stringtranslate.com

Хлороводород

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.

Реакции

Пары соляной кислоты окрашивают бумагу pH в красный цвет, показывая, что пары кислые.

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 :

HCl + H 2 O → [H 3 O] + + Cl −

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 :

HCl + CH 3 OH → [CH 3 OH 2 ] + + Cl −

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.

Структура и свойства

Структура твердого DCl, определенная методом дифракции нейтронов на порошке DCl при 77 К. Вместо HCl использовался DCl, поскольку ядро ​​дейтерия легче обнаружить, чем ядро ​​водорода. Растяжимая линейная структура обозначена пунктирными линиями.

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 (ИК) спектр поглощения
Один дублет в ИК-спектре обусловлен изотопным составом хлора.

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.

Производство

Большая часть хлористого водорода, производимого в промышленных масштабах, используется для производства соляной кислоты . [13]

Исторические маршруты

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]

Прямой синтез

Пламя внутри печи HCl

Хлороводород получают соединением хлора и водорода :

Cl 2 + H 2 → 2 HCl

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]

Органический синтез

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:

RH + Cl 2 → RCl + HCl
RCl + HF → RF + HCl

Полученный хлористый водород либо используется повторно напрямую, либо абсорбируется водой, в результате чего получается соляная кислота технической или промышленной чистоты.

Лабораторные методы

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]

NaCl + H 2 SO 4 → NaHSO 4 + HCl

Эта реакция происходит при комнатной температуре. Если в генераторе остался NaCl и он нагрет выше 200 °С, реакция идет дальше:

NaCl + NaHSO 4 → HCl + Na 2 SO 4

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:

PCl 5 + H 2 O → POCl 3 + 2 HCl

Приложения

Большая часть хлористого водорода используется при производстве соляной кислоты. Он также используется в производстве винилхлорида и многих алкилхлоридов . [13] Трихлорсилан получают с использованием HCl:

Si + 3 HCl → HSiCl 3 + H 2

История

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.

Безопасность

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]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ «Хлороводород (CHEBI:17883)» . Химические соединения биологического интереса (ХЭБИ) . Великобритания: Европейский институт биоинформатики.
  2. ^ Фавр, Анри А.; Пауэлл, Уоррен Х., ред. (2014). Номенклатура органической химии: Рекомендации ИЮПАК и предпочтительные названия 2013 . Кембридж: Королевское химическое общество . п. 131. ИСБН 9781849733069.
  3. ^ Хейнс, Уильям М. (2010). Справочник по химии и физике (91 изд.). Бока-Ратон, Флорида, США: CRC Press . п. 4–67. ISBN 978-1-43982077-3.
  4. ^ Хлороводород. Газовая энциклопедия. Эйр Ликид
  5. ^ Типпинг, Э. (2002) [1] . Издательство Кембриджского университета, 2004.
  6. ^ Труммал, А.; Липпинг, Л.; Кальюранд, И.; Коппель, Айова; Лейто, И. «Кислотность сильных кислот в воде и диметилсульфоксиде» J. Phys. хим. А. _ 2016 , 120 , 3663-3669. дои : 10.1021/acs.jpca.6b02253
  7. ^ abc Карманный справочник NIOSH по химическим опасностям. «#0332». Национальный институт охраны труда и здоровья (NIOSH).
  8. ^ ab «Хлороводород». Непосредственно опасные для жизни и здоровья концентрации (IDLH) . Национальный институт охраны труда и здоровья (NIOSH).
  9. ^ Уэллетт, Роберт Дж.; Раун, Дж. Дэвид (2015). Основы органической химии. Эльзевир Наука. стр. 6–. ISBN 978-0-12-802634-2.
  10. ^ Натта, Г. (1933). «Структура и полиморфизм алогенидрици кислот». Gazzetta Chimica Italiana (на итальянском языке). 63 : 425–439.
  11. ^ Шандор, Э.; Фэрроу, RFC (1967). «Кристаллическая структура твердого хлористого водорода и хлорида дейтерия». Природа . 213 (5072): 171–172. Бибкод : 1967Natur.213..171S. дои : 10.1038/213171a0. S2CID  4161132.
  12. ^ Соляная кислота - Краткое описание соединений. Пабчем
  13. ^ аб Остин, Северин; Гловацкий, Арндт (2000). Соляная кислота . дои : 10.1002/14356007.a13_283. ISBN 3527306730.
  14. ^ Пристли Дж. (1772). «Наблюдения за различными видами воздуха [т. е. газов]». Философские труды Лондонского королевского общества . 62 : 147–264 (234–244). дои : 10.1098/rstl.1772.0021. S2CID  186210131.
  15. ^ Дэви Х (1808). «Электрохимические исследования по разложению земель; с наблюдениями за металлами, полученными из щелочноземельных металлов, и над амальгамой, полученной из аммиака». Философские труды Лондонского королевского общества . 98 : 333–370. Бибкод : 1808RSPT...98..333D. дои : 10.1098/rstl.1808.0023. S2CID  96364168. 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 )
  16. ^ Крамер, Крис . Хловодородная пушка.
  17. ^ Франциско Дж. Арнслиз (1995). «Удобный способ получения хлористого водорода в лаборатории первокурсников». Дж. Хим. Образование. 72 (12): 1139. Бибкод : 1995JChEd..72.1139A. дои : 10.1021/ed072p1139. Архивировано из оригинала 24 сентября 2009 года . Проверено 6 мая 2009 г.
  18. ^ Краус, Пол (1942–1943). Джабир ибн Хайян: Вклад в историю научных идей в исламе. I. Корпус jâbiriens. II. Джабир и греческая наука . Каир: Французский институт восточной археологии . ISBN 9783487091150. ОСЛК  468740510.том. II, стр. 41–42; Мультауф, Роберт П. (1966). Истоки химии . Лондон: Олдборн.стр. 141-142.
  19. ^ Стэплтон, Генри Э .; Азо, РФ; Хидаят Хусейн, М. (1927). «Химия в Ираке и Персии в десятом веке нашей эры» Мемуары Азиатского общества Бенгалии . VIII (6): 317–418. ОСЛК  706947607.п. 333. Соответствующий рецепт гласит: «Возьмите равные части сладкой соли, горькой соли, табарзадской соли, андаранской соли, индийской соли, соли аль-Кили и соли мочи. После добавления равного веса хорошей кристаллизованной соли- нашатырный спирт, растворите влагой и перегоните (смесь). Там перегонят над крепкой водой, которая мгновенно расколет камень ( сахр ). (стр. 333) Глоссарий терминов, используемых в этом рецепте, см. на стр. 333. 322. Немецкий перевод того же отрывка у Руски, Юлиуса (1937). «Buch Geheimnis der Geheimnisse» Ар-Рази. Mit Einleitung und Erläuterungen в немецком Übersetzung . Quellen und Studien zur Geschichte der Naturwissenschaften und der Medizin. Том. VI. Берлин: Шпрингер.п. 182, §5. Английский перевод перевода Руски 1937 года можно найти у Тейлора, Гейл Марлоу (2015). Алхимия Ар-Рази: перевод «Книги Тайн» . Независимая издательская платформа CreateSpace. ISBN 9781507778791.стр. 139–140.
  20. ^ Мультауф 1966, с. 142, примечание 79.
  21. ^ Мультауф 1966, стр. 160–163.
  22. ^ Карпенко, Владимир; Норрис, Джон А. (2002). «Купорос в истории химии». Химический список . 96 (12): 997–1005.п. 1002.
  23. ^ Мультауф 1966, с. 208, примечание 29; ср. п. 142, примечание 79.
  24. ^ Хартли, Гарольд (1960). «Лекция Уилкинса. Сэр Хамфри Дэви, бакалавр, PRS 1778–1829». Труды Королевского общества А. 255 (1281): 153–180. Бибкод : 1960RSPSA.255..153H. дои : 10.1098/rspa.1960.0060. S2CID  176370921.
  25. ^ CDC - Карманный справочник NIOSH по химическим опасностям
  26. ^ «Хлороводород». CDC-NIOSH Тема «Безопасность и здоровье на рабочем месте» . 5 марта 2012 года . Проверено 15 июля 2016 г.

Внешние ссылки

Викискладе есть медиафайлы по теме хлористого водорода .