitet, um Ionen wie Na+ und Ca2+ aus wässrigen Lösungen zu entfernen und entmineralisiertes Wasser zu erzeugen.

Na+ wird durch H3O+ ersetzt Ca2+ wird durch 2 H3O+ ersetzt

Ionenaustauscher und entmineralisiertes Wasser werden in allen chemischen Industrien, bei der Trinkwasserherstellung und in vielen Lebensmittelindustrien verwendet.

pH-Kontrolle und Neutralisation

Eine sehr häufige Anwendung von Salzsäure ist die Regulierung der Basizität (pH) von Lösungen.

OH- + HCl → H2O + Cl-

In der Industrie mit hohen Reinheitsanforderungen (Lebensmittel, Pharmazie, Trinkwasser) wird hochwertige Salzsäure zur Kontrolle des pH-Wertes von Prozesswasserströmen verwendet. In der weniger anspruchsvollen Industrie reicht Salzsäure technischer Qualität für die Neutralisierung von Abfallströmen und die Behandlung von Schwimmbädern aus.

Beizen von Stahl

Beizen ist ein wichtiger Schritt bei der Oberflächenbehandlung von Metallen, um Rost oder Eisenoxidablagerungen von Eisen oder Stahl vor der Weiterverarbeitung zu entfernen, z. B. beim Strangpressen, Walzen, Verzinken und anderen Verfahren. HCl in technischer Qualität mit einer Konzentration von typischerweise 18 Prozent ist das am häufigsten verwendete Beizmittel für das Beizen von Kohlenstoffstahlsorten.

Fe2O3 + Fe + 6 HCl → 3 FeCl2 + 3 H2O

Die verbrauchte Säure wurde lange Zeit als Eisenchloridlösungen wiederverwendet, aber hohe Schwermetallgehalte in der Beizflüssigkeit haben diese Praxis eingeschränkt.

In den letzten Jahren hat die Stahlbeizindustrie jedoch Salzsäure-Regenerationsverfahren entwickelt, wie z. B. den Sprühröster oder das Wirbelschicht-HCl-Regenerationsverfahren, die die Rückgewinnung von HCl aus der verbrauchten Beizflüssigkeit ermöglichen. Das gebräuchlichste Regenerationsverfahren ist die Pyrohydrolyse nach der folgenden Formel:

4 FeCl2 + 4 H2O + O2 → 8 HCl+ 2 Fe2O3

Durch die Rückgewinnung der verbrauchten Säure wird ein geschlossener Säurekreislauf geschaffen. Das Eisenoxid-Nebenprodukt des Regenerationsprozesses ist ein wertvolles Nebenprodukt, das in einer Vielzahl von Sekundärindustrien verwendet wird.

HCl ist kein übliches Beizmittel für nichtrostende Stahlsorten.

Erzeugung anorganischer Verbindungen

Zahlreiche Produkte können mit Salzsäure in normalen Säure-Base-Reaktionen erzeugt werden, wobei anorganische Verbindungen entstehen. Dazu gehören Wasseraufbereitungschemikalien wie Eisen(III)-chlorid und Polyaluminiumchlorid (PAC).

Fe2O3 + 6 HCl → 2 FeCl3 + 3 H2O

Beide, Eisen(III)-chlorid und PAC, werden als Flockungs- und Koagulationsmittel in der Abwasseraufbereitung, der Trinkwassergewinnung und der Papierherstellung verwendet.

Andere anorganische Verbindungen, die mit Salzsäure hergestellt werden, sind Kalziumchlorid für den Straßenbau, Nickel(II)-chlorid für die Galvanotechnik und Zinkchlorid für die Galvanikindustrie und die Batterieherstellung.

Herstellung organischer Verbindungen

Der größte Verbrauch an Salzsäure ist die Herstellung organischer Verbindungen wie Vinylchlorid für PVC und MDI und TDI für Polyurethan. Dabei handelt es sich häufig um einen Eigenverbrauch, bei dem lokal produzierte Salzsäure verbraucht wird, die nie auf den freien Markt gelangt. Zu den anderen organischen Verbindungen, die mit Salzsäure hergestellt werden, gehören Bisphenol A für Polycarbonat, Aktivkohle und Ascorbinsäure sowie zahlreiche pharmazeutische Produkte.

Sonstige Anwendungen

Salzsäure ist eine grundlegende Chemikalie und wird als solche für eine Vielzahl kleinerer Anwendungen wie Lederverarbeitung, Haushaltsreinigung und Bauwesen verwendet. Außerdem kann die Erdölförderung durch Injektion von Salzsäure in das Gestein einer Ölquelle angeregt werden, wodurch ein Teil des Gesteins aufgelöst wird und eine großporige Struktur entsteht. Das Ansäuern von Ölbohrungen ist ein gängiges Verfahren in der Nordsee-Ölförderindustrie.

Viele chemische Reaktionen, bei denen Salzsäure zum Einsatz kommt, werden bei der Herstellung von Lebensmitteln, Lebensmittelzutaten und Lebensmittelzusatzstoffen verwendet. Typische Produkte sind Aspartam, Fruktose, Zitronensäure, Lysin, hydrolisiertes (pflanzliches) Eiweiß als Lebensmittelzusatzstoff und bei der Gelatineherstellung. Salzsäure in Lebensmittelqualität (besonders rein) kann verwendet werden, wenn sie für das Endprodukt benötigt wird.

Physiologie und Pathologie

Salzsäure macht den größten Teil der Magensäure, der menschlichen Verdauungsflüssigkeit, aus. Sie wird in einem komplexen Prozess und unter hohem Energieaufwand von den Parietalzellen (auch Oxyntzellen genannt) ausgeschieden. Diese Zellen verfügen über ein ausgedehntes sekretorisches Netzwerk (Canaliculi genannt), aus dem die HCl in das Lumen des Magens ausgeschieden wird. Sie sind Teil der Fundusdrüsen (auch oxyntische Drüsen genannt) im Magen.

Sicherheitsmechanismen, die eine Schädigung des Epithels des Verdauungstraktes durch Salzsäure verhindern, sind die folgenden:

• Negative Regulatoren ihrer Freisetzung
• Eine dicke Schleimschicht, die das Epithel bedeckt
• Natriumbicarbonat, das von den Epithelzellen des Magens und der Bauchspeicheldrüse abgesondert wird
• Die Struktur des Epithels (tight junctions)
• Ausreichende Blutversorgung
• Prostaglandine (vielfältige Wirkungen: Sie stimulieren die Schleim- und Bikarbonatsekretion, erhalten die Integrität der Epithelbarriere aufrecht, ermöglichen eine ausreichende Blutversorgung und regen die Heilung der geschädigten Schleimhaut an)

Wenn diese Mechanismen aus verschiedenen Gründen versagen, kann es zu Sodbrennen oder Magengeschwüren kommen. Medikamente, so genannte Protonenpumpenhemmer, verhindern, dass der Körper überschüssige Säure im Magen produziert, während Antazida die vorhandene Säure neutralisieren.

In manchen Fällen wird im Magen nicht genügend Salzsäure produziert. Diese pathologischen Zustände werden mit den Begriffen Hypochlorhydrie und Achlorhydrie bezeichnet. Potenziell können sie zu Gastroenteritis führen.

Chemische Waffen

Phosgen (COCl2) war ein im Ersten Weltkrieg häufig verwendeter chemischer Kampfstoff. Letztere zerstört die Alveolar-Kapillarmembranen, so dass sich die Lunge mit Flüssigkeit füllt (Lungenödem).

Salzsäure ist auch mitverantwortlich für die schädigende oder blasenbildende Wirkung von Senfgas. In Gegenwart von Wasser, z. B. auf der feuchten Oberfläche der Augen oder der Lunge, zerfällt Senfgas zu Salzsäure.

Sicherheit

Salzsäure in hohen Konzentrationen bildet saure Nebel. Sowohl der Nebel als auch die Lösung haben eine ätzende Wirkung auf das menschliche Gewebe und können die Atmungsorgane, die Augen, die Haut und die Därme schädigen. Beim Mischen von Salzsäure mit gängigen oxidierenden Chemikalien wie Bleichmittel (NaClO) oder Permanganat (KMnO4) entsteht das giftige Gas Chlor. Um die Risiken bei der Arbeit mit Salzsäure zu minimieren, sollten geeignete Vorsichtsmaßnahmen getroffen werden, einschließlich des Tragens von Gummi- oder PVC-Handschuhen, Schutzbrillen und chemikalienbeständiger Kleidung.

Die Gefahren von Salzsäurelösungen hängen von der Konzentration ab. In der folgenden Tabelle ist die EU-Einstufung von Salzsäurelösungen aufgeführt:

Siehe auch

• Säure
• Base (Chemie)
• Salpetersäure
• Schwefelsäure

• Chang, Raymond. 2006. Chemistry, 9th ed. New York: McGraw-Hill Science/Engineering/Math. ISBN 0073221031.
• Cotton, F. Albert, und Geoffrey Wilkinson. 1980. Advanced Inorganic Chemistry, 4. Aufl. New York: Wiley. ISBN 0471027758.
• Guyton, Arthur C., und John E. Hall. 2000. Lehrbuch der medizinischen Physiologie. Philadelphia: Saunders. ISBN 072168677X.
• Lide, David R., ed. 2005. CRC Handbook of Chemistry and Physics, 86th ed. Boca Raton: CRC Press. ISBN 0849304865.
• McMurry, J., und R.C. Fay. 2004. Chemistry, 4th ed. Upper Saddle River, NJ: Prentice Hall. ISBN 0131402080.
• Perry, R., D. Green, and J. Maloney. 1984. Perry’s Chemical Engineers‘ Handbook, 6. Aufl. New York: McGraw-Hill. ISBN 0070494797.