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氯化氫

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氯化氫
IUPAC名
Hydrogen chloride
系統命名法:Chlorane[1]
別名 鹽酸、氫氯酸
識別
CAS號 7647-01-0  ✓
ChemSpider 307
SMILES
InChI
InChIKey VEXZGXHMUGYJMC-UHFFFAOYAT
Beilstein 1098214
Gmelin 322
UN編號 1050
EINECS 231-595-7
ChEBI 17883
RTECS MW4025000
KEGG D02057
MeSH Hydrochloric+acid
性質
化學式 HCl
摩爾質量 36.4606 g·mol⁻¹
外觀 無色吸濕性氣體
密度 1.477 g/l (氣) (25 °C)
熔點 -114.2 °C (158.8 K)
沸點 -85.1 °C (187.9 K)
溶解性 72 g/100 ml (20 °C)
pKa −5.9 (±0.4)[2]
pKb 17.0
危險性
歐盟危險性符號
腐蝕性 C
危害環境N
警示術語 R:R23-R24-R25-R35-R37
安全術語 S:S7-S9-S26-S36-S37-S39-S45
NFPA 704
0
3
1
 
閃點 不可燃
相關物質
其他陰離子 氟化氫
溴化氫
碘化氫
其他陽離子 氯化鈉
氯化鉀
相關化學品 鹽酸
附加數據頁
結構和屬性 折射率介電系數
熱力學數據 相變數據、固、液、氣性質
光譜數據 UV-VisIRNMRMS
若非註明,所有數據均出自一般條件(25 ℃,100 kPa)下。

氯化氫(英語:hydrogen chloride),分子式為HCl,室溫下為無色氣體,遇空氣中的水汽形成白色鹽酸酸霧。氯化氫及其水溶液鹽酸在化工中非常重要。二者分子式均可寫為HCl。

分子結構

氯化氫分子是由一個原子和一個原子由共價鍵形成的雙原子分子。因為氯原子的電負性遠高於氫原子,兩原子間的共價鍵極性很強,所以氯化氫分子偶極矩很大,氯原子上有部分負電荷,氫原子上有部分正電荷,因此氯化氫易溶於水和其他極性溶劑

紅外光譜

氯化氫的紅外光譜在2886 cm-1(波長約3.47 cm)處有若干尖銳吸收峰。室溫下,幾乎所有分子處於基態振動(v=0)。v=1的激發態對應於2880 cm-1的吸收譜線。Q支吸收譜線因對稱性禁阻而觀察不到,而由分子旋轉產生的P支和R支譜線則可觀察到。量子力學原理只允許部分轉動模式:轉動量子數J只能是整數,而且其變化量只能是±1。根據

E(J) = h·B·J(J+1),

因為B遠小于振動能級,分子轉動所需的能量很小,一般處於微波波段,而分子的振動能級處於紅外波段,這樣用紅外光譜儀觀察普通氣室就能觀測到分子的轉動-振動能級。

自然界中的氯有兩種同位素,豐度比為3:1。雖然兩種分子振子的彈性係數相差無幾,但約化質量不同,所以轉動能級也不同。因此每條吸收譜線其實是緊靠着的兩條,強度比也是3:1。

性質

氣態

氯化氫是無色、揮發性氣體,有刺激性氣味。它易溶於,在0℃時,1體積的水大約能溶解500體積的氯化氫。氯化氫的水溶液酸性,叫做氫氯酸,習慣上叫鹽酸

氯化氫氣體溶於水生成鹽酸,所以打開盛有鹽酸的試劑瓶後揮發出來的氯化氫氣體常與空氣中的水汽形成鹽酸酸霧。常用氨水來檢驗氯化氫的存在,氨水中揮發出來的氨氣會與氯化氫反應生成白色的氯化銨微粒。氯化氫有強烈的偶極。

溶液

氯化氫因為分子極性很強,所以易溶於水和其他極性溶劑。溶於水後,氯化氫和水分子反應生成水合氫離子氯離子,反應方程式如下:

HCl + H2O → H3O+ + Cl

反應所形成的溶液叫做鹽酸,是一種強酸。這是因為氯化氫的酸度係數Ka很大,在水中完全電離。即使在非水溶劑中,氯化氫也能呈酸性。比如它可以溶於甲醇,使其質子化,並可作為無水環境中的酸性催化劑

HCl + CH3OH → CH3O+H2 + Cl

因此,氯化氫具有腐蝕性,尤其在潮濕環境中。

氯化氫在常見溶劑中的溶解性 (g/L)[3]
溫度 (°C) 0 20 30 50
823 720 673 596
甲醇 513 470 430
乙醇 454 410 381
乙醚 356 249 195

固態

固態氯化氫於98.4 K發生相變。X射線粉末繞射結果表明此時該固體從正交晶系變為立方晶系。在兩種晶系中氯原子均按面心立方排列,但氫原子無法定位。[4] 對其光譜介電性以及對氯化氘(DCl)結構的測定顯示氯化氫分子在固體中排成之字形,與氟化氫相同。[5]

合成方法

工業上合成的氯化氫大多用於生產鹽酸

直接合成

氯鹼工業中,電解鹽水會生成氯氣(Cl2)、氫氧化鈉(NaOH)和氫氣(H2)。紫外光照下氯氣和氫氣化合生成氯化氫。 2NaCl+2H2O→Cl2+2NaOH+H2

Cl2(g) + H2(g) → 2 HCl(g)

這是一個放熱反應,反應裝置稱為氯化氫烘箱或氯化氫燃燒器。生成的氯化氫氣體經去離子水吸收,成為化學純的鹽酸。反應產物相當純,可用於食品工業

有機合成

產量最大的合成方式是伴隨有機物(如聚四氟乙烯氟利昂和其他氯氟烴,還有一氯乙酸聚氯乙烯)的鹵化進行的。通常這種方式生產的氯化氫當場在密閉環境下就能利用。在這個反應中,中的氫原子被氯原子取代,然後和剩下的氯原子結合形成氯化氫分子。接下來氟化反應將氯原子取代,又生成氯化氫。

R-H + Cl2 → R-Cl + HCl
R-Cl + HF → R-F + HCl

生成的氯化氫氣體或是直接利用,或是被水吸收形成工業純的鹽酸。

實驗室合成

要製取少量氯化氫,可在氯化氫發生器中用濃硫酸或無水氯化鈣使鹽酸脫水。另外,氯化氫可由濃硫酸和氯化鈉反應生成:[6]

NaCl + H2SO4 → NaHSO4 + HCl↑

該反應於室溫下進行。如果氯化鈉過量,且溫度超過200℃,會有進一步反應:

NaHSO4 + NaCl → Na2SO4 + HCl↑

總的化學方程式可以表示如下:

2NaCl + H2SO4 → Na2SO4 + 2HCl↑

試劑必須乾燥才能使反應進行。

水解某些活躍的氯化物如三氯化磷五氯化磷氯化亞碸酰氯也能製得氯化氫。例如,向五氯化磷逐滴加入冷水可由以下反應生成氯化氫:

參考資料

  1. ^ Hydrochloric Acid 互聯網檔案館存檔,存檔日期2015-05-18., PubChem
  2. ^ Trummal, A.; Lipping, L.; Kaljurand, I.; Koppel, I. A.; Leito, I. "Acidity of Strong Acids in Water and Dimethyl Sulfoxide" J. Phys. Chem. A. 2016, 120, 3663-3669. doi:10.1021/acs.jpca.6b02253
  3. ^ Hydrochloric Acid – Compound Summary. Pubchem. 
  4. ^ Natta, G. Struttura e polimorfismo degli acidi alogenidrici. Gazzetta Chimica Italiana. 1933, 63: 425–439 (意大利語). 
  5. ^ Sándor, E.; Farrow, R. F. C. Crystal Structure of Solid Hydrogen Chloride and Deuterium Chloride. Nature. 1967, 213 (5072): 171–172. Bibcode:1967Natur.213..171S. doi:10.1038/213171a0. 
  6. ^ Francisco J. Arnsliz. A Convenient Way To Generate Hydrogen Chloride in the Freshman Lab. J. Chem. Ed. 1995, 72 (12): 1139. Bibcode:1995JChEd..72.1139A. doi:10.1021/ed072p1139. 

參見

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氯化氫
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