Соединение хлористого водорода имеет химическую формулу HCl и поэтому является галогеноводородом . При комнатной температуре представляет собой бесцветный газ , образующий при контакте с водяными парами атмосферы белые пары соляной кислоты . Газообразный хлористый водород и соляная кислота имеют важное значение в технике и промышленности. Соляная кислота, водный раствор хлористого водорода, также обычно имеет формулу HCl.
Хлороводород — двухатомная молекула , состоящая из атома водорода H и атома хлора Cl, соединенных полярной ковалентной связью . Атом хлора гораздо более электроотрицательен , чем атом водорода, что делает эту связь полярной. Следовательно, молекула имеет большой дипольный момент с отрицательным парциальным зарядом (δ−) на атоме хлора и положительным парциальным зарядом (δ+) на атоме водорода. [9] Частично из-за своей высокой полярности HCl хорошо растворим в воде (и в других полярных растворителях ).
При контакте H 2 O и HCl соединяются с образованием катионов гидроксония [H 3 O] + и хлорид- анионов Cl − посредством обратимой химической реакции :
Полученный раствор называется соляной кислотой и является сильной кислотой . Константа кислотной диссоциации или ионизации K a велика, что означает, что HCl практически полностью диссоциирует или ионизируется в воде. Даже в отсутствие воды хлористый водород может действовать как кислота. Например, хлористый водород может растворяться в некоторых других растворителях, таких как метанол :
Хлороводород может протонировать молекулы или ионы, а также может служить кислотным катализатором химических реакций, где желательны безводные (безводные) условия.
Из-за своей кислой природы хлористый водород является коррозионным веществом , особенно в присутствии влаги.
Замороженный HCl претерпевает фазовый переход при 98,4 К. Порошковая рентгеновская дифракция замороженного материала показывает, что во время этого перехода структура материала меняется от ромбической к кубической . В обеих структурах атомы хлора расположены в гранецентрированном массиве . Однако атомы водорода обнаружить не удалось. [10] Анализ спектроскопических и диэлектрических данных, а также определение структуры DCl (хлорида дейтерия) показывает, что HCl образует зигзагообразные цепочки в твердом теле, как и HF (см. рисунок справа). [11]
Инфракрасный спектр газообразного хлористого водорода, показанный слева, состоит из ряда резких линий поглощения, сгруппированных около 2886 см -1 (длина волны ~3,47 мкм). При комнатной температуре почти все молекулы находятся в основном колебательном состоянии v = 0. С учетом ангармонизма колебательную энергию можно записать как.
Чтобы перевести молекулу HCl из состояния v = 0 в состояние v = 1, мы ожидаем увидеть инфракрасное поглощение около ν o = ν e + 2 x e ν e = 2880 см -1 . Однако это поглощение, соответствующее Q-ветви, не наблюдается, поскольку оно запрещено симметрией. Вместо этого наблюдаются два набора сигналов (P- и R-ветви) вследствие одновременного изменения вращательного состояния молекул. Из-за квантово-механических правил отбора разрешены только определенные вращательные переходы. Состояния характеризуются вращательным квантовым числом J = 0, 1, 2, 3,... правила отбора гласят, что Δ J может принимать только значения ±1.
Значение вращательной постоянной B намного меньше колебательной ν o , так что для вращения молекулы требуется гораздо меньшее количество энергии; для типичной молекулы это лежит в микроволновой области. Однако колебательная энергия молекулы HCl помещает ее поглощение в инфракрасную область, что позволяет легко получить спектр, показывающий колебательно-колебательные переходы этой молекулы, с помощью инфракрасного спектрометра с газовой ячейкой. Последний может быть изготовлен даже из кварца, поскольку поглощение HCl лежит в окне прозрачности для этого материала.
Природный хлор состоит из двух изотопов: 35 Cl и 37 Cl в соотношении примерно 3:1. Хотя упругие константы почти идентичны, несопоставимые приведенные массы H 35 Cl и H 37 Cl вызывают измеримые различия в энергии вращения, поэтому при внимательном рассмотрении каждой линии поглощения наблюдаются дублеты, взвешенные в одинаковом соотношении 3:1.
Большая часть хлористого водорода, производимого в промышленных масштабах, используется для производства соляной кислоты . [13]
В 17 веке Иоганн Рудольф Глаубер из Карлштадта-на-Майне, Германия, использовал хлорид натрия и серную кислоту для получения сульфата натрия в Мангеймском процессе , выделяя хлористый водород. Джозеф Пристли из Лидса, Англия, получил чистый хлористый водород в 1772 году [14] , а к 1808 году Хамфри Дэви из Пензанса, Англия, доказал, что химический состав включает водород и хлор . [15]
Хлороводород получают соединением хлора и водорода :
Поскольку реакция экзотермическая , установка называется HCl- печью или HCl-горелкой. Образующийся газообразный хлористый водород абсорбируется деионизированной водой , в результате чего образуется химически чистая соляная кислота. Эта реакция может дать очень чистый продукт, например, для использования в пищевой промышленности.
Реакцию также может вызвать синий свет. [16]
Промышленное производство хлористого водорода часто сопряжено с образованием хлорированных и фторированных органических соединений, например тефлона , фреона и других ХФУ , а также хлоруксусной кислоты и ПВХ . Часто производство соляной кислоты совмещается с ее использованием на месте. В химических реакциях атомы водорода в углеводороде заменяются атомами хлора, после чего высвободившийся атом водорода рекомбинируется с запасным атомом из молекулы хлора, образуя хлористый водород. Фторирование - это последующая реакция замещения хлора, в результате которой снова образуется хлористый водород:
Полученный хлористый водород либо используется повторно напрямую, либо абсорбируется водой, в результате чего получается соляная кислота технической или промышленной чистоты.
Небольшие количества хлористого водорода для лабораторного использования можно получить в генераторе HCl путем обезвоживания соляной кислоты серной кислотой или безводным хлоридом кальция . Альтернативно, HCl может быть получен реакцией серной кислоты с хлоридом натрия: [17]
Эта реакция происходит при комнатной температуре. Если в генераторе остался NaCl и он нагрет выше 200 °С, реакция идет дальше:
Для работы таких генераторов реагенты должны быть сухими.
Хлороводород также можно получить гидролизом некоторых реакционноспособных хлоридных соединений, таких как хлориды фосфора , тионилхлорид ( SOCl 2 ) и ацилхлориды . Например, холодную воду можно постепенно капать на пентахлорид фосфора ( PCl 5 ), чтобы получить HCl:
Большая часть хлористого водорода используется при производстве соляной кислоты. Он также используется в производстве винилхлорида и многих алкилхлоридов . [13] Трихлорсилан получают с использованием HCl:
Около 900 г. авторы арабских сочинений, приписываемые Джабиру ибн Хайяну (лат. Гебер) и персидскому врачу и алхимику Абу Бакру ар-Рази (ок. 865–925, латынь: Разес) экспериментировали с нашатырным спиртом ( хлоридом аммония ) . , который при перегонке вместе с купоросом (гидратными сульфатами различных металлов) давал хлороводород. [18] Вполне возможно, что в одном из своих экспериментов ар-Рази наткнулся на примитивный метод получения соляной кислоты . [19] Однако, похоже, что в большинстве этих ранних экспериментов с хлоридными солями газообразные продукты были отброшены, и хлористый водород мог производиться много раз, прежде чем было обнаружено, что его можно использовать в химических целях. [20]
Одним из первых таких применений был синтез хлорида ртути (II) (коррозионного сулема), получение которого путем нагревания ртути либо с квасцами и хлоридом аммония, либо с купоросом и хлоридом натрия, было впервые описано в De aluminibus et salibus (« De aluminibus et salibus» («De aluminibus et salibus »). О квасцах и солях»), арабский текст одиннадцатого или двенадцатого века, ошибочно приписываемый Абу Бакру ар-Рази и переведенный на латынь Герардом Кремонским (1144–1187). [21]
Еще одним важным достижением стало открытие псевдо-Гебером (в De Invente Veritatis , «Об открытии истины», около 1300 г.), что при добавлении хлорида аммония к азотной кислоте образуется сильный растворитель, способный растворять золото (т. е. вода regia ) могут быть произведены. [22]
После открытия в конце шестнадцатого века процесса получения несмешанной соляной кислоты [23] было признано, что эта новая кислота (тогда известная как соляной спирт или acidum salis ) выделяла парообразный хлористый водород, который назывался морским. кислотный воздух . В 17 веке Иоганн Рудольф Глаубер использовал соль ( хлорид натрия ) и серную кислоту для приготовления сульфата натрия , выделяя газообразный хлористый водород (см. производство выше). В 1772 году Карл Вильгельм Шееле также сообщил об этой реакции, и ему иногда приписывают ее открытие. Джозеф Пристли получил хлористый водород в 1772 году, а в 1810 году Хэмфри Дэви установил, что он состоит из водорода и хлора . [24]
Во время промышленной революции спрос на щелочные вещества, такие как кальцинированная сода, увеличился, и Николя Леблан разработал новый промышленный процесс производства кальцинированной соды. В процессе Леблана соль превращалась в кальцинированную соду с использованием серной кислоты, известняка и угля, в результате чего в качестве побочного продукта получался хлористый водород. Первоначально этот газ выбрасывался в воздух, но Закон о щелочах 1863 года запретил такой выброс, поэтому тогда производители кальцинированной соды поглощали отходящий газ HCl в воде, производя соляную кислоту в промышленных масштабах. Позже был разработан процесс Харгривса, который аналогичен процессу Леблана, за исключением того, что вместо серной кислоты используются диоксид серы , вода и воздух в реакции, которая в целом является экзотермической. В начале 20 века процесс Леблана был эффективно заменен процессом Сольве , который не давал HCl. Однако производство хлористого водорода продолжалось как этап производства соляной кислоты.
Историческое использование хлористого водорода в 20 веке включает гидрохлорирование алкинов при производстве хлорированных мономеров хлоропрена и винилхлорида , которые впоследствии полимеризуются с получением полихлоропрена ( неопрена ) и поливинилхлорида (ПВХ) соответственно. При производстве винилхлорида ацетилен ( C 2 H 2 ) гидрохлорируется путем добавления HCl по тройной связи молекулы C 2 H 2 , превращая тройную связь в двойную , получая винилхлорид.
«Ацетиленовый процесс», использовавшийся до 1960-х годов для производства хлоропрена , начинается с соединения двух молекул ацетилена , а затем к соединенному промежуточному соединению добавляется HCl по тройной связи , чтобы превратить его в хлоропрен, как показано здесь:
Этот «ацетиленовый процесс» был заменен процессом, при котором Cl 2 вместо этого присоединяется к двойной связи этилена, а последующее удаление вместо этого дает HCl, а также хлоропрен.
Хлороводород образует едкую соляную кислоту при контакте с водой, находящейся в тканях тела. Вдыхание паров может вызвать кашель , удушье , воспаление носа, горла и верхних дыхательных путей , а в тяжелых случаях — отек легких , недостаточность системы кровообращения и смерть. Контакт с кожей может вызвать покраснение, боль и тяжелые химические ожоги . Хлорид водорода может вызвать серьезные ожоги глаз и необратимые повреждения глаз.
Управление по охране труда США и Национальный институт охраны труда установили пределы профессионального воздействия хлористого водорода на уровне 5 частей на миллион (7 мг/м 3 ) [25] и собрали обширную информацию о безопасности хлористого водорода на рабочем месте. обеспокоенность. [26]
с.
343: Когда калий нагревали в газообразной соляной кислоте [т. е. в газообразном хлористом водороде], настолько сухом, насколько его можно было получить обычными химическими способами, происходило сильное химическое действие с воспламенением;
и когда калий был в достаточном количестве, солянокислый газ полностью исчез, и от одной трети до одной четверти его объема водорода выделилось, и образовался соляной раствор поташа [т. е. хлорид калия].
(Реакция была: 2HCl + 2K → 2KCl + H
2
)