Соляная кислота , также известная как соляная кислота или соляной спирт , представляет собой водный раствор хлористого водорода (HCl). Это бесцветный раствор с характерным резким запахом. Он классифицируется как сильная кислота . Он является компонентом желудочной кислоты в пищеварительной системе большинства видов животных, включая человека. Соляная кислота является важным лабораторным реагентом и промышленным химикатом. [7] [8]
Поскольку она была получена из каменной соли в соответствии с методами Иоганна Рудольфа Глаубера , соляная кислота исторически называлась европейскими алхимиками духами соли или acidum salis (соляная кислота). Оба названия до сих пор используются, особенно в других языках, таких как ‹See Tfd› немецкий : Salzsäure , голландский : Zoutzuur , шведский : Saltsyra , финский : Suolahappo , испанский : Salfumán , турецкий : Tuz Ruhu , польский : kwas solny , венгерский : sósav , чешский : kyselina solná , японский :塩酸( ensan ), китайский :盐酸( yánsuān ) и корейский : 염산 ( yeomsan ).
Газообразный HCl назывался морской кислотой воздуха . Название соляная кислота имеет то же происхождение ( muriatic означает «относящийся к рассолу или соли», следовательно muriate означает гидрохлорид ), и это название иногда используется до сих пор. [1] [9] Название соляная кислота было придумано французским химиком Жозефом Луи Гей-Люссаком в 1814 году. [10]
В начале X века персидский врач и алхимик Абу Бакр ар-Рази ( ок. 865–925 , лат. Rhazes) проводил эксперименты с нашатырным спиртом ( хлоридом аммония ) и купоросом (гидратированными сульфатами различных металлов), которые он перегонял вместе, получая таким образом газ хлористый водород . [11] При этом ар-Рази, возможно, наткнулся на примитивный метод получения соляной кислоты, [12] как, возможно, отражено в следующем рецепте из его «Китаб аль-Асрар» («Книга тайн»):
Возьмите равные части сладкой соли, горькой соли, соли Табарзад , соли Андарани , индийской соли, соли Аль-Кили и соли Мочи. После добавления равного веса хорошо кристаллизованного нашатырного спирта растворите влагой и перегоните (смесь). Будет перегоняться над крепкой водой, которая мгновенно расколет камень ( сахр ). [13]
Однако, по-видимому, в большинстве своих экспериментов аль-Рази игнорировал газообразные продукты, сосредоточившись вместо этого на изменениях цвета, которые могли произойти в остатке. [14] По словам Роберта П. Мультхауфа , хлористый водород производился много раз без четкого понимания того, что, растворяя его в воде, можно получить соляную кислоту. [15]
Опираясь на эксперименты ар-Рази, De aluminibus et salibus («О квасцах и солях»), арабский текст одиннадцатого или двенадцатого века, ложно приписываемый ар-Рази и переведенный на латынь Герардом Кремонским (1144–1187), описывал нагревание металлов с различными солями, что в случае ртути приводило к образованию хлорида ртути (II) (сулемы). [16] В этом процессе фактически начинала образовываться соляная кислота, но она немедленно реагировала с ртутью, образуя сулему. Латинские алхимики тринадцатого века, для которых De aluminibus et salibus был одним из основных справочных трудов, были очарованы хлорирующими свойствами сулемы, и вскоре они обнаружили, что когда металлы удаляются из процесса нагревания купоросов, квасцов и солей, сильные минеральные кислоты можно напрямую перегонять. [17]
Одним из важных изобретений, которое стало результатом открытия минеральных кислот, является царская водка , смесь азотной и соляной кислот в пропорции 1:3, способная растворять золото. Впервые это было описано в работе псевдо-Гебера « De inventione veritatis» («Об открытии истины», около 1300 г. ), где царская водка была приготовлена путем добавления хлорида аммония к азотной кислоте. [18] Тот факт, что царская водка обычно определяется как смесь азотной и соляной кислот, не означает, что соляная кислота была открыта до или одновременно с царской водкой . Выделение соляной кислоты произошло примерно 300 лет спустя. Производство самой соляной кислоты (т. е. как изолированного вещества, а не как уже смешанной с азотной кислотой) зависело от использования более эффективных охлаждающих аппаратов, которые будут развиваться только в последующие столетия. [19]
С точки зрения западной истории химии, соляная кислота была последней из трех известных минеральных кислот, способ получения которой появился в литературе. [20] Рецепты ее производства начали появляться в конце шестнадцатого века. Самые ранние рецепты производства соляной кислоты встречаются в Magiae naturalis («Естественная магия») Джованни Баттисты Делла Порта (1535–1615) и в работах других современных химиков, таких как Андреас Либавиус ( ок. 1550–1616 ), Жан Бегин (1550–1620) и Освальд Кролл ( ок. 1563–1609 ). [21] Среди историков, писавших об этом, были немецкие химики Герман Франц Мориц Копп (1845) и Эдмунд Оскар фон Липпман (1938), горный инженер (и будущий президент США) Герберт Гувер со своей женой-геологом Лу Генри Гувер (1912), голландский химик Роберт Якобус Форбс (1948), американский химик Мэри Эльвира Уикс (1956) и британские химики Ф. Шервуд Тейлор (1957) и Дж. Р. Партингтон (1960). Итальянский химик Ладислао Рети подытожил результат их усилий следующим образом: [22]
Первый явный пример приготовления соляной кислоты появляется в трудах Делла Порта (1589 и 1608), Либавия (1597), псевдо-Базиля (1604), ван Гельмонта (1646) и Глаубера (1648). Менее убедительные более ранние ссылки встречаются в Плихто Розетти (1540) и у Агриколы (1558). Что касается первого практического метода приготовления из купороса и поваренной соли, нет сомнений, что псевдо-Базиля предшествовал Глауберу, но последний имеет неоспоримую заслугу в том, что указал способ производства кислоты, который позже был принят химической промышленностью для крупномасштабных операций.
— Ладислао Рети, Сколько лет соляной кислоте?
Знание минеральных кислот, таких как соляная кислота, имело ключевое значение для химиков семнадцатого века, таких как Даниэль Сеннерт (1572–1637) и Роберт Бойль (1627–1691), которые использовали их способность быстро растворять металлы в своих демонстрациях сложной природы тел. [23]
Во время промышленной революции в Европе возрос спрос на щелочные вещества. Новый промышленный процесс, разработанный Николя Лебланом из Иссудена, Франция, позволил наладить дешевое крупномасштабное производство карбоната натрия (кальцинированной соды). В этом процессе Леблана обычная соль преобразуется в кальцинированную соду с использованием серной кислоты, известняка и угля, выделяя хлористый водород в качестве побочного продукта. До принятия Британского закона о щелочах 1863 года и аналогичного законодательства в других странах избыток HCl часто сбрасывался в воздух. Ранним исключением стал химический завод Боннингтона , где в 1830 году HCl начали улавливать, а полученную соляную кислоту использовали для производства нашатыря ( хлорида аммония ). [24] После принятия закона производители кальцинированной соды были обязаны поглощать отработанный газ водой, производя соляную кислоту в промышленных масштабах. [25] [26]
В 20 веке процесс Леблана был эффективно заменен процессом Сольве без побочного продукта соляной кислоты. Поскольку соляная кислота уже полностью устоялась как важный химикат в многочисленных приложениях, коммерческий интерес инициировал другие методы производства, некоторые из которых используются и сегодня. После 2000 года соляная кислота в основном производится путем поглощения побочного продукта хлористого водорода из промышленного производства органических соединений. [25] [26] [7]
Газообразный хлористый водород представляет собой молекулярное соединение с ковалентной связью между атомами водорода и хлора. В водных растворах диссоциация происходит полностью, с образованием ионов хлора и гидратированных ионов водорода ( ионов гидроксония ). [27] Совместное ИК-, рамановское, рентгеновское и нейтронное дифракционное исследование концентрированной соляной кислоты показало, что ион гидроксония образует комплексы с водородными связями с другими молекулами воды. [28] (См. раздел Гидроксоний для дальнейшего обсуждения этого вопроса.)
Теоретически значение p K a соляной кислоты в водном растворе оценивается как −5,9. [5] Раствор хлористого водорода в воде ведет себя как сильная кислота : концентрация молекул HCl фактически равна нулю.
Физические свойства соляной кислоты, такие как точки кипения и плавления , плотность и pH , зависят от концентрации или молярности HCl в водном растворе. Они варьируются от свойств воды при очень низких концентрациях, приближающихся к 0% HCl, до значений для дымящейся соляной кислоты при более чем 40% HCl. [31] [32] [33]
Соляная кислота как бинарная (двухкомпонентная) смесь HCl и H 2 O имеет азеотроп с постоянной температурой кипения при 20,2% HCl и 108,6 °C (381,8 K; 227,5 °F). Для соляной кислоты существует четыре эвтектических точки постоянной кристаллизации : между кристаллической формой [H 3 O]Cl (68% HCl), [H 5 O 2 ]Cl (51% HCl), [H 7 O 3 ]Cl (41% HCl), [H 3 O]Cl·5H 2 O (25% HCl) и льдом (0% HCl). Существует также метастабильная эвтектическая точка при 24,8% между льдом и кристаллизацией [H 7 O 3 ]Cl. [33] Все они являются солями гидроксония .
Соляная кислота обычно производится промышленным способом путем растворения хлористого водорода в воде. Хлористый водород может быть получен многими способами, и, таким образом, существует несколько предшественников соляной кислоты. Крупномасштабное производство соляной кислоты почти всегда интегрировано с промышленным производством других химикатов , например, в процессе хлорщелочного синтеза , который производит гидроксид , водород и хлор, последний из которых может быть объединен для получения HCl. [31] [32]
Хлористый водород получают путем соединения хлора и водорода :
Поскольку реакция экзотермическая , установку называют печью HCl или горелкой HCl. Образующийся хлористый водород поглощается деионизированной водой , в результате чего получается химически чистая соляная кислота. Эта реакция может дать очень чистый продукт, например, для использования в пищевой промышленности.
Соляная кислота производится в растворах до 38% HCl (концентрированная). Более высокие концентрации до чуть более 40% химически возможны, но скорость испарения тогда настолько высока, что хранение и обращение с ней требуют дополнительных мер предосторожности, таких как герметизация и охлаждение. Поэтому объемная промышленная кислота имеет концентрацию от 30% до 35%, оптимизированную для баланса эффективности транспортировки и потери продукта из-за испарения. В Соединенных Штатах растворы от 20% до 32% продаются как соляная кислота. Растворы для бытовых целей в США, в основном для чистки, обычно имеют концентрацию от 10% до 12%, с настоятельной рекомендацией разбавлять перед использованием. В Соединенном Королевстве, где она продается как «Spirits of Salt» для бытовой уборки, ее эффективность такая же, как и у промышленной кислоты в США. [25] В других странах, таких как Италия, соляная кислота для бытовой или промышленной уборки продается как «Acido Muriatico», и ее концентрация колеблется от 5% до 32%.
Основные мировые производители включают Dow Chemical с ежегодным объемом производства 2 миллиона тонн (Мт/год), рассчитанным как газ HCl, Georgia Gulf Corporation , Tosoh Corporation , Akzo Nobel и Tessenderlo с объемом производства от 0,5 до 1,5 Мт/год каждая. Общее мировое производство, для сравнения, выраженное как HCl, оценивается в 20 Мт/год, причем 3 Мт/год приходится на прямой синтез, а остальное — на вторичный продукт органического и аналогичного синтеза. Безусловно, большая часть соляной кислоты потребляется производителем самостоятельно. Размер открытого мирового рынка оценивается в 5 Мт/год. [25]
Соляная кислота — сильная неорганическая кислота, которая используется во многих промышленных процессах, таких как очистка металла. Применение часто определяет требуемое качество продукта. [25] Хлористый водород, а не соляная кислота, более широко используется в промышленной органической химии, например, для винилхлорида и дихлорэтана . [8]
Одной из наиболее важных областей применения соляной кислоты является травление стали для удаления ржавчины или окалины с железа или стали перед последующей обработкой, такой как экструзия , прокатка , цинкование и другие методы. [25] [7] Техническое качество HCl при концентрации обычно 18% является наиболее часто используемым травильным агентом для травления углеродистых сталей .
Отработанная кислота долгое время использовалась повторно в виде растворов хлорида железа (II) (также известного как хлорид железа), но высокое содержание тяжелых металлов в травильном растворе привело к сокращению масштабов этой практики.
В отрасли травления стали разработаны процессы регенерации соляной кислоты , такие как распылительная обжиговая печь или процесс регенерации HCl в псевдоожиженном слое, которые позволяют извлекать HCl из отработанного травильного раствора. Наиболее распространенным процессом регенерации является процесс пирогидролиза, использующий следующую формулу: [25]
При рекуперации отработанной кислоты создается замкнутый кислотный цикл. [7] Побочный продукт процесса регенерации — оксид железа (III) — ценен и используется в различных вторичных отраслях промышленности. [25]
Подобно своему использованию для травления, соляная кислота используется для растворения многих металлов, оксидов металлов и карбонатов металлов. Превращения часто изображаются в упрощенных уравнениях:
Эти процессы используются для получения хлоридов металлов для анализа или дальнейшего производства. [31] [32] [7]
Соляную кислоту можно использовать для регулирования кислотности ( pH ) растворов.
В промышленности, требующей чистоты (пищевая, фармацевтическая, питьевая вода), высококачественная соляная кислота используется для контроля pH потоков технологической воды. В менее требовательной промышленности технического качества соляной кислоты достаточно для нейтрализации потоков отходов и контроля pH в бассейнах. [7]
Высококачественная соляная кислота используется при регенерации ионообменных смол . Катионный обмен широко используется для удаления ионов, таких как Na + и Ca2 +, из водных растворов, производя деминерализованную воду . Кислота используется для промывки катионов из смол. [25] Na + заменяется на H + , а Ca2 + на 2 H + .
Ионообменники и деминерализованная вода используются во всех химических отраслях промышленности, производстве питьевой воды и во многих отраслях пищевой промышленности. [25]
Из распространенных сильных минеральных кислот в химии соляная кислота является монопротонной кислотой, которая с наименьшей вероятностью подвергается мешающей окислительно-восстановительной реакции. Это одна из наименее опасных сильных кислот в обращении; несмотря на свою кислотность, она содержит нереактивный и нетоксичный хлорид-ион. Растворы соляной кислоты средней крепости довольно стабильны при хранении, сохраняя свою концентрацию с течением времени. Эти свойства, а также тот факт, что она доступна в виде чистого реагента , делают соляную кислоту отличным подкисляющим реагентом. Она также недорога.
Соляная кислота является предпочтительной кислотой при титровании для определения количества оснований . Сильные титранты кислот дают более точные результаты из-за более четкой конечной точки. Азеотропная , или «постоянно кипящая», соляная кислота (примерно 20,2%) может использоваться в качестве первичного стандарта в количественном анализе , хотя ее точная концентрация зависит от атмосферного давления при ее приготовлении. [34]
Соляная кислота используется для большого количества мелкомасштабных применений, таких как обработка кожи, уборка в доме [35] и строительство зданий. [7] Добыча нефти может быть стимулирована путем инъекции соляной кислоты в скальную формацию нефтяной скважины , растворяя часть породы и создавая крупнопористую структуру. Кислотная обработка нефтяных скважин является распространенным процессом в нефтедобывающей промышленности Северного моря . [25]
Соляная кислота использовалась для растворения карбоната кальция, например, для удаления накипи с котлов и для очистки раствора с кирпичной кладки. При использовании на кирпичной кладке реакция с раствором продолжается только до тех пор, пока вся кислота не будет преобразована, в результате чего образуется хлорид кальция , диоксид углерода и вода:
Многие химические реакции с участием соляной кислоты применяются в производстве продуктов питания, пищевых ингредиентов и пищевых добавок . Типичные продукты включают аспартам , фруктозу , лимонную кислоту , лизин , гидролизованный растительный белок в качестве пищевого усилителя и в производстве желатина . Пищевая (сверхчистая) соляная кислота может применяться при необходимости для конечного продукта. [25] [7]
Желудочная кислота является одним из основных секретов желудка. Она состоит в основном из соляной кислоты и подкисляет содержимое желудка до pH от 1 до 2. [36] [37] Ионы хлорида (Cl− ) и водорода (H + ) секретируются отдельно в области дна желудка в верхней части желудка париетальными клетками слизистой оболочки желудка в секреторную сеть, называемую канальцами, прежде чем они попадут в просвет желудка. [38]
Желудочная кислота действует как барьер против микроорганизмов , предотвращая инфекции, и важна для переваривания пищи. Ее низкий pH денатурирует белки и тем самым делает их восприимчивыми к деградации пищеварительными ферментами , такими как пепсин . Низкий pH также активирует предшественник фермента пепсиноген в активный фермент пепсин путем саморасщепления. После выхода из желудка соляная кислота химуса нейтрализуется в двенадцатиперстной кишке бикарбонатом . [ 36]
Сам желудок защищен от сильной кислоты секрецией толстого слоя слизи и буферизацией, вызванной секретином, бикарбонатом натрия . Изжога или пептическая язва могут развиться, когда эти механизмы выходят из строя. Препараты из классов антигистаминных препаратов и ингибиторов протонной помпы могут подавлять выработку кислоты в желудке, а антациды используются для нейтрализации избыточной существующей кислоты. [36] [39]
Соляная кислота также используется остеокластами наряду с протеазами для резорбции костей . [40]
Будучи сильной кислотой, соляная кислота едкая для живых тканей и многих материалов, но не для резины. Обычно при работе с концентрированными растворами используются резиновые защитные перчатки и соответствующее защитное снаряжение. [8]
Пары или туман представляют опасность для органов дыхания, которую можно частично снизить, используя респиратор, оснащенный картриджами, специально предназначенными для улавливания соляной кислоты. Кислота, находящаяся в воздухе, раздражает глаза и может потребовать использования защитных очков или маски для лица. [ необходима цитата ]
Соляная кислота была включена в Таблицу II как прекурсор в соответствии с Конвенцией Организации Объединенных Наций о борьбе против незаконного оборота наркотических средств и психотропных веществ 1988 года из-за ее использования в производстве героина , кокаина и метамфетамина . [42] [43]
