ساختار و فرمول شیمیایی اسید کلریدریک

مقدمه

اسید هیدروکلریک یک اسید معدنی بسیار قوی و خورنده با فرمول شیمیایی HCl است. این اسید که با نام جوهر نمک نیز شناخته می شود، در واقع محلول آبی گاز کلرید هیدروژن است. این مایع بیرنگ بویی تند و سوزاننده دارد و بسیار اسیدی می باشد. اسید هیدروکلریک قادر است بسیاری از مواد را حل کند و واکنش پذیری شدید خود را نشان دهد. این اسید به طور طبیعی در معده انسان و سایر جانوران به صورت اسید معده وجود دارد و به گوارش غذا کمک می کند. افزون بر نقش زیستی، اسید هیدروکلریک یک ماده شیمیایی ضروری در آزمایشگاه ها و صنایع است.

فرمول شیمیایی و ترکیب اسید هیدروکلریک

اسید هیدروکلریک فرمول شیمیایی ساده HCl دارند، یعنی هر مولکول آن از یک اتم هیدروژن (H) و یک اتم کلر (Cl) تشکیل شده است. به دلیل همین ترکیب یک به یک، هنگام اشاره به گاز خالص آن را کلرید هیدروژن می نامند. در محلول های آبی، HCl به یون های هیدروژن (به صورت یون هیدرونیوم) و یون های کلرید تفکیک می شود، با این حال فرمول مولکولی اش برای محاسبات استوکیومتری همان HCl باقی می ماند. اتم هیدروژن در HCl عدد اتمی ۱ و اتم کلر عدد اتمی ۱۷ دارد که موقعیت آن ها را به ترتیب به عنوان یک نافلز سبک و یک هالوژن نشان می دهد. HClیک اسید تک پروتونی است، یعنی هر مولکول آن می تواند یک پروتون (H⁺) در آب آزاد کند. جرم مولکولی HCl تقریباً ۳۶٫۴۶ گرم بر مول است که ۱٫۰۱ گرم بر مول از هیدروژن و ۳۵٫۴۵ گرم بر مول از کلر تشکیل شده. در حالت جامد (در دماهای بسیار پایین)، گاز هیدروژن کلرید می تواند ساختاری بلوری به صورت شبکه یونی [H₂Cl⁺][Cl⁻] تشکیل دهد، اما در شرایط عادی HCl به صورت گاز یا محلول اسید هیدروکلریک مشاهده می شود. به دلیل ویژگی‌ های منحصر به‌ فرد و کاربردهای گسترده‌ اش در صنایع مختلف، خرید اسید کلریدریک یکی از نیازهای اصلی بسیاری از کارخانه‌ های شیمیایی و آزمایشگاه‌ ها محسوب می‌ شود. فرمول شیمیایی HCl ترکیب ساده اما مؤثر این ماده را نشان می‌ دهد و نبود اکسیژن در ساختار آن، تفاوتش با اسیدهای اکسیژنه مانند H₂SO₄ یا HNO₃ را برجسته می‌ کند.

ساختار مولکولی و پیوند در HCl

ساختار مولکولی هیدروژن کلرید بسیار ساده است؛ این مولکول دیااتمیک از یک اتم H متصل به یک اتم Cl تشکیل شده است. پیوند بین H و Cl یک پیوند کووالانسی یگانه است و چون کلر نسبت به هیدروژن الکترونگاتیوی بسیار بالاتری دارد، این پیوند به شدت قطبی می باشد. مولکول HCl دارای بار جزئی مثبت در سمت اتم هیدروژن و بار جزئی منفی در سمت اتم کلر است، به طوری که یک گشتاور دوقطبی قابل توجه دارد. طول پیوند H–Cl در حدود ۱۲۷ پیکومتر است. این مولکول فقط از دو اتم تشکیل شده و شکل آن خطی است. در حالت مجزا (به صورت گاز یا حل شده در حلال های ناقطبی) HCl به صورت مولکول های جدا از هم باقی می ماند. برخلاف آب، HCl بین مولکول های خود پیوند هیدروژنی قوی تشکیل نمی دهد زیرا هیدروژن در HCl به اتم کوچک و بسیار الکترونگاتیوی مثل O یا N متصل نیست. در مجموع ساختار HCl یکی از ساده ترین ساختارها در میان اسیدها است: مولکولی کوچک و دواتمی با یک پیوند کووالانسی قطبی و بدون پیچیدگی ساختاری اضافی.

ویژگی های فیزیکی اسید هیدروکلریک

هیدروژن کلرید بی‌ آب، گازی بی‌ رنگ است که در هوای مرطوب به دلیل تشکیل قطرات ریز اسید، دود می‌ کند. با حل شدن این گاز در آب، اسید هیدروکلریک به وجود می‌ آید که مایعی شفاف و بی‌ رنگ (یا کمی زرد در صورت ناخالصی) با بوی تند و زننده است. خواص فیزیکی اسید کلریدریک به غلظت آن بستگی دارد؛ برای مثال اسید کلریدریک غلیظ معمول حدود ۳۷٪ وزنی HCl دارد و چگالی آن نزدیک به ۱٫۱۹ گرم بر میلی‌ لیتر است، در حالی‌ که محلول‌ های رقیق‌ تر مانند ۲۰٪ یا ۵٪ چگالی و نقطه‌ جوش متفاوتی دارند. اسید غلیظ بخارات خورنده‌ ای آزاد می‌ کند چون گاز HCl به‌ راحتی از محلول فرار می‌ کند. تمامی محلول‌ های این اسید بسیار خورنده‌ اند و در تماس با فلزات یا بافت‌ های آلی، باعث تخریب و خوردگی می‌ شوند. هرچند خود اسید قابل اشتعال نیست، اما در واکنش با فلزات گاز هیدروژن قابل اشتعال آزاد می‌ کند. از نظر ظاهری، شبیه آب است ولی بخارات سفیدرنگ آن یادآور خطر بالای این ماده و ضرورت رعایت کامل نکات ایمنی است.

رفتار HCl در محلول آبی

هنگامی که گاز هیدروژن کلرید در آب حل می شود، به طور کامل به یون ها تفکیک می گردد. عملاً هر مولکول HCl یک پروتون (H⁺) به آب اهدا کرده و یون هیدرونیوم (H₃O⁺) تشکیل می دهد و یون کلرید (Cl⁻) را در محلول باقی می گذارد. به زبان شیمیایی: HCl + H₂O → H₃O⁺ + Cl⁻ . چون این انتقال پروتون تقریباً ۱۰۰٪ انجام می شود، اسید هیدروکلریک یک اسید قوی و یک الکترولیت قوی محسوب می گردد. یون های هیدرونیوم (H₃O⁺) باعث ایجاد خاصیت اسیدی pH پایین و واکنش پذیری با بازها در محلول می شوند و یون های کلرید به عنوان یون تماشاگر پایدار در محلول باقی می مانند. عملاً هیچ مولکول HCl خنثایی در محلول آبی HCl وجود ندارد. فرآیند حل شدن این اسید در آب گرماده است (حرارت آزاد می کند)، به ویژه هنگام رقیق کردن اسید غلیظ باید احتیاط کرد. برخلاف برخی اسیدها مانند اسید نیتریک، محلول HCl یک عامل اکسیدکننده نیست زیرا یون کلرید در آب تحت واکنش بیشتری قرار نمی گیرد. یونیزاسیون سریع و کامل HCl در آب، رسانایی بالای محلول آن و واکنش شدید آن در واکنش های اسید–باز را توضیح می دهد.

قدرت اسیدی و pH اسید هیدروکلریک

اسید هیدروکلریک یکی از قوی ترین اسیدهای شناخته شده است. این اسید چنان به طور کامل در آب پروتون دهی می کند که ثابت تفکیک آن (pKₐ) حدود ۶- می باشد که مقداری بسیار کوچک است. حتی محلول های نسبتاً رقیق HCl نیز pH بسیار کمی دارند؛ به عنوان مثال محلول ۰٫۱ مولار HCl دارای pH حدود ۱ است و محلول ۱ مولار HCl pH نزدیک به ۰ دارد. اسید کلریدریک غلیظ (حدود ۱۰–۱۲ مولار بسته به غلظت دقیق) حتی می تواند pH منفی (در حدود ۱-) داشته باشد. چنین اسیدیته شدیدی نشان دهنده فعالیت بسیار بالای پروتون در این محلول ها است. این یکی از قوی ترین اسید در شیمی است و می تواند بسیاری از موادی را که اسیدهای ضعیف تر قادر به حل کردن آن ها نیستند پروتون دهی یا حل کند. اسید هیدروکلریک از لحاظ قدرت اسیدی هم تراز اسیدهای معدنی قوی دیگر مانند نیتریک (HNO₃) و سولفوریک (H₂SO₄) (حداقل در پروتون اول سولفوریک) محسوب می شود. بر خلاف یک اسید ضعیف (مانند اسید استیک) که فقط به طور جزئی یونیزه می شود، قدرت اسیدی زیاد HCl به این معناست که واکنش های خنثی سازی آن با بازها کامل و بدون بازگشت انجام می گیرد. همین اسیدیته چشمگیر نیز لزوم احتیاط در کار با این اسید را نشان می دهد، زیرا حتی مقدار اندکی HCl می تواند pH یک سامانه را به شدت کاهش دهد. به طور کلی، قدرت اسیدی و رفتار pH اسید هیدروکلریک تأییدی بر طبقه بندی آن به عنوان یک اسید قوی است و دلیلی بر استفاده گسترده آن در تیترسازی های آزمایشگاهی و فرآیندهای اسیدی سازی صنعتی می باشد.

واکنش های شیمیایی اسید هیدروکلریک

اسید هیدروکلریک رفتار معمول یک اسید قوی را نشان می دهد: با بازها واکنش خنثی سازی انجام می دهد، بسیاری از فلزات را حل می کند و برخی نمک ها را در خود حل می کند. یک واکنش کلاسیک، واکنش با باز است؛ به عنوان مثال HCl با بازهایی مانند سدیم هیدروکسید (NaOH) ترکیب شده و آب و نمک یونی تشکیل می دهد مثلاً: HCl + NaOH → NaCl + H₂O . همچنین با کربنات ها یا بی کربنات ها واکنش داده و گاز دی اکسید کربن آزاد می کند. HCl با فلزات واکنش پذیر (فلزاتی که پتانسیل اکسید شدن آن ها بالاتر از هیدروژن است) مانند روی یا آهن به آسانی واکنش می دهد و گاز هیدروژن آزاد کرده و کلرید فلز مربوطه را تشکیل می دهد (Zn + 2 HCl → ZnCl₂ + H₂↑) . اما با فلزات کم واکنش تر مانند مس یا نقره واکنشی نشان نمی دهد مگر اینکه یک عامل اکسنده اضافی حضور داشته باشد؛ زیرا HCl یک اسید غیر اکسیدکننده است. نمونه مشهور این وضعیت تیز آب سلطانی است که مخلوطی از اسید هیدروکلریک و نیتریک می باشد: HCl به تنهایی قادر به حل کردن طلا نیست، اما در تیز آب سلطانی اسید نیتریک فلز را اکسید می کند و HCl یون کلرید فراهم می کند تا کمپلکس های محلول طلا تشکیل شوند. به طور کلی نقش اسید هیدروکلریک در واکنش ها اهدا کردن پروتون و تأمین کلرید است که حاصل آن تولید نمک های کلریدی غالباً محلول می باشد. این ویژگی سبب می شود HCl در فرآیندهایی مانند حکاکی و تمیزکاری فلزات (برای زدودن اکسیدها و زنگار و تبدیل آن ها به کلرید فلز) و نیز در سنتزهای مختلف که نیاز به افزودن کلرید یا ایجاد محیط اسیدی دارند، ماده ای کارآمد باشد.

تولید صنعتی اسید هیدروکلریک

در صنعت بخش عمده اسید هیدروکلریک از تولید گاز هیدروژن کلرید و سپس حل کردن آن در آب به دست می آید. یک روش معمول، سنتز مستقیم HCl با سوزاندن گاز هیدروژن در گاز کلر (H₂ + Cl₂ → 2 HCl) است. این واکنش گرماده در مشعل های HCl انجام می شود و گاز هیدروژن کلرید داغ تولید شده را در آب جذب می کنند تا اسید هیدروکلریک بسیار خالص تولید شود. علاوه بر سنتز مستقیم، مقدار زیادی از HCl به عنوان محصول جانبی دیگر فرآیندهای شیمیایی به دست می آید. به عنوان مثال در کلرزنی ترکیبات آلی مانند تولید PVC، گاز HCl آزاد می شود که آن را جمع آوری کرده و مورد استفاده قرار می دهند. در گذشته، اسید هیدروکلریک را در مقیاس بزرگ با واکنش سدیم کلرید (نمک طعام) با اسید سولفوریک تولید می کردند؛ این روش که در قرن های ۱۸ و ۱۹ و در فرآیند لوبلان برای تهیه کربنات سدیم به کار می رفت NaCl + H₂SO₄ → Na₂SO₄ + 2 HCl↑۲ ، امروزه منسوخ شده است. امروزه تولید HCl اغلب با صنعت کلر قلیا یکپارچه است؛ به این صورت که گاز کلر و هیدروژن تولیدشده در فرآیندهای سود سوزآور را در همان سایت ترکیب می کنند تا HCl حاصل شود. اسید هیدروکلریک تجاری معمولاً به صورت محلول های ۳۰٪ تا ۳۸٪ HCl عرضه می شود، زیرا غلظت های بالاتر (تا حدود ۴۰٪) تبخیر بسیار شدیدی دارند و نگهداری آن ها نیاز به تجهیزات ویژه (فشار و سرما) دارد. در عمل بخش عمده HCl تولیدی توسط تولیدکننده در همان محل به مصرف داخلی (مثلاً در تولید کودها، رنگ ها یا فرآوری فلزات) می رسد و تنها بخشی از آن به عنوان محصول تجاری به بازار عرضه می شود. خلاصه اینکه تولید مدرن اسید هیدروکلریک یا بر اساس سنتز هدفمند واکنش H₂ و Cl₂ انجام می شود یا از جریان های جانبی فرآیندهای شیمیایی بازیابی می گردد، که عرضه پایدار این اسید مهم را تضمین می کند.

گریدها و غلظت های اسید هیدروکلریک

اسید هیدروکلریک در غلظت ها و گریدهای خلوص مختلف برای کاربردهای گوناگون عرضه می شود. بالاترین غلظتی که در دمای محیط به طور پایدار وجود دارد حدود ۳۸٪ HCl (نزدیک به ۱۲ مولار) است که به عنوان اسید هیدروکلریک غلیظ شناخته می شود. اسید هیدروکلریک آزمایشگاهی معمولاً حدود ۳۶–۳۷٪ است و مایعی بخاردار و بسیار خورنده می باشد. نوع صنعتی آن اغلب با غلظت ۳۰–۳۳٪ عرضه می شود تا ضمن حمل ونقل از میزان تبخیر و اتلاف کاسته شود. برای مصارف خانگی، اسید بسیار رقیق تری با نام جوهر نمک (اسید هیدروکلریک رقیق) عرضه می گردد که معمولاً ۱۰٪ تا ۱۵٪ HCl دارد و برای کارهایی مانند جرم گیری سطوح، تمیزکردن مصالح ساختمانی یا تنظیم pH استخر استفاده می شود. جوهر نمک به علت ناخالصی هایی مانند آهن معمولاً رنگ زرد کمرنگ دارد و خلوص آن از گرید آزمایشگاهی پایین تر است. در برخی کشورها، عبارت روح نمک (اسپریت آو سالت) نیز برای این محصول به کار می رود. همچنین گریدهای خلوص مختلفی موجود است: گرید تکنیکال (صنعتی) برای مصارف عمومی صنعتی (که ممکن است ناخالصی هایی داشته باشد)، گرید خوراکی (با خلوص بالا برای صنایع غذایی) و گرید معرف شیمیایی (بسیار خالص برای آزمایشگاه ها). محلول های قوی تر از حدود ۴۰٪ HCl به صورت تجاری ارائه نمی شوند زیرا در این غلظت اسید به شدت بخار می کند و حمل و نگهداری آن بدون تجهیزات ویژه دشوار است. بنابراین مصرف کنندگان بسته به نیاز خود غلظت مناسب را انتخاب می کنند؛ از اسیدهای بسیار رقیق برای کاربردهای خانگی گرفته تا اسیدهای غلیظ بخاردار برای مصارف صنعتی و آزمایشگاهی.

ویژگی های اسید هیدروکلریک در غلظت های مختلف

خواص اسید هیدروکلریک به طور قابل توجهی با تغییر غلظت آن تفاوت می کند. با افزایش میزان HCl در آب، چگالی محلول بیشتر می شود، اسیدیته کاهش pH آن افزایش می یابد و نقطه جوش محلول به شکل غیرخطی تغییر می کند که این امر ناشی از تشکیل آزئوتروپ ها است. در غلظت های بسیار کم، اسید هیدروکلریک رفتاری شبیه آب دارد، اما حتی چند درصد کم از HCl نیز pH را به شدت کاهش می دهد. جدول زیر برخی خواص کلیدی محلول های اسید هیدروکلریک را در غلظت های مختلف (در فشار ~۱ اتمسفر) نشان می دهد. این جدول نشان می دهد که چگالی، مولاریته، pH و نقطه جوش چگونه به درصد HCl وابسته هستند. یکی از ویژگی های جالب، حداکثر بودن نقطه جوش در ~۲۰٫۲٪ HCl (غلظت آزئوتروپ) است که در غلظت های بالاتر از آن افزودن HCl خالص بر عکس باعث کاهش نقطه جوش محلول می شود. با افزایش غلظت، چگالی محلول به طور یکنواخت زیاد می شود که نشانگر سنگین بودن HCl نسبت به آب است. مقادیر pH در غلظت های بالا به بازه منفی می رسند که نشان دهنده فعالیت بسیار بالای پروتون در این حالت است. توجه شود که ۰٪ در جدول معادل آب خالص (مرجع) است. این خواص از نظر عملی حائز اهمیت هستند: اسید غلیظ (۳۰٪ به بالا) بخاردار است و در دمای نسبتاً کمی می جوشد، در حالی که محلول های متوسط فراریت کمتری دارند. درک این تغییرات در ذخیره سازی ایمن و استفاده صحیح از اسید هیدروکلریک در غلظت های مختلف مفید است.

همان طور که دیده می شود محلول های بسیار رقیق HCl از نظر نقطه جوش تقریباً مانند آب رفتار می کنند و خاصیت اسیدی متوسط دارند؛ در حالی که محلول های غلیظ pH بسیار پایینی دارند و در دماهای نسبتاً کمی می جوشند زیرا HCl به راحتی تبخیر می شود. وجود آزئوتروپ در غلظت ~۲۰٪ موجب بیشینه شدن نقطه جوش ~۱۰۸–۱۰۹ °C شده است. چگالی های ذکر شده مربوط به دمای حدود ۲۰ °C هستند. این داده ها نشان می دهند که چرا اسید هیدروکلریک غلیظ بخار می کند (فشار بخار بالایی دارد) و چرا در شرایط معمول یک حد عملی برای غلظت آن وجود دارد.

کاربردها و موارد استفاده اسید هیدروکلریک

اسید هیدروکلریک دارای کاربردهای فراوانی در حوزه های مختلف است. در صنعت یکی از کاربردهای مهم آن اسیدشویی فولاد است – یعنی تمیز کردن زنگار و رسوبات اکسیدی از سطح آهن یا فولاد توسط HCl پیش از انجام فرآیندهای بعدی (مانند گالوانیزه کردن). همچنین در تولید ترکیبات شیمیایی معدنی و آلی به کار می رود؛ برای مثال HCl در تولید انواع نمک های کلرید (مانند کلریدهای فلزی خاص برای تصفیه آب یا صنایع پالایش) مورد استفاده قرار می گیرد و در ساخت مونومر وینیل کلرید ماده اولیه PVC و بسیاری از مواد آلی کلردار دیگر نقش دارد. در صنایع غذایی، گرید خالص اسید هیدروکلریک برای فرآیندهایی نظیر تبدیل نشاسته به شربت ذرت، تولید ژلاتین، و تنظیم pH در مواد غذایی و آشامیدنی به کار می رود. نقش مهم دیگر HCl در کنترل pH و خنثی سازی است؛ به عنوان مثال برای خنثی کردن جریان های پساب قلیایی و حفظ اسیدیته مناسب در آب استخرها از آن استفاده می شود. در نظافت خانگی و صنعتی، جوهر نمک (اسید هیدروکلریک رقیق) به عنوان یک پاک کننده قوی برای برطرف کردن رسوبات معدنی و لکه ها از روی بتن، کاشی و لوله کشی ها به کار می رود. در آزمایشگاه ها، اسید هیدروکلریک یکی از اسیدهای قوی پرکاربرد است و برای انجام واکنش ها و آماده سازی نمونه ها به کار می رود؛ به عنوان نمونه، در تیتر کردن اسید و باز اغلب از این اسید استفاده می شود چون نمک های کلرید حاصل معمولاً مزاحمتی در تعیین نقطه پایان ایجاد نمی کنند. از کارکردهای صنعتی بزرگ گرفته تا مصارف خانگی کوچک، همه این ها نشان دهنده همه کاره بودن و اهمیت بالای اسید هیدروکلریک به عنوان یکی از مهم ترین اسیدهای مورد استفاده است.