فرمول مولکولی و جرم مولکولی اسید کلریدریک

مقدمه

اسید هیدروکلریک (که با نام های اسید کلریدریک، موریاتیک یا جوهر نمک نیز شناخته می شود) از جمله مهم ترین ماده شیمیایی بسیار پرکاربرد در جهان هستند. این ترکیب معدنی یک اسید قوی و بسیار خورنده با بوی تند و مشخص است. فرمول مولکولی این اسید HCl می باشد که نشان می دهد هر مولکول از یک اتم هیدروژن و یک اتم کلر تشکیل شده است. وزن مولکولی اسید هیدروکلریک حدود ۳۶٫۴۶ گرم بر مول است. به عنوان یک اسید قوی، این ماده در آب به طور کامل یونیزه شده و یون های هیدروژن (H⁺) و کلرید (Cl⁻) آزاد می کند که دلیل اسیدیته و واکنش پذیری بالای آن می باشد. اسید هیدروکلریک در صنایع مختلف، آزمایشگاه های علمی و حتی در دستگاه گوارش انسان نقش های متنوعی دارد. در بخش های بعدی به بررسی فرمول مولکولی و وزن مولکولی، ساختار، خواص، روش های تولید، کاربردها، نکات ایمنی و تاریخچه این اسید پرداخته می شود.

اسید هیدروکلریک چیست؟

اسید هیدروکلریک (HCl) یک مولکول ساده دو اتمی و یک اسید معدنی متداول است که به داشتن خاصیت خورندگی بسیار قوی معروف می باشد. در حالت خالص به صورت هیدروژن کلرید گازی وجود دارد؛ گازی بی رنگ که به دلیل تمایل شدید به آب در هوای مرطوب دود ایجاد می کند. هنگامی که گاز هیدروژن کلرید در آب حل می شود، اسید هیدروکلریک را تشکیل می دهد که معمولاً به صورت یک محلول مایع شفاف و بی رنگ دیده می شود. خرید اسید کلریدریک سمنان در میان صنایع مختلف ایران، به ویژه در حوزه‌ های تصفیه آب، فلزکاری و تولید مواد شیمیایی، بسیار رایج است؛ زیرا این اسید با قدرت واکنش‌ پذیری بالا و خلوص مناسب، در فرآیندهای صنعتی نقش کلیدی دارد. این اسید به عنوان یک اسید قوی طبقه بندی می شود زیرا در آب به طور کامل یونش یافته و یون های هیدروژن آزاد می کند. اسید هیدروکلریک بوی تند و تیزی دارد و برای فلزات و بافت های زنده بسیار خورنده است. این اسید در غلظت های مختلفی عرضه می گردد؛ برای مثال، نوع تجاری آن که موریاتیک اسید نام دارد معمولاً حاوی حدود ۳۰٪ تا ۳۵٪ HCl است. این اسید به طور طبیعی در معده انسان و بسیاری حیوانات به صورت اسید معده حضور دارد و با تجزیه غذا به فرآیند هضم کمک می کند. به طور خلاصه، اسید هیدروکلریک یک ماده شیمیایی اساسی با ترکیب شیمیایی ساده اما رفتار اسیدی بسیار قوی در محلول آبی است.

فرمول شیمیایی اسید هیدروکلریک

فرمول شیمیایی اسید هیدروکلریک HCl است. این فرمول نشان دهنده مولکولی است که از یک اتم هیدروژن (H) و یک اتم کلر (Cl) پیوند یافته تشکیل شده است. HCl یکی از ساده ترین مولکول های اسیدی است که تنها دو اتم دارد. ترکیب ۱:۱ هیدروژن و کلر در این فرمول به وضوح عناصر تشکیل دهنده را نشان می دهد. در نمادگذاری شیمیایی، برای متمایز کردن حالت فیزیکی، گاهی اسید هیدروکلریک آبی را به صورت HCl (aq) می نویسند در حالی که شکل گازی آن به صورت HCl (g) نشان داده می شود. البته هر دوی این ها به یک گونه شیمیایی اشاره دارند و تنها در حالت فیزیکی تفاوت دارند. پیوند کووالانسی بین اتم های هیدروژن و کلر در مولکول HCl قطبی است؛ به طوری که اتم کلر به خاطر الکترونگاتیوی بالاتر، الکترون های پیوندی را بیشتر به سمت خود می کشد. قطبی بودن این پیوند دلیل رفتار اسیدی قوی HCl در آب است زیرا باعث می شود مولکول به راحتی یونیزه شود. به طور کلی، فرمول مولکولی HCl به سادگی ترکیب اسید هیدروکلریک را بیان می کند و نشان می دهد که هر مولکول فقط از همین دو عنصر تشکیل شده است.

وزن مولکولی اسید هیدروکلریک

وزن مولکولی اسید هیدروکلریک تقریباً ۳۶٫۴۶ واحد جرم اتمی است که معادل ۳۶٫۴۶ گرم بر مول می باشد. این مقدار از جمع جرم اتمی اجزای تشکیل دهنده مولکول HCl به دست می آید. اتم هیدروژن جرم اتمی حدود ۱٫۰۰۸ دارد و اتم کلر جرم اتمی حدود ۳۵٫۴۵ دارد. مجموع این مقادیر وزن ملکولی مولکول HCl را حدود ۳۶٫۴۵۸ می دهد که معمولاً برای ساده سازی به ۳۶٫۴۶ g/mol گرد می شود. وزن مولکولی یک ویژگی بنیادی است که جرم یک مول از یک ماده را نشان می دهد. برای اسید هیدروکلریک، این بدان معناست که یک مول HCl جرمی در حدود ۳۶٫۴۶ گرم دارد. این پارامتر در تهیه محلول ها و انجام محاسبات شیمیایی اهمیت زیادی دارد زیرا به شیمیدانان اجازه می دهد مقادیر معینی از HCl را برای واکنش ها و آنالیزها اندازه گیری کنند.

ترکیب و ساختار مولکول های HCl

هر مولکول اسید هیدروکلریک ترکیب و ساختار ساده‌ ای دارد و از یک اتم هیدروژن و یک اتم کلر تشکیل شده است؛ موضوعی که در ساختار پیوندی و شکل مولکولی اسید کلریدریک به‌ وضوح دیده می‌ شود. پیوند میان H و Cl یک پیوند کووالانسی یگانه است، اما به شدت قطبی محسوب می‌ شود زیرا الکترونگاتیوی کلر بسیار بیشتر از هیدروژن است. همین اختلاف باعث می‌ شود الکترون‌ های اشتراکی به سمت کلر کشیده شده و مولکول H–Cl دارای بار جزئی مثبت در سمت هیدروژن و بار جزئی منفی در سمت کلر شود. از نظر هندسی، مولکول HCl کاملاً خطی است و طول پیوند آن حدود ۱۲۷ پیکومتر اندازه‌ گیری می‌ شود. بخش عمده جرم مولکول نیز مربوط به اتم کلر است، چون سنگین‌ تر از هیدروژن می‌ باشد. این ساختار ساده دو اتمی در آب به‌ راحتی متلاشی شده و به یون‌ های H⁺ و Cl⁻ تبدیل می‌ شود که دلیل اسیدیته بسیار قوی اسید کلریدریک است.

محاسبه جرم مولی HCl

محاسبه جرم مولی HCl با توجه به فرمول ساده آن مستقیم است. برای تعیین وزن مولکولی اسید هیدروکلریک، جرم اتمی هر یک از اتم های سازنده را با هم جمع می کنیم. بر اساس جدول تناوبی، اتم هیدروژن دارای جرم اتمی حدود ۱٫۰۰۸ و اتم کلر دارای جرم اتمی حدود ۳۵٫۴۵ است. با جمع کردن این مقادیر عدد ۳۶٫۴۵۸ به دست می آید که معادل حدود ۳۶٫۴۶ گرم بر مول است. بنابراین، یک مول HCl وزنی در حدود ۳۶٫۴۶ گرم دارد. شیمیدان ها از این محاسبه برای اندازه گیری دقیق اسید هیدروکلریک در واکنش ها استفاده می کنند. به عنوان مثال، اگر یک واکنش به ۰٫۱ مول HCl نیاز داشته باشد، می توان جرم مورد نیاز را با ضرب ۳۶٫۴۶ در ۰٫۱ محاسبه کرد که حدود ۳٫۶۴۶ گرم HCl خالص خواهد بود.

خواص فیزیکی اسید هیدروکلریک

اسید هیدروکلریک خالص به صورت گاز هیدروژن کلرید، بی رنگ و غیرقابل اشتعال با بوی تند و زننده است. در صورت حل شدن در آب به عنوان اسید هیدروکلریک، یک محلول شفاف و بی رنگ تشکیل می دهد. یکی از ویژگی های فیزیکی قابل توجه اسید هیدروکلریک غلیظ، دود کردن آن در هوا است این محلول بخار HCl آزاد می کند که در تماس با رطوبت هوا مه سفید ایجاد می کند. خود گاز HCl سنگین تر از هوا است و در آب بسیار محلول می باشد. نقطه جوش و نقطه انجماد محلول های اسید هیدروکلریک بسته به غلظت متفاوت است؛ یک مخلوط آزئوتروپ حاوی حدود ۲۰٪ HCl در دمای حدود ۱۱۰ درجه سانتی گراد می جوشد. در حالی که هیدروژن کلرید خالص دارای نقطه جوش ۸۵- و نقطه ذوب ۱۱۴- درجه سانتی گراد در فشار استاندارد است. محلول های اسید هیدروکلریک غلیظ چگالی تقریباً ۱٫۱۸ تا ۱٫۱۹ دارند و بسیار خورنده هستند. در کل، اسید هیدروکلریک یک مایع (در حالت محلول) است که به شدت در آب محلول است، دودهای خفه کننده آزاد می کند و خواص فیزیکی معمول یک اسید قوی را نشان می دهد.

خواص شیمیایی و واکنش های اسید هیدروکلریک

اسید هیدروکلریک خواص شیمیایی متداول یک اسید قوی غیراکسیدکننده را نشان می دهد. این اسید به سرعت با مواد قلیایی واکنش می دهد و در واکنش های خنثی سازی نمک و آب تولید می کند. برای نمونه، HCl سدیم هیدروکسید را خنثی کرده و سدیم کلرید و آب ایجاد می کند. به طور مشابه با اکسیدها و هیدروکسیدهای فلزی واکنش داده و کلریدهای محلول تشکیل می دهد. اسید هیدروکلریک همچنین با بسیاری از فلزات واکنش شدیدی نشان می دهد و طی آن گاز هیدروژن آزاد می شود. واکنش کلاسیک در این زمینه با روی است: Zn + 2 HCl → ZnCl₂ + H₂↑ . در واکنش با کربنات ها و بی کربنات ها، HCl گاز دی اکسید کربن، آب و نمک های کلرید محلول تولید می کند. برخلاف اسیدهای اکسیدکننده، HCl خالص معمولاً فلزات نجیب مانند طلا یا پلاتین را حل نمی کند مگر اکسنده ای حضور داشته باشد. یون کلرید تشکیل شده در واکنش ها عمدتاً نقش تماشاچی دارد، هرچند می تواند با برخی کاتیون ها رسوبات کلرید نامحلول ایجاد کند. به طور کلی رفتار شیمیایی اسید هیدروکلریک با واکنش های اسید قوی مشخص می شود: پروتون به بازها می دهد، در واکنش با فلزات یا کربنات ها گاز آزاد می کند، و در واکنش های متعدد نمک های کلرید ایجاد می نماید.

اسید هیدروکلریک در محلول آبی

در آب، اسید هیدروکلریک رفتار خاص یک اسید قوی را نشان می دهد و به طور کامل به یون ها تفکیک می شود. هر مولکول HCl حل شده یک یون هیدروژن H⁺ که در آب به هیدرونیوم H₃O⁺ تبدیل می شود و یک یون کلرید (Cl⁻) تولید می کند. به دلیل این یونش کامل، حتی محلول های نسبتاً رقیق HCl نیز pH بسیار پایینی دارند. یک محلول غلیظ اسید هیدروکلریک (حدود ۳۷٪ وزنی، تقریباً ۱۲ مولار) آن قدر اسیدی است که pH آن می تواند منفی باشد. هنگام تهیه یا رقیق کردن محلول های HCl، توجه به این نکته ضروری است که این فرایند گرمازا است؛ روش صحیح، افزودن اسید به آب می باشد تا از پاشیدن و جوشش جلوگیری شود. در محلول آبی، عملاً هیچ مولکول HCl خنثی باقی نمی ماند؛ اسید تقریباً به طور کامل به یون های H₃O⁺ و Cl⁻ تبدیل شده است. این تفکیک کامل در آب علت اسیدیته قوی HCl است و آن را به یک الکترولیت قوی در محلول تبدیل می کند.

تولید صنعتی اسید هیدروکلریک

اسید هیدروکلریک به صورت صنعتی از چند روش تولید می شود. یکی از روش های معمول امروزی سنتز مستقیم HCl از عناصر تشکیل دهنده آن است: گاز هیدروژن و گاز کلر با هم ترکیب می شوند که نتیجه آن تولید گاز هیدروژن کلرید است؛ این گاز سپس در آب جذب می شود و اسید هیدروکلریک را تشکیل می دهد. این روش اسیدی بسیار خالص تولید می کند و زمانی استفاده می شود که HCl با خلوص بالا مورد نیاز باشد. منبع عمده دیگر HCl به صورت محصول جانبی در تولید مواد آلی کلر دار است. برای مثال در فرآیند تولید پلی وینیل کلراید (PVC) یا تفلون، مقادیر زیادی گاز هیدروژن کلرید تولید می شود که با جذب آن، اسید هیدروکلریک حاصل می گردد. در گذشته، HCl با واکنش سدیم کلرید با اسید سولفوریک ساخته می شد (فرآیند مانهایم). طی انقلاب صنعتی فرایند لبلاک برای تولید کربنات سدیم نیز HCl را به عنوان محصول فرعی آزاد می کرد. امروزه اسید هیدروکلریک در مقیاس وسیع تولید و مصرف می شود و معمولاً به صورت محلول آبی با غلظت تا حدود ۳۷٪ به فروش می رسد.

کاربردهای رایج اسید هیدروکلریک

اسید هیدروکلریک در طیف گسترده ای از صنایع و کاربردهای روزمره مورد استفاده قرار می گیرد. در صنعت فلزات، یکی از کاربردهای کلیدی آن اسیدشویی فولاد است – زدودن زنگ و پوسته های اکسیدی از سطح آهن یا فولاد پیش از فرآیندهایی مانند گالوانیزه کردن. HCl با لایه های اکسیدی واکنش داده و سطح فلز را تمیز می کند. اسید هیدروکلریک همچنین در تولید ترکیبات غیرآلی به کار می رود؛ این اسید قادر است فلزات، اکسیدهای فلزی و کربنات ها را حل کرده و کلریدهای محلول آن ها را تشکیل دهد. در صنایع شیمیایی، از این اسید به عنوان واکنش گر در سنتز آلی و برای تنظیم pH استفاده می شود. کاربرد مهم دیگر آن در تصفیه آب و نگهداری استخرها است: به آب HCl اضافه می شود تا قلیاییت و pH کنترل شود. در صنعت غذا، اسید هیدروکلریک با گرید خوراکی در تولید شربت گلوکز و ژلاتین به کار می رود. در استخراج نفت و گاز، HCl را به داخل چاه ها تزریق می کنند تا رسوبات معدنی را حل کرده و جریان را بهبود بخشند. در مصارف خانگی شکل رقیق شده آن برای پاک کردن لکه های معدنی قوی استفاده می شود، هرچند چنین کاربردی نیاز به احتیاط دارد.

اسید هیدروکلریک در آزمایشگاه

در محیط های آزمایشگاهی، اسید هیدروکلریک یک واکنش گر اساسی محسوب می شود که به دلیل اسیدیته قوی و ترکیب ساده اش بسیار پرکاربرد است. این اسید اغلب در تیتر کردن های اسید باز به عنوان اسید استاندارد به کار می رود زیرا تک پروتونی است و در خنثی سازی بازها نقاط پایانی شفافی ایجاد می کند. محلول HCl با غلظت مشخص می تواند برای تعیین دقیق مقدار باز در یک نمونه از طریق تیتر کردن استفاده شود. همچنین اسید هیدروکلریک برای اسیدی کردن محلول ها در آزمایش های تحلیلی کاربرد دارد و برای حل کردن کربنات ها و هیدروکسیدها به کار می رود. از آنجا که HCl یون مزاحمی به جز کلرید وارد محلول نمی کند، ترجیح داده می شود در مواردی که یون کلرید مزاحمت ایجاد نمی کند. علاوه بر این، اسید هیدروکلریک رقیق برای تمیز کردن شیشه آلات آزمایشگاهی به کار می رود و پس از آن شستشوی کامل لازم است. پایداری نسبی محلول های HCl و در دسترس بودن آن، این اسید را به گزینه ای مناسب و نسبتاً ایمن برای کارهای آزمایشگاهی تبدیل کرده است.

نقش بیولوژیکی اسید هیدروکلریک

اسید هیدروکلریک نقش مهمی در زیست شناسی ایفا می کند که شناخته شده ترین آن در دستگاه گوارش انسان و بسیاری جانوران است. معده مقادیر قابل توجهی اسید معده ترشح می کند که عمدتاً از HCl رقیق تشکیل شده است (حدود ۰٫۵٪). این محیط اسیدی کردن محتویات معده تا pH حدود ۱ تا ۲ برای فعال سازی آنزیم های گوارشی مانند پپسین ضروری است. محیط بسیار اسیدی همچنین به جذب برخی مواد مغذی مانند آهن و کلسیم کمک می کند. علاوه بر کمک به هضم، اسیدیته بالا به عنوان مکانیزم دفاعی عمل کرده و بسیاری از میکروارگانیسم ها را از بین می برد. بدن ترشح HCl را از طریق سلول های جداری تنظیم می کند و در پاسخ به غذا اسید آزاد می کند. عدم تعادل در تولید HCl می تواند منجر به مشکلاتی مانند رفلاکس اسید یا زخم معده شود. در کل اسید هیدروکلریک برای هضم مناسب و دفاع ایمنی در معده حیاتی است.

ایمنی و احتیاطات کار با اسید هیدروکلریک

اسید هیدروکلریک غلیظ ماده ای خطرناک است که باید با دقت زیاد مورد استفاده قرار گیرد. خاصیت خورندگی آن باعث می شود در تماس با پوست یا چشم ها سوختگی های شدیدی ایجاد کند و بخارات آن می تواند به دستگاه تنفسی آسیب برساند. هنگام کار با HCl، استفاده از دستکش مقاوم، عینک ایمنی و لباس محافظ ضروری است. هرگونه کار باید در محیط با تهویه مناسب انجام شود. در صورت رقیق کردن، همیشه اسید را به آب اضافه کنید تا از واکنش گرمازای ناگهانی جلوگیری شود. نشت های کوچک را می توان با یک باز مناسب خنثی و جمع آوری کرد، اما نشت های بزرگ تر نیاز به روش های تخصصی دارند. HCl باید در ظروف مقاوم با درب محکم نگهداری شود و هرگز نباید با موادی مانند وایتکس یا پرمنگنات ها مخلوط شود چون احتمال آزاد شدن گاز کلر وجود دارد. با رعایت دقیق دستورالعمل ها، کار با این اسید بدون حادثه انجام می شود، اما دقت همیشگی لازم است.

تاریخچه کشف اسید هیدروکلریک

تاریخچه کشف و استفاده از اسید هیدروکلریک به دوران نخست علم شیمی برمی گردد. در قرون وسطی، شیمیدانانی مانند زکریای رازی با حرارت دادن مخلوط هایی شامل نمک و سولفات ها احتمالاً گاز هیدروژن کلرید تولید کردند. بعدها تیزاب سلطانی، مخلوط نیتریک اسید و نشادر، برای حل کردن طلا به کار رفت و عملاً HCl را در محل تولید می کرد. گزارش های روشن از جداسازی HCl خالص در اواخر قرن شانزدهم و اوایل قرن هفدهم ظاهر شد؛ شیمیدانانی چون گلابر و لیباویوس با واکنش نمک و اسید سولفوریک این اسید را به دست آوردند که با نام روح نمک شناخته شد. در انقلاب صنعتی، HCl به عنوان محصول جانبی فرآیند لبلاک برای ساخت کربنات سدیم فراوان شد و قوانین زیست محیطی قرن نوزدهم جذب و فروش آن را گسترش داد. از آن زمان تا کنون، اسید هیدروکلریک یک ماده بنیادین در صنعت و آزمایشگاه باقی مانده است.

اسید هیدروکلریک در مقایسه با سایر اسیدها

اسید هیدروکلریک را می توان از نظر قدرت، ترکیب و خواص با چند اسید دیگر مقایسه کرد. به عنوان یک اسید قوی تک پروتونی، HCl در آب کاملاً تفکیک می شود؛ اسید سولفوریک دو پروتونی است و مایع غلیظ به شمار می رود، در حالی که HCl در شکل خالص گاز است. نیتریک اسید اکسیدکننده قوی است ولی HCl غیراکسیدکننده می باشد.. HCl فرارتر از بسیاری از اسیدهای قوی است و به آسانی دود می کند. در میان اسیدهای هالوژنه، HCl قوی است هرچند HBr و HI قوی تر هستند، و HF ضعیف تر ولی بسیار خطرناک است. جدول زیر چند مقایسه کلیدی را نشان می دهد: