Cloruro de hidrogeno

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 de 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 recibe comúnmente la fórmula HCl.

Reacciones

Fumas de ácido clorhídrico girando papel pH rojo mostrando que los vapores son ácidos

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. En parte debido a su alta polaridad, el HCl es muy soluble en agua (y en otros solventes polares).

Al entrar en contacto, H₂O y HCl se combinan para formar cationes hidronio [H₃O]⁺ y aniones de cloruro Cl⁻ a través de una reacción química reversible:

HCl + H₂O → [H₃O]⁺ + Cl⁻

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 aún puede actuar como un ácido. Por ejemplo, el cloruro de hidrógeno puede disolverse en otros solventes como el metanol:

HCl + CH₃Oh!₃Oh.₂]⁺ + Cl⁻

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, especialmente en presencia de humedad.

Estructura y propiedades

La estructura de DCl sólido, determinada por la difracción de neutrones de polvo DCl a 77 K. DCl fue utilizado en lugar de HCl porque el núcleo de deuterio es más fácil de detectar que el núcleo de hidrógeno. La estructura lineal extensible es indicada por las líneas desgarradas.

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 matriz centrada en las caras. Sin embargo, los átomos de hidrógeno no pudieron ser localizados. 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 (consulte la figura de la derecha).

espectro de absorción infrarrojos (IR)

Una doble en el espectro IR resultante de la composición isotópica de cloro

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 se encuentran en el estado vibratorio fundamental v = 0. Incluyendo la anarmonía, la energía vibratoria se puede escribir como.

Ev=h.. e()v+12)+hxe.. e()v+12)2{displaystyle E_{mathrm}=hnu _{e}left(v+{tfrac} {1}{2}right)+hx_{e}nu ¿Qué?

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 + 2x_eν_e = 2880 cm⁻¹. Sin embargo, esta absorción correspondiente a la rama Q no se observa por estar 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, 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 ΔJ solo puede tomar valores de ± 1.

E()J)rot=h⋅ ⋅ B⋅ ⋅ J()J+1){displaystyle E(J)_{mathrm {rot}=hcdot Bcdot J(J+1)}

El valor de la constante de rotación B es mucho menor que el de la vibración ν_o, de modo que se consume una cantidad de energía mucho menor requerido para rotar la molécula; para una molécula típica, esto se encuentra dentro de la región de microondas. Sin embargo, la energía vibratoria de la molécula de HCl coloca 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 incluso ser de cuarzo ya que la absorción de HCl se encuentra en una ventana de transparencia para este material.

El cloro naturalmente abundante consta de dos isótopos, ³⁵Cl y ³⁷Cl, en una proporción de aproximadamente 3:1. Si bien las constantes de resorte son casi idénticas, las masas reducidas dispares de H³⁵Cl y H³⁷Cl causan diferencias medibles en la energía de rotación, por lo que se observan dobletes en una inspección cercana de cada línea de absorción, ponderada en la misma proporción de 3:1.

Producción

La mayor parte del cloruro de hidrógeno producido a escala industrial se utiliza para la producción de ácido clorhídrico.

Rutas históricas

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, y en 1808 Humphry Davy de Penzance, Inglaterra, demostró que la composición química incluía hidrógeno y cloro.

Síntesis directa

El cloruro de hidrógeno se produce combinando cloro e hidrógeno:

Cl₂ + H₂ → 2 HCl

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 como resultado ácido clorhídrico químicamente puro. Esta reacción puede dar un producto muy puro, p. para su uso en la industria alimentaria.

La reacción también puede ser provocada por la luz azul.

Síntesis orgánica

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 en el sitio. En las reacciones químicas, los átomos de hidrógeno del hidrocarburo se reemplazan por átomos de cloro, después de 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 reemplazo de cloro, que produce nuevamente cloruro de hidrógeno:

RH + Cl₂ → RCl + HCl

RCl + HF → RF + HCl

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.

Métodos de laboratorio

Se pueden generar pequeñas cantidades de cloruro de hidrógeno para uso de laboratorio en un generador de HCl al deshidratar ácido clorhídrico con ácido sulfúrico o cloruro de calcio anhidro. Alternativamente, el HCl se puede generar mediante la reacción de ácido sulfúrico con cloruro de sodio:

NaCl + H₂SO₄ → NaHSO4 + HCl

Esta reacción ocurre a temperatura ambiente. Siempre que quede NaCl en el generador y se caliente a más de 200 °C, la reacción continúa:

NaCl + NaHSO₄ → HCl + Na2SO4

Para que dichos generadores funcionen, los reactivos deben estar secos.

El cloruro de hidrógeno también se puede preparar mediante la hidrólisis de ciertos compuestos clorados reactivos, como los cloruros de fósforo, el cloruro de tionilo (SOCl₂) y cloruros de acilo. Por ejemplo, se puede verter gradualmente agua fría sobre pentacloruro de fósforo (PCl₅) para obtener HCl:

PCl₅ + H₂O → POCl3 + 2 HCl

Aplicaciones

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. El triclorosilano se produce usando HCl:

Si + 3 HCl → HSiCl₃ + H₂

Historia

Alrededor del año 900, los autores de los escritos árabes atribuidos a Jabir ibn Hayyan (en latín: Geber) y al médico y alquimista persa Abu Bakr al-Razi (c. 865–925, en latín: Rhazes) estaban experimentando con sal amoniacal (cloruro de amonio), que al ser destilado junto con vitriolo (sulfatos hidratados de varios metales) producía cloruro de hidrógeno. Es posible que en uno de sus experimentos, al-Razi se topara con un método primitivo para producir ácido clorhídrico. Sin embargo, parece que en la mayoría de estos primeros experimentos con sales de cloruro, los productos gaseosos se descartaron y es posible que se haya producido cloruro de hidrógeno muchas veces antes de que se descubriera que se puede utilizar químicamente.

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 el De aluminibus et salibus ("Sobre alumbres y sales"), un texto árabe del siglo XI o XII atribuido falsamente a Abu Bakr al-Razi y traducido al latín por Gerardo de Cremona (1144-1187).).

Otro avance importante fue el descubrimiento de pseudo-Geber (en el De inventione veritatis, "Sobre el descubrimiento de la verdad", después de c. 1300) de que al agregar cloruro de amonio al ácido nítrico, se podría producir un solvente fuerte capaz de disolver el oro (es decir, aqua regia).

Después del descubrimiento a finales del siglo XVI del proceso mediante el cual se puede preparar ácido clorhídrico puro, se reconoció que este nuevo ácido (entonces conocido como espíritu de sal o acidum salis ) liberaba cloruro de hidrógeno en forma de vapor, que se denominó aire ácido marino. En el siglo XVII, Johann Rudolf Glauber usó 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.

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 el carbonato de sodio. En el proceso Leblanc, la sal se convertía en carbonato de sodio utilizando ácido sulfúrico, piedra caliza y carbón, lo que generaba cloruro de hidrógeno como subproducto. Inicialmente, este gas se ventilaba al aire, pero la Ley de álcalis de 1863 prohibió tal liberación, por lo que los productores de carbonato de sodio absorbieron el gas residual de HCl en el agua, produciendo ácido clorhídrico a escala industrial. Más tarde, se desarrolló el proceso Hargreaves, que es similar al proceso Leblanc excepto que se usa 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 efectivamente reemplazado 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, acetileno (C₂H₂ ) se hidroclora agregando HCl a través del triple enlace del C₂H₂ molécula, convirtiendo el triple en un doble enlace, produciendo cloruro de vinilo.

El "proceso de 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 de etileno en su lugar, y la eliminación posterior produce HCl en su lugar, así como cloropreno.

Seguridad

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 causar 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. 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 daño ocular permanente.

La Administración de Salud y Seguridad Ocupacional de EE. UU. y el Instituto Nacional para la Salud y Seguridad Ocupacional han establecido límites de exposición ocupacional para el cloruro de hidrógeno en un límite máximo de 5 ppm (7 mg/m³), y compilaron amplia información sobre preocupaciones de seguridad en el lugar de trabajo con cloruro de hidrógeno.