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Articulo de referencia

Cloruro de hidrógeno

{{Cite web|url = https://www.ebi.ac.uk/chebi/searchId.do?chebiId=17883|title = hydrogen chloride (CHEBI:17883)|work = Chemical Entities of Biological Interest (ChEBI)|location =...

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El cloruro de hidrógeno tiene la fórmula química HCl y, como tal, es un haluro de hidrógeno . A temperatura ambiente , es un gas incoloro que, al entrar en contacto con el vapor de agua atmosférico , forma humos blancos de ácido clorhídrico . [ 9 ] El cloruro de hidrógeno gaseoso y el ácido clorhídrico son importantes en la tecnología y la industria. El ácido clorhídrico, la solución acuosa de cloruro de hidrógeno, también se suele representar con la fórmula HCl.

Reacciones

El vapor de ácido clorhídrico tiñe de rojo el papel indicador de pH, lo que demuestra que los vapores son ácidos.

El cloruro de hidrógeno es una molécula diatómica , compuesta por un átomo de hidrógeno (H) y un átomo de cloro (Cl) unidos por un enlace covalente polar . El átomo de cloro es mucho más electronegativo que el 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. [ 10 ] En parte debido a su alta polaridad, el HCl es muy soluble en agua (y en otros disolventes polares ).

Al entrar en contacto, el H₂O y el HCl se combinan para formar cationes hidronio [ H₃O ] ⁺ y aniones cloruro Cl⁻ :

HCl + H₂O → [ H₃O ] ⁺ + Cl⁻

La solución resultante se llama ácido clorhídrico y es un ácido fuerte . La constante de disociación o ionización ácida , Ka , es grande, lo que significa que el HCl se disocia o ioniza completamente en agua. El cloruro de hidrógeno también se ioniza en otros disolventes como el metanol .

HCl + CH₃OH → [ CH₃OH₂ ] ⁺ + Cl⁻​​

En ausencia de disolventes polares, el cloruro de hidrógeno funciona como un ácido débil.

Estructura y propiedades

Estructura del DCl sólido, determinada mediante difracción de neutrones de polvo de DCl a 77  K. Se utilizó DCl en lugar de HCl porque el núcleo de deuterio es más fácil de detectar que el núcleo de hidrógeno. La estructura lineal extendida se indica con líneas discontinuas.

El HCl congelado experimenta una transición de fase a 98,4 K (−174,8 °C; −282,5 °F) . La difracción de rayos X de 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 se encuentran en una disposición centrada en las caras . Sin embargo, no se pudieron localizar los átomos de hidrógeno. [ 11 ] El análisis de datos espectroscópicos y dieléctricos, y la determinación de la estructura del DCl (cloruro de deuterio) indican que el HCl forma cadenas en zigzag en estado sólido, al igual que el HF (véase la figura de la derecha). [ 12 ]   

Espectro de absorción infrarroja (IR)
Un doblete en el espectro IR resultante de la composición isotópica del cloro.

El espectro infrarrojo del cloruro de hidrógeno gaseoso, que se muestra a la izquierda, consta de varias 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 vibracional fundamental v = 0. Incluyendo la anarmonicidad , la energía vibracional se puede escribir como:   

miv=hνmi(v+12)+hincógnitamiνmi(v+12)2{\displaystyle E_{\mathrm {v} }=h\nu _{e}\left(v+{\tfrac {1}{2}}\right)+hx_{e}\nu _{e}\left(v+{\tfrac {1}{2}}\right)^{2}}

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 + 2 x e ν e = 2880 cm −1 . Sin embargo, esta absorción correspondiente a la rama Q no se observa debido a que está prohibida por simetría. En cambio, se ven dos conjuntos de señales (ramas P y R) debido a un cambio simultáneo en el estado rotacional 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 Δ J solo puede tomar valores de ±1.      

mi(J)rot=h⋅B⋅J(J+1){\displaystyle E(J)_{\mathrm {rot} }=h\cdot B\cdot J(J+1)}

El valor de la constante rotacional B es mucho menor que el de la constante vibracional ν₀ , por lo que se requiere mucha menos energía para rotar la molécula; para una molécula típica, esto se encuentra en la región de las microondas. Sin embargo, la energía vibracional de la molécula de HCl sitúa sus absorciones en la región infrarroja, lo que permite obtener fácilmente un espectro que muestre las transiciones rovibracionales de esta molécula utilizando un espectrómetro infrarrojo con una celda de gas. Esta última puede incluso ser de cuarzo, ya que la absorción del HCl se encuentra dentro de la ventana de transparencia de este material.

El cloro, que se encuentra en abundancia en la naturaleza, consta de dos isótopos, 35 Cl y 37 Cl, en una proporción aproximada de 3:1. Si bien las constantes elásticas son casi idénticas, las masas reducidas dispares de H 35 Cl y H 37 Cl provocan diferencias medibles en la energía rotacional, por lo que se observan dobletes al examinar detenidamente cada línea de absorción, ponderada en la misma proporción de 3:1.

Producción

Rutas históricas

En el siglo XVII, Johann Rudolf Glauber combinó cloruro de sodio y ácido sulfúrico para la preparación de cloruro de hidrógeno. Esta ruta constituye la base del proceso de Mannheim . Joseph Priestley preparó cloruro de hidrógeno en 1772, [ 14 ] y en 1808 Humphry Davy demostró que su composición química incluía hidrógeno y cloro . [ 15 ]

Rutas industriales

La mayor parte del cloruro de hidrógeno se produce como subproducto de los procesos de cloración . Las rutas hacia el tetrafluoroetileno , el clorobenceno , los CFC , el ácido cloroacético y el cloruro de vinilo son ejemplos ilustrativos. En estas rutas, formalmente hablando, los átomos de hidrógeno del hidrocarburo se reemplazan por átomos de cloro, tras lo cual el átomo de hidrógeno liberado se recombina con el átomo sobrante de la molécula de cloro, formando cloruro de hidrógeno.

RH + Cl 2 → RCl + HCl

A menudo, el cloruro de hidrógeno resultante se integra con su uso in situ, por ejemplo, mediante oxicloración . El cloruro de hidrógeno también se produce en algunas rutas de síntesis de compuestos organofluorados .

RCl + HF → RF + HCl
Llama dentro del horno de HCl

El cloruro de hidrógeno se puede producir 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 cloruro de hidrógeno resultante se absorbe en agua desionizada , obteniéndose ácido clorhídrico químicamente puro. Esta reacción puede proporcionar un producto muy puro, por ejemplo, para su uso en la industria alimentaria. La reacción también puede activarse mediante luz azul. [ 16 ]

Métodos de laboratorio

Se pueden generar pequeñas cantidades de cloruro de hidrógeno para uso en laboratorio en un generador de HCl mediante la deshidratación de 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: [ 17 ]

NaCl + H 2 SO 4 → NaHSO 4 + HCl ↑

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

NaCl + NaHSO 4 → Na 2 SO 4 + HCl ↑

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

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

PCl 5 + H 2 O → POCl 3 + 2 HCl ↑

Aplicaciones

La mayor parte del cloruro de hidrógeno se consume en la producción de ácido clorhídrico. También se utiliza en la producción de cloruro de vinilo y muchos cloruros de alquilo . [ 18 ] El triclorosilano , precursor del silicio ultrapuro, se produce mediante la reacción de cloruro de hidrógeno y silicio a unos 300 °C. [ 19 ]

Si + 3 HCl → HSiCl 3 + H 2

Historia

Hacia el 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) experimentaban con sal amoniacal ( cloruro de amonio ), que al destilarse junto con vitriolo ( sulfatos hidratados de diversos metales) producía cloruro de hidrógeno. [ 20 ] Es posible que en uno de sus experimentos, al-Razi descubriera un método primitivo para producir ácido clorhídrico . [ 21 ] Sin embargo, parece que en la mayoría de estos primeros experimentos con sales de cloruro , los productos gaseosos se desechaban, y el cloruro de hidrógeno pudo haberse producido muchas veces antes de que se descubriera su utilidad química. [ 22 ]

Uno de los primeros usos de este tipo fue la síntesis de cloruro de mercurio(II) (sublimado corrosivo), cuya producción a partir del calentamiento de 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 los alumbres y las sales"), un texto árabe de los siglos XI o XII falsamente atribuido a Abu Bakr al-Razi y traducido al latín por Gerardo de Cremona (1144-1187). [ 23 ]

Otro desarrollo importante fue el descubrimiento de pseudo-Geber (en De inventione veritatis , "Sobre el descubrimiento de la verdad", después de c. 1300) de que al agregar cloruro de amonio al ácido nítrico , se podía producir un disolvente fuerte capaz de disolver el oro (es decir, agua regia ). [ 24 ]

Tras el descubrimiento a finales del siglo XVI del proceso mediante el cual se puede preparar ácido clorhídrico puro, [ 25 ] se reconoció que este nuevo ácido (entonces conocido como espíritu de sal o acidum salis ) liberaba cloruro de hidrógeno gaseoso, que se denominaba aire ácido marino . En el siglo XVII, Johann Rudolf Glauber utilizó sal ( cloruro de sodio ) y ácido sulfúrico para la preparación de sulfato de sodio , liberando gas cloruro de hidrógeno (véase 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 . [ 26 ]

Durante la Revolución Industrial , aumentó la demanda de sustancias alcalinas como la ceniza de sosa , y Nicolas Leblanc desarrolló un nuevo proceso a escala industrial para su producción. En el proceso Leblanc , la sal se convertía en ceniza de sosa utilizando ácido sulfúrico, piedra caliza y carbón, obteniéndose cloruro de hidrógeno como subproducto. Inicialmente, este gas se liberaba al aire, pero la Ley de Álcalis de 1863 prohibió dicha liberación, por lo que los productores de ceniza de sosa absorbieron el gas residual de HCl en agua, produciendo ácido clorhídrico a escala industrial. Posteriormente, se desarrolló el proceso Hargreaves , similar al proceso Leblanc, con la diferencia de que se utilizan dióxido de azufre , agua y aire en lugar de ácido sulfúrico en una reacción globalmente exotérmica. A principios del siglo XX, el proceso Leblanc fue reemplazado por el proceso Solvay , que no producía HCl. Sin embargo, la producción de cloruro de hidrógeno continuó como parte del proceso de 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 obtener policloropreno ( neopreno ) y cloruro de polivinilo ( PVC ), respectivamente. En la producción de cloruro de vinilo, el acetileno ( C₂H₂ ) se hidroclora añadiendo HCl al triple enlace de la molécula de C₂H₂ , transformando el triple enlace en un doble enlace y obteniendo cloruro de vinilo .

El "proceso del acetileno", utilizado hasta la década de 1960 para la fabricación de cloropreno , comienza uniendo dos moléculas de acetileno y luego agregando HCl al intermedio resultante 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 Cl 2 al doble enlace del etileno, y la eliminación posterior produce HCl, así como cloropreno.

Seguridad

El cloruro de hidrógeno forma ácido clorhídrico corrosivo al entrar en contacto con el agua presente en los tejidos corporales. La inhalación de los vapores puede provocar tos , asfixia , inflamación de la nariz, la garganta y las vías respiratorias superiores , y en casos graves, edema pulmonar , insuficiencia circulatoria y la muerte. [ 27 ] El contacto con la piel puede causar enrojecimiento, dolor y quemaduras químicas graves . El cloruro de hidrógeno puede provocar quemaduras graves en los ojos y daños oculares permanentes.

La Administración de Seguridad y Salud Ocupacional de EE. UU. y el Instituto Nacional para la Seguridad y Salud Ocupacional han establecido límites de exposición ocupacional para el cloruro de hidrógeno en un tope de 5  ppm (7  mg/m³ ) , [ 28 ] y han recopilado información extensa sobre las preocupaciones de seguridad en el lugar de trabajo relacionadas con el cloruro de hidrógeno. [ 29 ]

Véase también

Referencias

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  2. ↑ Favre, Henri A.; Powell, Warren H., eds. (2014). Nomenclatura de la química orgánica: recomendaciones de la IUPAC y nombres preferidos 2013. Cambridge: The Royal Society of Chemistry . pág. 131. ISBN  9781849733069.
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  5. ↑ Propinas, E. (2002)Cambridge University Press, 2004.
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  10. ↑ Ouellette, Robert J.; Rawn, J. David (2015). Principios de química orgánica . Elsevier Science. págs. 6–. ISBN  978-0-12-802634-2.
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  28. ↑ Guía de bolsillo del CDC – NIOSH sobre riesgos químicos
  29. ↑ "Cloruro de hidrógeno" . CDC - NIOSH Tema de seguridad y salud en el lugar de trabajo . 5 de marzo de 2012. Consultado el 15 de julio de 2016 .