El ácido clorhídrico , también conocido como ácido muriático o alcohol de sal , es una solución acuosa de cloruro de hidrógeno (HCl). Es una solución incolora con un olor penetrante característico . Se clasifica como un ácido fuerte . Es un componente del ácido gástrico en los sistemas digestivos de la mayoría de las especies animales, incluidos los humanos. El ácido clorhídrico es un reactivo de laboratorio importante y un producto químico industrial. [7] [8]
Debido a que se producía a partir de sal de roca según los métodos de Johann Rudolph Glauber , el ácido clorhídrico fue llamado históricamente por los alquimistas europeos espíritus de sal o acidum salis (ácido de sal). Ambos nombres todavía se utilizan, especialmente en otros idiomas, como alemán : Salzsäure , holandés : Zoutzuur , sueco : Saltsyra , finlandés : Suolahappo , español : Salfumán , turco : Tuz Ruhu , polaco : kwas solny , húngaro : sósav , checo : kyselina solná , japonés :塩酸( ensan ), chino :盐酸( yánsuān ) y coreano : 염산 ( yeomsan ).
El HCl gaseoso se denominaba aire ácido marino . El nombre ácido muriático tiene el mismo origen ( muriático significa "relativo a la salmuera o a la sal", de ahí que muriato signifique clorhidrato ), y este nombre todavía se utiliza a veces. [1] [9] El nombre ácido clorhídrico fue acuñado por el químico francés Joseph Louis Gay-Lussac en 1814. [10]
A principios del siglo X, el médico y alquimista persa Abu Bakr al-Razi ( c. 865-925 , latín: Rhazes) realizó experimentos con sal amónica ( cloruro de amonio ) y vitriolo ( sulfatos hidratados de varios metales), que destiló juntos, produciendo así el gas cloruro de hidrógeno . [11] Al hacerlo, al-Razi puede haber tropezado con un método primitivo para producir ácido clorhídrico, [12] como tal vez se manifiesta en la siguiente receta de su Kitāb al-Asrār ("El libro de los secretos"):
Tomar partes iguales de sal dulce, sal amarga, sal de Tabarzad , sal de Andarānī , sal india, sal de Al-Qilī y sal de orina. Después de añadir un peso igual de sal amoniacal bien cristalizada, disolver con humedad y destilar (la mezcla). Se destilará sobre agua fuerte, lo que romperá la piedra ( sakhr ) instantáneamente. [13]
Sin embargo, parece que en la mayoría de sus experimentos al-Razi hizo caso omiso de los productos gaseosos, concentrándose en cambio en los cambios de color que podrían producirse en el residuo. [14] Según Robert P. Multhauf , el cloruro de hidrógeno se produjo muchas veces sin un reconocimiento claro de que, al disolverlo en agua, se puede producir ácido clorhídrico. [15]
Basándose en los experimentos de al-Razi, el De aluminibus et salibus ("Sobre alumbres y sales"), un texto árabe del siglo XI o XII falsamente atribuido a al-Razi y traducido al latín por Gerardo de Cremona (1144-1187), describió el calentamiento de metales con varias sales, que en el caso del mercurio resultó en la producción de cloruro de mercurio (II) (sublimado corrosivo). [16] En este proceso, en realidad comenzó a formarse ácido clorhídrico, pero inmediatamente reaccionó con el mercurio para producir sublimado corrosivo. Los alquimistas latinos del siglo XIII, para quienes el De aluminibus et salibus era una de las principales obras de referencia, estaban fascinados por las propiedades clorantes del sublimado corrosivo, y pronto descubrieron que cuando los metales se eliminan del proceso de calentamiento de vitriolos, alumbres y sales, se pueden destilar directamente ácidos minerales fuertes. [17]
Un invento importante que resultó del descubrimiento de los ácidos minerales es el agua regia , una mezcla de ácido nítrico y ácido clorhídrico en una proporción de 1:3, capaz de disolver el oro. Esto fue descrito por primera vez en De inventione veritatis ("Sobre el descubrimiento de la verdad", de pseudo -Geber , después de c. 1300 ), donde el agua regia se preparaba añadiendo cloruro de amonio al ácido nítrico. [18] El hecho de que el agua regia se defina típicamente como una mezcla de ácido nítrico y ácido clorhídrico no significa que el ácido clorhídrico se descubriera antes o simultáneamente con el agua regia . El aislamiento del ácido clorhídrico ocurrió unos 300 años después. La producción de ácido clorhídrico en sí (es decir, como una sustancia aislada en lugar de ya mezclada con ácido nítrico) dependía del uso de aparatos de refrigeración más eficientes, que solo se desarrollarían en los siglos posteriores. [19]
Desde el punto de vista de la historia occidental de la química, el ácido clorhídrico fue el último de los tres ácidos minerales conocidos cuyo método de producción apareció en la literatura. [20] Las recetas para su producción comenzaron a aparecer a fines del siglo XVI. Las primeras recetas para la producción de ácido clorhídrico se encuentran en Magiae naturalis ("Magia natural") de Giovanni Battista Della Porta (1535-1615 ) y en las obras de otros químicos contemporáneos como Andreas Libavius ( c. 1550-1616 ), Jean Beguin (1550-1620) y Oswald Croll ( c. 1563-1609 ). [21] Entre los historiadores que han escrito sobre este tema se encuentran los químicos alemanes Hermann Franz Moritz Kopp (1845) y Edmund Oscar von Lippmann (1938), el ingeniero de minas (y futuro presidente de los Estados Unidos) Herbert Hoover con su esposa, la geóloga Lou Henry Hoover (1912), el químico holandés Robert Jacobus Forbes (1948), la química estadounidense Mary Elvira Weeks (1956) y los químicos británicos F. Sherwood Taylor (1957) y JR Partington (1960). El químico italiano Ladislao Reti ha resumido el resultado de sus esfuerzos de esta manera: [22]
El primer ejemplo claro de preparación de ácido clorhídrico aparece en los escritos de Della Porta (1589 y 1608), Libavius (1597), Pseudo-Basil (1604), van Helmont (1646) y Glauber (1648). Se encuentran referencias anteriores menos convincentes en el Plichto de Rosetti (1540) y en Agricola (1558). En cuanto al primer método práctico de preparación a partir de vitriolo y sal común, no hay duda de que Pseudo-Basil precede a Glauber, pero este último tiene el mérito incuestionable de haber indicado la forma de producir el ácido que más tarde adoptaría la industria química para operaciones en gran escala.
— Ladislao Reti, ¿Qué edad tiene el ácido clorhídrico?
El conocimiento de los ácidos minerales como el ácido clorhídrico sería de importancia clave para los químicos del siglo XVII como Daniel Sennert (1572-1637) y Robert Boyle (1627-1691), quienes utilizaron su capacidad para disolver rápidamente metales en sus demostraciones de la naturaleza compuesta de los cuerpos. [23]
Durante la Revolución Industrial en Europa, la demanda de sustancias alcalinas aumentó. Un nuevo proceso industrial desarrollado por Nicolas Leblanc de Issoudun, Francia , permitió la producción a gran escala y a bajo precio de carbonato de sodio (carbonato de sodio). En este proceso de Leblanc , la sal común se convierte en carbonato de sodio, utilizando ácido sulfúrico, piedra caliza y carbón, liberando cloruro de hidrógeno como subproducto. Hasta la Ley Británica de Álcalis de 1863 y una legislación similar en otros países, el exceso de HCl a menudo se ventilaba al aire. Una excepción temprana fue Bonnington Chemical Works donde, en 1830, el HCl comenzó a capturarse y el ácido clorhídrico producido se utilizó para fabricar sal amoniacal ( cloruro de amonio ). [24] Después de la aprobación de la ley, los productores de carbonato de sodio se vieron obligados a absorber el gas residual en agua, produciendo ácido clorhídrico a escala industrial. [25] [26]
En el siglo XX, el proceso Leblanc fue reemplazado por el proceso Solvay , que no utilizaba ácido clorhídrico como subproducto. Como el ácido clorhídrico ya se había establecido como un producto químico importante en numerosas aplicaciones, el interés comercial dio lugar a otros métodos de producción, algunos de los cuales todavía se utilizan en la actualidad. Después del año 2000, el ácido clorhídrico se fabrica principalmente mediante la absorción del cloruro de hidrógeno como subproducto de la producción de compuestos orgánicos industriales. [25] [26] [7]
El cloruro de hidrógeno gaseoso es un compuesto molecular con un enlace covalente entre los átomos de hidrógeno y cloro. En soluciones acuosas, la disociación es completa, con la formación de iones de cloruro e iones de hidrógeno hidratados ( iones hidronio ). [27] Un estudio combinado de IR, Raman, rayos X y difracción de neutrones del ácido clorhídrico concentrado mostró que el ion hidronio forma complejos unidos por enlaces de hidrógeno con otras moléculas de agua. [28] (Véase Hidronio para una discusión más detallada de este tema).
Se estima teóricamente que el valor p K a del ácido clorhídrico en solución acuosa es -5,9. [5] Una solución de cloruro de hidrógeno en agua se comporta como un ácido fuerte : la concentración de moléculas de HCl es efectivamente cero.
Las propiedades físicas del ácido clorhídrico, como los puntos de ebullición y fusión , la densidad y el pH , dependen de la concentración o molaridad de HCl en la solución acuosa. Van desde las del agua en concentraciones muy bajas que se acercan al 0 % de HCl hasta los valores del ácido clorhídrico fumante en concentraciones superiores al 40 % de HCl. [31] [32] [33]
El ácido clorhídrico como mezcla binaria (de dos componentes) de HCl y H 2 O tiene un azeótropo de ebullición constante al 20,2 % de HCl y 108,6 °C (381,8 K; 227,5 °F). Hay cuatro puntos eutécticos de cristalización constante para el ácido clorhídrico, entre la forma cristalina de [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) y hielo (0 % HCl). También hay un punto eutéctico metaestable al 24,8 % entre el hielo y la cristalización de [H 7 O 3 ]Cl. [33] Todos ellos son sales de hidronio .
El ácido clorhídrico se suele preparar industrialmente disolviendo cloruro de hidrógeno en agua. El cloruro de hidrógeno se puede generar de muchas maneras, por lo que existen varios precursores del ácido clorhídrico. La producción a gran escala de ácido clorhídrico casi siempre está integrada con la producción a escala industrial de otros productos químicos , como en el proceso cloro-álcali que produce hidróxido , hidrógeno y cloro, este último puede combinarse para producir HCl. [31] [32]
El cloruro de hidrógeno se produce combinando cloro e hidrógeno :
Como la reacción es exotérmica , la instalación se denomina horno de HCl o quemador de HCl. El gas de cloruro de hidrógeno resultante se absorbe en agua desionizada , lo que da lugar a ácido clorhídrico químicamente puro. Esta reacción puede dar lugar a un producto muy puro, por ejemplo, para su uso en la industria alimentaria.
El ácido clorhídrico se produce en soluciones de hasta 38% de HCl (grado concentrado). Son químicamente posibles concentraciones más altas, de hasta un poco más del 40%, pero la tasa de evaporación es tan alta que el almacenamiento y la manipulación requieren precauciones adicionales, como la presurización y el enfriamiento. Por lo tanto, el grado industrial a granel es del 30% al 35%, optimizado para equilibrar la eficiencia del transporte y la pérdida de producto por evaporación. En los Estados Unidos, las soluciones de entre el 20% y el 32% se venden como ácido muriático. Las soluciones para uso doméstico en los EE. UU., principalmente limpieza, suelen ser del 10% al 12%, con fuertes recomendaciones de diluir antes de usar. En el Reino Unido, donde se vende como "Spirits of Salt" para la limpieza doméstica, la potencia es la misma que la del grado industrial estadounidense. [25] En otros países, como Italia, el ácido clorhídrico para limpieza doméstica o industrial se vende como "Acido Muriatico", y su concentración varía del 5% al 32%.
Entre los principales productores a nivel mundial se encuentran Dow Chemical con 2 millones de toneladas anuales (Mt/año), calculadas como gas HCl, Georgia Gulf Corporation , Tosoh Corporation , Akzo Nobel y Tessenderlo con 0,5 a 1,5 Mt/año cada una. La producción mundial total, expresada como HCl a efectos comparativos, se estima en 20 Mt/año, de las cuales 3 Mt/año proceden de síntesis directa y el resto como producto secundario de síntesis orgánicas y similares. La mayor parte del ácido clorhídrico es consumido de forma cautiva por el productor. El tamaño del mercado mundial abierto se estima en 5 Mt/año. [25]
El ácido clorhídrico es un ácido inorgánico fuerte que se utiliza en muchos procesos industriales, como el refinado de metales. La aplicación suele determinar la calidad requerida del producto. [25] El cloruro de hidrógeno, no el ácido clorhídrico, se utiliza más ampliamente en la química orgánica industrial, por ejemplo, para el cloruro de vinilo y el dicloroetano . [8]
Una de las aplicaciones más importantes del ácido clorhídrico es el decapado del acero, para eliminar el óxido o las incrustaciones de óxido de hierro del hierro o el acero antes del procesamiento posterior, como la extrusión , el laminado , la galvanización y otras técnicas. [25] [7] El HCl de calidad técnica a una concentración típicamente del 18% es el agente de decapado más comúnmente utilizado para el decapado de grados de acero al carbono .
El ácido gastado se ha reutilizado durante mucho tiempo como soluciones de cloruro de hierro (II) (también conocido como cloruro ferroso), pero los altos niveles de metales pesados en el licor de decapado han disminuido esta práctica.
La industria del decapado de acero ha desarrollado procesos de regeneración con ácido clorhídrico , como el proceso de tostado por aspersión o el proceso de regeneración con HCl en lecho fluidizado, que permiten recuperar el HCl del licor de decapado usado. El proceso de regeneración más común es el proceso de pirohidrólisis, aplicándose la siguiente fórmula: [25]
Mediante la recuperación del ácido gastado, se establece un circuito cerrado de ácido. [7] El óxido de hierro (III) subproducto del proceso de regeneración es valioso y se utiliza en una variedad de industrias secundarias. [25]
De manera similar a su uso para el decapado, el ácido clorhídrico se utiliza para disolver muchos metales, óxidos metálicos y carbonatos metálicos. Las conversiones se representan a menudo en ecuaciones simplificadas:
Estos procesos se utilizan para producir cloruros metálicos para su análisis o producción posterior. [31] [32] [7]
El ácido clorhídrico se puede utilizar para regular la acidez ( pH ) de las soluciones.
En las industrias que exigen pureza (alimentación, farmacéutica, agua potable), se utiliza ácido clorhídrico de alta calidad para controlar el pH de las corrientes de agua de proceso. En las industrias menos exigentes, el ácido clorhídrico de calidad técnica es suficiente para neutralizar las corrientes de desechos y controlar el pH de las piscinas. [7]
El ácido clorhídrico de alta calidad se utiliza en la regeneración de resinas de intercambio iónico . El intercambio catiónico se utiliza ampliamente para eliminar iones como Na + y Ca2 + de soluciones acuosas , produciendo agua desmineralizada . El ácido se utiliza para enjuagar los cationes de las resinas. [25] Na + se reemplaza con H + y Ca2 + con 2 H + .
Los intercambiadores de iones y el agua desmineralizada se utilizan en todas las industrias químicas, en la producción de agua potable y en muchas industrias alimentarias. [25]
De los ácidos minerales fuertes más comunes en química, el ácido clorhídrico es el ácido monoprótico que tiene menos probabilidades de sufrir una reacción de oxidación-reducción que interfiera . Es uno de los ácidos fuertes menos peligrosos de manipular; a pesar de su acidez, contiene el ion cloruro, que no es reactivo ni tóxico. Las soluciones de ácido clorhídrico de concentración intermedia son bastante estables durante el almacenamiento y mantienen sus concentraciones a lo largo del tiempo. Estos atributos, además del hecho de que está disponible como reactivo puro , hacen del ácido clorhídrico un excelente reactivo acidificante. Además, es económico.
El ácido clorhídrico es el ácido preferido en la titulación para determinar la cantidad de bases . Los titulantes de ácidos fuertes dan resultados más precisos debido a un punto final más claro. El ácido clorhídrico azeotrópico o de "punto de ebullición constante" (aproximadamente 20,2 %) se puede utilizar como estándar primario en el análisis cuantitativo , aunque su concentración exacta depende de la presión atmosférica cuando se prepara. [34]
El ácido clorhídrico se utiliza para una gran cantidad de aplicaciones a pequeña escala, como el procesamiento del cuero, la limpieza del hogar [35] y la construcción de edificios. [7] La producción de petróleo se puede estimular inyectando ácido clorhídrico en la formación rocosa de un pozo petrolero , disolviendo una parte de la roca y creando una estructura de poros grandes. La acidificación de pozos petrolíferos es un proceso común en la industria de producción de petróleo del Mar del Norte . [25]
El ácido clorhídrico se ha utilizado para disolver carbonato de calcio, por ejemplo, para desincrustar calderas y para limpiar mortero de mampostería. Cuando se utiliza en mampostería, la reacción con el mortero solo continúa hasta que el ácido se ha convertido por completo, lo que produce cloruro de calcio , dióxido de carbono y agua:
En la producción de alimentos, ingredientes alimentarios y aditivos alimentarios se utilizan muchas reacciones químicas que involucran ácido clorhídrico . Entre los productos típicos se encuentran el aspartamo , la fructosa , el ácido cítrico , la lisina , la proteína vegetal hidrolizada como potenciador de alimentos y en la producción de gelatina . El ácido clorhídrico de grado alimenticio (extra puro) se puede aplicar cuando sea necesario para el producto final. [25] [7]
El ácido gástrico es una de las principales secreciones del estómago. Está compuesto principalmente de ácido clorhídrico y acidifica el contenido del estómago a un pH de 1 a 2. [36] [37] Los iones de cloruro (Cl − ) e hidrógeno (H + ) son secretados por separado en la región del fondo del estómago en la parte superior del estómago por las células parietales de la mucosa gástrica en una red secretora llamada canalículos antes de entrar en el lumen del estómago. [38]
El ácido gástrico actúa como una barrera contra los microorganismos para prevenir infecciones y es importante para la digestión de los alimentos. Su bajo pH desnaturaliza las proteínas y, por lo tanto, las hace susceptibles a la degradación por enzimas digestivas como la pepsina . El bajo pH también activa el precursor enzimático pepsinógeno en la enzima activa pepsina por autoescisión. Después de salir del estómago, el ácido clorhídrico del quimo es neutralizado en el duodeno por el bicarbonato . [36]
El estómago está protegido del ácido fuerte por la secreción de una capa gruesa de moco y por la acción tampón de la secretina con bicarbonato de sodio . Cuando estos mecanismos fallan, pueden aparecer ardor de estómago o úlceras pépticas . Los fármacos de las clases de antihistamínicos e inhibidores de la bomba de protones pueden inhibir la producción de ácido en el estómago, y se utilizan antiácidos para neutralizar el exceso de ácido existente. [36] [39]
Los osteoclastos también utilizan ácido clorhídrico junto con las proteasas para la resorción ósea . [40]
El ácido clorhídrico, al ser un ácido fuerte, es corrosivo para los tejidos vivos y para muchos materiales, pero no para el caucho. Por lo general, se utilizan guantes protectores de caucho y equipos de protección relacionados cuando se manipulan soluciones concentradas. [8]
Los vapores o las nieblas son un peligro respiratorio, que puede mitigarse parcialmente mediante el uso de un respirador equipado con cartuchos diseñados específicamente para capturar ácido clorhídrico. El ácido en suspensión es irritante para los ojos y puede requerir el uso de gafas protectoras o una mascarilla. [ cita requerida ]
El ácido clorhídrico ha sido incluido como precursor de la Tabla II en la Convención de las Naciones Unidas contra el Tráfico Ilícito de Estupefacientes y Sustancias Psicotrópicas de 1988 debido a su uso en la producción de heroína , cocaína y metanfetamina . [42] [43]
