Ácido Clorídrico - Aqui Tem Química

CENTRO UNIVERSITÁRIO PADRE ANCHIETA
CURSO DE TECNOLOGIA EM PROCESSOS QUÍMICOS
Ácido Clorídrico
Jundiaí / SP
Novembro / 2015
1
ALUNOS:
TIAGO MOURA DE OLIVEIRA
EULER CASSIO DIAS BARBOSA
Ácido Clorídrico
Trabalho elaborado para avaliação
parcial da disciplina de Processos
Industriais Inorgânicos, componente
curricular do sexto período do Curso
Superior de Tecnologia em Processos
Químicos,
sob
a
orientação
do
Professor Vanderlei Inácio de Paula.
2
Sumário:
1.
Introdução ............................................................................................................... 3
2
Propriedade física e química ................................................................................... 3
3
Síntese de obtenção ................................................................................................. 9
4
Produção .................................................................................................................. 11
5
Conclusão ..........................................................................................................
6
Referências .............................................................................................................. 15
15
3
1. Introdução
O cloreto de hidrogênio (HCl), também conhecido como ácido clorídrico, é um gás na
temperatura e pressão ordinárias, estudos apontam divergências sobre a sua descoberta,
em quantos livros apontam que foram descobertos no século XV, por Basilius
Valentinius, outros estudos apontam que foi descoberto por volta do século IX pelo
alquimista islâmico Jabir Ibn Hayan, que foi considerado o pai da alquimia árabe, quando
misturou sal de cozinha (cloreto de sódio) com vitríolo (ácido sulfúrico).
Começou a ser produzido em larga escala na Inglaterra no século XV, e teve seu auge
durante a Revolução Industrial, onde devido à descarga indiscriminada de ácido
clorídrico na atmosfera atingiu níveis alarmantes a sociedade se viu obrigada a criar leis
proibindo esse descarte na atmosfera, essas novas leis obrigaram os fabricantes de
Barrilha, pelo processo Leblanc, a absorver o cloreto de hidrogênio em água, à medida
que novos usos foram descobertos para o ácido clorídrico, indústrias foram criadas
somente para a sua produção.
2NaCl
+
H2SO4
→
Na2SO4
+
2HCl
2. Propriedades Físicas e Químicas
Densidade: de 1,01 a 1,21 conforme as concentrações em HCl, 1,18 g/cm3 (da solução de
HCl a 38% em água)
Ponto de fusão: −27.32 °C (247 K) da solução de HCl a 38% em água (citado também na
literatura como-25,4oC para esta concentração).
Ponto de ebulição: 110 °C (383 K), solução de HCl a 20.2% em água; 48 °C (321 K), da
solução de HCl a 38% em água.
Solubilidade em água: as soluções de HCl em água, ao limite de 72 g/100 ml (20 °C), são
solúveis em todas as proporções.
Solubilidade em outros produtos: solúvel no álcool, no éter, no benzeno, na acetona, no
ácido acético, no clorofórmio, etc.
Constante de acidez (pKa): −8.0
Viscosidade: 1.9 mPa·s a 25 °C, da solução de HCl a 31,5%% em água.
As propriedades físicas do ácido clorídrico, tais como seus pontos de ebulição e fusão,
densidade e pH dependem da concentração ou molaridade do HCl na solução ácida. Elas
variam desde concentrações muito baixas, próximas de 0% de HCl a valores para o ácido
clorídrico fumegante a mais de 40% de HCl.
4
Viscosidade
Pressão
Ponto de
de
Ponto de Fus
Ebulição
específico
Vapor
MPa·s
Kj/(kg·K) Pa
°C
°C
Calor
Concentração
Densidade Molaridade Ph
Kg HCl/kg Kg HCl/m3 Baumé Kg/l
mol/dm3
10%
20%
30%
32%
34%
104.80
219.60
344.70
370.88
397.46
6.6
13
19
20
21
1.048
1.098
1.149
1.159
1.169
2.87
6.02
9.45
10.17
10.90
−0.5
−0.8
−1.0
−1.0
−1.0
1.16
1.37
1.70
1.80
1.90
3.47
2.99
2.60
2.55
2.50
0.527
27.3
1,41
3,13
6,733
103
108
90
84
71
−18
−59
−52
−43
−36
36%
424.44
22
1.179
11.64
−1.1
1.99
2.46
14,1
61
−30
38%
451.82
23
1.189
12.39
−1.1
2.10
2.43
28
48
−26
Densidade em função da concentração do ácido clorídrico (us.mt.com).
Ácido clorídrico
Concentração vs. densidade (20°C)
% ácido em peso
Densidade [g/cm3]
0,50
1,0007
1,00
1,0031
1,50
1,0056
2,00
1,0081
2,50
1,0105
3,00
1,0130
3,50
1,0154
4,00
1,0179
4,50
1,0204
5,00
1,0228
5,50
1,0253
6,00
1,0278
6,50
1,0302
7,00
1,0327
7,50
1,0352
8,00
1,0377
8,50
1,0401
9,00
1,0426
9,50
1,0451
10,00
1,0476
11,00
1,0526
12,00
1,0576
13,00
1,0626
14,00
1,0676
5
15,00
16,00
17,00
18,00
19,00
20,00
22,00
24,00
26,00
28,00
30,00
32,00
34,00
36,00
38,00
40,00
1,0726
1,0777
1,0828
1,0878
1,0929
1,0980
1,1083
1,1185
1,1288
1,1391
1,1492
1,1594
1,1693
1,1791
1,1886
1,1977
São citadas as seguintes tensões de vapores por temperatura para concentração de 3738%:
Tensão de vapor (HCl gás)
°C
0
20
40
mbars
26
43
64
6
Pressão de vapor em função da temperatura - editado de Air Liquid.
As pressões de vapor e composições dos vapores de soluções aquosas insaturadas de
ácido clorídrico têm sido correlacionadas. Os equilíbrios de vapor-líquido para o sistema
água-cloreto de hidrogênio a pressões acima de 1632 kPa (222 psi) e a temperaturas de 10°C a +70°C tem sido medidos.
Ácido clorídrico como a mistura binária (de dois componentes) de HCl e H2O tem um
ponto de ebulição constante como azeótropo a 20.2% HCl e 108.6 °C (227 °F).
7
Propriedades de Ácido Clorídrico de Ponto de Ebulição Constante.
Pressão, kPa*
P.E. °C
Densidade a 25°C
HCl % em peso
6,7
48,724
1,1118
23,42
33
81,205
1,1042
21,883
66
97,578
1,0993
20,916
93
106,424
1,0966
20,360
1,0963
20,293
1,0959
20,222
97
101
108,584
104
20,173
106
133
110,007
1,0955
20,155
116,185
1,0933
19,734
5
*1,013×10 Pa = 1 atm.
Medições sobre concentrações de HCl de 0,00555 m a 11,1 m e sobre uma faixa de
temperatura de 25°C a 80°C foram feitas e os coeficientes de atividade também
determinados. Correlações excelentes entre os padrões calorimétricos e eletroquímicos de
calor de dissolução foram encontrados.
Existem quatro pontos eutéticos de cristalização para o ácido clorídrico. Em outras
palavras, o cloreto de hidrogênio forma quatro hidratos. Entre a forma cristalina
de HCl·H2O (68% HCl), HCl·2H2O (51% HCl), HCl·3H2O (41% HCl), HCl·6H2O (25%
HCl), e gelo (0% HCl). Existe também um ponto eutético metaestável a 24.8% entre gelo
e a cristalização da espécie HCl·3H2O.
O dihidrato é formado quando uma solução é esfriada a pressão atmosférica. Dissocia-se
a -18,3°C em vasos abertos e tem um ponto de fusão de -17,7°C em tubos selados. É
mostrado por análise por raios X como sendo (H2O)2H+Cl-. O monohidrato tem um ponto
de fusão de -24,9°C. Um hexahidrato muito instável tem um ponto de fusão de -70°C.
Iniciando com água pura, a adição de cloreto de hidrogênio baixa o ponto de
congelamento até uma temperatura eutética de aproximadamente -85°C que é alcançada a
25% de HCl, uma concentração que corresponde aproximadamente à composição do
hexahidrato. Na continuação da adição do HCl desce o ponto de congelamento primeiro
para aquele do trihidrato e subsequentemente para aquele do dihidrato.
A densidade do vapor para o HCl desprendido pelas soluções concentradas
("fumegantes") de HCl é citada como sendo: (ar = 1) (HCl gás):1,268.
O cloreto de hidrogênio a temperatura e pressão ambiente apresentam-se como um gás
incolor.
O ácido clorídrico em diversas concentrações apresenta-se como líquido claro e incolor a
levemente amarelado, especialmente quando contaminado com ferro.
8
A viscosidade de soluções com ácido clorídrico decresce levemente com o aumento da
concentração e tem relação com a concentração molar c pela seguinte equação:
(n - n0)n0 = 0,0030 + 00620c0,5 + 0,0008c
Onde n0 é a viscosidade da água (0,8904 mPa.s (=cP) a 25°C). A tensão superficial das
soluções de ácido clorídrico é levemente menor que as da água (71,97 mN/m (=dyn/cm) a
25°C), declinando lentamente quando a concentração é elevada.
Devido ao átomo de cloro ser mais eletronegativo que os átomos de hidrogênio, a ligação
covalente entre os dois é polar. A molécula tem um momento dipolar com uma carga
parcial negativa δ- no átomo de cloro e uma carga parcial positiva δ+ no átomo de
hidrogênio. Em parte, devido a esta alta polaridade, o HCl é muito solúvel em água e em
outros solventes polares.
Cloreto de hidrogênio é um ácido monoprótico, o que significa que ele pode dissociar-se
(i.e., ionizar-se) somente uma vez resultando em um íon H+ (um único próton). No ácido
clorídrico (solução aquosa), o íon H+ se junta a uma molécula de água para formar um íon
hidrônio, H3O+ , por uma reação reversível:
HCl(l) + H2O(l) ⇌ H3O+(aq) + Cl−(aq)
O cloreto de hidrogênio é um ácido muito mais forte que a água e o equilíbrio tende para
a direita, tanto que o ácido clorídrico é um exemplo de um ácido mineral forte. A água
aceita um próton para formar [H3O]+ e então se torna uma base de Brønsted. Na direção
inversa, [H3O] + atua como um ácido fraco e Cl- como uma base fraca, aqui são,
respectivamente, o ácido conjugado e a base conjugada de H2O e HCl.
Além do [H3O]+, outro íon formado é Cl−, o íon cloreto. O ácido clorídrico, portanto,
pode ser usado para preparar os sais chamados de cloretos, como o cloreto de sódio. O
HCl é um ácido forte, já que essencialmente se dissocia completamente em água, ou seja,
o cloreto de hidrogênio é virtualmente completamente ionizado em soluções aquosas de
todas menos nas mais altas concentrações.
Função termodinâmica tem sido determinada eletroquimicamente para os processos:
HCl(g) ⇌ H+(aq) + Cl−(aq) (Processo 1)
HCl(l) ⇌ H+(aq) + Cl−(aq) (Processo 2)
Os valores a uma diluição infinita, a 25°C e 101,3 Kpa (1 atm) são relacionados na tabela
abaixo:
Propriedade*
Valor
Processo 1
Processo 2
ΔH0 kJ/mol
-74,852
ΔG0 kJ/mol
-35,961
ΔS0 J/(mol.K)
-130,33
*Para a concessão de J para kcal, dividir por 4,184.
-57,32
-39,7
-56,53
9
Ácidos monopróticos tem uma constante de dissociação ácida, Ka, a qual indica o nível
de dissociação em água. Para um ácido forte como o HCl, Ka, é grande. Tentativas
teóricas de determinar a Ka ao HCl têm sido feita. Quando sais cloretos tais como o NaCl
é adicionado ao HCl eles praticamente não afetam o pH, indicando que o íon Cl − é uma
base conjugada excessivamente fraca e esse HCl é separado inteiramente na solução
aquosa. Por intermediar as soluções fortes de ácido clorídrico, a suposição que a
molaridade de H+ iguala-se à molaridade de HCl é excelente concordando em até quatro
dígitos significativos.
Quando tem ausência de água, o cloreto de hidrogênio pode ainda atuar como um ácido.
Por exemplo, o cloreto de hidrogênio pode dissolver-se em outros solventes tais como o
metanol, protonando moléculas ou íons, e serve como um catalisador ácido para reações
químicas onde condições anidras (isentas de água) são desejadas:
HCl + CH3OH → CH3O+H2 + Cl−
Por causa desta natureza ácida, o cloreto de hidrogênio é um gás corrosivo,
particularmente na presença de qualquer umidade.
3. Síntese de obtenção
O ácido clorídrico é obtido hoje pelas indústrias através dos principais processos: síntese
direta, via subprodutos da cloração de compostos orgânicos, pelo método de Mannheim e
através de reações do tipo Hargreaves.
Síntese direta
Nesse processo industrial, o ácido clorídrico é obtido pela combustão do hidrogênio na
presença de cloro, a pureza do ácido é determinada pela da pureza do hidrogênio e do
cloro utilizados no processo.
Uma solução de sal do tipo cloreto de metal alcalino ou um cloreto fundido sofrem
eletrólise produzindo o gás cloro, gás hidrogênio e hidróxido. Na produção de ácido
clorídrico por eletrólise de salmouras é necessário à sua purificação prévia, onde são
eliminados da solução os íons de cálcio, ferro e magnésio, mediante a adição de
carbonato de sódio e hidróxido de sódio, formando os carbonatos e hidróxidos sólidos
destes metais indesejados. Em alguns casos, os sulfatos são removidos por tratamento
com BaCl2 ou base sob aquecimento. A salmoura límpida é neutralizada por ácido
clorídrico e em seguida estocada.
Na eletrólise de salmouras o gás cloro é produzido no anodo e o gás hidrogênio e o
hidróxido alcalino no catodo.
Existem muitos modelos de cubas eletrolíticas que foram idealizados com o intuito de
manter separados os produtos da eletrólise. Os gases produzidos são encaminhados para
um forno de síntese revestido de tijolos com refrigeração onde é produzido o cloreto de
hidrogênio (gás), após é conduzido para um absorvedor resfriado onde é absorvido em
água desmineralizada produzindo uma solução de ácido clorídrico.
10
Cl2 + H2 → 2HCl
Cloração de compostos orgânicos
As etapas básicas da produção do ácido clorídrico como subproduto da cloração de
hidrocarbonetos e derivados incluem a remoção dos reagentes não clorados, seguida pela
absorção do HCl em água. Por exemplo, a cloração do tolueno.
Como a cloração de hidrocarbonetos alifáticos e aromáticos é altamente exotérmica é
necessário um controle rigoroso da temperatura. Nesse caso, a reação é feita em presença
de um ácido de Lewis como catalisador. Sob a ótica da teoria do estado de transição, o
catalisador reduz a barreira de energia potencial necessária à formação de produtos.
R – H + Cl2 → R – Cl + HCl
Processo Mannheim
O processo Mannheim é normalmente integrado a processos que consomem HCl. O
ácido sulfúrico e o cloreto de sódio são aquecidos em um forno, levando com formação
de cloreto de hidrogênio e o sulfato de sódio. O gás produzido passa por resfriadores
subindo por uma torre de coque para eliminação das partículas em suspensão e, então, é
absorvido em água num absorvedor de tântalo ou de Karbate. Traços de gás que saiam
pelo topo do absorvedor são lavados com água em uma torre de absorção recheada. O
forno Mannheim opera a 538°C (1000°F). A reação entre o sal comum e o ácido sulfúrico
é um processo muito endotérmico. As reações químicas envolvidas no processo são: Os
equilíbrios deslocam-se no sentido da formação dos produtos com a retirada de ácido
clorídrico do meio, segundo o princípio de Le Châtellier.
Processo Hargreaves
Essa reação foi usada amplamente na Europa a partir de 1870 para produzir o sal de
Glauber ou sulfato de sódio. Porém, ela tem algumas implicações ambientais. São
produzidas 60 mil toneladas anuais de ácido clorídrico pelo processo Hargreaves. Nesse
processo é preciso remover gases como SO2 e NO2, um perigo para o ambiente quando
não há acompanhamento adequado. Neste processo o dióxido de enxofre em contato com
o oxigênio transforma-se em óxido sulfúrico que por sua vez reage com a água formando
ácido sulfúrico. Nesse ponto, a reação é semelhante ao processo de Mannheim, com a
reação do ácido sulfúrico formado in situ com o cloreto de sódio.
4 NaCl + 2SO2 + O2 + 2H2O → 2Na2SO4 + 4HCl
As reações do processo do sal comum e ácido sulfúrico são endotérmicas:
NaCl + H2SO4 → HCl + NaHSO4
NaCl + NaHSO4 → HCl + Na2SO4
Em conjunto:
2 NaCl(s) + H2SO4(l) → 2 HCl(g) + Na2SO4(s) ΔH25°C=+15,7 kcal
11
O HCl é um gás importante pois é muito utilizado






Hidrólise ácida de madeiras;
Limpeza de equipamentos, chamada também de decapagem, que é a remoção das
camadas de metal oxidado;
Utilizado como catalisador em reações orgânicas que precisam ser realizadas em
pH baixo;
Produção de cloretos metálicos;
Acidificação de poços de petróleo.
Regeneração de resina de troca iônica, ele retira os íons trocados retidos na resina,
deixando-a pronta para nova utilização;
Uma coisa interessante sobre o ácido clorídrico é que, apesar dele ser altamente tóxico
em caso de ingestão na sua forma líquida, esse ácido está presente no suco gástrico. A
secreção produzida pelo estômago é formada pelo próprio ácido clorídrico, enzimas, sais
e muco. Ela mantém o pH do estômago entre 0,9 e 2 proporcionando assim a melhor
destruição das células de alimento para que possamos absorver os nutrientes.
4. Produção
O ácido clorídrico é preparado dissolvendo-se cloreto de hidrogênio em água. O cloreto
de hidrogênio pode ser gerado de muitas maneiras, e assim diversos precursores do ácido
clorídrico existem. A produção em larga escala de ácido clorídrico é quase sempre
integrada com a produção de outros compostos químicos em escala industrial.
Fontes principais do HCl:
 subproduto da cloração de aromáticos e alifáticos
 reação do cloreto de sódio (NaCl) e do ácido sulfúrico (H2SO4)
 combustão do hidrogênio no cloro
 reação do tipo Hargreaves.
4 NaCl + 2 SO2 + O2 + 2 H2O → 2 Na2SO4 + 4 HCl
As operações nas quais o ácido aparece como subproduto correspondem a 90 % da
produção de ácido clorídrico e cloreto de hidrogênio.
12
Produção de ácido clorídrico (mil toneladas de HCl a 100%)
Processo
1950 1960 1965 1970 1974
Sal e ácido 165
sulfúrico
91
138
125
100
Cloro
hidrogênio
e 111
148
99
95
104
Subproduto e 342
outros
731
1133 1793 2200
Total
970
1370 2013 2404
618
O método mais antigo do sal com o ácido sulfúrico e o mais moderno através da
combustão são responsáveis, cada um, pela metade do HCl produzido restante.
Processos de purificação do ácido clorídrico tem sido desenvolvidos, como o mostrado no
fluxograma a seguir.
Neste processo são removidos gases como o SO2 e o NO2, materiais não voláteis tais
como os metais pesados e halogenetos de metais alcalinos, como o NaBr.
13
Os principais produtores mundiais incluem Dow Chemical Company com 2 milhões de
toneladas métricas anualmente, calculadas como gás HCl, e Formosa Plastics, Georgia
Gulf Corporation, Tosoh Corporation, Akzo Nobel, e Tessenderlo em 0,5 to 1,5 Mt/ano
cada. A produção total mundial, para propósitos de comparação expressa como HCl, é
estimada em 20 Mt/ano, com 3 Mt/ano de síntese direta, e o restante como produto
secundário de compostos orgânicos e sínteses similares. Portanto, a maioria do ácido
clorídrico é consumido cativamente pelos produtores. O tamanho do mercado mundial
aberto é estimado em 5 Mt/ano.
No Brasil os principais incrementos no consumo de ácido clorídrico ocorreram
nos segmentos de metalurgia e siderurgia – expansão de 17,5% –, químico-petroquímica
e distribuição (crescimentos, respectivamente, de 8,1% e 10,1%)
o mercado brasileiro de ácido clorídrico apresenta perspectivas de expansão. Esse
crescimento estará associado ao crescimento da indústria de alimentos, química e
petroquímica, e siderurgia e metalurgia, que, juntos, representaram cerca de 80% da
demanda brasileira por esse produto de 2008 a 2010.
14
Fabricantes Nacionais
Vertical Químicas Representações Ltda. (São Paulo, SP)
Tel.: (11) 2978-6661
Suzanil Produtos Químicos Ltda. (Suzano, SP)
Tel.: (11) 4749-4677
Aciflex do Brasil Ltda. (Contagem, MG)
Tel.: (31) 3393-2488
Emerson Química Ltda. (São Paulo, SP)
Tel.: (11) 3429-0350
Química Credie Ltda. (Manaus, AM)
Tel.: (92) 3182-2100
Produção Anual
A tabela abaixo se refere à produção anual do acido clorídrico relacionado á 2013,
dividido por suas respectivas porcentagens entre, metalúrgica, papel-celulose, químicapetroquimica, sabões-detergentes, alimentos, tratamento de água, distribuição e outros.
15
5. Conclusão
A obtenção do ácido clorídrico se da através da reação entre o ácido sulfúrico e o cloreto
de sódio fazendo assim com que o cloro seja liberado com gás e ionizando a água através
de seus íons, dissolvendo-se cloreto de hidrogênio em água. Sendo muito importante sua
aplicação em vários segmentos e indústrias. A petroquímica tem maior demanda no
mercado brasileiro como se pode observar, sendo influente e necessário.
6. Referencias
Livro SHREVE
https://pt.wikipedia.org/wiki
www.infoescola.com/quimica/acido-cloridrico
www.manualdaquimica.com/quimica-inorganica
www.uff.br/RVQ/index.php
www.ebah.com.br/content/ABAAAe534AI