Соляная кислота – это бесцветная или желто-зеленая жидкость растворимая в воде, имеющая резкий запах хлористого водорода, с молекулярной массой 36.46 г/моль и плотностью 1.19 г/см³ при температуре в +20 градусов С. Химическая формула – HCl. Максимальная концентрация – 38%. Едкая одноосновная жидкость с высокими растворяющими свойствами при попадании на кожу вызывает ожоги, а ее испарения способны вызвать тяжелую интоксикацию, поэтому к ее производству, работе с ней, хранению и транспортировке предъявляются особые требования. Производство соляной кислоты и обращение с ней регламентируют несколько ГОСТ: 3118-77, 857-95 и 14261-77. Вещество впускается в масштабных объемах, поскольку высоко востребовано во многих сферах хозяйственной деятельности.
Сферы применения соляной кислоты:
- Металлургия. С помощью данного вещества извлекают из руды некоторые элементы: железо, марганец, цирконий, титан и другие. Соляная кислота используется, как реагент, в технологических процессах декапирования металлов – их очистке от грязи, окалины, ржавчины, оксидов.
- Медицина. В этой отрасли используется не технический продукт, а очищенная жидкость. Схема производства соляной кислоты этого вида длиннее и сложнее. Они используются в различных направлениях, в частности, при недостаточности выделения у пациента желудочного сока, ему прописывают соляную кислоту в определенной дозировке. Это купирует риски рака желудка и разрешает принимать витамины, для которых необходима определенная кислотность. Также HCl принимают параллельно с препаратами железа для улучшения усвояемости лекарств.
- Пищевые производства. Из HCl производят различные регуляторы, основной из них – Е507. Он придает продуктам терпкость и кислинку, которую можно почувствовать в колбасах, пирожных, сельтерской воде. Так же вещество регулирует кислотность продуктов – pH. Е507 – неизменная добавка в желатин, фруктозу и лимонную кислоту.
- Гальванопластика. В этой отрасли едкая жидкость используется, как рабочая среда для декапирования и травления.
- Дизайнерское и рекламное дело. Специалисты этого профиля применяют соляную кислоту при изготовлении изделий, у которых есть металлические элементы.
- Химические комбинаты. Из хлористоводородной кислоты получают хлор, что осуществляется посредством выпаривания раствора. А Cl необходим в производстве искусственного каучука и пластиков, отбеливания материалов, водоподготовке. Также из этого вещества производят хлориды различных металлов, с ее помощью происходит синтез органических продуктов, содержащих хлор.
- Легкая промышленность. Соляной кислотой дубят кожу на кожевенных предприятиях.
- Техническое обслуживание оборудования и конструкций. Поскольку HCl сильный растворитель, ее используют для очистки сосудов и емкостей, трубопроводов, рабочих органов бурильной техники и много другого.
Физические свойства
Физические свойства соляной кислоты во многом зависят от концентрации хлороводорода в ней, что можно увидеть в таблице ниже.
Концентрация по весу кг HCl/кг в % | Концентрация по объему HCl/м3 | Плотность в кг/л | Молярность в M | Вязкость в мПа·с |
10 | 104,8 | 1,048 | 2,87 | 1,16 |
20 | 219,6 | 1,098 | 6,02 | 1,37 |
30 | 344,7 | 1,149 | 9,45 | 1,7 |
32 | 370,8 | 1,159 | 10,17 | 1,8 |
34 | 397,5 | 1,169 | 10,9 | 1,9 |
36 | 424,4 | 1,179 | 11,64 | 1,99 |
38 | 451,8 | 1,189 | 12,39 | 2,1 |
После затвердения хлористоводородная кислота образует кристаллогидраты с химическими формулами HCl·6H2O, HCl·2H2O, HCl·H2O и HCl·3H2O.
Химические свойства:
- Реакция с металлами с электрохимическими потенциалами – до водорода, которая происходит с выделением водорода и образованием соли: 2Na + 2HCl ⟶ 2NaCl + H2 ↑ Mg + 2HCl ⟶ MgCl2 + H2 ↑ 2Al + 6HCl ⟶ 2AlCl3 + 3H2 ↑.
- Реакция с оксидами металлов с образованием воды и растворимой соли: Na2O + 2HCl ⟶ 2NaCl + H2O MgO + 2HCl ⟶ MgCl2 + H2O Al2O3 + 6HCl ⟶ 2AlCl3 + 3H2O.
- Реакция нейтрализации с гидроксидами металлов с образованием воды и растворимой соли: NaOH + HCl ⟶ NaCl + H2O Ba(OH)2 + 2HCl ⟶ BaCl2 + 2H2O Al(OH)3 + 3HCl ⟶ AlCl3 + 3H2O.
- Реакции с солями металлов, образованными более слабыми кислотами: Na2CO3 + 2HCl ⟶ 2NaCl + H2O + CO2 ↑.
- Реакция с сильными окислителями, при которой выделяется хлор: 2KMnO4 + 16HCl ⟶ 5Cl2 ↑ + 2MnCl2 + 2KCl + 8H2O.
- Реакция с аммиаком, при которой выделяется белый густой дым из мелких кристаллов хлорида аммония: NH3 + HCl ⟶ NH4Cl.
- Качественное взаимодействие на соляную кислоту и соли — химическая реакция с нитратом серебра, с образованием творожистого белого осадка хлорида серебра, который нерастворим в азотной кислоте: HCl + AgNO3 → AgCl ↓ + HNO3.
Технология производства соляной кислоты
Впервые соляную кислоту начали выделять алхимики в XVI веке, е получали нагреванием обычной соли с железным купоросом или с глиной. В истории науки вещество первым описал немецкий химик Иоганн Рудольф Глаубер, дав ему название «соляной спирт». Он получал жидкость посредством реакции NaCI с H2SO4. Его методика применима и сегодня. Промышленная технологическая схема производства соляной кислоты состоит из двух этапов: получение HCl и абсорбция вещества водой. Основной метод получения HCl осуществляется посредством синтеза из H2 и Cl2. Кроме этого большие объемы соляной кислоты образуются классическим методом и при хлорировании органических соединений, как побочный продукт: RH + Cl2= RCI + HCl, где R – радикал органической природы.
Техническая хлористоводородная синтетическая кислота выпускается в концентрации 27,5% HCl или 31%. Продукт, поступающий на рынок, разбавляют. Вещество концентрацией более 24% считается концентрированным. Транспортировка хлористоводородной жидкости выполняется в гуммированных металлических емкостях (с резиновым покрытием) или в стеклянных сосудах.
Химическое производство соляной кислоты
Соляной кислоту назвали из-за того, что водный раствор получают из поваренной соли. Эта сульфатная технология была долго единственным способом производства. Спустя некоторое время вещество начали синтезировать из водорода и хлора, а затем, как побочный продукт хлорирования органики. На сегодняшний день промышленными считаются три способа:
- сульфатный;
- синтетический;
- из побочных газов технологических процессов (абгазов).
Но в любой технологии получения реализованы два вышеназванных этапа: производство хлористого водорода и его поглощение водой. На второй стадии выделяется много тепла – до 72,8 кДж/моль, в зависимости от способа его отвода процессы классифицируют:
- изотермические, происходящие при неизменной температуре;
- адиабатические, они не предполагают теплообмена с окружающей средой;
- комбинированные.
Для получения соляной кислоты на российских производственных площадках преимущественно используются схемы адиабатической абсорбции. В этом случае абгазные газы пропускают через нижнюю часть абсорбера, а разбавленную водой соляную кислоту пускают по нижней части противотоком. НСl растворяется, выделяя тепло, так соляная кислота нагревается до температуры кипения.
Сульфатный метод
Эта технология базируется на реакции серной кислоты Н2SO4 в концентрации от 92 до 93% с хлоридом натрия. Взаимодействие происходит при температурах от +500 до +550 градусов С. Химическая формула реакции: 2NaCl + H2SO4 > Na2SO4 + 2HCl. Менее концентрированный раствор Н2SO4 не используют, поскольку хлористый водород будет разбавляться парами воды чрезмерно. Это затрудняет получение концентрата соляной кислоты.
В технологических процессах преимущественно используется выварочная крупнозернистая соль, поскольку ее характеризует наличие больших пор, которые разрешают легко и быстро пропитываться кислотой. В результате образуются однородные массы. Но такой материал содержит влагу в переменных объемах, что делает дозировку сырья затруднительным, как и определение оптимальной температуры в печах.
Постоянные показатели влажности присущи каменной соли, но в ней много примесей, таких как Fe2O3 и CaSO4, которые в технологических процессах превращаются в сульфат натрия. Дополнительные проблемы создает необходимость измельчения каменной соли и ее более интенсивного перемешивания, в сравнении с вываренным сырьем, с серной кислотой.
Выходящие из муфельных печей реакционные газы содержат до 65% хлороводорода, из реакторов с кипящей верхней массой они выходят с 5-процентным содержанием НСl. Сегодня существует перспективное предложение заменить в технологическом процессе Н2SO4 на смесь О2 с SO2, в качестве катализатора планируется использовать Fe2O3, а реакции проводить при температуре в +540 градусов С.
Синтетический метод
Синтез хлористого водорода из H2 и Cl2 разрешает получать концентрат хлористоводородного газа с содержанием HCl от 80% и более. Такой состав легко сжижается, а если он поглощается дистиллированной водой, то происходит чистая реактивная реакция. В результате которой можно получать концентрацию продукта в 38%.
Методика прямого синтеза хлористоводородной кислоты базируется на цепной реакции горения, выраженной в формуле: Н2 + Сl2 — 2НС1 + 184,7 кДж. Она провоцируется влагой, минеральными компонентами (это может быть глина или кварц), пористыми твердыми веществами, например, губчатыми пластинами или древесным углем, и светом.
Сухие компоненты – водород и хлор не вступают во взаимодействие. Наличие небольшого количества влаги может спровоцировать столь интенсивную реакцию, что она происходит со взрывом. В промышленных установках создаются условия для спокойного горения водорода в потоке хлора. Н2 подается в резервуары с небольшим избытком – до 10%. Это разрешает создать эффективную реакцию с экономичным расходом хлора, а в результате получить чистую соляную кислоту без загрязнений хлором.
Сжигание смеси компонентов осуществляется в различных типах печей. Они представляют собой компактные камеры из металла, огнеупорного кирпича, графита или плавленого кварца. Более предпочтительны графитовые печи из современного инновационного материала, наполненного пропиткой – фенолоформальдегидными смолами. Он купирует риски загрязнений готового продукта материалом конструкции.
Чтобы предотвратить взрывной характер взаимодействия компонентов в процессе горения, вещества смешивают непосредственно в пламени. В камерах сверху устанавливают теплообменники, которые предназначены для охлаждения реакционных газов до температуры в +150 или +160 градусов С.
Производительность современных печей из инновационного графита достигает до 65 тонн 35% НСl в сутки. Такие мощности делают синтетический метод производства соляной кислоты из водорода и хлора основным для промышленности. Если обнаруживаются недостаточные объемы водорода, то процесс синтеза можно модернизировать. Например, пропустить смесь водяного пара и Сl2 через слой раскаленного пористого угля. В этом случае произойдет реакция по следующей формуле: 2С12 + 2Н2О + С > 4НС1 + СО2 + 288,9 кДж. Взаимодействие осуществляется при температуре от +1000 до +1600 градусов С. Режим зависит от качества угля, количества и качества примесей в нем, например Fe2O3.
Также перспективным способом является использование смеси водяных паров и СО. Реакция выражается следующей формулой: СО + Н2О + Сl2 > 2НС1 + СО2.
Абгазный метод
Этим способом сегодня получают масштабные объемы соляной кислоты. Вещество производится из абгазного хлороводорода. Он образуется в результате различных реакций, преимущественно хлорирования и дегидрохлорирования органики. Эти технологии используются при производстве хлоридов металлов, выпуске калийных удобрений, пиролизе хлорорганических отходов и при других технологических процессах.
В абгазных газах содержатся различные объемы хлороводорода. Кроме необходимого вещества в них присутствуют инертные примеси, например, N2, Н2 и СН4, водорастворимые вещества, такие как хлораль и уксусная кислота, малорастворимая органика – хлорметаны и хлорбензол, а также кислые примеси и вода.
Если инертные примеси содержатся в объеме меньшем, чем 40%, целесообразно использовать способ изотермической абсорбции НСl в абгазных газах. Сегодня самыми перспективными считаются пленочные абсорберы. Они разрешают извлекать из абгаза от 65 до 85% хлороводорода.
Особенности обращения соляной кислоты
Высококонцентрированная хлористоводородная кислота – очень едкое вещество, при попадании на слизистые оболочки и кожные покровы вызывает сильные ожоги. Максимально опасно это для глаз. Для нейтрализации воздействия используют раствор солей более слабой кислоты, например, питьевой соды, или слабого основания.
При вскрытии емкостей с концентратом выделяются пары хлороводорода, они втягивают из воздуха влагу. Так формируется туман, пагубно воздействующий на дыхательные пути, желудочно-кишечный тракт и глаза. Если соляная кислота взаимодействует с сильными окислителями, например, перманганатом калия, хлорной известью или диоксидом марганца, то образуется токсичный хлор. Для защиты персонала используются респираторы, противогазы, фартуки, перчатки, специальная обувь и очки.
В Российской Федерации оборот HCl в концентрациях более 15 % лимитирован. Согласно технике безопасности содержание HCl в воздухе помещений допустимо в концентрации – до 0,005 мг/л.
Интересные факты:
- Желудок каждый день обновляет клетки своих поверхностей, поскольку старые отмирают от воздействия желудочного сока – соляной кислоты.
- Сок желудка – высоко агрессивен, он может за неделю растворить лезвие. Это делает соляная кислота.
- HCl в любых концентрациях способна полностью испариться.
- Желудочный сок не только способствует пищеварению, но убивает болезнетворные патогены.
- В каждом человеке есть такой объем желудочного сока с 0,4% хлористоводородной жидкостью, который запрещен к перевозу самолетами.
- HCl пагубно влияет на растения: и простейшие и деревья. В первый год воздействия опадают листья. На второй год растения полностью гибнет.
