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 vapores 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. Al ácido clorhídrico, la solución acuosa de cloruro de hidrógeno, también se le da comúnmente la fórmula HCl.
El cloruro de hidrógeno es una molécula diatómica , formada por 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 momento dipolar grande 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, H 2 O y HCl se combinan para formar cationes hidronio [H 3 O] + y aniones cloruro Cl − mediante una reacción química reversible :
La solución resultante se llama ácido clorhídrico y es un ácido fuerte . La constante de disociación o ionización del ácido , Ka , 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 actuar como ácido. Por ejemplo, el cloruro de hidrógeno se puede disolver 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 en las que 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 sufre 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 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 (ver figura a 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 definidas agrupadas alrededor de 2886 cm −1 (longitud de onda ~3,47 µm). A temperatura ambiente, casi todas las moléculas se encuentran en el estado vibratorio fundamental v = 0. Incluyendo la anarmonicidad, la energía vibratoria se puede escribir como.
Para promover una molécula de HCl del estado v = 0 al estado v = 1, esperaríamos ver una absorción infrarroja de aproximadamente 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 de rotación de las moléculas. Debido a las reglas de selección de la mecánica cuántica, sólo se permiten determinadas transiciones rotacionales. Los estados se caracterizan por el número cuántico rotacional J = 0, 1, 2, 3, ... las reglas de selección establecen que Δ J sólo puede tomar valores de ±1.
El valor de la constante de rotación B es mucho menor que el de vibración 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 las microondas. Sin embargo, la energía vibratoria de la molécula de HCl sitúa sus absorciones dentro de la región infrarroja, lo que permite recopilar fácilmente un espectro que muestra las transiciones rovibracionales de esta molécula utilizando un espectrómetro infrarrojo con una celda de gas. Este último puede ser incluso de cuarzo, ya que la absorción de HCl se encuentra en una ventana de transparencia para este material.
El cloro, naturalmente abundante, se compone de dos isótopos, 35 Cl y 37 Cl, en una proporción de aproximadamente 3:1. Si bien las constantes del 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, ponderada 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 cloruro de hidrógeno resultante se absorbe en agua desionizada , dando como resultado ácido clorhídrico químicamente puro. Esta reacción puede dar un producto muy puro, por ejemplo para uso en la industria alimentaria.
La reacción también puede desencadenarse con luz azul. [dieciséis]
La producción industrial de cloruro de hidrógeno a menudo se integra 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 cautivo in situ. En las reacciones químicas , los átomos de hidrógeno del hidrocarburo son reemplazados por átomos de cloro, tras lo cual 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 nuevamente cloruro de hidrógeno:
El cloruro de hidrógeno resultante se reutiliza directamente o se absorbe en agua, lo que da como resultado 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, se puede generar HCl mediante la reacción de ácido sulfúrico con cloruro de sodio: [17]
Esta reacción ocurre a temperatura ambiente. Siempre que quede NaCl en el generador y se caliente por encima de 200 °C, la reacción continúa:
Para que dichos 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 cloruros de fósforo , cloruro de tionilo ( SOCl 2 ) y cloruros de acilo . Por ejemplo, se puede gotear gradualmente agua fría sobre pentacloruro de fósforo ( PCl 5 ) para obtener HCl:
La mayor parte del cloruro de hidrógeno se utiliza en la producción de ácido clorhídrico. También se utiliza en la producción de cloruro de vinilo y muchos cloruros de alquilo . [13] El triclorosilano se produce utilizando HCl:
Alrededor del año 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 al destilarlo junto con vitriolo ( sulfatos hidratados de diversos metales) producía cloruro de hidrógeno. [18] Es posible que en uno de sus experimentos, al-Razi tropezara con un método primitivo para producir ácido clorhídrico . [19] Sin embargo, parece que en la mayoría de estos primeros experimentos con sales de cloruro , se descartaron los productos gaseosos y es posible que se haya producido cloruro de hidrógeno muchas veces antes de que se descubriera que se podía utilizar químicamente. [20]
Uno de los primeros usos de este tipo fue la síntesis de cloruro de mercurio (II) (sublimado corrosivo), cuya producción a partir del calentamiento de mercurio con alumbre y cloruro de amonio o con vitriolo y cloruro de sodio se describió por primera vez en De aluminibus et salibus (" De aluminibus et salibus (" Sobre alumbres y sales"), un texto árabe de los siglos XI o XII atribuido falsamente a Abu Bakr al-Razi y traducido al latín por Gerardo de Cremona (1144-1187). [21]
Otro avance importante fue el descubrimiento del pseudo-Geber (en De invente veritatis , "Sobre el descubrimiento de la verdad", después de c. 1300) de que al agregar cloruro de amonio al ácido nítrico , se creaba un solvente fuerte capaz de disolver el oro (es decir, el agua) . regia ) podría producirse. [22]
Después del descubrimiento a finales del siglo XVI del proceso mediante el cual se puede preparar ácido clorhídrico sin mezclar, [23] se reconoció que este nuevo ácido (entonces conocido como espíritu de sal o acidum salis ) liberaba cloruro de hidrógeno en forma de vapor, al que se le llamó ácido marino. aire ácido . En el siglo XVII, Johann Rudolf Glauber utilizó sal ( cloruro de sodio ) y ácido sulfúrico para la preparación de sulfato de sodio , liberando gas cloruro de hidrógeno (ver producción, arriba). En 1772, Carl Wilhelm Scheele también informó de esta reacción y en ocasiones 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 . [24]
Durante la Revolución Industrial , la demanda de sustancias alcalinas como la carbonato de sodio aumentó 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 cloruro de hidrógeno como subproducto. Inicialmente, este gas se liberaba al aire, pero la Ley de Álcalis de 1863 prohibió dicha liberación, por lo que luego los productores de carbonato de sodio absorbieron el gas residual HCl en el agua, produciendo ácido clorhídrico a escala industrial. Posteriormente, se desarrolló el proceso de Hargreaves, que es similar al proceso de Leblanc, excepto que se utilizan dióxido de azufre , agua y aire en lugar de ácido sulfúrico en una reacción que es en general exotérmica. 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 la hidrocloración 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 agregando HCl a través del triple enlace de la molécula C 2 H 2 , convirtiendo el triple en un doble enlace , produciendo cloruro de vinilo.
El "proceso de acetileno", utilizado hasta la década de 1960 para producir 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 Cl 2 al doble enlace del etileno, y la eliminación posterior produce HCl, así como cloropreno.
El cloruro de hidrógeno forma ácido clorhídrico corrosivo al entrar en contacto con el agua que se encuentra en los tejidos corporales. La inhalación de los vapores puede provocar tos , asfixia , inflamación de la nariz, garganta y tracto respiratorio superior y, en casos graves, edema pulmonar , insuficiencia del sistema circulatorio y muerte. El contacto con la piel puede causar enrojecimiento, dolor y quemaduras químicas graves . El cloruro de hidrógeno puede causar quemaduras graves en los ojos y daños oculares permanentes.
La Administración de Salud y Seguridad Ocupacional de EE. UU. y el Instituto Nacional de Seguridad y Salud Ocupacional han establecido límites de exposición ocupacional al cloruro de hidrógeno en un límite máximo de 5 ppm (7 mg/m 3 ), [25] y han recopilado amplia información sobre la seguridad en el lugar de trabajo al cloruro de hidrógeno. preocupaciones. [26]
pag. 343: Cuando se calentaba potasio en gas de ácido muriático [es decir, cloruro de hidrógeno gaseoso], tan seco como podía obtenerse por medios químicos comunes, se producía una acción química violenta con ignición; y cuando el potasio estuvo en cantidad suficiente, el gas ácido muriático desapareció por completo, y de un tercio a un cuarto de su volumen de hidrógeno se desprendió, y se formó muriato de potasa [es decir, cloruro de potasio]. (La reacción fue: 2HCl + 2K → 2KCl +
H2
)
