خواص فیزیکی اسید کلریدریک

مقدمه

اسید هیدروکلریک (HCl) یک اسید معدنی بسیار مهم است که به خاطر خاصیت خورندگی شدید و طیف وسیعی از کاربردها شناخته می شود. به این اسید همچنین جوهر نمک یا روح نمک نیز گفته می شود و به طور طبیعی به عنوان جزئی از اسید معده در معده انسان یافت می شود. خرید اسید کلریدریک معمولاً توسط صنایع مختلفی مانند فلزکاری، پتروشیمی، تصفیه آب و تولید مواد شیمیایی انجام می‌ گیرد، زیرا این ماده در فرآیندهای گوناگون صنعتی نقشی اساسی دارد. اسید هیدروکلریک دارای فرمول شیمیایی HCl است که از یک اتم هیدروژن و یک اتم کلر تشکیل شده است. در عمل، این اسید معمولاً به محلول آبی گاز هیدروژن کلرید گفته می‌ شود، نه به شکل گازی خالص آن. این ماده به صورت مایع شفاف و بی‌ رنگ با بوی تند و زننده شناخته می‌ شود و در دسته‌ ی اسیدهای قوی قرار دارد، زیرا در آب به طور کامل تفکیک (یونیزه) شده و یون‌ های هیدرونیوم و کلرید آزاد می‌ کند. در صنعت و آزمایشگاه‌ ها، اسید هیدروکلریک به عنوان یک معرف همه‌ کاره و ارزشمند مورد استفاده قرار می‌ گیرد، اما کار کردن با آن نیاز به توجه ویژه‌ ای به خواص فیزیکی مانند فراریت، چگالی و واکنش‌ پذیری دارد. در بخش‌ های بعدی، به طور مفصل به بررسی خواص فیزیکی کلیدی اسید هیدروکلریک خواهیم پرداخت، از جمله حالت آن، ظاهر، بو، چگالی، نقاط تغییر فاز، انحلال‌ پذیری و سایر ویژگی‌ های مهم آن.

تعریف و ترکیب شیمیایی

اسید هیدروکلریک محلول گاز هیدروژن کلرید (HCl) در آب است. از نظر شیمیایی، از مولکول های دواتمی قطبی تشکیل شده است که هر یک شامل یک اتم هیدروژن و یک اتم کلر (H–Cl) هستند. ساختار و فرمول شیمیایی اسید کلریدریک نشان می‌ دهد که این ماده از پیوندی میان اتم هیدروژن با عدد اکسایش +۱ و اتم کلر با عدد اکسایش -۱ تشکیل شده است و در نتیجه ترکیبی ساده اما بسیار واکنش‌ پذیر به وجود می‌ آورد. هیدروژن کلرید در حالت خالص و بی آب، در دمای اتاق به صورت گاز است. اما زمانی که در آب حل شود، اسید هیدروکلریک را تشکیل می دهد یعنی یک محلول مایع که ویژگی های معمول یک اسید قوی را داراست. این محلول در اصل مخلوط یونی یون H+به صورت هیدرونیوم، H3O+ و یون Cl−در آب است. اسید هیدروکلریک تک پروتونی است، به این معنا که هر مولکول آن می تواند یک پروتون (H+) آزاد کند. پیوند H–Cl بسیار قطبی است و این خاصیت باعث می شود HCl به شدت در آب حل شود، زیرا مولکول های آن به راحتی یونیزه می شوند. اسید هیدروکلریک غلیظ تجاری معمولاً حدود ۳۷٪ وزنی HCl است و بقیه آن آب می باشد. این غلظت بیشترین میزانی است که گاز HCl می تواند در شرایط معمول در آب حل شود. ترکیب شیمیایی و یونش کامل این اسید در آب، اساس بسیاری از رفتارها و ویژگی های فیزیکی آن است که در ادامه به آن ها پرداخته خواهد شد.

گاز هیدروژن کلرید در برابر اسید هیدروکلریک (محلول آبی)

باید بین هیدروژن کلرید بدون آب و اسید هیدروکلریک محلول در آب تفاوت قائل شد. هیدروژن کلرید بدون آب در شرایط استاندارد یک گاز بی رنگ است نقطه ذوب –۱۱۴ °C و نقطه جوش –۸۵ °C . در مقابل اسید هیدروکلریک به محلول مایع این گاز در آب اطلاق می شود. خود این گاز بی رنگ است اما هنگام مواجهه با هوای مرطوب، بخارات اسیدی ایجاد می کند. وقتی گاز هیدروژن کلرید را در آب وارد کنند، به طور گرمازا حل می شود و اسید مایع تولید می کند. گاز خالص HCl را می توان با سرد کردن یا اعمال فشار به مایع تبدیل کرد، اما در خارج از شرایط تحت کنترل معمولاً از این شکل آن استفاده نمی شود. شکل اسیدی محلول در آب آن برای استفاده و حمل و نقل بسیار عملی تر است. محلول های اسید هیدروکلریک می توانند از محلول های بسیار رقیق (تقریباً مشابه آب) تا محدوده غلیظ ۳۲–۳۸٪ متغیر باشند. در غلظت های بالاتر از حدود ۴۰٪ HCl، محلول در دمای اتاق پایدار نمی ماند زیرا هیدروژن کلرید اضافی خود به خود به صورت گاز از محلول خارج می شود. بنابراین اسید هیدروکلریک غلیظ در آزمایشگاه ها معمولاً در حدود حداکثر ۳۷٪ HCl است، در حالی که اصطلاح اسید هیدروکلریک دودکننده ممکن است به محلول های بالای ۴۰٪ اشاره داشته باشد که مقادیر زیادی بخارات HCl آزاد می کنند.

ظاهر و رنگ

در فرم خالص اسید هیدروکلریک یک مایع شفاف و بی رنگ است که از نظر ظاهری شبیه آب می باشد. وقتی بدون ناخالصی باشد، فاقد هرگونه رنگ مشخص است. اسید موجود در بازار گاهی ممکن است به دلیل آثار اندک آهن محلول، کلر یا ناخالصی های آلی به رنگ زرد کمرنگ دیده شود، اما خود اسید ذاتاً فاقد رنگ است. این محلول قوامی آب مانند دارد و در صورت غلیظ بودن، در هوا بخارات قابل رؤیتی تولید می کند. زمانی که اسید HCl غلیظ در معرض هوای آزاد قرار گیرد، ممکن است غبار یا بخار سفید رنگی بالای مایع مشاهده شود. این کدورت به دلیل خروج گاز HCl از محلول و جذب سریع رطوبت هوا ایجاد می شود، که باعث تشکیل قطرات ریز (آئروسل) اسید هیدروکلریک می شود و این قطرات نور را پراکنده می کنند. جدای از این پدیده بخار کردن، یک ظرف حاوی اسید هیدروکلریک خالص مانند یک مایع شفاف و بی رنگ به نظر می رسد. در محلول خالص هیچ ذرات معلق یا کدورتی وجود ندارد. بی رنگ بودن یک نشان دهنده مفید برای خلوص است؛ هرگونه رنگی (زرد، قهوه ای و غیره) معمولاً نشان دهنده حضور ناخالصی ها یا مواد آلی تجزیه شده می باشد.

بو و بخارات

اسید هیدروکلریک به خاطر بوی تند و تیز خود به خوبی شناخته شده است. حتی محلول های با غلظت متوسط نیز گاز هیدروژن کلرید را بر فراز مایع آزاد می کنند که بویی تند و خفه کننده دارد و می تواند دستگاه تنفسی را تحریک کند. اغلب این بو به صورت گازاننده یا گزنده توصیف می شود و به عنوان یک خاصیت هشدار دهنده عمل می کند، زیرا استنشاق این بخارات می تواند زیان آور باشد. وقتی بطری حاوی اسید HCl غلیظ باز شود، بخارات گاز HCl خارج شده و با رطوبت هوا مخلوط می شوند و ابری سفید و قابل مشاهده ایجاد می کنند. این بخارات خورنده هستند و می توانند باعث سرفه و احساس سوزش در بینی و گلو شوند. تمایل اسید هیدروکلریک غلیظ به بخار کردن به دلیل فشار بخار بالای آن است گاز HCl به راحتی محلول را ترک می کند. در هوای مرطوب HCl خروجی یک مه ریز از قطرات اسید هیدروکلریک تشکیل می دهد که به دود غلیظ افزوده می شود. آستانه بویایی برای گاز HCl نسبتاً پایین است، به این معنی که انسان ها می توانند آن را در غلظت های کم حس کنند که این برای ایمنی مفید است. با این حال، باید احتیاط کرد زیرا بخارات از هوا سنگین تر هستند و می توانند در مناطق پایین تجمع کنند. تهویه مناسب هنگام کار با اسید غلیظ HCl برای جلوگیری از استنشاق بخارات تحریک کننده آن ضروری است.

چگالی و وزن مخصوص

محلول های اسید هیدروکلریک از آب چگال تر هستند و با افزایش غلظت، چگالی آن ها نیز بالا می رود. برای مثال آب خالص در ۲۰ °C چگالی حدود ۱٫۰۰ g/mL دارد، در حالی که یک محلول ۳۷٪ اسید هیدروکلریک چگالی اش در حدود ۱٫۱۸ g/mL است. حتی یک محلول ۱۰٪ اسید حدود ۱٫۰۵ g/mL است، پس اسید حتی در غلظت های متوسط هم از آب سنگین تر می باشد. با افزایش درصد HCl، چگالی پیوسته افزایش می یابد مثلاً در ۲۰٪ حدود ۱٫۱۰ و در ۳۰٪ حدود ۱٫۱۵ g/mL. این بدان معناست که اسید هیدروکلریک در صورت عدم اختلاط با آب، به زیر آب می رود. در کاربرد عملی اغلب وزن مخصوص محلول HCl اندازه گیری می شود تا غلظت آن تخمین زده شود، زیرا بین قدرت اسید و چگالی رابطه مستقیمی وجود دارد. شایان ذکر است که مقادیر چگالی معمولاً در دمای استاندارد حدود ۲۰ °C بیان می شوند و مانند اغلب مایعات، اسید با افزایش دما کمی کم چگال تر می شود. در مجموع اسید HCl غلیظ حدود ۱٫۲ برابر سنگین تر از حجم مساوی آب است.

نقطه ذوب و نقطه انجماد

افزودن HCl به آب نقطه انجماد محلول را به شدت کاهش می دهد. حتی مقدار کمی اسید باعث افت محسوس نقطه انجماد می شود؛ برای مثال، یک محلول ۱۰٪ HCl در حدود –۱۸ °C منجمد می شود در حالی که آب خالص در ۰ °C یخ می زند. با افزایش غلظت HCl، نقطه انجماد همچنان پایین تر می آید و تقریباً در –۶۰ °C حوالی ۲۰٪ HCl به حداقل می رسد. در آن غلظت، محلول به صورت یک ترکیب یوتکتیک بلور هیدراته HCl و آب جامد می شود. اگر غلظت اسید از آن نقطه بیشتر شود، نقطه انجماد دوباره شروع به بالا رفتن می کند. یک اسید تقریباً اشباع شده حدود ۳۷٪ HCl در حدود –۲۵ °C منجمد خواهد شد. به بیان عملی این بدان معناست که اسید هیدروکلریک غلیظ تا دماهایی بسیار پایین تر از نقطه انجماد آب نیز به حالت مایع باقی می ماند و تنها در سرماهای بسیار شدید بلورین می شود. همچنین هنگام انجماد نیز به جای یخ خالص، بلورهای هیدراته تشکیل می دهد. بنابراین حتی در اقلیم های بسیار سرد، محلول اسید هیدروکلریک تا زمانی که دما به شدت پایین نیاید منجمد نخواهد شد.

نقطه جوش و فشار بخار

نقطه جوش محلول های اسید هیدروکلریک مقدار ثابتی ندارد و با غلظت اسید تغییر می کند. یک محلول بسیار رقیق فقط چند درصد HCl تقریباً در ۱۰۰ °C می جوشد، مشابه آب خالص. با افزایش غلظت، نقطه جوش بالا می رود و در حدود ۱۰۸ °C برای محلول حاوی حدود ۲۰٪ HCl به حداکثر می رسد. این ترکیب یک آزئوتروپ است، یعنی بدون تغییر در نسبت HCl به آب می جوشد. اگر غلظت اسید بیش از ۲۰٪ باشد، در واقع در دمای پایین تری به جوش می آید چون HCl به صورت ترجیحی تبخیر می شود. برای مثال یک محلول ۳۷٪ (اسید غلیظ) ممکن است در حدود ۵۰–۶۰ °C شروع به جوشیدن کند و بخارات اسیدی زیادی آزاد خواهد کرد. در حقیقت، جوشاندن هر محلول HCl قوی تر از آزئوتروپ باعث می شود گاز HCl خارج شود تا مخلوط دوباره به حدود ۲۰٪ HCl برگردد. به علت فراریت بالای هیدروژن کلرید، اسید هیدروکلریک غلیظ حتی در دمای اتاق نیز فشار بخار قابل توجهی دارد که علت بخار کردن آن در هوا است. در خلاصه، بالاترین نقطه جوش در یک غلظت متوسط ~۲۰٪ HCl مشاهده می شود، در حالی که محلول های رقیق تر یا غلیظ تر در دماهای پایین تری می جوشند.

حلالیت در آب و تشکیل آزئوتروپ

گاز هیدروژن کلرید در آب به شدت حل می شود. در ۰ °C، یک حجم آب می تواند تقریباً ۵۰۰ حجم از گاز HCl را در خود حل کند و اسید هیدروکلریک تشکیل دهد. فرآیند حل شدن آن بسیار گرمازا است و حرارت زیادی آزاد می کند. به دلیل این حلالیت قوی، می توان با وارد کردن گاز HCl به آب یک اسید بسیار غلیظ تهیه کرد. حداکثر غلظتی که در شرایط محیطی می توان به آن دست یافت حدود ۳۸–۴۰٪ وزنی HCl است. اگر تلاش شود بیش از این مقدار گاز به محلول اضافه شود، گاز اضافی در محلول باقی نخواهد ماند (به سادگی از آن خارج می شود). این رفتار با مخلوط ثابت جوش (آزئوتروپ) نیز مرتبط است: حدود یک محلول ۲۰٪ HCl ترکیبی است که محلول به گونه ای می جوشد که غلظت آن تغییر نمی کند. در صنعت، اسید هیدروکلریک غلیظ با جذب گاز هیدروژن کلرید در آب تا رسیدن به حالت اشباع تولید می شود (اغلب با خنک کردن امکان دستیابی به غلظت کمی بالاتر را فراهم می کنند). نکته مهم این است که HCl در هر نسبتی با آب قابل اختلاط است، اما محلول های بالاتر از حدود ۴۰٪ را نمی توان در دما و فشار معمول بدون روش های ویژه حفظ کرد.

توزیع درصدی تاثیر ویژگی های حرارتی و سیالیتی در پایداری فیزیکی اسید کلریدریک

گرانروی و ویژگی های جریان

محلول های اسید هیدروکلریک بسیار روان هستند و تنها اندکی از آب گرانروی بیشتری دارند. در دمای ۲۰ °C، گرانروی آب حدود ۱ mPa·s (میلی پاسکال ثانیه) است، در حالی که اسید هیدروکلریک ~۳۷٪ حدود ۱٫۸–۲٫۰ mPa·s می باشد. به عبارت دیگر گرانروی اسید حدود دو برابر آب است، اما همچنان بسیار پایین بوده و اجازه می دهد به راحتی جاری شده و ریخته شود. محلول های رقیق HCl دارای گرانروی نزدیک به آب هستند. افزایش جزئی گرانروی در غلظت های بالاتر ناشی از برهم کنش های بین مولکولی قوی (مانند پیوند هیدروژنی و نیروهای یون دوقطبی) بین مولکول ها و یون های محلول است. با این حال، تحت شرایط معمول تفاوت محسوسی در سیالیت بین آب و اسید هیدروکلریک مشاهده نخواهید کرد. تنها در دماهای بسیار پایین، زمانی که اسید نزدیک نقطه انجماد خود بوده و شروع به تشکیل بلورهای هیدراته می کند، به طور محسوس غلیظ تر می شود. در شرایط عادی ویژگی های جریان اسید هیدروکلریک شبیه به آب است (صرف نظر از خورندگی آن).

گرمای ویژه و گرمای رقیق سازی

محلول های اسید هیدروکلریک گرمای ویژه کمتری نسبت به آب دارند، یعنی برای گرم شدن به گرمای کمتری نیاز دارند. برای مثال اسید غلیظ HCl تقریباً نیمی از ظرفیت حرارتی آب را دارد. در نتیجه، اسید سریع تر از آب گرم و سرد می شود. این واقعیت همچنین به فرایند رقیق سازی مربوط است: حل شدن گاز هیدروژن کلرید در آب مقدار زیادی گرما آزاد می کند (این اختلاط بسیار گرمازا است). بنابراین رقیق کردن اسید هیدروکلریک غلیظ می تواند باعث افزایش شدید دمای محلول شود. یک توصیه ایمنی رایج این است که همیشه اسید را به آب اضافه کنید نه برعکس، تا گرما بهتر پخش شود و از پاشیده شدن خطرناک جلوگیری گردد. حتی افزودن مقدار کمی اسید قوی به آب نیز باعث افزایش محسوس دما می شود. در مجموع اسید هیدروکلریک به اندازه آب گرما را در خود نگه نمی دارد و مخلوط کردن آن با آب گرمای قابل توجهی آزاد می کند که هر دوی این موارد در حین کار ایمن با آن حائز اهمیت هستند.

اسیدیته و pH

اسید هیدروکلریک یک اسید قوی است، به این معنی که در محلول pH های بسیار پایینی ایجاد می کند. برای مثال، یک محلول 0.1 مولار HCl دارای pH حدود 1.0 (بسیار اسیدی) است. در غلظت 1 مولار، pH در حدود 0 است و در محلول های بسیار غلیظ حدود 10 مولار، یعنی تقریباً 35٪ وزنی HCl pH می تواند تا حدود -1 نیز برسد. چنین pH منفی نشان دهنده فعالیت یون هیدروژن بیش از 1 مول در لیتر است. این مقادیر ممکن هستند زیرا HCl در آب به طور کامل تفکیک می شود و یون H+ (به صورت هیدرونیوم) و Cl−را به طور کامل آزاد می کند. به عبارت دیگر تقریباً هر مولکول HCl افزوده شده به آب به یون تبدیل می شود، برخلاف یک اسید ضعیف که تنها به طور جزئی یونیزه می شود. این یونش کامل، اسید هیدروکلریک را به یکی از قوی ترین اسیدهای موجود تبدیل می کند. اسیدیته بسیار زیاد آن عامل خورندگی شدید و توانایی واکنش شدیدش با بازها است. در مجموع pH محلول های HCl اساساً توسط غلظت آن تعیین می شود و غلظت های بالاتر pH بسیار پایین (حتی منفی) ایجاد می کنند.

رسانایی الکتریکی

چون اسید هیدروکلریک به طور کامل یونیزه می شود، محلول های آن جریان برق را به شکل بسیار موثری هدایت می کنند. حتی محلول های رقیق اسید هیدروکلریک هم رسانایی الکتریکی بسیار بالایی دارد. در غلظت یکسان، HCl یک الکترولیت بسیار قوی تر از یک اسید ضعیف مثل اسید استیک است و همچنین رسانایی آن از بسیاری از نمک ها نیز بیشتر است. رسانایی الکتریکی محلول HCl با افزایش غلظت تا حد معینی بالا می رود. معمولاً در محدوده ~۱۵–۲۰٪ به اوج خود می رسد و افزایش بیشتر غلظت می تواند به دلیل برهم کنش یون ها کمی رسانایی را کاهش دهد. در نقطه اوج، اسید هیدروکلریک یکی از رساناترین محلول های شناخته شده است. این رسانایی فوق العاده تا حدی ناشی از فراوانی یون ها و به ویژه تحرک بسیار بالای یون های هیدروژن در آب است. در عمل، می توان غلظت یک محلول HCl را با اندازه گیری رسانایی آن تعیین کرد، زیرا این رابطه مشخص و قابل استفاده است. در نتیجه، محلول های اسید هیدروکلریک به دلیل یونش کاملشان رسانای بسیار خوبی برای برق هستند.

اثر غلظت بر خواص فیزیکی

خواص فیزیکی اسید هیدروکلریک تا حد زیادی به غلظت آن بستگی دارد. در غلظت های بسیار کم HCl، رفتار محلول نزدیک به رفتار آب خالص است. با افزایش غلظت روندهای مشخصی مشاهده می شود. چگالی پیوسته افزایش می یابد پاسید با حل شدن HCl بیشتر سنگین تر می شود. نقطه جوش ابتدا افزایش یافته و در حدود ۲۰٪ HCl به حداکثر می رسد، سپس در غلظت های بالاتر دوباره کاهش می یابد، زیرا محلول فرارتر می شود. در مقابل نقطه انجماد محلول بسیار پایین تر از ۰ °C می رود و حدود همان غلظت متوسط ~۲۰٪ HCl به کمترین مقدار خود می رسد، سپس برای محلول های غلیظ تر دوباره افزایش می یابد. در همین حال اسیدیته (pH) با افزایش HCl به شدت کاهش می یابد از نزدیک به خنثی در غلظت های بسیار ناچیز تا حدود pH 0 و حتی پایین تر در غلظت های بالا. جدول زیر خلاصه ای از چند خاصیت فیزیکی مهم اسید هیدروکلریک را در غلظت های مختلف نشان می دهد:

غلظت HCl (% وزنی)	چگالی (g/mL)	نقطه جوش (°C)	نقطه انجماد (°C)	pH
10%	1.048	103	–18	–0.5
20%	1.098	108	–59	–0.8
30%	1.149	90	–52	–1.0
32%	1.159	84	–43	–1.0
34%	1.169	71	–36	–1.0
36%	1.179	61	–30	–1.1
38%	1.189	48	–26	–1.1

درجه های تجاری و غلظت ها

اسید هیدروکلریک در درجه ها و خلوص های گوناگونی به صورت تجاری عرضه می شود که عمدتاً بر اساس غلظتشان متمایز می شوند. انواع زیادی از لحاظ غلظت از اسید هیدروکلریک در بازار موجود است. قوی ترین شکل موجود معمولاً حدود ۳۷–۳۸٪ HCl است که به عنوان اسید هیدروکلریک غلیظ شناخته می شود. این همان غلظت استاندارد آزمایشگاهی است که نزدیک به حداکثر مقدار قابل نگهداری در شرایط معمول می باشد. اسید با درجه صنعتی معمولاً دارای غلظت ۳۰٪ تا ۳۵٪ است. در برخی کشورها یک محلول کمی رقیق تر حدود ۳۱–۳۳٪ HCl به نام جوهر نمک برای مصارف مانند تمیزکاری مصالح یا تنظیم pH استخر به فروش می رسد. برای مصارف خانگی، شکل های رقیق تر معمولاً ۱۰٪ تا ۱۵٪ HCl عرضه می شوند که برای تمیزکاری کاربرد دارند. این غلظت های پایین تر همچنان باید با احتیاط استفاده شوند، ولی نسبت به اسید غلیظ بخارات و شدت کمتری دارند. به طور خلاصه، گریدهای رایج شامل درجه آزمایشگاهی (~۳۷٪)، صنعتی (~۳۰٪) و مصرفی (~۱۰–۱۵٪) می باشند. هرچه غلظت اسید بالاتر باشد، خورندگی و واکنش پذیری آن بیشتر است و در هنگام کار نیاز به دقت بیشتری دارد. هنگام تهیه یا استفاده از اسید هیدروکلریک باید به غلظت آن توجه کرد، زیرا این عامل نه تنها قدرت اسیدی بلکه خواص فیزیکی مانند چگالی و نقطه جوش را نیز تحت تاثیر قرار می دهد.