Suolahappo

Kloorivetyhappo
Yleistä
Systeeminen nimi	Kloorivetyhappo
Muut nimet	Muriaattihappo, Suolan henki
Molekyylikaava	HCl vedessä (H2O)
Molaarinen massa	36.46 g/mol (HCl)
Eritys	Kirkas väritön tai vaaleankeltainen neste
CAS-numero
Ominaisuudet
Tiheys, faasi	1.18 g/cm³, 37% liuos.
Liukoisuus veteen	Täysin sekoittuva.
Sulamispiste	-26 °C (247 K) 38 % liuos.
Kiehumispiste	110 °C (383 K), 20.2-prosenttinen liuos; 48 °C (321 K), 38-prosenttinen liuos.
Hapon dissosiaatio vakio pKa	-8.0
Viskositeetti	1.9 mPa-s 25 °C:n lämpötilassa, 31.5 % liuos
Riskit
MSDS	Ulkoinen MSDS
NFPA 704	. 0 3 1 32-38-prosenttinen liuos
Pääasialliset vaaratekijät	Hyvin syövyttävä.
Leimahduspiste	Ei syttyvä.
R/S-lausunto	R34, R37, S26, S36, S45
RTECS-numero	MW4025000
Lisätietosivu
Rakenne ja ominaisuudet	n, εr jne.
Termodynaamiset tiedot	Faasikäyttäytyminen Kiinteä, nestemäinen, kaasu
Spektriset tiedot	UV, IR, NMR, MS
Suhteessa olevat yhdisteet
Muut anionit	HF, HBr, HI
Muut kationit	N/a
Suhteessa olevat hapot	Bromivetyhappo Fluorivetyhappo Jodivetyhappo Rikkihappo
Ei toisin mainita, tiedot on annettu materiaaleille niiden vakiotilassa (25 °C:ssa, 100 kPa:ssa) Infoboxin vastuuvapauslauseke ja viitteet

Kemiallinen yhdiste suolahappo (tai suolahappo) on kloorivetykaasun (HCl) vesiliuos (vesipohjainen). Tämä vahva happo on erittäin syövyttävä, ja sitä on käsiteltävä asianmukaisia turvatoimia noudattaen. Se on mahahapon pääkomponentti. Sitä käytetään rutiininomaisesti kemian tutkimuslaboratorioissa ja tuotantolaitoksissa. Sen käyttökohteita ovat mm. tiettyjen yhdisteiden laajamittainen tuotanto (kuten vinyylikloridi polyvinyylikloridimuovia (PVC) varten), ruosteen ja kalkin poisto metalleista, öljyntuotanto ja malminjalostus. Pienimuotoisempia sovelluksia ovat gelatiinin ja muiden elintarvikkeiden ainesosien tuotanto sekä nahanjalostus. Suolahappoa tuotetaan vuosittain arviolta 20 miljoonaa tonnia.

Historia

Kloorivetyhapon löysi ensimmäisen kerran noin vuonna 800 jKr. alkemisti Jabir ibn Hayyan (Geber) sekoittamalla ruokasuolaa vitrioliin (rikkihappoon). Jabir löysi monia tärkeitä kemikaaleja ja kirjasi havaintonsa yli 20 kirjaan, joissa hänen kemiallinen tietämyksensä suolahaposta ja muista peruskemikaaleista kulki satojen vuosien ajan. Jabirin keksimä suolahaposta ja typpihaposta koostuva kultaa liuottava kuningasvesi kiinnosti suuresti viisasten kiveä etsiviä alkemisteja.

Jabir ibn Hayyan, keskiaikainen käsikirjoituspiirros.

Keskiajalla suolahappo tunnettiin eurooppalaisille alkemisteille nimellä suolan väkevä henki (spirit of salt) tai happo eli happo (Acidum salis). Kaasumaista HCl:ää kutsuttiin merihappoilmaksi. Vanha (esisystemaattinen) nimi muraattihappo on samaa alkuperää (muraatti tarkoittaa ”suolaveteen tai suolaan liittyvää”), ja tätä nimeä käytetään edelleen joskus. Merkittävää tuotantoa kirjasi Basilius Valentinus, Saksan Erfurtissa sijaitsevan Sankt Peterin benediktiiniläisluostarin alkemisti-kanonisti 1400-luvulla. Johann Rudolf Glauber Karlstadt am Mainista, Saksasta, käytti 1600-luvulla natriumkloridisuolaa ja rikkihappoa natriumsulfaatin valmistukseen Mannheimin prosessissa, jolloin vapautui kloorivetykaasua. Joseph Priestley Leedsistä, Englannista, valmisti puhdasta kloorivetyä vuonna 1772, ja vuonna 1818 Humphry Davy Penzancesta, Englannista, osoitti, että kemiallinen koostumus sisälsi vetyä ja klooria.

Teollisen vallankumouksen aikana Euroopassa emäksisten aineiden, kuten kalsinoidun soodan, kysyntä lisääntyi, ja Nicolas Leblanc’n (Issoundun, Ranska) kehittämä uusi teollinen soodaprosessi mahdollisti halvan ja laajamittaisen tuotannon. Leblancin prosessissa suola muutetaan soodaksi käyttämällä rikkihappoa, kalkkikiveä ja hiiltä. Sivutuotteena syntyy kloorivetyä. Vuoden 1863 alkalilakiin asti ylimääräinen HCl päästettiin ilmaan. Lain säätämisen jälkeen soodan tuottajat joutuivat absorboimaan jätekaasun veteen, jolloin suolahappoa tuotettiin teollisessa mittakaavassa.

Kun 1900-luvun alussa Leblanc-prosessi korvattiin käytännössä Solvay-prosessilla ilman suolahapon sivutuotetta, suolahappo oli jo täysin vakiintunut tärkeäksi kemikaaliksi lukuisissa sovelluksissa. Kaupallinen kiinnostus käynnisti muut tuotantomenetelmät, joita käytetään edelleen, kuten jäljempänä kuvataan. Nykyään suurin osa suolahaposta valmistetaan absorboimalla teollisten orgaanisten yhdisteiden tuotannosta peräisin olevaa kloorivetyä.

Kloorivetyhappo mainitaan vuoden 1988 huumausaineiden ja psykotrooppisten aineiden laittoman kaupan vastaisessa yleissopimuksessa taulukon II lähtöaineena, koska sitä käytetään heroiinin, kokaiinin ja metamfetamiinin kaltaisten huumausaineiden tuotannossa.

Kemia

Hapon titraus.

Kloorivety (HCl) on monoprotinen happo, mikä tarkoittaa, että jokainen molekyyli voi dissosioitua (ionisoitua) vain kerran vapauttaen yhden H+-ionin (yhden protonin). Vesipitoisessa suolahapossa H+ liittyy vesimolekyyliin muodostaen hydroniumionin, H3O+:

HCl + H2O ⇌ H3O+ + Cl-

Kloorivedyn molekyylimalli.

Toinen muodostuva ioni on Cl-, kloridi-ioni. Kloorivetyhaposta voidaan siis valmistaa klorideiksi kutsuttuja suoloja, kuten natriumkloridia. Suolahappo on vahva happo, sillä se dissosioituu täysin veteen.

Monoprotisilla hapoilla on yksi hapon dissosiaatiovakio, Ka, joka ilmaisee dissosioitumisasteen vedessä. HCl:n kaltaiselle vahvalle hapolle Ka on suuri. HCl:lle on tehty teoreettisia yrityksiä määrittää Ka. Kun kloridisuoloja, kuten NaCl, lisätään HCl:n vesiliuokseen, niillä ei ole käytännössä mitään vaikutusta pH:han, mikä osoittaa, että Cl- on erittäin heikko konjugaattiemäs ja että HCl dissosioituu täysin vesiliuoksessa. Keskivahvoille tai vahvoille suolahapon liuoksille oletus, että H+-molaarisuus (konsentraation yksikkö) on yhtä suuri kuin HCl-molaarisuus, on erinomainen ja täsmää neljän merkitsevän numeron tarkkuudella.

Kemian seitsemästä tavallisesta vahvasta haposta, jotka kaikki ovat epäorgaanisia, suolahappo on monoproottinen happo, jolla on pienin todennäköisyys käydä läpi häiritsevää hapettumis-pelkistymisreaktiota. Se on yksi vähiten vaarallisista vahvoista hapoista käsiteltäväksi; happamuudestaan huolimatta se tuottaa vähemmän reaktiivista ja myrkytöntä kloridi-ionia. Keskivahvat suolahappoliuokset ovat melko stabiileja ja säilyttävät pitoisuutensa ajan myötä. Nämä ominaisuudet sekä se, että sitä on saatavilla puhtaana reagenssina, merkitsevät sitä, että suolahappo on erinomainen happamoittava reagenssi ja happotitrantti (tuntemattoman emäsmäärän määrän määrittämiseksi titrauksessa). Vahvat happotitrantit ovat hyödyllisiä, koska ne antavat titrauksessa selkeämmät päätepisteet, mikä tekee titrauksesta tarkemman. Suolahappoa käytetään usein kemiallisessa analyysissä ja näytteiden pilkkomiseen analyysiä varten. Tiivistetty suolahappo liuottaa joitakin metalleja muodostaen hapettuneita metalliklorideja ja vetykaasua. Se tuottaa metalliklorideja emäksisistä yhdisteistä, kuten kalsiumkarbonaatista tai kupari(II)oksidista. Sitä käytetään myös yksinkertaisena happokatalysaattorina joissakin kemiallisissa reaktioissa.

Fysikaaliset ominaisuudet

Suolahapon fysikaaliset ominaisuudet, kuten kiehumis- ja sulamispisteet, tiheys ja pH, riippuvat HCl:n konsentraatiosta tai molariudesta happoliuoksessa. Ne voivat vaihdella veden arvoista 0-prosenttisen HCl:n kohdalla huurtuvan suolahapon arvoihin yli 40-prosenttisen HCl:n kohdalla.

Kloorivetyhapon binäärisenä (kaksikomponenttisena) HCl:n ja H2O:n seoksena on vakiokiehuva atseotrooppi 20,2 prosentin HCl:n ja 108,6 °C:n (227 °F) lämpötilassa. Kloorivetyhapolla on neljä vakiokiteytymisen eutektista pistettä HCl-H2O:n (68 prosenttia HCl), HCl-2H2O:n (51 prosenttia HCl), HCl-3H2O:n (41 prosenttia HCl), HCl-6H2O:n (25 prosenttia HCl) ja jään (0 prosenttia HCl) välillä. Jään ja HCl-3H2O-kiteytymän välillä on myös metastabiili eutektinen piste 24,8 prosentissa

Tuotanto

Kloorivetyhappoa valmistetaan liuottamalla vetykloridia veteen. Kloorivetyä voidaan tuottaa monin eri tavoin, ja näin ollen suolahapon lähtöaineita on useita erilaisia. Suuren mittakaavan suolahappotuotanto on lähes aina integroitu muun teollisen mittakaavan kemikaalituotantoon.

Teollisuusmarkkinat

Kloorivetyhappoa valmistetaan liuoksina aina 38-prosenttiseen HCl:ään asti (väkevä laatu). Korkeammat pitoisuudet hieman yli 40 prosenttiin asti ovat kemiallisesti mahdollisia, mutta silloin haihtumisnopeus on niin suuri, että varastointi ja käsittely edellyttävät ylimääräisiä varotoimenpiteitä, kuten painetta ja matalaa lämpötilaa. Teollisuuskäyttöön tarkoitettu irtotavaralaatu on näin ollen 30-34-prosenttista, mikä on optimoitu tehokkaan kuljetuksen ja HCl-höyryjen aiheuttaman vähäisen tuotehävikin kannalta. Kotitaloustarkoituksiin, lähinnä puhdistukseen, tarkoitetut liuokset ovat tyypillisesti 10-12-prosenttisia, ja niitä suositellaan laimentamaan ennen käyttöä.

Maailman suurimpiin tuottajiin kuuluvat Dow Chemical, jonka tuotanto on 2 miljoonaa tonnia vuodessa (2 Mt/vuosi) HCl-kaasuna laskettuna, sekä FMC, Georgia Gulf Corporation, Tosoh Corporation, Akzo Nobel ja Tessenderlo, joiden tuotanto on kullakin 0,5-1,5 Mt/vuosi. Maailman kokonaistuotanto HCl:nä ilmaistuna on vertailun vuoksi arviolta 20 miljoonaa tonnia vuodessa, josta 3 miljoonaa tonnia vuodessa on peräisin suorasta synteesistä ja loput orgaanisten ja vastaavien synteesien sivutuotteena. Ylivoimaisesti suurin osa suolahaposta kuluu tuottajan omiin tarpeisiin. Avoimien maailmanmarkkinoiden kooksi arvioidaan 5 miljoonaa tonnia vuodessa.

Sovellukset

Kloorivetyhappo on vahva epäorgaaninen happo, jota käytetään monissa teollisuusprosesseissa. Käyttökohde määrittää usein vaaditun tuotteen laadun.

Ioninvaihtimien regenerointi

Laadukkaan suolahapon tärkeä käyttökohde on ioninvaihtohartsien regenerointi. Kationinvaihtoa käytetään laajalti ionien, kuten Na+:n ja Ca2+:n, poistamiseen vesiliuoksista, jolloin saadaan demineralisoitua vettä.

Na+ korvataan H3O+:lla Ca2+ korvataan 2:lla H3O+:lla

Ioninvaihtimia ja demineralisoitua vettä käytetään kaikessa kemianteollisuudessa, juomaveden tuotannossa ja monessa elintarviketeollisuudessa.

pH:n säätö ja neutralointi

Suolahapon hyvin yleinen käyttökohde on liuosten emäksisyyden (pH:n) säätö.

OH- + HCl → H2O + Cl-

Puhtautta vaativassa teollisuudessa (elintarvike-, lääke- ja juomavesi) käytetään korkealaatuista suolahappoa prosessivesivirtojen pH:n säätämiseen. Vähemmän vaativassa teollisuudessa riittää teknisen laadun suolahappo jätevirtojen neutralointiin ja uima-altaiden käsittelyyn.

TERÄKSEN PINNOITUS

PINNOITUS on metallin pintakäsittelyn olennainen vaihe ruosteen tai rautaoksidipitoisen kalkin poistamiseksi raudasta tai teräksestä ennen myöhempää käsittelyä, kuten suulakepuristusta, valssausta, galvanointia ja muita menetelmiä. Tekninen HCl, jonka pitoisuus on tyypillisesti 18 prosenttia, on yleisimmin käytetty peittausaine hiiliteräslaatujen peittauksessa.

Fe2O3 + Fe + 6 HCl → 3 FeCl2 + 3 H2O

Käytettyä happoa on pitkään käytetty uudelleen rautakloridiliuoksina, mutta korkeat raskasmetallipitoisuudet peittausliuoksessa ovat vähentäneet tätä käytäntöä.

Viime vuosina teräksen peittausteollisuudessa on kuitenkin kehitetty suolahapon regenerointiprosesseja, kuten suihkutuspaahdin tai leijukerroksen HCl-regeneroinnin prosessi, jotka mahdollistavat HCl:n talteenoton käytetystä peittausliuoksesta. Yleisin regenerointiprosessi on pyrohydrolyysiprosessi, jossa sovelletaan seuraavaa kaavaa:

4 FeCl2 + 4 H2O + O2 → 8 HCl+ 2 Fe2O3

Käytetyn hapon talteenotolla saadaan aikaan suljettu happokierto. Regenerointiprosessin sivutuote rautaoksidi on arvokas sivutuote, jota käytetään monilla toissijaisilla teollisuudenaloilla.

HKl ei ole yleinen ruostumattoman teräksen laatujen peittausaine.

Epäorgaanisten yhdisteiden tuottaminen

Lukuisia tuotteita voidaan tuottaa suolahapolla tavanomaisissa happo-emäsreaktioissa, jolloin syntyy epäorgaanisia yhdisteitä. Näihin kuuluvat vedenkäsittelykemikaalit, kuten rauta(III)kloridi ja polyalumiinikloridi (PAC).

Fe2O3 + 6 HCl → 2 FeCl3 + 3 H2O

Kumpaakin rauta(III)kloridia ja PAC:ia käytetään flokkulointi- ja koagulointiaineina jäteveden käsittelyssä, juomaveden valmistuksessa ja paperinvalmistuksessa.

Muita suolahapolla tuotettuja epäorgaanisia yhdisteitä ovat mm. tienkäyttösuolan kalsiumkloridi, nikkeli(II)kloridi galvanoinnissa ja sinkkikloridi sinkkiteollisuudessa ja akkujen valmistuksessa.

Organisten yhdisteiden valmistus

Suurinta suolahapon kulutusta on orgaanisten yhdisteiden, kuten PVC:n valmistuksessa käytettävän vinyylikloridin sekä polyuretaanin valmistuksessa käytettävien MDI:n ja TDI:n, valmistus. Tämä on usein kytköskäyttöä, jossa kulutetaan paikallisesti tuotettua suolahappoa, joka ei koskaan päädy avoimille markkinoille. Muita orgaanisia yhdisteitä, joita tuotetaan suolahapolla, ovat polykarbonaatissa käytettävä bisfenoli A, aktiivihiili ja askorbiinihappo sekä lukuisat farmaseuttiset tuotteet.

Muut käyttökohteet

Kloorivetyhappo on peruskemikaali, ja sellaisenaan sitä käytetään monissa pienimuotoisissa käyttökohteissa, kuten nahanjalostuksessa, kotitalouksien siivouksessa ja talonrakentamisessa. Lisäksi yksi tapa edistää öljyntuotantoa on ruiskuttaa suolahappoa öljylähteen kalliomuodostumaan, liuottaa osa kalliosta ja luoda suurihuokoinen rakenne. Öljynporauskaivojen hapottaminen on yleinen prosessi Pohjanmeren öljyntuotantoteollisuudessa.

Monia kemiallisia reaktioita, joihin liittyy suolahappoa, käytetään elintarvikkeiden, elintarvikkeiden ainesosien ja elintarvikelisäaineiden valmistuksessa. Tyypillisiä tuotteita ovat aspartaami, fruktoosi, sitruunahappo, lysiini, hydrolysoitu (kasvi)proteiini ruoanparannusaineena ja gelatiinin valmistuksessa. Elintarvikelaatuista (erittäin puhdasta) suolahappoa voidaan käyttää silloin, kun sitä tarvitaan lopputuotteeseen.

Fysiologia ja patologia

Suolahappo muodostaa suurimman osan mahahaposta, ihmisen ruoansulatusnesteestä. Monimutkaisessa prosessissa ja suurella energiakuormituksella sitä erittävät parietaalisolut (joita kutsutaan myös oksyyttisoluiksi). Näissä soluissa on laaja erittymisverkosto (ns. canaliculi), josta HCl erittyy mahalaukun luumeniin. Ne ovat osa mahalaukun perusrauhasia (tunnetaan myös nimellä oksynttiset rauhaset).

Turvamekanismeja, jotka estävät suolahapon aiheuttaman ruoansulatuskanavan epiteelin vaurioitumisen, ovat seuraavat:

• Negatiiviset säätelijät sen vapautumiselle
• Paksu limainen kerros, joka peittää epiteelin
• Mahalaukun epiteelisolujen ja haiman erittämä natriumbikarbonaatti
• Epiteelin rakenne (tiiviit liitokset)
• Riittävä verenkierto
• Prostaglandiineja (monia eri vaikutuksia: Ne stimuloivat liman ja bikarbonaatin eritystä, ylläpitävät epiteelin esteen eheyttä, mahdollistavat riittävän verenkierron, stimuloivat vaurioituneen limakalvon paranemista)

Kun nämä mekanismit eri syistä epäonnistuvat, voi kehittyä närästys tai mahahaava. Protonipumpun estäjiksi kutsutut lääkkeet estävät elimistöä tuottamasta ylimääräistä happoa mahalaukussa, kun taas antasidit neutraloivat olemassa olevaa happoa.

Joskus mahalaukussa ei synny riittävästi suolahappoa. Näitä patologisia tiloja merkitään termeillä hypokloorihydria ja a-kloorihydria. Mahdollisesti ne voivat johtaa gastroenteriittiin.

Kemialliset aseet

Fosgeeni (COCl2) oli yleinen kemiallinen taisteluaine, jota käytettiin ensimmäisessä maailmansodassa. Fosgeenin päävaikutus johtuu kaasun liukenemasta syvällä keuhkoissa oleviin limakalvoihin, joissa se muuttuu hydrolyysin kautta hiilihapoksi ja syövyttäväksi suolahapoksi. Jälkimmäinen hajottaa alveolikapillaarikalvot niin, että keuhkot täyttyvät nesteellä (keuhkoödeema).

Kloorivetyhappo on myös osittain vastuussa sinappikaasun haitallisista tai rakkuloita aiheuttavista vaikutuksista. Veden läsnä ollessa, kuten silmien tai keuhkojen kostealla pinnalla, sinappikaasu hajoaa muodostaen suolahappoa.

Turvallisuus

Korkeina pitoisuuksina sinappikaasusta muodostuu happamia sumuja. Sekä sumu että liuos vaikuttavat syövyttävästi ihmiskudokseen ja saattavat vahingoittaa hengityselimiä, silmiä, ihoa ja suolistoa. Kun suolahappoa sekoitetaan tavallisiin hapettaviin kemikaaleihin, kuten valkaisuaineeseen (NaClO) tai permanganaattiin (KMnO4), syntyy myrkyllistä kloorikaasua. Suolahapon kanssa työskenneltäessä riskien minimoimiseksi on ryhdyttävä asianmukaisiin varotoimenpiteisiin, kuten kumi- tai PVC-hansikkaiden, suojasilmälasien ja kemikaalinkestävän vaatetuksen käyttämiseen.

Suolahapon liuosten vaarat riippuvat pitoisuudesta. Seuraavassa taulukossa on lueteltu suolahappoliuosten EU-luokitus:

Vrt. myös

• Happo
• Emäs (kemia)
• Typpihappo
• Rikkihappo

• Chang, Raymond. 2006. Kemia, 9. painos. New York: McGraw-Hill Science/Engineering/Math. ISBN 0073221031.
• Cotton, F. Albert ja Geoffrey Wilkinson. 1980. Advanced Inorganic Chemistry, 4. painos. New York: Wiley. ISBN 0471027758.
• Guyton, Arthur C., ja John E. Hall. 2000. Lääketieteellisen fysiologian oppikirja. 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. ja R.C. Fay. 2004. Kemia, 4. painos. Upper Saddle River, NJ: Prentice Hall. ISBN 0131402080.
• Perry, R., D. Green ja J. Maloney. 1984. Perry’s Chemical Engineers’ Handbook, 6. painos. New York: McGraw-Hill. ISBN 0070494797.