El compuesto cloruro de hidrógeno tiene la fórmula química HCl y, como tal, es un haluro de hidrógeno . A temperatura ambiente , es un gas incoloro que forma humos blancos de ácido clorhídrico al entrar en contacto con el vapor de agua atmosférico . El gas cloruro de hidrógeno y el ácido clorhídrico son importantes en la tecnología y la industria. El ácido clorhídrico, la solución acuosa de cloruro de hidrógeno, también suele recibir la fórmula HCl.
El cloruro de hidrógeno es una molécula diatómica , que consta de un átomo de hidrógeno H y un átomo de cloro Cl conectados por un enlace covalente polar . El átomo de cloro es mucho más electronegativo que el átomo de hidrógeno, lo que hace que este enlace sea polar. En consecuencia, la molécula tiene un gran momento dipolar con una carga parcial negativa (δ−) en el átomo de cloro y una carga parcial positiva (δ+) en el átomo de hidrógeno. [9] En parte debido a su alta polaridad, el HCl es muy soluble en agua (y en otros disolventes polares ).
Al entrar en contacto, el H 2 O y el HCl se combinan para formar cationes hidronio [H 3 O] + y aniones cloruro Cl − a través de una reacción química reversible :
La solución resultante se llama ácido clorhídrico y es un ácido fuerte . La constante de disociación o ionización ácida , K a , es grande, lo que significa que el HCl se disocia o ioniza prácticamente por completo en agua. Incluso en ausencia de agua, el cloruro de hidrógeno puede seguir actuando como ácido. Por ejemplo, el cloruro de hidrógeno puede disolverse en otros disolventes como el metanol :
El cloruro de hidrógeno puede protonar moléculas o iones y también puede servir como catalizador ácido para reacciones químicas donde se desean condiciones anhidras (sin agua).
Debido a su naturaleza ácida, el cloruro de hidrógeno es una sustancia corrosiva , particularmente en presencia de humedad.
El HCl congelado experimenta una transición de fase a 98,4 K. La difracción de rayos X en polvo del material congelado muestra que el material cambia de una estructura ortorrómbica a una cúbica durante esta transición. En ambas estructuras, los átomos de cloro están en una disposición centrada en las caras . Sin embargo, no se pudieron localizar los átomos de hidrógeno. [10] El análisis de los datos espectroscópicos y dieléctricos, y la determinación de la estructura del DCl (cloruro de deuterio) indican que el HCl forma cadenas en zigzag en el sólido, al igual que el HF (véase la figura de la derecha). [11]
El espectro infrarrojo del cloruro de hidrógeno gaseoso, que se muestra a la izquierda, consta de una serie de líneas de absorción nítidas agrupadas alrededor de 2886 cm −1 (longitud de onda ~3,47 μm). A temperatura ambiente, casi todas las moléculas están en el estado vibracional fundamental v = 0. Si se incluye la anarmonicidad, la energía vibracional se puede escribir como:
Para promover una molécula de HCl del estado v = 0 al estado v = 1, esperaríamos ver una absorción infrarroja alrededor de ν o = ν e + 2 x e ν e = 2880 cm −1 . Sin embargo, esta absorción correspondiente a la rama Q no se observa debido a que está prohibida por simetría. En cambio, se ven dos conjuntos de señales (ramas P y R) debido a un cambio simultáneo en el estado rotacional de las moléculas. Debido a las reglas de selección mecánica cuántica, solo se permiten ciertas transiciones rotacionales. Los estados se caracterizan por el número cuántico rotacional J = 0, 1, 2, 3, ... Las reglas de selección establecen que Δ J solo puede tomar valores de ±1.
El valor de la constante rotacional B es mucho menor que el vibracional ν o , de modo que se requiere una cantidad mucho menor de energía para rotar la molécula; para una molécula típica, esto se encuentra dentro de la región de microondas. Sin embargo, la energía vibracional de la molécula de HCl coloca sus absorciones dentro de la región infrarroja, lo que permite que un espectro que muestra las transiciones rovibratorias de esta molécula se recopile fácilmente utilizando un espectrómetro infrarrojo con una celda de gas. Esta última incluso puede estar hecha de cuarzo, ya que la absorción del HCl se encuentra en una ventana de transparencia para este material.
El cloro, abundante en la naturaleza, consta de dos isótopos, 35 Cl y 37 Cl, en una proporción de aproximadamente 3:1. Si bien las constantes de resorte son casi idénticas, las masas reducidas dispares de H 35 Cl y H 37 Cl causan diferencias mensurables en la energía rotacional, por lo que se observan dobletes al inspeccionar de cerca cada línea de absorción, ponderados en la misma proporción de 3:1.
La mayor parte del cloruro de hidrógeno producido a escala industrial se utiliza para la producción de ácido clorhídrico . [13]
En el siglo XVII, Johann Rudolf Glauber de Karlstadt am Main, Alemania, utilizó sal de cloruro de sodio y ácido sulfúrico para la preparación de sulfato de sodio en el proceso de Mannheim , liberando cloruro de hidrógeno. Joseph Priestley de Leeds, Inglaterra, preparó cloruro de hidrógeno puro en 1772, [14] y en 1808 Humphry Davy de Penzance, Inglaterra, había demostrado que la composición química incluía hidrógeno y cloro . [15]
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.
La reacción también puede desencadenarse por la luz azul. [16]
La producción industrial de cloruro de hidrógeno suele estar integrada con la formación de compuestos orgánicos clorados y fluorados , por ejemplo, teflón , freón y otros CFC , así como ácido cloroacético y PVC . A menudo, esta producción de ácido clorhídrico se integra con su uso in situ. En las reacciones químicas , los átomos de hidrógeno del hidrocarburo se sustituyen por átomos de cloro, con lo que el átomo de hidrógeno liberado se recombina con el átomo sobrante de la molécula de cloro, formando cloruro de hidrógeno. La fluoración es una reacción posterior de sustitución del cloro, que produce de nuevo cloruro de hidrógeno:
El cloruro de hidrógeno resultante se reutiliza directamente o se absorbe en agua, dando lugar a ácido clorhídrico de grado técnico o industrial.
Se pueden generar pequeñas cantidades de cloruro de hidrógeno para uso en laboratorio en un generador de HCl deshidratando el ácido clorhídrico con ácido sulfúrico o cloruro de calcio anhidro . Alternativamente, el HCl se puede generar mediante la reacción del ácido sulfúrico con cloruro de sodio: [17]
Esta reacción se produce a temperatura ambiente. Si queda NaCl en el generador y se calienta por encima de los 200 °C, la reacción continúa:
Para que estos generadores funcionen, los reactivos deben estar secos.
El cloruro de hidrógeno también se puede preparar mediante la hidrólisis de ciertos compuestos de cloruro reactivos, como los cloruros de fósforo , el cloruro de tionilo ( SOCl 2 ) y los cloruros de acilo . Por ejemplo, se puede verter agua fría gradualmente sobre pentacloruro de fósforo ( PCl 5 ) para obtener HCl:
La mayor parte del cloruro de hidrógeno se consume en la producción de ácido clorhídrico. También se utiliza en la producción de cloruro de vinilo y muchos cloruros de alquilo . [13] El triclorosilano , un precursor del silicio ultrapuro, se produce mediante la reacción del cloruro de hidrógeno y el silicio a unos 300 °C. [18]
Alrededor de 900, los autores de los escritos árabes atribuidos a Jabir ibn Hayyan (latín: Geber) y el médico y alquimista persa Abu Bakr al-Razi (c. 865-925, latín: Rhazes) estaban experimentando con sal amoniacal ( cloruro de amonio ), que cuando se destilaba junto con vitriolo ( sulfatos hidratados de varios metales) producía cloruro de hidrógeno. [19] Es posible que en uno de sus experimentos, al-Razi se topara con un método primitivo para producir ácido clorhídrico . [20] Sin embargo, parece que en la mayoría de estos primeros experimentos con sales de cloruro , los productos gaseosos se descartaban, y es posible que el cloruro de hidrógeno se haya producido muchas veces antes de que se descubriera que se puede utilizar en productos químicos. [21]
Uno de los primeros usos de este tipo fue la síntesis de cloruro de mercurio (II) (sublimado corrosivo), cuya producción a partir del calentamiento del mercurio con alumbre y cloruro de amonio o con vitriolo y cloruro de sodio se describió por primera vez en De aluminibus et salibus ("Sobre alumbres y sales"), un texto árabe del siglo XI o XII falsamente atribuido a Abu Bakr al-Razi y traducido al latín por Gerardo de Cremona (1144-1187). [22]
Otro desarrollo importante fue el descubrimiento de pseudo-Geber (en De inventione veritatis , "Sobre el descubrimiento de la verdad", después de c. 1300) de que añadiendo cloruro de amonio al ácido nítrico , se podía producir un disolvente fuerte capaz de disolver el oro (es decir, agua regia ). [23]
Después del descubrimiento a finales del siglo XVI del proceso por el cual se puede preparar ácido clorhídrico sin mezclar, [24] se reconoció que este nuevo ácido (entonces conocido como espíritu de sal o acidum salis ) liberaba cloruro de hidrógeno vaporoso, que se llamó aire ácido marino . En el siglo XVII, Johann Rudolf Glauber utilizó sal ( cloruro de sodio ) y ácido sulfúrico para la preparación de sulfato de sodio , liberando gas de cloruro de hidrógeno (ver producción, arriba). En 1772, Carl Wilhelm Scheele también informó sobre esta reacción y a veces se le atribuye su descubrimiento. Joseph Priestley preparó cloruro de hidrógeno en 1772, y en 1810 Humphry Davy estableció que está compuesto de hidrógeno y cloro . [25]
Durante la Revolución Industrial , aumentó la demanda de sustancias alcalinas como el carbonato de sodio , y Nicolas Leblanc desarrolló un nuevo proceso a escala industrial para producir carbonato de sodio. En el proceso Leblanc , la sal se convertía en carbonato de sodio, utilizando ácido sulfúrico, piedra caliza y carbón, dando como subproducto cloruro de hidrógeno. Inicialmente, este gas se ventilaba al aire, pero la Ley de Álcalis de 1863 prohibía dicha liberación, por lo que los productores de carbonato de sodio absorbieron el gas residual de HCl en agua, produciendo ácido clorhídrico a escala industrial. Más tarde, se desarrolló el proceso Hargreaves, que es similar al proceso Leblanc excepto que se utilizan dióxido de azufre , agua y aire en lugar de ácido sulfúrico en una reacción que es exotérmica en general. A principios del siglo XX, el proceso Leblanc fue reemplazado efectivamente por el proceso Solvay , que no producía HCl. Sin embargo, la producción de cloruro de hidrógeno continuó como un paso en la producción de ácido clorhídrico.
Los usos históricos del cloruro de hidrógeno en el siglo XX incluyen hidrocloraciones de alquinos para producir los monómeros clorados cloropreno y cloruro de vinilo , que posteriormente se polimerizan para producir policloropreno ( neopreno ) y cloruro de polivinilo (PVC), respectivamente. En la producción de cloruro de vinilo, el acetileno ( C 2 H 2 ) se hidroclora añadiendo el HCl a través del triple enlace de la molécula de C 2 H 2 , convirtiendo el triple enlace en un doble enlace , produciendo cloruro de vinilo.
El "proceso acetileno", utilizado hasta la década de 1960 para fabricar cloropreno , comienza uniendo dos moléculas de acetileno y luego agrega HCl al intermedio unido a través del triple enlace para convertirlo en cloropreno como se muestra aquí:
Este "proceso de acetileno" ha sido reemplazado por un proceso que agrega Cl2 al doble enlace del etileno y la eliminación posterior produce HCl en su lugar, así como cloropreno.
El cloruro de hidrógeno forma ácido clorhídrico corrosivo al entrar en contacto con el agua presente en los tejidos corporales. La inhalación de los vapores puede provocar tos , asfixia , inflamación de la nariz, la garganta y las vías respiratorias superiores y, en casos graves, edema pulmonar , insuficiencia del sistema circulatorio y muerte. [26] El contacto con la piel puede provocar enrojecimiento, dolor y quemaduras químicas graves . El cloruro de hidrógeno puede provocar quemaduras graves en los ojos y daño ocular permanente.
La Administración de Seguridad y Salud Ocupacional de los Estados Unidos y el Instituto Nacional de Seguridad y Salud Ocupacional han establecido límites de exposición ocupacional para el cloruro de hidrógeno en un máximo de 5 ppm (7 mg/m 3 ), [27] y han recopilado amplia información sobre las preocupaciones de seguridad en el lugar de trabajo relacionadas con el cloruro de hidrógeno. [28]
p. 343: Cuando se calentó potasio en gas de ácido muriático [es decir, cloruro de hidrógeno gaseoso], tan seco como se podía obtener por medios químicos comunes, se produjo una acción química violenta con ignición; y cuando el potasio estuvo en cantidad suficiente, el gas de ácido muriático desapareció por completo, y se desprendió de un tercio a un cuarto de su volumen de hidrógeno, y se formó muriato de potasa [es decir, cloruro de potasio]. (La reacción fue: 2HCl + 2K → 2KCl + H
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