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鹽酸

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鹽酸
別名 氫氯酸
識別
CAS號 7647-01-0
ChemSpider 307
EINECS 231-595-7
RTECS MW4025000
ATC代碼 A09AB03B05XA13
性質
化學式 HCl(aq)
摩爾質量 36.46 g·mol⁻¹
外觀 無色至淡黃色清澈液體
密度 1.18g/cm3
熔點 −27.32℃(247K,38%溶液)
沸點 110℃(383K,20.2%溶液)
48℃(321K,38%溶液)
溶解性 混溶
pKa −8.0
黏度 1.9 mPa·s
(25℃,31.5%溶液)
危險性
警示術語 R:R34, R37
安全術語 S:S1/2, S26, S45
MSDS 外部MSDS
歐盟編號 017-002-01-X
主要危害 腐蝕性
NFPA 704
NFPA 704.svg
0
3
1
COR
閃點 不可燃
相關物質
其他陰離子 HFHBrHI
相關 硫酸硝酸
若非註明,所有數據均出自一般條件(25 ℃,100 kPa)下。

鹽酸IUPAC名:chlorane[1]),學名氫氯酸英語:hydrochloric acid),是氯化氫化學式HCl)的水溶液,屬於一元無機強酸,工業用途廣泛。鹽酸的性狀為無色透明的液體,有強烈的刺鼻氣味,具有較高的腐蝕性。濃鹽酸(質量百分濃度約為37%)具有極強的揮發性,因此盛有濃鹽酸的容器打開後氯化氫氣體會揮發,與空氣中的水蒸氣結合產生鹽酸小液滴,使瓶口上方出現酸霧。鹽酸是胃酸的主要成分,它能夠促進食物消化、抵禦微生物感染。

16世紀,利巴菲烏斯正式記載了純淨鹽酸的製備方法:將濃硫酸食鹽混合加熱。之後格勞勃普利斯特里戴維等化學家也在他們的研究中使用了鹽酸。

工業革命期間,鹽酸開始大量生產。化學工業中,鹽酸有許多重要應用,對產品的質量起決定性作用。鹽酸可用於酸洗鋼材,也是大規模製備許多無機、有機化合物所需的化學試劑,例如PVC塑料前體氯乙烯。鹽酸還有許多小規模的用途,比如用於家務清潔、生產明膠及其他食品添加劑除水垢試劑皮革加工。全球每年生產約兩千萬的鹽酸。

名稱來源[編輯]

英文中,鹽酸有一個別名「muriatic acid」,意即「和食鹽有關係的酸」,目前該名稱也在使用[2][3]。鹽酸的中文命名最早應追溯至1855年英國傳教醫師合信編寫的《博物新編》。此書在上海出版,主要介紹西方近代的自然科學知識,其中提到了「鹽強水」的製備方法及性質,此「鹽強水」即鹽酸。[4]而在19世紀傅蘭雅、徐壽翻譯的《化學鑒原》中,鹽酸的命名是「氫綠」[5]。這段時間,對化學物質的命名種類繁多[5],一直到1932年《化學命名原則》的頒佈才得以統一[6]。現行的1980年《中國化學會無機化學命名原則》中提到了鹽酸及其別名氫氯酸[7]

歷史[編輯]

王水是一種由鹽酸與硝酸組成的混合物。13世紀歐洲鍊金術士偽賈比爾英語Pseudo-Geber的作品中提到,可以通過將鹵砂英語sal ammoniac(主要成分為氯化銨)溶於硝酸來製備王水[8][9][10][11][12]。也有說法稱最先在手稿中提到王水的是13世紀末的拜占庭[13][14][15][16]

16世紀,利巴菲烏斯第一次正式記載了分離出的純淨鹽酸,他是在粘土坩堝中加熱鹽與濃硫酸的混合物來製備它的[17]。也有一些作者認為純的鹽酸是由15世紀德國本篤會巴希爾·瓦倫丁英語Basil Valentine製備的[18],他的方法是將食鹽硫酸亞鐵混合加熱後酸化[19]。不過,其他一些作者認為直到16世紀末都沒有文獻明確表明有人製備過純的鹽酸[13]

17世紀,德國卡爾施塔特縣約翰·格勞勃通過曼海姆法英語Mannheim process加熱氯化鈉硫酸來製備硫酸鈉,並釋放出了氯化氫氣體。1772年英國利茲約瑟夫·普利斯特里制出了純的氯化氫氣體[20]。1808年,英國彭贊斯漢弗里·戴維證明了氯化氫氣體由兩種元素組成[21]

工業革命期間,歐洲對英語alkaline的需求有所增加。法國伊蘇丹尼古拉斯·勒布朗新發現了一種碳酸鈉(蘇打)工業製法,使碳酸鈉得以大規模廉價生產。勒布朗制鹼法用硫酸、石灰石、煤將食鹽轉變為蘇打,同時生成副產物氯化氫氣體。這些氯化氫大多排放到空氣中,直到各國出台相關法規(例如英國《1863年鹼類法令英語Alkali Act 1863》)後,蘇打生產商們才用水吸收氯化氫,使得鹽酸在工業上大量生產。[10][22]

20世紀,無鹽酸副產物的氨鹼法已經完全取代勒布朗法。這時鹽酸已成為許多化工應用中很重要的一種化學品,因而人們開發了許多其他的製備方法,其中一些至今仍在使用。2000年後,絕大部分鹽酸都是由工業生產有機物得到的副產品氯化氫溶於水而得到的。[10][22][23]:811–812

1988年,因為鹽酸常用於製備海洛英可卡因甲基苯丙胺等毒品,《聯合國禁止非法販運麻醉藥品和精神藥物公約》將其列入了表二-前體[24]

物理性質[編輯]

濃度 密度 摩爾濃度 pH 粘度 比熱容 蒸汽壓 沸點 熔點
kg HCl/kg  kg HCl/m3 波美度英語Baumé scale g/ml mol/dm3 mPa·s kJ/(kg·K) kPa
10% 104.80 6.6 1.048 2.87 −0.5 1.16 3.47 1.95 103 −18
20% 219.60 13 1.098 6.02 −0.8 1.37 2.99 1.40 108 −59
30% 344.70 19 1.149 9.45 −1.0 1.70 2.60 2.13 90 −52
32% 370.88 20 1.159 10.17 −1.0 1.80 2.55 3.73 84 −43
34% 397.46 21 1.169 10.90 −1.0 1.90 2.50 7.24 71 −36
36% 424.44 22 1.179 11.64 −1.1 1.99 2.46 14.5 61 −30
38% 451.82 23 1.189 12.39 −1.1 2.10 2.43 28.3 48 −26
以上數據測定於溫度為20℃、壓強為1大氣壓(101.325kPa)的條件下。
蒸汽壓為溶液的總蒸汽壓。參考文獻:[25]

鹽酸的物理性質(如熔點沸點密度pH等)取決於其溶質氯化氫的濃度摩爾濃度。氯化氫的質量分數範圍為接近0%(極稀的溶液)到超過40%(發煙鹽酸)。[26][27][28]

如下左圖所示,鹽酸共有四個結晶共熔點,分別對應四種晶體:68%(HCl的質量分數,下同)時的HCl·H2O、51%時的HCl·2H2O、41%時的HCl·3H2O和25%時的HCl·6H2O。另外在24.8%時還有一種亞穩的HCl·3H2O生成。[28]

鹽酸在一定壓力下能形成共沸溶液。下右圖為一個大氣壓下不同濃度鹽酸的沸點,其中下方的線與上方的線分別表示相應溫度下,液體及與液體處於平衡狀態的蒸氣的組分。氯化氫的質量分數20.24%對應最高沸點108.6[29]:464-465

鹽酸的熔點關於水溶液中氯化氫質量分數的關係圖[30][31]
鹽酸的沸點關於水溶液中氯化氫質量分數的關係圖[30][31][29]:465

製備[編輯]

鹽酸主要由氯化氫溶於水來製備[32]:180。而氯化氫又有多種製備的方式,所以有許多前體。另外,也可以通過氯氣二氧化硫在水溶液中作用來製備:

[32]:177

重水水解氯化物(如三氯化磷二氯亞碸等)或酰氯,可以得到含有的鹽酸:

[32]:177

工業製備[編輯]

鹽酸的大規模生產已經與其他化學品的工業生產流程相結合,形成了一個較完備的體系。如上所述,要製備鹽酸,通常先製備氯化氫。工業製備氯化氫主要使用以下方法:

為了除去產物中未完全反應的氯氣,氫氣通常需要過量2-5%。[32]:180-181
  • 用食鹽與濃硫酸在加熱條件下作用[29]:466
應注意控制溫度於650℃以下,否則產物硫酸鈉會熔化。也可使用氯化鉀氯化鈣等來代替食鹽。[32]:180

工業生產的鹽酸濃度通常為37%,常因含有雜質FeCl3而顯黃色[29]:466。40%以上的更高濃度在化學上可以實現,但其蒸發速率太快,導致儲存與處理時都需要採取額外的措施,例如低溫、加壓等。工業大量需求的濃度是30%到34%,此時氯化氫蒸氣損耗最少,是運輸時的最佳濃度。在美國,一般商業出售的鹽酸濃度介於20%到32%之間;家用鹽酸(用於清潔等)濃度在10%到12%,且推薦在使用前稀釋數倍。英國家用鹽酸濃度與美國的工業級相同。[10]中國工業用鹽酸濃度為31%或更低,主要由氯鹼、化肥企業生產[34]

世界上生產鹽酸最多的公司是陶氏化工,若計入氯化氫氣體,其產量約為每年兩百萬(2Mt/a)。另外,喬治亞海灣公司英語Georgia Gulf東曹株式會社英語Tosoh阿克蘇諾貝爾泰森德洛的產量分別為0.5-1.5Mt/a。據估計,世界的總產量為20Mt/a,其中3Mt/a由直接合成得到,剩下的都是有機反應等得到的副產物。迄今為止,大部分的鹽酸都由生產者自己使用,而在世界市場上流通的大約只有5Mt/a。[10]

化學性質與反應[編輯]

透明帶有玻璃塞的玻璃瓶,上面貼着標籤:「HYDROCHLORIC ACID. COX. HCl」
鹽酸是常用的實驗室試劑

鹽酸是一種一元酸,這意味着它只能電離出一個H+。在水溶液中,H+與一個水分子絡合,成為H3O+[26][27]

可以看出,電離後生成的陰離子是Cl,所以鹽酸可以用於製備氯化物,例如氯化鈉。鹽酸是強酸,在水中能夠完全電離。[26][27]

一元酸只有一個酸離解常數,符號為Ka。它能夠度量水溶液中酸的強度。於鹽酸等強酸而言,Ka很大,只能通過理論計算來求得[35]。向鹽酸溶液中加入氯化物(比如NaCl)時pH基本不變,這是因為Cl是鹽酸的共軛鹼,強度極弱。所以在計算時,若不考慮極稀的溶液,可以假設H+物質的量濃度與原氯化氫濃度相同。如此做即使精確到四位有效數字都不會有誤差。[26][27]

鹽酸具有還原性,可以和一些強氧化劑反應,放出氯氣[e]

二氧化錳[29]:765
二氧化鉛[29]:682
重鉻酸鉀[29]:758

一些有氧化性的鹼和鹽酸可以發生氧化還原反應,而不是簡單的中和反應[29]:779

配位化學[編輯]

部分金屬化合物溶於鹽酸後,金屬離子會與氯離子絡合。例如難溶於冷水的二氯化鉛可溶於鹽酸:[29]:685

在無空氣時難溶於稀鹽酸,但其能溶於熱濃鹽酸中,放出氫氣:[29]:703-704

分析化學[編輯]

分析化學中,用酸來測定的濃度時,一般都用鹽酸來滴定。用強酸滴定可使終點更明顯,從而得到的結果更精確。在1標準大氣壓下,20.2%的鹽酸可組成共沸溶液,常用作一定氣壓定量分析中的基準物。其共沸時的濃度會隨着氣壓的改變而改變。[36]

鹽酸也常用於溶解固體樣品以便進一步分析。稀鹽酸能夠溶解許多金屬(金屬活動性排在之前的),生成金屬氯化物與氫氣

或者與碳酸鈣氧化銅反應生成易溶的物質以便分析。[26][27]

銅、等活動性在氫之後的金屬不能與稀鹽酸反應,但銅在有空氣存在時,可以緩慢溶解[29]:703-704

有機化學[編輯]

胺類化合物通常在水中溶解度不大。欲增大其溶解度,可以用稀鹽酸處理為銨鹽

胺的鹽酸鹽屬於離子化合物,根據相似相溶原理,在水中的溶解度較大。銨鹽遇到強鹼即可變回為胺:

利用這樣的性質,可以將胺與其他有機化合物分離[37]:756

此外,胺的鹽酸鹽的熔點或分解點可以用來測定胺的種類[37]:756

鋅粒與氯化汞在稀鹽酸中反應可以製得鋅汞齊,後者與濃鹽酸、醛或酮一起回流可將醛酮的羰基還原為亞甲基,是為克萊門森還原反應[33]:531-532

但應注意,此法只適用於對酸穩定的化合物,α、β-碳碳雙鍵等也會被還原[33]:532

濃鹽酸與無水氯化鋅混合可以製得盧卡斯試劑,用來鑑別六碳及以下的醇是伯醇仲醇還是叔醇[33]:394

酸鹼中和[編輯]

鹽酸還可以與氫氧化鈉混合,產生食鹽:

應用[編輯]

鹽酸是一種無機強酸,在工業加工中有着廣泛的應用,例如金屬的精煉。鹽酸往往能夠決定產品的質量。[10]

酸洗鋼材[編輯]

鹽酸一個最重要的用途是酸洗鋼材。在後續處理鐵或鋼材(擠壓軋制鍍鋅等)之前,可用鹽酸反應掉表面的銹或鐵氧化物[10][23]:811–812。通常使用濃度為18%的鹽酸溶液作為酸洗劑來清洗碳鋼

剩餘的廢酸常再用作氯化亞鐵溶液,但其中重金屬含量較高,故這種做法已經逐漸變少。

酸洗鋼材工業發展了鹽酸再生英語hydrochloric acid regeneration工藝,如噴霧焙燒爐或流化床鹽酸再生工藝等。這些工藝能讓氯化氫氣體從酸洗液中再生。其中最常見的是高溫水解工藝,其反應方程式如下:[10]

將製得的氯化氫氣體溶於水即又得到鹽酸。通過對廢酸的回收,人們建立了一個封閉的酸循環[23]:811–812。副產品氧化鐵在各種工業加工流程中也有較多應用[10]

製備有機化合物[編輯]

鹽酸的另一大主要用途是製備有機化合物,例如合成PVC塑料的原料氯乙烯二氯乙烷聚碳酸酯的前體雙酚A、催化膠黏劑聚乙烯醇縮甲醛[38]:292-295抗壞血酸等。企業合成PVC時通常不用市售的,而使用內部製備的鹽酸。鹽酸在製藥方面也有很大的用途。[23]:811-812

[f][33]:393-394

製備無機化合物[編輯]

鹽酸可以發生酸鹼反應,故能製備許多無機化合物,例如處理水所需的化學品氯化鐵聚合氯化鋁(簡稱聚鋁,PAC):

(用赤鐵礦製備氯化鐵)

氯化鐵與聚鋁在污水處理飲用水等的生產中起絮凝劑和混凝劑的作用[39][40]

用鹽酸還可以製備其他的無機物,包括道路用鹽氯化鈣電鍍用鹽氯化鎳、鍍鋅工業和電池製造業用鹽氯化鋅等。[23]:811–812另外,常通過氯化鋅活化法從木炭製備活性炭[23]:274

(用石灰石製備氯化鈣)

控制pH及中和鹼液[編輯]

鹽酸可以用來調節溶液的pH值:

在工業中對純度的要求極高時(如用於食品、製藥及飲用水等),常用高純的鹽酸來調節水流的pH;要求相對不高時,工業純的鹽酸已足以中和廢水,或處理游泳池中的水[23]:811–812

陽離子交換樹脂的再生[編輯]

高質量的鹽酸常用於陽離子交換樹脂的再生。陽離子交換廣泛用於礦泉水生產中,除去溶液中含有的Na+、Ca2+離子,而鹽酸可以衝掉反應後樹脂中的這些離子。[10]一個H+替換一個Na+,Ca2+則需要兩個H+

離子交換樹脂和軟化水在幾乎所有的化學工業中都有應用,尤其是飲用水生產和食品工業[10]

其他應用[編輯]

鹽酸還有許多小規模的用途,比如皮革加工、食鹽生產、家務用清潔劑[41],以及用於建築業[23]:811–812石油工業也常用鹽酸:將鹽酸注入油井中以溶解岩石,形成一個巨大的空洞。此法在北海油田的石油開採工業中經常用到。[10]

鹽酸可以溶解碳酸鈣,其應用包括除水垢或砌磚使用的石灰砂漿[42],但鹽酸較為危險,使用時需謹慎。它與石灰砂漿中的碳酸鈣反應生成氯化鈣二氧化碳和水:

明膠、食品、食品原料和食品添加劑的生產中常用到鹽酸。典型例子有阿斯巴甜果糖檸檬酸賴氨酸酸水解植物蛋白等。這些工藝都使用食品級(非常純)的鹽酸。[10][23]:811–812

在生物體中的存在[編輯]

圖為粘膜層,並解釋了胃的粘膜防禦作用的機制

胃酸是胃的主要分泌物。胃酸主要由鹽酸組成,其pH大約為1-2。[43][44]

氯離子(Cl)和氫離子(H+)由壁細胞分泌。壁細胞位於胃粘膜英語gastric mucosa上,胃粘膜又在胃的頂部區域,即胃底。壁細胞中含有大量分泌小管,兩種離子在其中結合,之後進入胃腔。[45]

胃酸是抵禦微生物感染的屏障,對食物的消化也很重要。胃酸較低的pH使蛋白質變性,讓其易為消化酶中的胃蛋白酶所水解。低pH也能促使酶前體胃蛋白酶原自我切割活化為胃蛋白酶。食糜離開胃部進入十二指腸以後,其中所含的鹽酸便被十二指腸中的碳酸氫鈉中和。[43]

胃能夠保護自己不被強酸腐蝕,這是因為它分泌了一層很厚的黏液,且胰腺促胰液素的作用下會產生含碳酸氫鈉的胰液來緩衝,這樣的機制稱為粘液-碳酸氫鹽屏障。如果沒有這些機制,可能會出現胃灼熱胃及十二指腸潰瘍等症狀。這樣的情況下,可使用抗組胺藥質子泵抑制劑等藥物抑制胃酸的生成,或者服用抗酸藥來中和胃酸。[43][46]

安全性[編輯]

危險性物質標誌
一個菱形的帶有數字8和"corrosive"的標籤,並指出這種液滴會腐蝕材料和人的手。一個橘黃色的標籤,指出這種液滴會腐蝕材料和人的手。

濃鹽酸(發煙鹽酸)會揮發出酸霧。鹽酸本身和酸霧都會腐蝕人體組織,可能會不可逆地損傷呼吸器官、眼部、皮膚和胃腸等[47][48]。在將鹽酸與氧化劑(例如漂白劑次氯酸鈉高錳酸鉀等)混合時,會產生有毒氣體氯氣

[29]:458
[29]:460

人們常穿戴個人防護裝備英語Personal protective equipment來減少處理鹽酸帶來的危害,包括乳膠手套[49]護目鏡、耐腐蝕的服裝與鞋等。美國國家環境保護局已將鹽酸定為有毒物質[50]

氯化氫的危險性取決於其濃度。下表中列出了歐盟對鹽酸溶液的分類。

濃度 分類[51] 警示術語
10–25% 刺激性 (Xi) R36/37/38
> 25% 腐蝕性 (C) R34 R37

鹽酸的聯合國危險貨物編號是1789,在裝它的容器上需要註明這個編號[52]

參見[編輯]

注釋[編輯]

  1. ^ 此處"air"即「氣體」。
  2. ^ muriatic acid gas即氯化氫氣體
  3. ^ 即氯化鉀
  4. ^ 反應方程式為:
  5. ^ 「con.」表示,下同
  6. ^ 「rt」即室溫

參考文獻[編輯]

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外部連結[編輯]

一般安全信息
污染源監管信息