Clorur d'hidrogen

Clorur d'hidrogen
Substància química	tipus d'entitat química
Massa molecular	35,976677 Da
Trobat en el tàxon	ésser humà i escheríchia coli
Estructura química
Fórmula química	HCl
SMILES canònic	Model 2D; Cl
Identificador InChI	Model 3D
Propietat
Velocitat del so	296 m/s (0 °C, gas)
Solubilitat	67 g/100 g (aigua, 30 °C)
Punt de fusió	−114 °C
Punt d'ebullició	−85 °C (a 760 Torr)
Entropia molar estàndard	186,9 J/(mol K)
Pressió de vapor	40,5 atm (a 20 °C)
Perill
Límit d'exposició sostre	7 mg/m³ (Estats Units d'Amèrica)
IDLH	74,5 mg/m³
	NFPA 704: Standard System for the Identification of the Hazards of Materials for Emergency Response ()

El clorur d'hidrogen és un compost covalent format per molècules diatòmiques amb un àtom d'hidrogen i un de clor, de fórmula ${\ce {HCl}}$ , que a temperatura ambient es troba en estat gasós. La seva dissolució aquosa, anomenada àcid clorhídric, és molt emprada en els laboratoris i en la indústria.

Història

La dissolució aquosa de clorur d'hidrogen en aigua, l'àcid clorhídric, es coneixia des de temps antics. L'alquimista àrab Jàbir ibn Hayyan (721?-815), conegut per Geber a Europa, n'obtingué mesclant sal marina (clorur de sodi) amb oli de vidriol (àcid sulfúric). Els alquimistes europeus l'empraven i el coneixien per esperit de sal.^[1]^[2]

Però l'aïllament del clorur d'hidrogen pur en forma de gas no es produí fins al 1774 per part del científic anglès Joseph Priestley per escalfament d'àcid clorhídric, anomenat àcid muriàtic o àcid marí. Posteriorment el mateix Priestley descobrí que també es podia sintetitzar per reacció del clorur de sodi amb àcid sulfúric.^[3] El 1809 l'anglès John Dalton descobrí que una mescla de clor i hidrogen reaccionaven explosivament en exposar-se a la llum solar.^[4] La seva composició fou estudiada el 1809 pels francesos Joseph-Louis Gay-Lussac i Louis Jacques Thénard i varen concloure que estava combinat amb aigua.^[5] El químic anglès Humphry Davy demostrà el 1810^[6] que en la seva composició no hi havia oxigen, malgrat ser un àcid, la qual cosa acabà amb la teoria dels àcids de Antoine Lavoisier.^[1]

Estructura

Moment dipolar a la molècula d' ${\ce {HCl}}$

La longitud de l'enllaç covalent σ ${\ce {H-Cl}}$ és d'1,274 Å, major que la de l'enllaç ${\ce {H-F}}$ (0,92 Å) i menor que la de l'enllaç ${\ce {H-Br}}$ (1,41 Å). Té una entalpia de dissociació de 428,13 kJ/mol,^[7] inferior a la de l'enllaç ${\ce {H-F}}$ (567 kJ/mol) i superior a la de l'enllaç ${\ce {H-Br}}$ (366 kJ/mol). La diferència d'electronegativitats és prou significativa, el clor és més electronegatiu que l'hidrogen (3,2 en front a 2,2) i atreu cap a ell la parella d'electrons que formen l'enllaç σ, de manera que la molècula té naturalesa polar, amb una major densitat de càrrega elèctrica negativa en el ${\ce {Cl}}$ . El moment dipolar té un valor d'1,08 D,^[8] inferior al de l'enllaç ${\ce {H-F}}$ (1,82 D) i superior al de l'enllaç ${\ce {H-Br}}$ (0,82 D).

Propietats

Interacció dipol-dipol entre dues molècules d' ${\ce {HCl}}$

A temperatura ambient el clorur d'hidrogen és un gas incolor, amb una olor picant detectable a partir d'unes 0,8 ppm (mg/l),^[9] que pot ser fàcilment condensat mitjançant un augment de pressió. En estat líquid també és incolor. A pressió atmosfèrica el gas condensa a –85,05 °C i el líquid congela a –114,22 °C. En estat sòlid s'estableixen interaccions elèctriques entre els àtoms de ${\ce {H}}$ i de ${\ce {Cl}}$ de molècules veïnes degut a la diferent densitat de càrrega elèctrica que presenten (interacció dipol-dipol), donant lloc a una disposició en ziga-zaga de les molècules.^[7]

Diagrama de fases de la dissolució d' ${\ce {HCl}}$ en aigua

A la naturalesa es troba lliure en alguns gasos volcànics, com ara els dels volcans Kilauea (Hawaii), Popocatépetl (Mèxic), Villarrica (Xile) o Masaya, (Nicaragua). També se'l troba dissolt en l'aigua dels rius propers a aquests volcans. Les concentracions típiques dels fums volcànics oscil·len entre 0,1 i 3 ppm. Ràpidament el clorur d'hidrogen gas es dilueix en el vapor d'aigua i la seva vida no supera els 4 dies.^[9] També dissolt es troba en el suc gàstric en una concentració del 0,2 al 0,4 % en els humans, i del 3 % en els cans. És un gas estable però es troba lleugerament dissociat en hidrogen i clor a altes temperatures (a 1537 °C només el 0,274 %, i a 1727 °C el 0,41 %). La descomposició es veu activada per efecte de guspires elèctriques, llum ultraviolada i radioactivitat.^[4]

És soluble en etanol, metanol i èter, i té una elevada solubilitat en aigua, a 0 °C un litre d'aigua dissol 507 l de clorur d'hidrogen mesurat a la pressió atmosfèrica, que equival a uns 20 mols o a una proporció molar ${\ce {HCl:H2O}}$ d'1:3. La concentració d'aquesta dissolució és del 45,4 % en massa. En refredar-se aquesta dissolució a –70 °C cristal·litza l'hexahidrat, ${\ce {HCl . 6 H2O}}$ . A d'altres concentracions cristal·litzen altres hidrats: el trihidrat ${\ce {HCl . 3 H2O}}$ a –24,9 °C; el dihidrat ${\ce {HCl . 2 H2O}}$ a –17,6 °C i el monohidrat ${\ce {HCl . H2O}}$ a –15,3 °C.^[7] A la concentració del 20,2 % forma una mescla azeotròpica o de punt d'ebullició constant, que bull a 108,6 °C a la pressió atmosfèrica normal.^[10]

En dissolució aquosa es dissocia en el catió oxoni, ${\ce {H3O^+}}$ , i l'anió clorur, ${\ce {Cl^-}}$ , essent completa en dissolucions diluïdes:

${\ce {HCl + H2O -> H3O^+ + Cl^-}}$

Per aquesta raó les seves dissolucions, anomenades àcid clorhídric, tenen característiques d'àcid molt fort.^[7] Les dissolucions concentrades desprenen ${\ce {HCl}}$ gas, produint una característica boira deguda a la condensació del vapor d'aigua present a l'aire sobre les molècules d' ${\ce {HCl}}$ .^[10]

Reacció en estat gasós del clorur d'hidrogen i l'amoníac

Amb l'amoníac, ${\ce {NH3}}$ , també gas, reacciona directament en estat gasós donant lloc a un nigul blanc de clorur d'amoni, ${\ce {NH4Cl}}$ , que és sòlid:^[10] ${\ce {HCl + NH3 -> NH4Cl}}$

No reacciona amb el zinc, però és suficient que hi hagi una petita quantitat d'aigua perquè s'inicia la reacció amb formació d'hidrogen, ${\ce {H2}}$ , i clorur de zinc, ${\ce {ZnCl2}}$ . Amb els metalls més actius pot reaccionar en calent, és el mètode que s'empra quan se'ls vol obtenir anhidres. Per exemple amb el ferro i l'alumini s'obté clorur de ferro(II) i clorur d'alumini anhidres, juntament amb hidrogen gas:^[10] ${\ce {2 HCl + Fe -> FeCl2 + H2}}$ ${\ce {6 HCl + 2Al -> 2 AlCl3 + 3 H2}}$ Es forma clorur d'hidrogen per l'acció d'aigua sobre clorurs de bor, alumini anhidre, silici, estany(IV), titani, fòsfor, arsènic, antimoni(V), sobre oxiclorur de fòsfor, clorur de tionil, i clorur de sulfuril.^[4]

Preparació

El clorur d'hidrogen es pot obtindre molt pur fent reaccionar els elements hidrogen ${\ce {H2}}$ i clor, ${\ce {Cl2}}$ . Ambdós gasos s'obtenen com a subproductes en la producció d'hidròxid de sodi per electròlisi d'una dissolució de clorur de sodi. La síntesi d' ${\ce {HCl}}$ es duu a terme cremant clor en excés d'hidrogen o de gas natural en cremadors especials. És una reacció exotèrmica amb una entalpia $\Delta H_{r}=-184{,}74\;\mathrm {kJ/mol}$ , que es produeix espontàniament de forma explosiva en presència de llum:

${\ce {H2 + Cl2 -> 2 HCl}}$

Un altre mètode d'obtenció és per reacció de clorur de sodi, ${\ce {NaCl}}$ , o clorur d'amoni, ${\ce {NH4Cl}}$ , amb àcid sulfúric concentrat, ${\ce {H2SO4}}$ , a altes temperatures. És el procés més habitual als laboratoris, malgrat també s'empra de forma industrial. Té lloc en dues etapes:

${\ce {NaCl\;+\;H2SO4\;->[200\;{}^{\circ }C]\;HCl\;+\;NaHSO4}}$ ${\ce {NaCl\;+\;NaHSO4\;->[800\;{}^{\circ }C]\;HCl\;+\;Na2SO4}}$

També el clorur d'hidrogen s'obté com a subproducte en les reaccions de cloració de composts orgànics, ${\ce {RH}}$ mitjançant clor:^[7]

${\ce {RH + Cl2 -> RCl + HCl}}$

Aplicacions

En la indústria química s'empra en processos d'hidrocloració i oxihidrocloració, que condueixen a la síntesi de polímeres sintètics com ara el PVC i els elastòmers clorats com el neoprè. També s'empra en la preparació de dissolvents clorats i altres productes d'interès industrial.^[11] En electrònica també s'empra clorur d'hidrogen d'alta puresa (99,9944 %) s'empra en la producció de semiconductors.^[12] En la indústria tèxtil s'empra per descompondre les fibres vegetals en la recuperació de la llana després de teixir-la i per desinfectar i netejar les llavors de cotó.^[12] En la indústria dels metalls l'atmosfera de clorur d'hidrogen s'empra en la fabricació d'acer.^[12] En la indústria petroliera s'empra en la producció de triclorur d'alumini, un catalitzador que s'utilitza per transformar el butà en isobutà.

Referències

↑ ^1,0 ^1,1 Fernandes, Raymond. Chemistry 10 (en anglès). Ratna Sagar. ISBN 9788183323796.
↑ Datta, N. C.. The Story of Chemistry (en anglès). Universities Press, 2005. ISBN 9788173715303.
↑ Shakhashiri, Bassam Z. Chemical Demonstrations: A Handbook for Teachers of Chemistry (en anglès). Univ of Wisconsin Press, 1983. ISBN 9780299101305.
↑ ^4,0 ^4,1 ^4,2 Partington, J.R.. Química General e Inorgánica (en castellà). Madrid: Tecnos, 1950, p. 952-953.
↑ Gay-Lussac, L.J.; Thénard, L.J. «De la nature et des propriétes de l'acide muriatique et de l'acide muriatique oxigéné». Mémoires de physique et de chimie, de la Société d'Arcueil, 1809, pàg. 339-358.
↑ Davy, H. «Researches on the Oxymuriatic Acid, Its Nature and Combinations; And on the Elements of the Muriatic Acid. With Some Experiments on Sulphur and Phosphorus, Made in the Laboratory of the Royal Institution». Phil. Trans., 100, 1810, pàg. 231-257.
↑ ^7,0 ^7,1 ^7,2 ^7,3 ^7,4 Wiberg, Egon; Wiberg, Nils. Inorganic Chemistry (en anglès). Academic Press, 2001. ISBN 9780123526519.
↑ Ebbing, Darrell; Gammon, Steven D. General Chemistry (en anglès). Cengage Learning, 2016. ISBN 9781305887299.
↑ ^9,0 ^9,1 The International Volcanic Health Hazard Network. «Hydrogen Chloride (HCl)» (en anglès). [Consulta: 17 novembre 2017].
↑ ^10,0 ^10,1 ^10,2 ^10,3 Babor, J.; Ibarz, J. Química general Moderna (en castellà). 8a. Barcelona: Marín, 1979, p. 557-558. ISBN 8471029979.
↑ José, CASELLES POMARES María; Rosa, GÓMEZ ANTÓN María; Mariano, MOLERO MENESES; Jesús, SARDÁ HOYO. QUÍMICA APLICADA A LA INGENIERÍA (en castellà). Editorial UNED, 2015-04-24. ISBN 9788436270310.
↑ ^12,0 ^12,1 ^12,2 Association, Compressed Gas. Handbook of Compressed Gases (en anglès). Springer Science & Business Media, 2012-12-06. ISBN 9781461306733.

[:1-1] 1,0 ^1,1 Fernandes, Raymond. Chemistry 10 (en anglès). Ratna Sagar. ISBN 9788183323796.

[2] Datta, N. C.. The Story of Chemistry (en anglès). Universities Press, 2005. ISBN 9788173715303.

[3] Shakhashiri, Bassam Z. Chemical Demonstrations: A Handbook for Teachers of Chemistry (en anglès). Univ of Wisconsin Press, 1983. ISBN 9780299101305.

[:4-4] 4,0 ^4,1 ^4,2 Partington, J.R.. Química General e Inorgánica (en castellà). Madrid: Tecnos, 1950, p. 952-953.

[5] Gay-Lussac, L.J.; Thénard, L.J. «De la nature et des propriétes de l'acide muriatique et de l'acide muriatique oxigéné». Mémoires de physique et de chimie, de la Société d'Arcueil, 1809, pàg. 339-358.

[6] Davy, H. «Researches on the Oxymuriatic Acid, Its Nature and Combinations; And on the Elements of the Muriatic Acid. With Some Experiments on Sulphur and Phosphorus, Made in the Laboratory of the Royal Institution». Phil. Trans., 100, 1810, pàg. 231-257.

[:0-7] 7,0 ^7,1 ^7,2 ^7,3 ^7,4 Wiberg, Egon; Wiberg, Nils. Inorganic Chemistry (en anglès). Academic Press, 2001. ISBN 9780123526519.

[8] Ebbing, Darrell; Gammon, Steven D. General Chemistry (en anglès). Cengage Learning, 2016. ISBN 9781305887299.

[:5-9] 9,0 ^9,1 The International Volcanic Health Hazard Network. «Hydrogen Chloride (HCl)» (en anglès). [Consulta: 17 novembre 2017].

[:3-10] 10,0 ^10,1 ^10,2 ^10,3 Babor, J.; Ibarz, J. Química general Moderna (en castellà). 8a. Barcelona: Marín, 1979, p. 557-558. ISBN 8471029979.

[11] José, CASELLES POMARES María; Rosa, GÓMEZ ANTÓN María; Mariano, MOLERO MENESES; Jesús, SARDÁ HOYO. QUÍMICA APLICADA A LA INGENIERÍA (en castellà). Editorial UNED, 2015-04-24. ISBN 9788436270310.

[:2-12] 12,0 ^12,1 ^12,2 Association, Compressed Gas. Handbook of Compressed Gases (en anglès). Springer Science & Business Media, 2012-12-06. ISBN 9781461306733.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]