塩化水素

化合物塩化水素は化学式HClを持ち、ハロゲン化水素である。室温では無色の気体であり、大気中の水蒸気と接触すると塩酸の白い煙を生成する。^{[ 9 ]}塩化水素ガスと塩酸は、技術と産業において重要である。塩化水素の水溶液である塩酸も、一般的にHClという式で表される。

塩化水素は、極性共有結合でつながった水素原子H と塩素原子 Clからなる二原子分子です。塩素原子は水素原子よりもはるかに電気陰性度が高いため、この結合は極性になります。その結果、この分子は大きな双極子モーメントを持ち、塩素原子には負の部分電荷(δ−)、水素原子には正の部分電荷 (δ+) があります。^{[ 10 ]}極性が高いこともあり、HCl は水(およびその他の極性溶媒)に非常に溶けやすいです。

接触すると、H ₂ Oと HCl が結合してヒドロニウム陽イオン[ H ₃ O] ⁺と塩化物陰イオンCl ⁻を形成します。

HCl + _H₂O → [ H₃O _] ^{⁺ +} Cl⁻

得られた溶液は塩酸と呼ばれ、強酸である。酸解離定数またはイオン化定数Ka_{は大きく、これはHClが水中では完全に解離またはイオン化することを意味する。塩化水素は}メタノールなどの他の溶媒中でもイオン化する。

^HCl + _CH₃OH → [ CH₃OH₂ _] ^⁺ + Cl⁻_​​

このような極性溶媒が存在しない場合、塩化水素は弱酸として作用する。

構造と特性

77 KにおけるDCl粉末のニュートロン回折によって決定された固体DClの構造。 重水素原子核は水素原子核よりも検出が容易であるため、HClの代わりにDClが使用された。破線は、拡張された直線構造を示している。

凍結したHClは98.4 K（-174.8 °C、-282.5 °F）で相転移を起こす。凍結した物質のX線粉末回折では、この相転移中に物質が斜方晶構造から立方晶構造に変化することが示されている。どちらの構造でも塩素原子は面心配列になっている。しかし、水素原子の位置は特定できなかった。^{[ 11 ]}分光学的データと誘電率データの分析、およびDCl（重水素塩化物）の構造の決定から、HClはHFと同様に固体中でジグザグ鎖を形成することが示唆されている（右図参照）。^{[ 12 ]}   

左図に示す気体塩化水素の赤外線スペクトルは、 2886  cm⁻¹ （波長約3.47 μm）付近に集まった多数の鋭い吸収線から構成されている。室温では、ほぼすべての分子が基底振動状態v = 0にある。非調和性を考慮すると^、振動エネルギーは次のように表される。   

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

HCl 分子をv  =  0状態からv  =  1 状態に励起するには、ν _o  = ν _e + 2 x _e ν _e = 2880 cm ⁻¹付近の赤外吸収が見られるはずです。しかし、この Q ブランチに対応する吸収は、対称性によって禁止されているため観測されません。代わりに、分子の回転状態が同時に変化するため、2 組の信号 (P ブランチと R ブランチ) が見られます。量子力学的選択則により、特定の回転遷移のみが許可されます。状態は回転量子数J = 0, 1, 2, 3, ... によって特徴付けられ、選択則では Δ Jは ±1 の値しか取ることができません。      

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

回転定数Bの値は振動定数νoよりもはるかに小さいため、分子を回転させるのに必要なエネルギーははるかに少なくて済みます。典型的な分子の場合、これはマイクロ波領域に相当します。しかし、HCl分子の振動エネルギーは吸収帯を赤外線領域に配置するため、ガスセルを備えた赤外分光計を使用すれば、この分子の回転振動遷移を示すスペクトルを容易に取得できます_。HClの吸収帯は石英の透過窓内にあるため、ガスセルは石英で作ることも可能です。

天然に豊富に存在する塩素は、^35Clと^37Clという2つの同位体からなり、その比率は約3:1です。バネ定数はほぼ同じですが、H35ClとH37Clの換算質量が異なる^ため、^回転エネルギーに測定可能な差が生じ、各吸収線を詳しく調べると、同じ3:1の比率で重み付けされた二重線が観測されます。

塩化水素の大部分は塩酸の製造に消費されます。塩化ビニルや多くのアルキルクロリドの製造にも使用されます。^{[ 18 ]}超高純度シリコンの前駆体であるトリクロロシランは、塩化水素とシリコンを約300℃で反応させることによって生成されます。^{[ 19 ]}

Si + 3 HCl → HSiCl ₃ + H ₂

900 年頃、ジャビル・イブン・ハイヤーン(ラテン語: Geber) とペルシャの医師で錬金術師のアブー・バクル・アル＝ラージー(865 年頃 - 925 年、ラテン語: Rhazes)に帰せられるアラビア語の著作の著者は、塩化アンモニウム(塩化アンモニウム) の実験を行っており、これを硫酸塩(様々な金属の水和硫酸塩) と一緒に蒸留すると塩化水素が生成されました。 ^{[ 20 ]}アル＝ラージーは、実験の 1 つで塩酸を生成する原始的な方法を偶然発見した可能性があります。^{[ 21 ]}しかし、塩化物塩を用いたこれらの初期の実験のほとんどでは、気体生成物は廃棄されたようで、塩化水素は化学的に利用できることが発見される前に何度も生成された可能性があります。^{[ 22 ]}

そうした用途の初期の1つは、塩化水銀(II)（昇汞）の合成であり、水銀をミョウバンと塩化アンモニウム、または硫酸と塩化ナトリウムとともに加熱することによって水銀を製造する方法は、11世紀または12世紀のアラビア語の文献である『De aluminibus et salibus』（「ミョウバンと塩について」）で初めて記述された。この文献は、誤ってアブー・バクル・アル＝ラージーに帰せられ、クレモナのジェラール（1144～1187年）によってラテン語に翻訳された。^{[ 23 ]}

もう一つの重要な進展は、偽ゲーベル（1300年頃以降の『真理の発見について』）による、硝酸に塩化アンモニウムを加えることで金を溶解できる強力な溶媒（すなわち王水）を生成できることの発見であった。^{[ 24 ]}

16世紀後半に、未混合の塩酸を調製する方法が発見された後、 ^{[ 25 ]}この新しい酸（当時はスピリット・オブ・ソルトまたはアシダム・サリスとして知られていた）が塩化水素ガスを放出することが認識され、これは海洋酸性空気と呼ばれた。17世紀には、ヨハン・ルドルフ・グラウバーが塩（塩化ナトリウム）と硫酸を用いて硫酸ナトリウムを調製し、塩化水素ガスを放出した（上記「製造」を参照）。1772年には、カール・ヴィルヘルム・シェーレもこの反応を報告しており、その発見者として認められることもある。ジョセフ・プリーストリーは1772年に塩化水素を調製し、1810年にハンフリー・デービーはそれが水素と塩素から構成されていることを確認した。^{[ 26 ]}

産業革命期には、炭酸ナトリウムなどのアルカリ性物質の需要が増加し、ニコラ・ルブランは炭酸ナトリウムを製造するための新しい工業規模のプロセスを開発しました。ルブラン法では、硫酸、石灰石、石炭を用いて塩を炭酸ナトリウムに変換し、副産物として塩化水素を生成しました。当初、このガスは大気中に放出されていましたが、1863年のアルカリ法によって放出が禁止されたため、炭酸ナトリウム製造業者は塩化水素の廃ガスを水に吸収させ、工業規模で塩酸を製造しました。その後、ハーグリーブス法が開発されました。これはルブラン法と似ていますが、硫酸の代わりに二酸化硫黄、水、空気を使用し、全体として発熱反応です。20世紀初頭には、塩化水素を生成しないソルベー法によってルブラン法は事実上置き換えられました。しかし、塩酸製造工程の一環として塩化水素の生成は継続されました。

20世紀における塩化水素の歴史的な用途としては、アルキンのヒドロ塩素化による塩素化モノマー であるクロロプレンと塩化ビニルの製造が挙げられます。これら_はその後重合され、それぞれポリクロロプレン（ネオプレン）とポリ塩化ビニル（ PVC）が作られます。塩化ビニルの製造では、アセチレン（C₂H₂ ）の_三重結合にHClを付加することで塩化水素化され、三重結合が二重結合に変化し_、塩化_ビニルが生成されます。

1960年代までクロロプレンの製造に用いられていた「アセチレン法」は、まず2つのアセチレン分子を結合させ、次に結合した中間体の三重結合にHClを添加してクロロプレンに変換するというものである（図参照）。

この「アセチレン法」は、代わ​​りにエチレンの二重結合に塩素原子（Cl₂ _）を付加し、その後の脱離反応で塩化水素（HCl）とクロロプレンを生成するプロセスに置き換えられた。

塩化水素は、体組織中の水分と接触すると腐食性の塩酸を生成します。蒸気を吸入すると、咳、窒息、鼻、喉、上気道の炎症を引き起こし、重症の場合は肺水腫、循環器系の機能不全、死に至る可能性があります。^{[ 27 ]}皮膚に接触すると、発赤、痛み、重度の化学熱傷を引き起こす可能性があります。塩化水素は、目に重度の熱傷や永久的な眼の損傷を引き起こす可能性があります。

米国労働安全衛生局と国立労働安全衛生研究所は、 塩化水素の職業曝露限界を5 ppm（7  mg/m ³）の上限に設定し^{[ 28 ]}、塩化水素の職場における安全上の懸念に関する広範な情報をまとめています^{[ 29 ] 。}

• 胃酸、塩酸は、タンパク質の消化を助けるために胃に分泌される。
• 塩化物、塩化水素の塩
• 臭化水素
• 塩酸塩、塩酸の有機塩
• 塩化水素化、アルケンとの付加反応

• 国際化学物質安全カード0163
• テムズ＆コスモスケム C2000 実験マニュアル