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                      鹽酸


                      鹽酸(hydrochloric acid)是氯化氫(HCl)的水溶液[2],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(質量分數約為37%)具有極強的揮發性,因此盛有濃鹽酸的容器打開后氯化氫氣體會揮發,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、抵御微生物感染。

                      16世紀,利巴菲烏斯正式記載了氯化氫的制備方法。之后格勞勃、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?;瘜W工業中,鹽酸有許多重要應用,對產品的質量起決定性作用。鹽酸可用于酸洗鋼材,也是大規模制備許多無機、有機化合物所需的化學試劑[5-6],例如PVC塑料的前體氯乙烯。鹽酸還有許多小規模的用途,比如用于家務清潔、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噸的鹽酸。

                      2017年10月27日,世界衛生組織國際癌癥研究機構公布的致癌物清單初步整理參考,鹽酸在3類致癌物清單中。

                        研究簡史

                        人們對鹽酸的認識最早來自于王水,是一種由鹽酸與硝酸組成的混合物。13世紀歐洲煉金術士賈比爾的作品中提到,可以通過將鹵砂(主要成分為氯化銨)溶于硝酸來制備王水[7-10]。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[11]。

                        16世紀,利巴菲烏斯第一次正式記載了分離出的純凈鹽酸,他是在粘土坩堝中加熱鹽與濃硫酸的混合物來制備氯化氫。也有一些作者認為純的鹽酸是由15世紀德國本篤會的巴希爾·瓦倫丁制備的[12],他的方法是將食鹽與硫酸亞鐵混合加熱后酸化[13]。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制備過純的鹽酸[3]。

                        17世紀,德國卡爾施塔特縣的約翰·格勞勃通過曼海姆法加熱氯化鈉和硫酸來制備硫酸鈉,并釋放出了氯化氫氣體。1772年英國利茲的約瑟夫·普利斯特里制出了純的氯化氫氣體。1808年,英國彭贊斯的漢弗里·戴維證明了氯化氫氣體由氫、氯兩種元素組成[14]。

                        工業革命期間,歐洲對堿的需求有所增加。法國伊蘇丹的尼古拉斯·勒布朗新發現了一種碳酸鈉(蘇打)工業制法,使碳酸鈉得以大規模廉價生產。勒布朗制堿法用硫酸、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,直到各國出臺相關法規(例如英國《1863年堿類法令》)后,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。[15]

                        20世紀,無鹽酸副產物的氨堿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制備方法,其中一些仍在使用。2000年后,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于水而得到的。[15][16]

                        1988年,因為鹽酸常用于制備海洛因、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-前體中。[17]

                        管制信息

                        鹽酸(易制毒-3),根據《危險化學品安全管理條例》《易制毒化學品管理條例》受公安部門管制。[33]

                        理化性質

                        物理性質

                        鹽酸是無色液體(工業用鹽酸會因有雜質三價鐵鹽而略顯黃色),為氯化氫的水溶液,具有刺激性氣味。由于濃鹽酸具有揮發性,揮發出的氯化氫氣體與空氣中的水蒸氣作用形成鹽酸小液滴,所以會看到白霧。鹽酸與水、乙醇任意混溶,氯化氫能溶于許多有機溶劑。濃鹽酸稀釋有熱量放出。

                        20℃時不同濃度鹽酸的物理性質數據:

                        質量分數

                        濃度

                        (g/L)

                        密度

                        (kg/L)

                        物質的量濃度

                        (mol/L)

                        哈米特酸度函數

                        粘性

                        (m·Pa·s)

                        比熱容

                        [KJ/(Kg·℃)]

                        蒸汽壓

                        (Pa)

                        沸點

                        (℃)

                        熔點

                        (℃)

                        10%

                        104.80

                        1.048

                        2.87

                        -0.5

                        1.16

                        3.47

                        0.527

                        103

                        -18

                        20%

                        219.60

                        1.098

                        6.02

                        -0.8

                        1.37

                        2.99

                        27.3

                        108

                        -59

                        30%

                        344.70

                        1.149

                        9.45

                        -1.0

                        1.70

                        2.60

                        1410

                        90

                        -52

                        32%

                        370.88

                        1.159

                        10.17

                        -1.0

                        1.80

                        2.55

                        3130

                        84

                        -43

                        34%

                        397.46

                        1.169

                        10.90

                        -1.0

                        1.90

                        2.50

                        6733

                        71

                        -36

                        36%

                        424.44

                        1.179

                        11.64

                        -1.1

                        1.99

                        2.46

                        14100

                        61

                        -30

                        38%

                        451.82

                        1.189

                        12.39

                        -1.1

                        2.10

                        2.43

                        28000

                        48

                        -26

                        參考文獻:[18]

                        如下圖所示,鹽酸共有四個結晶的共熔點,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。[19]

                        鹽酸在一定壓力下能形成共沸溶液。下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,液體及與液體處于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℃。[20]

                        化學性質

                        酸性

                        鹽酸溶于堿液時與堿液發生中和反應。

                        鹽酸是一種一元強酸溶液,這意味著它只能電離出一個質子 。在水溶液中氯化氫分子完全電離,氫離子 與一個水分子絡合,成為H3O+,使得水溶液顯酸性:

                        可以看出,電離后生成的陰離子是Cl-,所以鹽酸可以用于制備氯化物,例如氯化鈉。

                        鹽酸可以與氫氧化鈉酸堿中和,產生食鹽:稀鹽酸能夠溶解許多金屬(金屬活動性排在氫之前的),生成金屬氯化物與氫氣:銅、銀、金等活動性在氫之后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[20],例如:高中化學把鹽酸和硫酸、硝酸、氫溴酸、氫碘酸、高氯酸合稱為六大無機強酸。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。對于鹵化氫等強酸而言,Ka很大,只能通過理論計算來求得。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-是鹽酸的共軛堿,強度極弱。所以在計算時,若不考慮極稀的溶液,可以假設氫離子的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。[21][22]

                        還原性

                        鹽酸具有還原性,可以和一些強氧化劑反應,放出氯氣:

                        二氧化錳:

                        二氧化鉛:

                        一些有氧化性的堿和鹽酸可以發生氧化還原反應,而不是簡單的中和反應。

                        配位性

                        部分金屬化合物溶于鹽酸后,金屬離子會與氯離子絡合。例如難溶于冷水的二氯化鉛可溶于鹽酸:[20]

                        銅在無空氣時難溶于稀鹽酸,但其能溶于熱濃鹽酸中,放出氫氣:[20]

                        有機化學

                        酸性環境下可對醇類進行親核取代生成鹵代烴:

                        氯化氫也可以加成烯雙鍵得到氯代烴,例如:

                        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:

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

                        利用這樣的性質,可以將胺與其他有機化合物分離[23]。

                        此外,胺的鹽酸鹽的熔點或分解點可以用來測定胺的種類。[23]

                        鋅粒與氯化汞在稀鹽酸中反應可以制得鋅汞齊,后者與濃鹽酸、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:[5]

                        但應注意,此法只適用于對酸穩定的化合物,如果有α、β-碳碳雙鍵等也會被還原:[5]

                        無水氯化鋅溶于高濃度鹽酸可以制得盧卡斯試劑,用來鑒別六碳及以下的醇是伯醇、仲醇還是叔醇。[5]將盧卡斯試劑與叔醇立即渾濁,與仲醇2-5分鐘渾濁,伯醇加熱渾濁。

                        應用領域

                        生活用途

                        • 生物用途

                        人類和其他動物的胃壁上有一種特殊的腺體,能把吃下去的食鹽變成鹽酸。鹽酸是胃液的一種成分(濃度約為0.5%),它能使胃液保持激活胃蛋白酶所需要的最適合的pH值,它還能使食物中的蛋白質變性而易于水解,以及殺死隨食物進入胃里的細菌的作用。此外,鹽酸進入小腸后,可促進胰液、腸液的分泌以及膽汁的分泌和排放,酸性環境還有助于小腸內鐵和鈣的吸收。[1]

                        • 日常用途

                        利用鹽酸可以與難溶性堿反應的性質,制取潔廁靈、除銹劑等日用品。[1]

                        工業用途

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

                        分析化學

                        在分析化學中,用酸來測定堿的濃度時,一般都用鹽酸來滴定。用強酸溶液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%的鹽酸可組成恒沸溶液,常用作一定氣壓下定量分析中的基準物。其恒沸時的濃度會隨著氣壓的改變而改變。[24]

                        鹽酸常用于溶解固體樣品以便進一步分析,包括溶解部分金屬與碳酸鈣或氧化銅等生成易溶的物質來方便分析。[21][22]

                        酸洗鋼材

                        鹽酸一個最重要的用途是酸洗鋼材。在后續處理鐵或鋼材(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。通常使用濃度為18%的鹽酸溶液作為酸洗劑來清洗碳鋼:

                        剩余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:

                        將制得的氯化氫氣體溶于水即又得到鹽酸。通過對廢酸的回收,人們建立了一個封閉的酸循環。副產品氧化鐵在各種工業加工流程中也有較多應用。[4][25]

                        控制pH及中和堿液

                        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(如用于食品、制藥及飲用水等),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。[25]

                        用于焰色反應

                        用于檢驗金屬或它們的化合物時常使用焰色反應,用于檢驗的鉑絲需用稀鹽酸洗凈以除去雜質元素的影響。

                        檢驗物質前,應將鉑絲用鹽酸清洗,再放到火焰上灼燒,直到火焰呈原來顏色方可實驗。[26]

                        陽離子交換樹脂的再生

                        高質量的鹽酸常用于陽離子交換樹脂的再生。陽離子交換廣泛用于純凈水生產中,除去溶液中含有的Na+、Ca2+等離子,而鹽酸可以沖掉反應后樹脂中的這些離子。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。[4]

                        其他應用

                        鹽酸還有許多小規模的用途,比如皮革加工、食鹽生產,以及用于建筑業[25]。石油工業也常用鹽酸:將鹽酸注入油井中以溶解巖石,形成一個巨大的空洞。此法在北海油田的石油開采工業中經常用到。[4]

                        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,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:

                        在明膠、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。[25]

                        安全措施

                        健康危害

                        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。在將鹽酸與氧化劑(例如漂白劑次氯酸鈉或高錳酸鉀等)混合時,會產生有毒氣體氯氣。

                        人們常穿戴個人防護裝備來減少處理鹽酸帶來的危害,包括乳膠手套[27]、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。[28]

                        氯化氫的危險性取決于其濃度。下表中列出歐盟對鹽酸溶液的分類。

                        濃度

                        分類[29]

                        警示術語

                        10-25%

                        刺激性 (Xi)

                        R36/37/38

                        > 25%

                        腐蝕性 (C)

                        R34;R37

                        危害防治

                        操作事項

                        使用鹽酸時,應配合個人防護裝備。如橡膠手套或聚氯乙烯手套、護目鏡、耐化學品的衣物和鞋子等,以降低直接接觸鹽酸所帶來的危險。密閉操作,注意通風。操作盡可能機械化、自動化。操作人員必須經過專門培訓,嚴格遵守操作規程。

                        建議操作人員佩戴自吸過濾式防毒面具(全面罩),穿橡膠耐酸堿服,戴橡膠耐酸堿手套。遠離易燃、可燃物。防止蒸氣泄漏到工作場所空氣中。避免與堿類、胺類、堿金屬接觸。搬運時要輕裝輕卸,防止包裝及容器損壞。配備泄漏應急處理設備。倒空的容器可能殘留有害物。[30]

                        酸霧處理

                        在鹽酸使用過程中,有大量氯化氫氣體產生,可將吸風裝置安裝在容器邊,再配合風機、酸霧凈化器、風道等設備設施,將鹽酸霧排出室外處理。也可在鹽酸中加入酸霧抑制劑,以抑制鹽酸酸霧的揮發產生。[30]

                        泄漏應急處理

                        應急處理:迅速撤離泄漏污染區人員至安全區,并進行隔離,嚴格限制出入。建議應急處理人員戴自給正壓式呼吸器,穿防酸堿工作服。不要直接接觸泄漏物。盡可能切斷泄漏源。

                        小量泄漏:用砂土、干燥石灰或蘇打灰混合。也可以用大量水沖洗,清水稀釋后放入廢水系統。

                        大量泄漏:構筑圍堤或挖坑收容。用泵轉移至槽車或專用收集器內,回收或運至廢物處理場所處置。[30]

                        消防措施

                        危險特性:能與一些活性金屬粉末發生反應, 放出氫氣。遇氰化物能產生劇毒的氰化氫氣體。與堿發生中和反應,并放出大量的熱。具有較強的腐蝕性。

                        有鹽酸存在時的滅火方法:用堿性物質如碳酸氫鈉、碳酸鈉、消石灰等中和。也可用大量水撲救。[30]

                        急救措施

                        皮膚接觸:立即脫去污染的衣著,用大量流動清水沖洗至少15分鐘,可涂抹弱堿性物質(如堿水、肥皂水等),就醫。

                        眼睛接觸: 立即提起眼瞼,用大量流動清水或生理鹽水徹底沖洗至少15分鐘。就醫。

                        吸入:迅速脫離現場至空氣新鮮處。保持呼吸道通暢。如呼吸困難,給輸氧。如呼吸停止,立即進行人工呼吸。就醫。

                        食入:用大量水漱口,吞服大量生雞蛋清或牛奶(禁止服用小蘇打等藥品),就醫。[30]

                        安全標志

                        鹽酸具有強腐蝕性,容器上需要標注腐蝕品的標志。

                        檢測方法

                        方法名稱

                        中和滴定法

                        應用范圍

                        本方法采用滴定法測定鹽酸中氯化氫的含量。本方法適用于鹽酸。

                        方法原理

                        供試品用水稀釋,加甲基紅指示液,用氫氧化鈉滴定液滴定。甲基紅指示液變紅時停止滴定,讀出氫氧化鈉滴定液使用量,計算鹽酸含量。

                        試劑

                        1、蒸餾水(新沸放冷)

                        2、氫氧化鈉滴定液(1mol/L)

                        3、甲基紅指示液

                        4、基準鄰苯二甲酸氫鉀

                        試樣制備

                        1、氫氧化鈉滴定液(1mol/L)

                        配制:取澄清的氫氧化鈉飽和溶液56mL,加新沸過的冷水使成1000mL。

                        標定:取在105℃干燥至恒重的基準鄰苯二甲酸氫鉀約6g,精密稱定,加新沸過的冷水50mL,振搖,使其盡量溶解;加酚酞指示液2滴,用本液滴定,在接近終點時,應使鄰苯二甲酸氫鉀完全溶解,滴定至溶液顯粉紅色。每1mL氫氧化鈉滴定液(1mol/L)相當于204.2mg的鄰苯二甲酸氫鉀。根據本液的消耗量與鄰苯二甲酸氫鉀的取用量,算出本液的濃度。

                        貯藏:置聚乙烯塑料瓶中,密封保存;塞中有2孔,孔內各插入玻璃管1支,1管與鈉石灰管相連,1管供吸出本液使用。

                        2、甲基紅指示液

                        取甲基紅0.1g,加0.05mol/L氫氧化鈉溶液7.4mL使溶解,再加水稀釋至200mL,即得。

                        操作步驟

                        取該品約3mL,置貯有水20mL并稱定重量的具塞錐形瓶中,精密稱定,加甲基紅指示液2滴,用氫氧化鈉滴定液(1mol/L)滴定,每1mL氫氧化鈉滴定液(1mol/L)相當于36.46mg的HCl。

                        “精密稱取”系指稱取重量應準確至所稱取重量的千分之一,“精密量取”系指量取體積的準確度應符合國家標準中對該體積移液管的精度要求。[31]

                        儲存運輸

                        儲存方法

                        儲存于陰涼、通風的庫房。庫溫不超過30℃,相對濕度不超過85%。保持容器密封。應與堿類、胺類、堿金屬、易(可)燃物分開存放,切忌混儲。儲區應備有泄漏應急處理設備和合適的收容材料。

                        鹽酸的聯合國危險貨物編號是1789,在裝它的容器上需要注明這個編號。[32]

                        廢棄處置方法: 用堿液-石灰水中和,生成氯化鈉和氯化鈣,用水稀釋后排入廢水系統。

                        運輸方法

                        危險貨物編號: 81013

                        UN編號: 1789

                        包裝類別: O52

                        包裝方法:耐酸壇或陶瓷瓶外普通木箱或半花格木箱;玻璃瓶或塑料桶(罐)外普通木箱或半花格木箱;磨砂口玻璃瓶或螺紋口玻璃瓶外普通木箱;螺紋口玻璃瓶、鐵蓋壓口玻璃瓶、塑料瓶或金屬桶(罐)外普通木箱。

                        運輸注意事項: 本品鐵路運輸時限使用有像膠襯里鋼制罐車或特制塑料企業自備罐車裝運,裝運前需報有關部門批準。鐵路運輸時應嚴格按照鐵道部《危險貨物運輸規則》中的危險貨物配裝表進行配裝。起運時包裝要完整,裝載應穩妥。運輸過程中要確保容器不泄漏、不倒塌、不墜落、不損壞。嚴禁與堿類、胺類、堿金屬、易燃物或可燃物、食用化學品等混裝混運。運輸時運輸車輛應配備泄漏應急處理設備。運輸途中應防曝曬、雨淋,防高溫。公路運輸時要按規定路線行駛,勿在居民區和人口稠密區停留。[1]


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