فرمول شیمیایی اسید کلریدریک (HCL) و اجزای آن

مقدمه

اسید هیدروکلریک با فرمول HCl یک اسید معدنی بسیار قوی و خورنده است که در صنعت، علوم و حتی بدن انسان نقش مهمی دارد. این ماده که به نام جوهر نمک نیز شناخته می شود، در اصل یک محلول آبی از گاز هیدروژن کلراید است. فرمول شیمیایی HCl نشان می دهد که هر مولکول آن از یک اتم هیدروژن و یک اتم کلر تشکیل شده است. ترکیب این دو عنصر یک اسید بسیار واکنش پذیر را ایجاد می کند که در آب به طور کامل به یون های تشکیل دهنده ی آن تفکیک می شود (یون هیدروژن و یون کلرید). اسید هیدروکلریک محلولی بی رنگ با بوی تند و زننده است و در غلظت های بالا بخارات اسیدی خطرناک از آن متصاعد می گردد. این اسید به طور طبیعی در شیره معده انسان و بسیاری از جانوران وجود دارد و به هضم غذا و نابودی میکروب های مضر کمک می کند. در صنایع مختلف نیز، اسید هیدروکلریک در بسته‌ بندی‌ های متنوع مورد استفاده قرار می‌ گیرد و خرید اسید کلریدریک کلر پارس تبریز گالن 20 لیتری یکی از گزینه‌ های رایج برای مصرف‌ کنندگان صنعتی و کارگاه‌ هایی است که نیاز به حجم متوسط و حمل آسان این ماده دارند. به صورت صنعتی، HCl در حجم عظیم تولید می شود و در کاربردهایی از قبیل تصفیه فلزات، سنتز مواد شیمیایی و تنظیم pH به کار می رود. در بخش های بعدی به طور جامع به فرمول و اجزای تشکیل دهنده ی اسید هیدروکلریک، خواص فیزیکی و شیمیایی آن، روش های تولید، کاربردها، نکات ایمنی، تاثیرات زیست محیطی و پیشینه تاریخی این ماده مهم می پردازیم.

فرمول شیمیایی و ترکیب اسید هیدروکلریک (HCl)

فرمول مولکولی اسید هیدروکلریک HCl است که نشان دهنده ترکیب یک به یک اتم های هیدروژن (H) و کلر (Cl) است. HCl یک مولکول دواتمی ساده است و در فاز گازی (کلرید هیدروژن) به صورت مولکول های مجزا وجود دارد. پیوند بین اتم هیدروژن و کلر در این مولکول از نوع کووالانسی است، اما به دلیل الکترونگاتیوی بالای کلر، این پیوند قطبی است؛ به طوری که اتم هیدروژن بار جزئی مثبت و اتم کلر بار جزئی منفی پیدا می کند. قطبیت پیوند H–Cl علت رفتار اسیدی این ماده است، زیرا مولکول HCl می تواند در آب به آسانی یونیزه شده و یک پروتون (H^+) و یک یون کلرید (Cl^-) آزاد کند. جرم مولکولی HCl حدود ۳۶٫۴۶ گرم بر مول است که بخش عمده آن ناشی از اتم کلر است. به عبارتی، از نظر جرمی، حدود ۹۷٪ این ترکیب را کلر و تنها ۳٪ آن را هیدروژن تشکیل می دهد. فرمول شیمیایی HCl در هر حالت ماده (گاز یا محلول در آب) به همین صورت باقی می ماند، هرچند خصوصیات آن بسته به حالت (به شکل گاز هیدروژن کلراید یا محلول اسید هیدروکلریک) متفاوت خواهد بود. این فرمول مختصر ماهیت پایه ای ترکیب و حضور دو عنصر هیدروژن و کلر را در ساختار آن نشان می دهد.

هیدروژن کلراید در مقابل اسید هیدروکلریک

هیدروژن کلراید و اسید هیدروکلریک در واقع دو اصطلاح برای یک فرمول شیمیایی یکسان است اما در حالت ها و زمینه های متفاوت به کار می روند. هیدروژن کلراید به ترکیب خالص در فاز گازی اشاره دارد. در دمای اتاق، HCl یک گاز بی رنگ با بوی تند و خفه کننده است که تا زمانی که در آب حل نشود خاصیت اسیدی ندارد. زمانی که گاز هیدروژن کلراید در آب حل شده و به یون‌های H^+ و Cl^- تفکیک می شود، محلول اسید هیدروکلریک حاصل می شود که یک مایع به شدت اسیدی و خورنده است. بنابراین اسید هیدروکلریک در اصل همان گاز HCl محلول در آب است. خواص HCl در این دو حالت تفاوت زیادی دارند: گاز خشک HCl فاقد رسانایی الکتریکی است و تا قبل از حل شدن در آب، یک اسید فعال محسوب نمی شود، در حالی که محلول آبی آن یک الکترولیت بسیار قوی و اسیدی با pH نزدیک به صفر (یا حتی منفی در غلظت های بالا) است. گاز هیدروژن کلراید در تماس با هوای مرطوب سریعا بخار آب را جذب می کند و قطرات ریز اسید هیدروکلریک را تشکیل می دهد که به صورت دود سفید دیده می شوند. به طور کلی HCl معمولا به شکل محلول (اسید هیدروکلریک) استفاده و حمل می شود زیرا کار با محلول آن به مراتب ایمن تر و آسان تر از کار با گاز بی آب HCl تحت فشار است. تشخیص تفاوت میان اصطلاح هیدروژن کلراید گاز HCl و اسید هیدروکلریک محلول HCl در آب با وجود یکسان بودن فرمول شیمیایی، حائز اهمیت است.

هیدروژن: جزء H در HCl

هیدروژن (H) بخش هیدروژنی ترکیب HCl است و نقشی کلیدی در ماهیت اسیدی آن دارد. هیدروژن با عدد اتمی ۱، سبک ترین عنصر جدول تناوبی محسوب می شود و معمولاً به صورت گاز دو اتمی H2 در طبیعت وجود دارند. در مولکول HCl، اتم هیدروژن تنها به یک اتم کلر متصل است و به دلیل قطبیت پیوند، دارای بار جزئی مثبت است. همین بخش هیدروژن مولکول است که هنگام انحلال HCl در آب به شکل یک پروتون (H^+) جدا می شود و در آب به یون هیدرونیوم (H3O^+) تبدیل می گردد. به بیان دیگر، هیدروژنی که در HCl وجود دارد همان پروتونی است که این اسید در واکنش ها به مواد دیگر منتقل می کند. بنابراین جزء هیدروژن، عامل اسیدی بودن HCl است و باعث می شود این ترکیب بتواند در واکنش های خنثی سازی شرکت کرده و بازها را به نمک و آب تبدیل کند. جالب اینکه هر چند اتم هیدروژن تنها حدود ۳ درصد جرم HCl را تشکیل می دهد، ولی اهمیت آن بسیار زیاد است زیرا فعالیت و واکنش پذیری بالای این اسید مستقیماً از توانایی اتم هیدروژن در جدا شدن به عنوان یک پروتون ناشی می شود.

کلر: جزء Cl در HCl

کلر (Cl) جزء کلری ترکیب HCl را تشکیل می دهد و دیگر عنصر اساسی این اسید است. کلر یک عنصر هالوژن هستند (عدد اتمی ۱۷) و به طور طبیعی به صورت گاز دو اتمی سبز مایل به زرد (Cl₂) با بویی تند و خفه کننده یافت می شود. در مولکول HCl، اتم کلر به اتم هیدروژن متصل است و به خاطر الکترونگاتیوی بالای خود، بار جزئی منفی می گیرد. وقتی HCl در آب حل می شود، کلر به شکل یون کلرید (Cl^-) آزاد می شود. یون کلرید حاصل بسیار پایدار است و تمایلی به واکنش دوباره ندارد؛ همین ویژگی یکی از دلایل قوی بودن اسید هیدروکلریک است، زیرا باز مزدوج آن (یون کلرید) یک پایه بسیار ضعیف و غیرفعال است. حضور کلر در HCl باعث می شود این اسید بتواند نمک های کلرید را در واکنش با فلزات یا بازها ایجاد کند. به عنوان مثال، واکنش HCl با سدیم هیدروکسید منجر به تولید سدیم کلرید (نمک طعام) می شود. همچنین جزء کلر مسئول تشکیل گاز کلر در برخی واکنش های اکسایش-کاهش است؛ برای نمونه، ترکیب HCl با یک اکسیدکننده قوی مانند دی اکسید منگنز یا سفیدکننده می تواند گاز کلر آزاد کند. به طور کلی، عنصر کلر موجود در HCl مشخص کننده خاصیت تولید کلرید این اسید است و یون های کلرید آزاد شده از HCl نقش های مهمی در فرآیندهای شیمیایی و نیز در الکترولیت های بدن (مانند یون کلرید در خون و سلول ها) دارند.

تشکیل و سنتز اسید هیدروکلریک

اسید هیدروکلریک را می توان با ترکیب مستقیم عناصر تشکیل دهنده آن یا به عنوان محصول جانبی سایر فرآیندهای شیمیایی تولید کرد. واکنش اصلی سنتزی بسیار ساده است: گاز هیدروژن (H₂) با گاز کلر (Cl₂) ترکیب شده و گاز هیدروژن کلراید (HCl) تشکیل می دهد. این واکنش به شدت گرمازا است و در مقیاس صنعتی در دستگاه های ویژه ای به نام کوره HCl یا مشعل HCl انجام می گیرد تا ایمنی فرآیند تضمین شود. گاز حاصل سپس در آب جذب شده و اسید هیدروکلریک مایع با خلوص بالا به دست می آید. در تولید در مقیاس بزرگ، HCl اغلب به صورت یک بخش یکپارچه از دیگر فرآیندهای صنعتی تولید می شود. به عنوان مثال، در فرآیند کلر-آلکالی آب نمک الکترولیز شده و گاز کلر و گاز هیدروژن به دست می آید؛ سپس این دو گاز می توانند در همان تأسیسات با هم ترکیب شده و HCl را تولید کنند. همچنین در صنایع شیمیایی آلی، HCl به عنوان محصول جانبی واکنش های کلردار کردن ترکیبات آلی مانند تولید وینیل کلراید برای PVC یا تولید برخی حلال های کلردار آزاد می شود که آن را بازیابی کرده و به اسید هیدروکلریک تبدیل می کنند. در روش های آزمایشگاهی یا تاریخی HCl را با واکنش نمک طعام (سدیم کلرید) و اسید سولفوریک غلیظ تولید می کردند که طی آن گاز هیدروژن کلراید آزاد می شد. این گاز را با عبور دادن از آب جمع آوری کرده و اسید هیدروکلریک حاصل می شد. منابع طبیعی HCl نیز وجود دارد؛ برای مثال آتشفشان ها مقادیر زیادی گاز هیدروژن کلراید را به هوا منتشر می کنند که با رطوبت جو ترکیب شده و باران اسیدی حاوی اسید هیدروکلریک پدید می آورد. به طور کلی، هم سنتز مستقیم و هم روش های غیر مستقیم در تأمین اسید هیدروکلریک در مقیاس جهانی نقش دارند.

خواص فیزیکی اسید هیدروکلریک

اسید هیدروکلریک معمولاً به صورت محلولی شفاف و بی رنگ دیده می شود که از لحاظ ظاهری شبیه آب است اما بویی تند و زننده دارد. محلول های غلیظ آن به دلیل فرار بودن گاز HCl از محلول، در هوا بخار می کنند و دود اسیدی تشکیل می دهند. خواص فیزیکی محلول های HCl به شدت وابسته به غلظت آن ها است. اسید هیدروکلریک غلیظ حدود ۳۶ تا ۳۸ درصد وزنی HCl چگالی تقریبی ۱٫۱۸ گرم بر میلی لیتر دارد (سنگین تر از آب) و نقطه جوش آن نسبتاً پایین است (حدود ۵۰ درجه سانتیگراد)، زیرا در این غلظت بخار HCl به راحتی از محلول خارج می شود. در مقابل، محلول های رقیق تر اسید هیدروکلریک نقطه جوش هایی نزدیک به آب خالص (۱۰۰ درجه سانتیگراد) دارند. جالب توجه اینکه محلول HCl حدود ۲۰٫۲ درصد یک آزئوتروپ تشکیل می دهد که در دمای حدود ۱۰۸٫۶ درجه سانتیگراد می جوشد؛ یعنی این مخلوط با غلظت ثابت می جوشد بدون اینکه ترکیبش هنگام جوش تغییر کند. محلول های اسید هیدروکلریک همچنین بسته به غلظت دارای نقطه انجماد کاهیده ای هستند (برای مثال محلول ۲۰ درصد در حدود منفی ۳۰ درجه سانتیگراد منجمد می شود). HCl در هر غلظتی بسیار محلول در آب است به طوری که در دمای اتاق هر لیتر آب می تواند چند صد لیتر گاز HCl را در خود حل کند. اسیدیته (pH) این محلول نیز به همان نسبت پایین است: یک محلول حدود ۱ مولار (≈۳٪) دارای pH نزدیک به ۰ است و محلول های غلیظ تر حتی pH منفی از خود نشان می دهند. از نظر فیزیکی، اسید هیدروکلریک یک ماده خورنده است که بسیاری از فلزات و مواد را تخریب می کند؛ بنابراین باید در ظروف مقاوم (مانند ظروف پلاستیکی یا شیشه ای مخصوص) نگهداری شود.

خواص شیمیایی و واکنش های HCl

HCl ویژگی های شیمیایی معمول یک اسید قوی معدنی تک پروتونی را نشان می دهند. این اسید در آب به طور کامل به یون H^+ و Cl^- تفکیک می شود و به راحتی پروتون خود را در واکنش های شیمیایی اهدا می کند. واکنش کلیدی HCl خنثی شدن با بازها است؛ HCl با بازهایی مثل هیدروکسیدهای فلزی واکنش داده و آب و نمک تولید می کند مانند واکنش HCl + NaOH → NaCl + H₂O . همچنین HCl با بسیاری از فلزات (به ویژه فلزاتی که در سری واکنش پذیری بالاتر از هیدروژن قرار دارند، نظیر روی، آهن یا آلومینیوم) شدیداً واکنش می دهد و کلرید فلز مربوطه و گاز هیدروژن آزاد می کند برای نمونه: Zn + 2 HCl → ZnCl₂ + H₂ . در مقابل، HCl به تنهایی بر فلزات کم واکنش پذیرتر مانند مس، نقره یا طلا اثری ندارد؛ انحلال این فلزات نیازمند شرایط اکسیدکننده قوی تری است (که توسط اسید نیتریک یا گاز کلر فراهم می شود). اسید هیدروکلریک با کربنات ها و بی کربنات ها واکنش کرده و گاز دی اکسید کربن آزاد می نماید مثلاً CaCO₃ + 2 HCl → CaCl₂ + CO₂ + H₂O که به صورت جوشش دیده می شود. در حضور اکسیدکننده های قوی (مثل پرمنگنات پتاسیم یا دی کرومات پتاسیم)، HCl اکسید شده و گاز کلر (Cl₂) آزاد می کند. یکی از مخلوط های معروف حاوی HCl، تیزاب سلطانی ۳ قسمت HCl غلیظ و ۱ قسمت HNO₃ غلیظ است که می تواند طلا و پلاتین را حل کند؛ در این مخلوط، HCl و HNO₃ با همکاری هم گونه های کلردار بسیار واکنش پذیر مانند کلر آزاد و NOCl₂ تولید می کنند که توانایی حل کردن فلزات نجیب را دارند. خلاصه اینکه، ویژگی های شیمیایی HCl با توانایی آن در واگذاری پروتون و تشکیل پیوندهای کلرید مشخص می شود و این امر موجب می گردد که این ماده در بسیاری از فرآیندهای شیمیایی معدنی و آلی یک عامل واکنشگر مهم باشد.

غلظت و گریدهای محلول های HCl

اسید هیدروکلریک در غلظت های مختلفی از بسیار رقیق تا بسیار غلیظ موجود است. بیشینه غلظتی که می توان این اسید را به صورت محلول نگهداری کرد حدود ۳۸ درصد وزنی (نزدیک به ۱۲ مولار) است؛ در این نقطه محلول اشباع از HCl بوده و HCl بیشتری به صورت گاز خارج می شود. در عمل، نگهداری محلول های با غلظت بالاتر از حدود ۴۰٪ بسیار دشوار است زیرا تبخیر HCl شدید شده و نیاز به ظروف تحت فشار و سرمایش دارد. به همین دلیل، اسید هیدروکلریک غلیظ معمولاً در حدود ۳۷٪ یا کمتر عرضه می شود (که به آن اسید کلریدریک غلیظ نیز می گویند) و در این غلظت محلول تمایل به دود کردن در هوا دارد (به آن اسید دودکننده نیز می گویند). در بازار صنعتی، اصطلاح «موریاتیک اسید» یا جوهر نمک برای محلول های اسید هیدروکلریک با خلوص پایین تر (معمولاً ۳۰٪ یا کمتر) به کار می رود که رنگ زرد کمرنگی دارد (به دلیل ناخالصی ها مانند آهن) و برای مصارف ساختمانی و تمیزکاری به فروش می رسد. برای کاربردهای خانگی مانند پاک کننده های کاشی و سرامیک یا اسید استخر، محلول های رقیق تر HCl در حدود ۱۰٪ یا کمتر استفاده می شوند (که البته همین غلظت نیز باید قبل از مصرف باز هم رقیق شود). در آزمایشگاه ها، عبارت اسید هیدروکلریک رقیق معمولاً به غلظت های ۵٪ تا ۱۰٪ گفته می شود، و اسید هیدروکلریک غلیظ به همان محلول ~۳۷٪ اطلاق می گردد. در جدول زیر نمونه ای از غلظت های رایج HCl همراه با خصوصیات کلیدی و موارد استفاده هر یک ارائه شده است.

کاربردهای صنعتی اسید هیدروکلریک

اسید هیدروکلریک به دلیل خاصیت اسیدی قوی و واکنش پذیری بالایش در بسیاری از فرآیندهای صنعتی به کار می رود. یکی از کاربردهای اصلی آن در صنعت فولاد برای اسیدشویی فولاد فرآیندی که زنگ و پوسته اکسیدی را از سطح آهن یا فولاد با غوطه ور کردن در HCl پاک می کند است؛ این کار سطح فلز را برای پردازش های بعدی نظیر گالوانیزه کردن یا نورد آماده و تمیز می نماید. HCl همچنین یک ماده کلیدی در تولید ترکیبات آلی است؛ برای مثال در تولید وینیل کلراید ماده پیش‌ماده PVC و دی‌کلرواتان، و نیز در تولیدات دارویی مثلاً به عنوان کاتالیزور یا تنظیم کننده pH در مراحل سنتز از این اسید استفاده می شود. بسیاری از ترکیبات معدنی نیز به کمک اسید هیدروکلریک ساخته یا فرآوری می شوند، مانند کلرید فریک و پلی آلومینیوم کلرید برای تصفیه آب، و کلرید کلسیم. در صنعت نفت و گاز، HCl را به درون چاه های نفت تزریق می کنند (فرآیندی موسوم به اسیدکاری چاه) تا سازندهای سنگی اطراف چاه را حل کرده و خلل و فرج را باز کند که این کار به افزایش برداشت نفت یا گاز کمک می کند. علاوه بر این، HCl برای احیای رزین های تبادل یونی در سیستم های نرم کردن و یون زدایی آب به کار می رود (با استفاده از خاصیت اسیدی آن برای زدودن یون های تجمع یافته در رزین). به خاطر این کاربردهای متنوع، اسید هیدروکلریک در حجم های بسیار بالا تولید می شود و غالباً در همان محلی که تولید شده مصرف می گردد؛ در واقع این ماده یکی از مواد پایه مهم در صنایع شیمیایی محسوب می شود.

کاربردهای روزمره اسید هیدروکلریک

با اینکه اسید هیدروکلریک ماده ای بسیار قوی است، اما در زندگی روزمره نیز به شکل کنترل شده یا رقیق شده کاربردهایی دارد. یکی از محصولات مصرفی رایج، جوهر نمک نام دارد که در واقع همان اسید هیدروکلریک با خلوص کمتر (معمولاً حدود ۳۰٪) است. از جوهر نمک در منازل و کارهای ساختمانی برای تمیز کردن و زبر کردن سطح بتن، برطرف کردن سفیدک و شوره آجر یا کاشی، و پاک کردن لکه های سخت (مثلاً لکه های زنگ و رسوبات معدنی از سطوحی مانند کاشی دستشویی و توالت) استفاده می شود. بسیاری از پاک کننده های قوی کاشی و کاسه توالت حاوی HCl رقیق (در حدود ۱۰٪ یا کمتر) هستند تا رسوبات آب سخت، جرم صابون و زنگ را حل کنند. در نگهداری استخرهای شنا، اسید هیدروکلریک رقیق شده را برای کاهش pH و قلیاییت آب استخر اضافه می کنند تا شیمی آب در محدوده مطلوب باقی بماند. علاوه بر این در صنعت غذا نیز اسید هیدروکلریک خوراکی به میزان اندک برای فرآوری برخی مواد غذایی مثلاً تنظیم pH در تولید شربت ذرت یا در ساخت ژلاتین از کلاژن به کار می رود، اگرچه مصرف کنندگان مستقیماً با این موارد در تماس نیستند. به طور کلی نقش HCl در زندگی روزمره عمدتاً پیرامون تمیزکاری، نگهداری و کنترل pH است، جایی که قدرت انحلال بالای آن به صورت ایمن و رقیق شده به خدمت گرفته می شود.

اسید هیدروکلریک در بدن انسان

بدن انسان به طور طبیعی از اسید هیدروکلریک به عنوان جزئی حیاتی از شیره گوارشی معده استفاده می کند. در معده، سلول های ویژه ای به نام سلول های جداری (پریتال) HCl ترشح می کنند و بدین ترتیب محیطی شدیداً اسیدی با pH حدود ۱ تا ۲ ایجاد می شود. این اسید معده چندین وظیفه مهم بر عهده دارد: باعث دناتوره و خرد شدن پروتئین های غذایی می شود و آن ها را برای آنزیم های گوارشی قابل دسترس تر می کند؛ همچنین تبدیل آنزیم غیر فعال پپسینوژن به شکل فعال پپسین را کاتالیز می کند که سپس پروتئین ها را به زنجیره های کوچکتر تجزیه می نماید. اسیدیته شیره معده نقشی حفاظتی نیز دارد، زیرا بسیاری از پاتوژن های ورودی همراه غذا (مثل باکتری ها و انگل ها) قادر به بقا در pH بسیار پایین معده نیستند. یون های کلرید حاصل از HCl به همراه سدیم و پتاسیم بخشی از تعادل الکترولیتی شیره گوارشی را فراهم می کنند. غلظت HCl در شیره معده تقریباً ۰٫۵٪ (نیم درصد وزنی) است که معادل محلولی بسیار رقیق می باشد. دیواره معده توسط لایه ضخیمی از موکوس و بی کربنات محافظت می شود تا آسیب مستقیم این اسید خورنده به بافت معده جلوگیری شود. در صورتی که تولید HCl بیش از حد باشد یا این حفاظ مخاطی آسیب ببیند، مشکلاتی نظیر ترش کردن (ریفلاکس) یا زخم معده ممکن است بروز کند. از سوی دیگر، تولید ناکافی اسید معده نیز می تواند منجر به هضم ضعیف و افزایش ریسک عفونت های گوارشی شود. بنابراین، اسید هیدروکلریک برای گوارش صحیح و دفاع ایمنی در دستگاه گوارش انسان ضروری است.