Kwas chlorowodorowy

.

Kwas chlorowodorowy
Ogólne
Nazwa systematyczna	Kwas chlorowodorowy
Inne nazwy	Kwas bursztynowy, Wzór cząsteczkowy
HCl w wodzie (H2O)
Masa cząsteczkowa	36.46 g/mol (HCl)
Wygląd	Czysta bezbarwna do jasnożółtej ciecz
Numer CAS
Właściwości
Gęstość, faza	1.18 g/cm³, 37% roztwór.
Rozpuszczalność w wodzie	całkowicie mieszalny.
Punkt topnienia	-26 °C (247 K) 38% roztwór.
Punkt wrzenia	110 °C (383 K), 20.2% roztwór; 48 °C (321 K), 38% roztwór.
Dysocjacja kwasów stała pKa	-8,0
Typowość	1,9 mPa-s w 25 °C, 31.5% roztwór
Zagrożenia
MSDS	Zewnętrzna MSDS
NFPA 704	. 0 3 1 32-38% roztwór
Główne zagrożenia	Dużo żrący.
Punkt zapłonu	Niepalny.
Określenie R/S	R34, R37, S26, S36, S45
Numer RTECS	MW4025000
Strona z danymi uzupełniającymi
Struktura i właściwości	n, εr, itd.
Termodynamika dane	Zachowanie fazowe stałe, ciekłe, gazowe
Dane spektralne	UV, IR, NMR, MS
Związki pokrewne
Inne aniony	HF, HBr, HI
Inne kationy	N/a
Powiązane kwasy	Kwas wodorobromowy Kwas fluorowodorowy Kwas siarkowy Kwas siarkowy
Z wyjątkiem przypadków, gdy zaznaczono inaczej, dane są podane dla materiałów w ich standardowym stanie (w 25 °C, 100 kPa) Infobox zrzeczenia się odpowiedzialności i odniesienia

Związek chemiczny kwas solny (lub kwas muriatowy) jest wodnym (na bazie wody) roztworem gazowego chlorowodoru (HCl). Ten silny kwas jest bardzo żrący i musi być traktowany z zachowaniem odpowiednich środków ostrożności. Jest on głównym składnikiem kwasu żołądkowego. Jest on rutynowo stosowany w chemicznych laboratoriach badawczych i zakładach produkcyjnych. Jego zastosowania obejmują produkcję na dużą skalę niektórych związków chemicznych (takich jak chlorek winylu do produkcji plastiku z polichlorku winylu (PVC)), usuwanie rdzy i zgorzeliny z metali, produkcję ropy naftowej i przetwarzanie rud. Zastosowania na mniejszą skalę obejmują produkcję żelatyny i innych składników żywności oraz przetwórstwo skóry. Szacuje się, że rocznie produkuje się 20 milionów ton kwasu solnego.

Historia

Kwas solny został po raz pierwszy odkryty około 800 r. p.n.e. przez alchemika Dżabira ibn Hajjana (Geber), poprzez zmieszanie soli kuchennej z witriolem (kwasem siarkowym). Dżabir odkrył wiele ważnych związków chemicznych, a swoje odkrycia zapisał w ponad 20 księgach, które przez setki lat przekazywały jego wiedzę chemiczną na temat kwasu solnego i innych podstawowych związków chemicznych. Wynalezienie przez Jabira rozpuszczającego złoto aqua regia, składającego się z kwasu solnego i kwasu azotowego, było bardzo interesujące dla alchemików poszukujących kamienia filozoficznego.

Jabir ibn Hayyan, średniowieczny rysunek w rękopisie.

W średniowieczu kwas solny był znany europejskim alchemikom jako spirytus soli lub acidum salis. Gazowy HCl nazywany był morskim powietrzem kwasowym. Dawna (przedsystemowa) nazwa kwas muriatowy ma to samo pochodzenie (muriatic oznacza „odnoszący się do solanki lub soli”), i ta nazwa jest nadal czasami używana. Godną uwagi produkcję odnotował Basilius Valentinus, alchemik-kanonik z benedyktyńskiego przeoratu Sankt Peter w Erfurcie w Niemczech w XV wieku. W XVII wieku Johann Rudolf Glauber z Karlstadt am Main w Niemczech użył soli chlorku sodu i kwasu siarkowego do przygotowania siarczanu sodu w procesie Mannheima, uwalniając gazowy chlorowodór. Joseph Priestley z Leeds w Anglii przygotował czysty chlorowodór w 1772 r., a w 1818 r. Humphry Davy z Penzance w Anglii udowodnił, że jego skład chemiczny obejmuje wodór i chlor.

Podczas rewolucji przemysłowej w Europie wzrosło zapotrzebowanie na substancje alkaliczne, takie jak soda kalcynowana, a nowy przemysłowy proces sodowy Nicolasa Leblanca (Issoundun, Francja) umożliwił tanią produkcję na dużą skalę. W procesie Leblanca sól jest przekształcana w sodę kalcynowaną przy użyciu kwasu siarkowego, kamienia wapiennego i węgla. Jako produkt uboczny uwalniany jest chlorowodór. Do czasu uchwalenia ustawy o alkaliach w 1863 r. nadmiar HCl był uwalniany do atmosfery. Po uchwaleniu ustawy, producenci sody kalcynowanej zostali zobowiązani do absorpcji gazu odlotowego w wodzie, produkując kwas solny na skalę przemysłową.

Gdy na początku XX wieku proces Leblanc został skutecznie zastąpiony przez proces Solvay bez produktu ubocznego w postaci kwasu solnego, kwas solny był już w pełni zadomowiony jako ważny związek chemiczny w licznych zastosowaniach. Zainteresowanie komercyjne zapoczątkowało inne metody produkcji, które są stosowane do dziś, jak opisano poniżej. Obecnie większość kwasu chlorowodorowego jest wytwarzana poprzez absorpcję chlorowodoru z przemysłowej produkcji związków organicznych.

Kwas chlorowodorowy jest wymieniony jako prekursor w tabeli II w Konwencji o zwalczaniu nielegalnego obrotu środkami odurzającymi i substancjami psychotropowymi z 1988 r. ze względu na jego zastosowanie w produkcji narkotyków takich jak heroina, kokaina i metamfetamina.

Chemia

Miareczkowanie kwasów.

Chlorek wodoru (HCl) jest kwasem monoprotonowym, co oznacza, że każda cząsteczka może zdysocjować (zjonizować) tylko raz, uwalniając jeden jon H+ (pojedynczy proton). W wodnym kwasie chlorowodorowym H+ łączy się z cząsteczką wody, tworząc jon hydroniowy, H3O+:

HCl + H2O ⇌ H3O+ + Cl-

Model molekularny chlorowodoru.

Drugi utworzony jon to Cl-, jon chlorkowy. Z kwasu chlorowodorowego można więc otrzymać sole zwane chlorkami, np. chlorek sodu. Kwas chlorowodorowy jest mocnym kwasem, ponieważ jest całkowicie zdysocjowany w wodzie.

Kwasy monoprotonowe mają jedną stałą dysocjacji kwasu, Ka, która wskazuje poziom dysocjacji w wodzie. Dla silnych kwasów, takich jak HCl, Ka jest duże. Teoretyczne próby przypisania Ka do HCl zostały podjęte. Kiedy sole chlorkowe, takie jak NaCl, są dodawane do wodnego HCl, nie mają one praktycznie żadnego wpływu na pH, co wskazuje, że Cl- jest wyjątkowo słabą zasadą sprzężoną i że HCl jest całkowicie zdysocjowany w roztworze wodnym. Dla średnich do silnych roztworów kwasu solnego, założenie, że molarność H+ (jednostka stężenia) równa się molarności HCl jest doskonała, zgadzając się z czterema cyframi znaczącymi.

Z siedmiu wspólnych silnych kwasów w chemii, z których wszystkie są nieorganiczne, kwas solny jest kwasem monoprotonowym najmniej prawdopodobne, aby przejść zakłócające reakcję utleniania-redukcji. Jest to jeden z najmniej niebezpiecznych mocnych kwasów w obsłudze; pomimo swojej kwasowości, wytwarza mniej reaktywny i nietoksyczny jon chlorkowy. Roztwory kwasu chlorowodorowego o średniej mocy są dość stabilne, utrzymując swoje stężenie w czasie. Te cechy, jak również fakt, że jest on dostępny jako czysty odczynnik, oznaczają, że kwas chlorowodorowy jest doskonałym odczynnikiem zakwaszającym i titrantem kwasowym (do określania ilości nieznanej zasady w miareczkowaniu). Mocne titranty kwasowe są przydatne, ponieważ dają wyraźniejsze punkty końcowe w miareczkowaniu, dzięki czemu miareczkowanie jest bardziej precyzyjne. Kwas chlorowodorowy jest często używany w analizie chemicznej i do trawienia próbek do analizy. Stężony kwas solny rozpuszcza niektóre metale, tworząc utlenione chlorki metali i gazowy wodór. Wytwarza chlorki metali ze związków zasadowych, takich jak węglan wapnia lub tlenek miedzi(II). Jest on również stosowany jako prosty katalizator kwasu dla niektórych reakcji chemicznych.

Właściwości fizyczne

Właściwości fizyczne kwasu solnego, takie jak temperatura wrzenia i topnienia, gęstość i pH zależy od stężenia lub molarności HCl w roztworze kwasu. Mogą one wynosić od tych z wody przy 0 procent HCl do wartości dla dymiącego kwasu solnego przy ponad 40 procent HCl.

Kwas solny jako binarna (dwuskładnikowa) mieszanina HCl i H2O ma stałą temperaturę wrzenia azeotropu przy 20,2 procent HCl i 108,6 °C (227 °F). Istnieją cztery stałe krystalizacyjne punkty eutektyczne dla kwasu solnego, pomiędzy formą krystaliczną HCl-H2O (68% HCl), HCl-2H2O (51% HCl), HCl-3H2O (41% HCl), HCl-6H2O (25% HCl) i lodem (0% HCl). Istnieje również metastabilny punkt eutektyczny na 24,8 procent między lodem i HCl-3H2O krystalizacji

Produkcja

Kwas solny jest przygotowany przez rozpuszczenie chlorowodoru w wodzie. Chlorowodór może być wytwarzany na wiele sposobów, a zatem istnieje kilka różnych prekursorów kwasu solnego. Produkcja kwasu solnego na dużą skalę jest prawie zawsze zintegrowana z produkcją innych chemikaliów na skalę przemysłową.

Rynek przemysłowy

Kwas solny jest produkowany w roztworach do 38 procent HCl (stężony gatunek). Wyższe stężenia do nieco ponad 40 procent są chemicznie możliwe, ale szybkość parowania jest wtedy tak duża, że przechowywanie i obchodzenie się z nim wymaga dodatkowych środków ostrożności, takich jak ciśnienie i niska temperatura. Stężenie przemysłowe wynosi zatem od 30 do 34%, co jest optymalne dla efektywnego transportu i ograniczonej utraty produktu przez opary HCl. Rozwiązania dla celów domowych, głównie czyszczenia, są zazwyczaj 10 procent do 12 procent, z silnymi zaleceniami, aby rozcieńczyć przed użyciem.

Główni producenci na świecie obejmują Dow Chemical na 2 mln ton metrycznych rocznie (2 Mt / rok), obliczane jako gaz HCl, i FMC, Georgia Gulf Corporation, Tosoh Corporation, Akzo Nobel i Tessenderlo na 0,5 do 1,5 Mt / rok każdy. Całkowita produkcja światowa, dla celów porównawczych wyrażona jako HCl, szacowana jest na 20 Mt/rok, z czego 3 Mt/rok pochodzi z bezpośredniej syntezy, a reszta jako produkt wtórny z syntez organicznych i podobnych. Większość kwasu chlorowodorowego jest zużywana przez producenta. Wielkość otwartego rynku światowego jest szacowana na 5 Mt/rok.

Zastosowanie

Kwas solny jest silnym kwasem nieorganicznym, który jest używany w wielu procesach przemysłowych. Zastosowanie często decyduje o wymaganej jakości produktu.

Regeneracja wymienników jonowych

Ważnym zastosowaniem wysokiej jakości kwasu solnego jest regeneracja żywic jonowymiennych. Wymiana kationowa jest szeroko stosowana do usuwania jonów takich jak Na+ i Ca2+ z roztworów wodnych, produkując wodę zdemineralizowaną.

Na+ jest zastępowany przez H3O+ Ca2+ jest zastępowany przez 2 H3O+

Wymieniacze jonowe i woda zdemineralizowana są stosowane we wszystkich gałęziach przemysłu chemicznego, produkcji wody pitnej i wielu gałęziach przemysłu spożywczego.

pH Kontrola i neutralizacja

Bardzo powszechnym zastosowaniem kwasu chlorowodorowego jest regulacja zasadowości (pH) roztworów.

OH- + HCl → H2O + Cl-

W przemyśle wymagającym czystości (spożywczy, farmaceutyczny, woda pitna), wysokiej jakości kwas chlorowodorowy jest używany do kontroli pH strumieni wody procesowej. W mniej wymagających gałęziach przemysłu kwas solny o jakości technicznej wystarcza do neutralizacji strumieni odpadów i oczyszczania basenów kąpielowych.

Piklowanie stali

Piklowanie jest istotnym etapem w obróbce powierzchniowej metali, mającym na celu usunięcie rdzy lub zgorzeliny tlenku żelaza z żelaza lub stali przed dalszym przetwarzaniem, takim jak wyciskanie, walcowanie, cynkowanie i inne techniki. Technicznej jakości HCl o typowym 18-procentowym stężeniu jest najczęściej stosowanym środkiem do wytrawiania gatunków stali węglowej.

Fe2O3 + Fe + 6 HCl → 3 FeCl2 + 3 H2O

Zużyty kwas był przez długi czas ponownie wykorzystywany jako roztwory chlorku żelaza, ale wysoki poziom metali ciężkich w cieczy trawiącej zmniejszył tę praktykę.

W ostatnich latach przemysł wytrawiania stali opracował jednak procesy regeneracji kwasu solnego, takie jak proces regeneracji HCl za pomocą prażarki natryskowej lub fluidyzacyjnej, które umożliwiają odzyskanie HCl z zużytego płynu wytrawiającego. Najbardziej powszechnym procesem regeneracji jest proces pirohydrolizy, w którym stosuje się następujący wzór:

4 FeCl2 + 4 H2O + O2 → 8 HCl+ 2 Fe2O3

Poprzez odzyskiwanie zużytego kwasu tworzy się zamknięty obieg kwasu. Produkt uboczny w postaci tlenku żelaza w procesie regeneracji jest cennym produktem ubocznym, wykorzystywanym w wielu gałęziach przemysłu wtórnego.

HCl nie jest powszechnie stosowanym środkiem do wytrawiania stali nierdzewnych.

Produkcja związków nieorganicznych

Z kwasu solnego w normalnych reakcjach kwasowo-zasadowych można wytworzyć wiele produktów, których wynikiem są związki nieorganiczne. Należą do nich chemikalia do uzdatniania wody, takie jak chlorek żelaza(III) i chlorek poliglinu (PAC).

Fe2O3 + 6 HCl → 2 FeCl3 + 3 H2O

Chlorek żelaza(III) i PAC są stosowane jako środki flokulujące i koagulujące w oczyszczaniu ścieków, produkcji wody pitnej i produkcji papieru.

Inne związki nieorganiczne wytwarzane przy użyciu kwasu solnego obejmują chlorek wapnia jako sól drogową, chlorek niklu(II) do galwanizacji oraz chlorek cynku w przemyśle galwanizacyjnym i do produkcji baterii.

Produkcja związków organicznych

Największe zużycie kwasu solnego występuje w produkcji związków organicznych, takich jak chlorek winylu do PCW oraz MDI i TDI do poliuretanów. Jest to często produkcja na własne potrzeby, w której zużywa się lokalnie produkowany kwas chlorowodorowy, który nigdy nie trafia na otwarty rynek. Inne związki organiczne produkowane przy użyciu kwasu solnego obejmują bisfenol A do poliwęglanu, węgiel aktywny i kwas askorbinowy, a także liczne produkty farmaceutyczne.

Inne zastosowania

Kwas solny jest podstawową substancją chemiczną i jako taki jest wykorzystywany w wielu zastosowaniach na małą skalę, takich jak obróbka skóry, czyszczenie gospodarstw domowych i budownictwo. Ponadto, jednym ze sposobów stymulowania wydobycia ropy naftowej jest wstrzykiwanie kwasu solnego do formacji skalnej odwiertu naftowego, rozpuszczanie części skały i tworzenie struktury o dużych porach. Zakwaszanie szybów naftowych jest powszechnym procesem w przemyśle wydobywczym ropy naftowej na Morzu Północnym.

Wiele reakcji chemicznych z udziałem kwasu solnego stosuje się w produkcji żywności, składników żywności i dodatków do żywności. Typowe produkty obejmują aspartam, fruktozę, kwas cytrynowy, lizynę, hydrolizowane białko (roślinne) jako wzmacniacz żywności oraz w produkcji żelatyny. Kwas chlorowodorowy klasy spożywczej (ekstra czysty) może być stosowany, gdy jest potrzebny do produktu końcowego.

Fizjologia i patologia

Kwas chlorowodorowy stanowi większość kwasu żołądkowego, płynu trawiennego człowieka. W złożonym procesie i przy dużym obciążeniu energetycznym jest on wydzielany przez komórki ciemieniowe (zwane również komórkami oksyntynowymi). Komórki te posiadają rozbudowaną sieć wydzielniczą (zwaną kanalikami), z której HCl wydzielany jest do światła żołądka. Są one częścią gruczołów podstawnych (zwanych również gruczołami oksygenicznymi) w żołądku.

Mechanizmy bezpieczeństwa, które zapobiegają uszkodzeniu nabłonka przewodu pokarmowego przez kwas solny, są następujące:

• Negatywne regulatory jego uwalniania
• Gruba warstwa śluzu pokrywająca nabłonek
• Dwuwęglan sodu wydzielany przez komórki nabłonka żołądka i trzustki
• Struktura nabłonka (ścisłe połączenia)
• Dostateczne ukrwienie
• Prostaglandyny (wiele różnych efektów: pobudzają wydzielanie śluzu i wodorowęglanów, utrzymują integralność bariery nabłonkowej, umożliwiają odpowiednie ukrwienie, stymulują gojenie uszkodzonej błony śluzowej)

Gdy z różnych przyczyn mechanizmy te zawodzą, może dojść do rozwoju zgagi lub choroby wrzodowej. Leki zwane inhibitorami pompy protonowej zapobiegają wytwarzaniu nadmiaru kwasu w żołądku, podczas gdy leki zobojętniające neutralizują istniejący kwas.

W niektórych przypadkach kwas solny nie jest wytwarzany w żołądku w wystarczającej ilości. Te stany patologiczne są określane terminami hipochlorhydria i achlorhydria. Potencjalnie mogą one prowadzić do zapalenia żołądka i jelit.

Broń chemiczna

Fosgen (COCl2) był powszechnym chemicznym środkiem bojowym używanym podczas I wojny światowej. Główny efekt działania fosgenu wynika z rozpuszczania się gazu w błonach śluzowych głęboko w płucach, gdzie w wyniku hydrolizy jest on przekształcany w kwas węglowy i żrący kwas solny. Ten ostatni rozbija błony pęcherzykowo-kapilarne, tak że płuco wypełnia się płynem (obrzęk płuc).

Kwas solny jest również częściowo odpowiedzialny za szkodliwe lub pęcherzowe działanie gazu musztardowego. W obecności wody, np. na wilgotnej powierzchni oczu lub płuc, gaz musztardowy rozpada się, tworząc kwas solny.

Bezpieczeństwo

Kwas solny w wysokich stężeniach tworzy kwaśne mgły. Zarówno mgła, jak i roztwór działają żrąco na tkanki ludzkie, potencjalnie uszkadzając narządy oddechowe, oczy, skórę i jelita. Po zmieszaniu kwasu solnego z powszechnie stosowanymi chemikaliami utleniającymi, takimi jak wybielacz (NaClO) lub nadmanganian (KMnO4), powstaje toksyczny gaz – chlor. Aby zminimalizować ryzyko podczas pracy z kwasem chlorowodorowym, należy podjąć odpowiednie środki ostrożności, w tym noszenie rękawic z gumy lub PCV, okularów ochronnych i odzieży chemoodpornej.

Zagrożenia związane z roztworami kwasu chlorowodorowego zależą od stężenia. W poniższej tabeli przedstawiono klasyfikację UE roztworów kwasu chlorowodorowego:

Zobacz też

• Kwas
• Zasada (chemia)
• Kwas azotowy
• Kwas siarkowy

• Chang, Raymond. 2006. Chemistry, 9th ed. New York: McGraw-Hill Science/Engineering/Math. ISBN 0073221031.
• Cotton, F. Albert, and Geoffrey Wilkinson. 1980. Advanced Inorganic Chemia, 4th ed. New York: Wiley. ISBN 0471027758.
• Guyton, Arthur C., and John E. Hall. 2000. Podręcznik fizjologii medycznej. 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., and 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, 6th ed. New York: McGraw-Hill. ISBN 0070494797.

.