Chlorek wodoru - Hydrogen chloride

Ten artykuł dotyczy gazu. Wodny roztwór, patrz kwas solny .

Chlorek wodoru
Wzór szkieletowy chlorowodoru o wymiarze
Wypełniający przestrzeń model chlorowodoru z symbolami atomów
Nazwy
Nazwa IUPAC
Chlorek wodoru
Inne nazwy
Gazowy kwas solny

Gaz chlorowodorowy

Chlorowodorek
Identyfikatory
Model 3D ( JSmol )
1098214
CZEBI
CHEMBL
ChemSpider
Karta informacyjna ECHA 100.028.723 Edytuj to na Wikidata
Numer WE
322
KEGG
Siatka Kwas chlorowodorowy
Identyfikator klienta PubChem
Numer RTECS
UNII
Numer ONZ 1050
  • InChI=1S/HCl/h1H ☒n
    Klucz: VEXZGXHMUGYJMC-UHFFFAOYSA-N sprawdzaćTak
  • InChI=1/HCl/h1H
    Klucz: VEXZGXHMUGYJMC-UHFFFAOYAT
  • Cl
Nieruchomości
HCl
Masa cząsteczkowa 36,46 g/mol
Wygląd zewnętrzny Bezbarwny gaz
Zapach ostry; ostry i płonący
Gęstość 1,49 g/L
Temperatura topnienia -114,22 ° C (-173,60 ° F; 158,93 K)
Temperatura wrzenia -85,05 ° C (-121,09 ° F; 188,10 K)
823 g/L (0 °C)
720 g/L (20 °C)
561 g/L (60 °C)
Rozpuszczalność rozpuszczalny w metanolu , etanolu , eterze
Ciśnienie pary 4352 kPa (przy 21,1 °C)
Kwasowość (p K a ) −3,0; -5,9 (±0,4)
Zasadowość (p K b ) 17,0
Kwas sprzężony Chloron
Podstawa sprzężona Chlorek
1.0004456 (gaz)
1.254 (ciecz)
Lepkość 0,311 cP (-100 °C)
Struktura
liniowy
1,05 D
Termochemia
0,7981 J/(Kg)
186.902 J/(K·mol)
-92,31 kJ/mol
-95,31 kJ/mol
Farmakologia
A09AB03 ( KTO ) B05XA13 ( KTO )
Zagrożenia
Arkusz danych dotyczących bezpieczeństwa Karta charakterystyki JT Baker
Piktogramy GHS GHS05: żrący GHS06: Toksyczny
Hasło ostrzegawcze GHS Zagrożenie
H280 , H314 , H331
P261 , P280 , P305+351+338 , P310 , P410+403
NFPA 704 (ognisty diament)
3
0
1
Dawka lub stężenie śmiertelne (LD, LC):
LD 50 ( mediana dawki )
 238 mg/kg (szczur, doustnie)
3124 ppm (szczur, 1  godz. )
1108 ppm (mysz, 1 godz.)
1300 ppm (człowiek, 30  min )
4416 ppm (królik, 30 min)
4416 ppm (świnka morska, 30 min)
3000 ppm (człowiek, 5 min)
NIOSH (limity ekspozycji dla zdrowia w USA):
PEL (dopuszczalne)
 C 5 ppm (7 mg/m 3 )
REL (zalecane)
 C 5 ppm (7 mg/m 3 )
IDLH (Bezpośrednie niebezpieczeństwo)
 50 ppm
Związki pokrewne
Związki pokrewne
 Fluorowodór
bromowodoru
, jodowodoru
astatowodór
O ile nie zaznaczono inaczej, dane podano dla materiałów w ich stanie standardowym (przy 25 °C [77 °F], 100 kPa).
☒n zweryfikuj  ( co to jest   ?) sprawdzaćTak☒n
Referencje do infoboksu

Związek chlorowodór ma Wzór chemiczny HCli jako taki jest halogenowodorem . W temperaturze pokojowej jest gazem bezbarwnym , który w kontakcie z parą wodną z powietrza tworzy białe opary kwasu solnego . Gazowy chlorowodór i kwas solny są ważne w technologii i przemyśle. Kwas chlorowodorowy, wodny roztwór chlorowodoru, jest również powszechnie określany wzorem HCl.

Reakcje

Opary kwasu solnego zmieniają kolor papierka pH na czerwony, co wskazuje, że opary są kwaśne

Chlorowodór to dwuatomowa cząsteczka składająca się z atomu wodoru H i atomu chloru Cl połączonych polarnym wiązaniem kowalencyjnym . Atom chloru jest znacznie bardziej elektroujemny niż atom wodoru, co sprawia, że ​​to wiązanie jest polarne. W konsekwencji cząsteczka ma duży moment dipolowy z ujemnym ładunkiem częściowym (δ−) przy atomie chloru i dodatnim ładunkiem częściowym (δ+) przy atomie wodoru. Częściowo ze względu na wysoką polarność HCl jest bardzo dobrze rozpuszczalny w wodzie (i innych rozpuszczalnikach polarnych ).

W kontakcie H 2 O i HCl łączą się, tworząc kationy hydroniowe H 3 O + i aniony chlorkowe Cl − poprzez odwracalną reakcję chemiczną :

HCl + H 2 O → H 3 O + + Cl −

Powstały roztwór nazywa się kwasem solnym i jest mocnym kwasem . Dysocjacji kwasu lub stałe jonizacji, K , jest duża, co oznacza, że odcina HCl i jonizuje praktycznie całkowicie w wodzie. Nawet przy braku wody chlorowodór może nadal działać jak kwas. Na przykład chlorowodór może rozpuszczać się w niektórych innych rozpuszczalnikach, takich jak metanol :

HCI + CH 3 OH → CH 3 O + H 2 + CI -

Chlorowodór może protonować cząsteczki lub jony, a także może służyć jako katalizator kwasowy w reakcjach chemicznych, w których pożądane są warunki bezwodne ( bezwodne ).

Ze względu na kwasowy charakter chlorowodór jest substancją żrącą , szczególnie w obecności wilgoci.

Struktura i właściwości

Struktura stałego DCl, jak określono za pomocą dyfrakcji neutronowej proszku DCl w 77 K. DCl zastosowano zamiast HCl, ponieważ jądro deuteru jest łatwiejsze do wykrycia niż jądro wodoru. Rozszerzalna struktura liniowa jest oznaczona liniami przerywanymi.

Zamrożony HCl przechodzi przemianę fazową w temperaturze 98,4 K. Rentgenowska dyfrakcja proszkowa zamrożonego materiału pokazuje, że podczas tego przejścia materiał zmienia się ze struktury rombowej na sześcienną . W obu strukturach atomy chloru znajdują się w układzie twarzocentrycznym . Nie udało się jednak zlokalizować atomów wodoru. Analiza danych spektroskopowych i dielektrycznych oraz określenie struktury DCl (chlorku deuteru) wskazuje, że HCl tworzy w ciele stałym łańcuchy zygzakowate, podobnie jak HF (patrz rysunek po prawej).

Rozpuszczalność HCl (g/L) w popularnych rozpuszczalnikach
Temperatura (°C) 0 20 30 50
Woda 823 720 673 596
Metanol 513 470 430
Etanol 454 410 381
Eter 356 249 195
Widmo absorpcyjne w podczerwieni (IR)
Jeden dublet w widmie IR wynikający ze składu izotopowego chloru

Widmo w podczerwieni z gazowego chlorowodoru, pokazanym po lewej stronie, składa się z kilku ostrych linii absorpcyjnych zgrupowane wokół 2886 cm -1 (długość fali ~ 3,47 urn). W temperaturze pokojowej prawie wszystkie cząsteczki znajdują się w podstawowym stanie wibracyjnym v  = 0. Uwzględniając anharmonikę, energię wibracyjną można zapisać jako.

Aby promować cząsteczkę HCl ze stanu v  = 0 do stanu v  = 1, spodziewalibyśmy się absorpcji w podczerwieni około ν o  =  ν e  + 2 x e ν e = 2880 cm −1 . Jednak ta absorpcja odpowiadająca gałęzi Q nie jest obserwowana, ponieważ jest zabroniona przez symetrię. Zamiast tego widoczne są dwa zestawy sygnałów (gałęzie P i R) z powodu jednoczesnej zmiany stanu rotacyjnego cząsteczek. Ze względu na zasady doboru mechaniki kwantowej dozwolone są tylko niektóre przejścia rotacyjne. Stany charakteryzują się rotacyjną liczbą kwantową J  = 0, 1, 2, 3, ... reguły wyboru mówią, że Δ J może przyjmować tylko wartości ±1.

Wartość stałej obrotowej B jest znacznie mniejsza niż oscylacyjnej ν o , tak że do obracania cząsteczki potrzebna jest znacznie mniejsza ilość energii; dla typowej cząsteczki leży ona w obszarze mikrofalowym. Jednak energia wibracyjna cząsteczki HCl umieszcza jej absorpcję w obszarze podczerwieni, umożliwiając łatwe zebranie widma pokazującego przejścia rowibracyjne tej cząsteczki za pomocą spektrometru podczerwieni z ogniwem gazowym. Ten ostatni może być nawet wykonany z kwarcu, ponieważ absorpcja HCl znajduje się w oknie przezroczystości dla tego materiału.

Naturalnie obfity chlor składa się z dwóch izotopów, 35 Cl i 37 Cl, w stosunku około 3:1. Podczas gdy stałe sprężystości są prawie identyczne, rozbieżne zredukowane masy H 35 Cl i H 37 Cl powodują wymierne różnice w energii obrotowej, stąd dublety obserwuje się przy bliższym przyjrzeniu się każdej linii absorpcji, ważonej w tym samym stosunku 3:1.

Produkcja

Większość chlorowodoru produkowanego na skalę przemysłową jest wykorzystywana do produkcji kwasu solnego .

Trasy historyczne

W XVII wieku Johann Rudolf Glauber z Karlstadt nad Menem w Niemczech użył soli chlorkowo-sodowej i kwasu siarkowego do przygotowania siarczanu sodu w procesie Mannheima , uwalniając chlorowodór. Joseph Priestley z Leeds w Anglii wytworzył czysty chlorowodór w 1772 r., a do 1808 r. Humphry Davy z Penzance w Anglii udowodnił, że skład chemiczny zawierał wodór i chlor .

Synteza bezpośrednia

Płomień wewnątrz pieca HCl

Chlorowodór powstaje w wyniku połączenia chloru i wodoru :

Cl 2 + H 2 → 2 HCl

Ponieważ reakcja jest egzotermiczna , instalacja nazywana jest piecem HCl lub palnikiem HCl. Powstały gazowy chlorowodór jest absorbowany w wodzie dejonizowanej , w wyniku czego powstaje chemicznie czysty kwas chlorowodorowy. Ta reakcja może dać bardzo czysty produkt, np. do zastosowania w przemyśle spożywczym.

Synteza organiczna

Przemysłowa produkcja chlorowodoru jest często zintegrowana z powstawaniem chlorowanych i fluorowanych związków organicznych , np. teflonu , freonu i innych CFC , a także kwasu chlorooctowego i PCW . Często ta produkcja kwasu solnego jest zintegrowana z jego własnym wykorzystaniem na miejscu. W reakcjach chemicznych atomy wodoru na węglowodorze są zastępowane atomami chloru, po czym uwolniony atom wodoru łączy się z atomem zapasowym cząsteczki chloru, tworząc chlorowodór. Fluorowanie to kolejna reakcja wymiany chloru, w której ponownie powstaje chlorowodór:

R-H + CI 2 → R-Cl + HCl
R−Cl + HF → R−F + HCl

Powstały chlorowodór jest albo bezpośrednio ponownie wykorzystywany, albo absorbowany w wodzie, w wyniku czego powstaje kwas solny o jakości technicznej lub przemysłowej.

Metody laboratoryjne

Małe ilości chlorowodoru do użytku laboratoryjnego można wytworzyć w generatorze HCl przez odwodnienie kwasu solnego kwasem siarkowym lub bezwodnym chlorkiem wapnia . Alternatywnie, HCl można wytworzyć w reakcji kwasu siarkowego z chlorkiem sodu:

NaCl + H 2 SO 4 → NaHSO 4 + HCl

Ta reakcja zachodzi w temperaturze pokojowej. Pod warunkiem, że w generatorze pozostanie NaCl i zostanie on podgrzany powyżej 200 °C, reakcja przebiega dalej:

NaCl + NaHSO 4 → HCI + Na 2 SO 4

Aby takie generatory działały, odczynniki powinny być suche.

Chlorowodór można również wytwarzać przez hydrolizę niektórych reaktywnych chlorków, takich jak chlorki fosforu , chlorkiem tionylu (SOCh 2 ) oraz chlorkami acylowymi . Na przykład zimna woda może być stopniowo nakrapla się pentachlorek fosforu (PCL 5 ) uzyskując HCl:

PCl 5 + H 2 O → POCl 3 + 2 HCl

Aplikacje

Większość chlorowodoru jest wykorzystywana do produkcji kwasu solnego. Wykorzystywany jest również do produkcji chlorku winylu i wielu chlorków alkilu . Trichlorosilan jest produkowany przy użyciu HCl:

Si + 3 HCl → HSiCl 3 + H 2

Historia

Około roku 900 autorzy arabskich pism przypisywanych Jabirowi ibn Hayyanowi (łac. Geber) oraz perskiemu lekarzowi i alchemikowi Abu Bakr al-Razi (ok. 865–925, łac. Rhazes) eksperymentowali z salmonem ( chlorkiem amonu ). , który po destylacji wraz z witriolem (uwodnionymi siarczanami różnych metali) wytworzył chlorowodór. Wydaje się jednak, że w tych wczesnych eksperymentach z solami chlorkowymi produkty gazowe zostały odrzucone, a chlorowodór mógł być wytwarzany wiele razy, zanim odkryto, że można go zastosować w chemii. Jednym z pierwszych takich zastosowań była synteza chlorku rtęci(II) (sublimacja korozyjna), której wytwarzanie przez ogrzewanie rtęci z ałunem i chlorkiem amonu lub z witriolem i chlorkiem sodu zostało po raz pierwszy opisane w De aluminibus et salibus (" O ałunach i solach”, tekst arabski z XI lub XII wieku fałszywie przypisywany Abu Bakr al-Razi i przetłumaczony na łacinę w drugiej połowie XII wieku przez Gerarda z Cremony , 1144-1187). Innym ważnym osiągnięciem było odkrycie pseudo-Geber (w veritatis O inwencji „na odkryciu Prawda”, po ok. 1300), że przez dodanie chlorku amonu do kwasu azotowego , silny rozpuszczalnik zdolny do rozpuszczania złota (np wodny regia ). Po odkryciu pod koniec XVI wieku procesu, za pomocą którego można wytwarzać niezmieszany kwas solny , uznano, że ten nowy kwas (wtedy znany jako spirytus z soli lub acidum salis ) uwalniał chlorowodór w postaci pary, który nazwano kwasem morskim powietrzem . W XVII wieku Johann Rudolf Glauber używał soli ( chlorku sodu ) i kwasu siarkowego do wytwarzania siarczanu sodu , uwalniając gazowy chlorowodór (patrz produkcja powyżej). W 1772 r. Carl Wilhelm Scheele również zgłosił tę reakcję i czasami przypisuje mu się jej odkrycie. Joseph Priestley przygotował chlorowodór w 1772 roku, aw 1810 Humphry Davy ustalił, że składa się on z wodoru i chloru .

Podczas rewolucji przemysłowej wzrosło zapotrzebowanie na substancje alkaliczne , takie jak soda kalcynowana , a Nicolas Leblanc opracował nowy proces produkcji sody kalcynowanej na skalę przemysłową. W procesie Leblanc sól została przekształcona w sodę kalcynowaną przy użyciu kwasu siarkowego, wapienia i węgla, otrzymując chlorowodór jako produkt uboczny. Początkowo gaz ten był odprowadzany do powietrza, ale ustawa o alkaliach z 1863 r. zabroniła takiego uwalniania, więc producenci sody kalcynowanej zaabsorbowali gaz odlotowy HCl w wodzie, wytwarzając kwas solny na skalę przemysłową. Później opracowano proces Hargreavesa , który jest podobny do procesu Leblanc, z wyjątkiem tego, że w reakcji, która jest ogólnie egzotermiczna, zamiast kwasu siarkowego stosuje się dwutlenek siarki , wodę i powietrze. Na początku XX wieku proces Leblanc został skutecznie zastąpiony przez proces Solvaya , który nie wytwarzał HCl. Produkcja chlorowodoru była jednak kontynuowana jako etap w produkcji kwasu solnego.

Historyczne zastosowania chlorowodoru w XX wieku obejmują chlorowodorowanie alkinów w produkcji chlorowanych monomerów chloroprenu i chlorku winylu , które są następnie polimeryzowane w celu wytworzenia odpowiednio polichloroprenu ( neopren ) i polichlorku winylu (PVC). W produkcji chlorku winylu, acetylen (C 2 H 2 ) jest chlorowodorowany przez dodanie HCl w poprzek potrójnego wiązania cząsteczki C 2 H 2 , zamieniając potrójne wiązanie w podwójne wiązanie , w wyniku czego otrzymuje się chlorek winylu.

„Proces acetylenowy”, stosowany do lat 60. XX wieku do wytwarzania chloroprenu , rozpoczyna się od połączenia dwóch cząsteczek acetylenu , a następnie dodaje HCl do połączonego związku pośredniego przez wiązanie potrójne, aby przekształcić go w chloropren, jak pokazano tutaj:

Synteza chloroprenu.svg

Ten „proces acetylen” zostało zastąpione przez proces, który dodaje Cl 2 do podwójnego wiązania zamiast etylenu, a następnie eliminacja wytwarza HCI zamiast, jak chloropren.

Bezpieczeństwo

Chlorowodór tworzy żrący kwas solny w kontakcie z wodą znajdującą się w tkankach ciała. Wdychanie oparów może powodować kaszel , zadławienia , stany zapalne nosa, gardła i górne drogi oddechowe , aw ciężkich przypadkach obrzęku płuc , układu krążenia niewydolności i śmierci. Kontakt ze skórą może powodować zaczerwienienie, ból i poważne oparzenia chemiczne . Chlorowodór może powodować poważne oparzenia oka i trwałe uszkodzenie oczu.

Amerykańska Administracja Bezpieczeństwa i Zdrowia w Pracy oraz Narodowy Instytut Bezpieczeństwa i Zdrowia w Pracy ustaliły limity narażenia zawodowego na chlorowodór na poziomie 5 ppm (7 mg/m 3 ) i zebrały obszerne informacje dotyczące kwestii bezpieczeństwa w miejscu pracy chlorowodoru.

Zobacz też

Bibliografia

Zewnętrzne linki