Hydrochloric Acid 10 % technical grade

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L'acide chlorhydrique, également connu sous le nom d'acide muriatique, est une solution aqueuse de chlorure d'hydrogène. C'est une solution incolore avec une odeur piquante distinctive. Il est classé parmi les acides forts. Il est un composant de l'acide gastrique dans le système digestif de la plupart des espèces animales, y compris les humains. L'acide chlorhydrique est un réactif de laboratoire et un produit chimique industriel important.



Histoire

Au début du dixième siècle, le médecin et alchimiste perse Abu Bakr al-Razi (vers 865-925, latin : Rhazes) a mené des expériences avec du sal ammoniac (chlorure d'ammonium) et du vitriol (sulfates hydratés de divers métaux), qu'il a distillés ensemble, produisant ainsi le gaz chlorure d'hydrogène. Ce faisant, al-Razi est peut-être tombé sur une méthode primitive de production d'acide chlorhydrique, comme le montre peut-être la recette suivante tirée de son Kitāb al-Asrār ("Le livre des secrets") :

Prenez des parties égales de sel doux, de sel amer, de sel Ṭabarzad, de sel Andarānī, de sel indien, de sel d'Al-Qilī et de sel d'urine. Après avoir ajouté un poids égal de bon Sal-ammoniac cristallisé, dissolvez par l'humidité, et distillez (le mélange). Il s'en distillera une eau forte, qui fendra la pierre (sakhr) instantanément.

Cependant, il semble que dans la plupart de ses expériences, al-Razi n'ait pas tenu compte des produits gazeux, se concentrant plutôt sur les changements de couleur qui pouvaient être effectués dans le résidu. Selon Robert P. Multhauf, le chlorure d'hydrogène a été produit de nombreuses fois sans qu'il soit clairement reconnu qu'en le dissolvant dans l'eau, on pouvait produire de l'acide chlorhydrique.

S'inspirant des expériences d'al-Razi, le De aluminibus et salibus ("Sur les aluns et les sels"), un texte arabe du XIe ou XIIe siècle faussement attribué à al-Razi et traduit en latin par Gérard de Crémone (1144-1187), décrit le chauffage des métaux avec divers sels, ce qui, dans le cas du mercure, entraîne la production de chlorure de mercure(II) (sublimé corrosif). Dans ce processus, l'acide chlorhydrique commençait à se former, mais il réagissait immédiatement avec le mercure pour produire du sublimé corrosif. Les alchimistes latins du treizième siècle, pour qui le De aluminibus et salibus était l'un des principaux ouvrages de référence, ont été fascinés par les propriétés chlorantes du sublimé corrosif, et ils ont rapidement découvert que lorsque les métaux sont éliminés du processus de chauffage des vitriols, des aluns et des sels, des acides minéraux puissants peuvent être directement distillés.

Une invention importante résultant de la découverte des acides minéraux est l'eau régale, un mélange d'acide nitrique et d'acide chlorhydrique dans une proportion de 1:3, capable de dissoudre l'or. Elle a été décrite pour la première fois dans le De inventione veritatis ("Sur la découverte de la vérité", après 1300 environ) du pseudo-Geber, où l'aqua regia était préparée en ajoutant du chlorure d'ammonium à l'acide nitrique. Cependant, la production d'acide chlorhydrique proprement dite (c'est-à-dire en tant que substance isolée plutôt que déjà mélangée à de l'acide nitrique) dépendait de l'utilisation d'appareils de refroidissement plus efficaces, qui ne se développeront qu'au cours des siècles suivants. Ainsi, les recettes pour la production d'acide chlorhydrique n'apparaissent qu'à la fin du XVIe siècle, les plus anciennes se trouvant dans Magiae naturalis ("Magie naturelle") de Giovanni Battista Della Porta (1535-1615) et dans les travaux d'autres chimistes contemporains comme Andreas Libavius (vers 1550-1616), Jean Beguin (1550-1620) et Oswald Croll (vers 1563-1609). 18] La connaissance des acides minéraux tels que l'acide chlorhydrique sera d'une importance capitale pour les chimistes du XVIIe siècle comme Daniel Sennert (1572-1637) et Robert Boyle (1627-1691), qui utilisaient leur capacité à dissoudre rapidement les métaux dans leurs démonstrations de la nature composite des corps.

Étymologie

Parce qu'il était produit à partir de sel gemme selon les méthodes de Johann Rudolph Glauber, l'acide chlorhydrique était historiquement appelé par les alchimistes européens esprit de sel ou acidum salis (acide de sel). Ces deux noms sont encore utilisés, notamment dans d'autres langues, comme l'allemand : Salzsäure, le néerlandais : Zoutzuur, le suédois : Saltsyra, espagnol : Salfumán, turc : Tuz Ruhu, polonais : kwas solny, hongrois : sósav et tchèque : kyselina solná.

Le HCl gazeux était appelé air acide marin. Le nom d'acide muriatique a la même origine (muriatique signifie "appartenant à la saumure ou au sel", d'où muriate signifie chlorhydrate), et ce nom est encore parfois utilisé. Le nom d'acide chlorhydrique a été inventé par le chimiste français Joseph Louis Gay-Lussac en 1814.

Développements industriels

Pendant la révolution industrielle en Europe, la demande de substances alcalines a augmenté. Un nouveau procédé industriel mis au point par Nicolas Leblanc d'Issoudun, en France, a permis de produire à grande échelle et à bas prix du carbonate de sodium (carbonate de soude). Dans ce procédé Leblanc, le sel ordinaire est transformé en carbonate de soude à l'aide d'acide sulfurique, de calcaire et de charbon, libérant du chlorure d'hydrogène comme sous-produit. Jusqu'à l'adoption de l'Alkali Act britannique de 1863 et de lois similaires dans d'autres pays, l'excès de HCl était souvent rejeté dans l'atmosphère. L'usine chimique de Bonnington a été l'une des premières exceptions : en 1830, le HCl a commencé à être capté et l'acide chlorhydrique produit a été utilisé pour fabriquer du sal ammoniac (chlorure d'ammonium). Après l'adoption de la loi, les producteurs de carbonate de soude ont été obligés d'absorber le gaz résiduel dans l'eau, produisant ainsi de l'acide chlorhydrique à l'échelle industrielle.

Au XXe siècle, le procédé Leblanc a été effectivement remplacé par le procédé Solvay sans sous-produit d'acide chlorhydrique. L'acide chlorhydrique s'étant déjà imposé comme un produit chimique important dans de nombreuses applications, l'intérêt commercial a suscité d'autres méthodes de production, dont certaines sont encore utilisées aujourd'hui. Après l'an 2000, l'acide chlorhydrique est principalement fabriqué en absorbant le chlorure d'hydrogène sous-produit de la production de composés organiques industriels.

Propriétés chimiques

Le chlorure d'hydrogène gazeux est un composé moléculaire avec une liaison covalente entre les atomes d'hydrogène et de chlore. Dans les solutions aqueuses, la dissociation est complète, avec la formation d'ions chlorure et d'ions hydrogène hydratés (ions hydronium). Une étude combinée de l'IR, du Raman, des rayons X et de la diffraction des neutrons de l'acide chlorhydrique concentré a montré que l'ion hydronium forme des complexes liés à l'hydrogène avec d'autres molécules d'eau.

La valeur pKa de l'acide chlorhydrique en solution aqueuse est estimée théoriquement à -5,9. Une solution de chlorure d'hydrogène dans l'eau se comporte comme un acide fort : la concentration de molécules de HCl est effectivement nulle.

Propriétés physiques
Masse
Concentration Densité Molarité pH Viscosité Chaleur spécifique Vapeur
spécifique Pression de
pression de vapeur Point d'ébullition
d'ébullition Point
de fusion
kg HCl/kg kg HCl/m3 Baumé kg/L mol/L mPa-s kJ/(kg-K) kPa °C °C
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

La température et la pression de référence pour le tableau ci-dessus sont 20 °C et 1 atmosphère (101,325 kPa).
Les valeurs de pression de vapeur sont tirées des tableaux critiques internationaux et se réfèrent à la pression de vapeur totale de la solution.

Les propriétés physiques de l'acide chlorhydrique, telles que les points d'ébullition et de fusion, la densité et le pH, dépendent de la concentration ou de la molarité du HCl dans la solution aqueuse. Elles vont de celles de l'eau à de très faibles concentrations proches de 0 % de HCl à celles de l'acide chlorhydrique fumant à plus de 40 % de HCl.

L'acide chlorhydrique, en tant que mélange binaire (à deux composants) de HCl et H2O, présente un azéotrope à ébullition constante à 20,2 % de HCl et 108,6 °C (227 °F). Il existe quatre points eutectiques à cristallisation constante pour l'acide chlorhydrique, entre la forme cristalline de [H3O]Cl (68% HCl), [H5O2]Cl (51% HCl), [H7O3]Cl (41% HCl), [H3O]Cl-5H2O (25% HCl) et la glace (0% HCl). Il existe également un point eutectique métastable à 24,8% entre la glace et la cristallisation du [H7O3]Cl. Ce sont tous des sels d'hydronium.

Production

L'acide chlorhydrique est généralement préparé industriellement en dissolvant du chlorure d'hydrogène dans l'eau. Le chlorure d'hydrogène peut être généré de nombreuses façons, et il existe donc plusieurs précurseurs de l'acide chlorhydrique. La production à grande échelle d'acide chlorhydrique est presque toujours intégrée à la production à l'échelle industrielle d'autres produits chimiques, comme dans le procédé de la chloralcite qui produit de l'hydroxyde, de l'hydrogène et du chlore, ce dernier pouvant être combiné pour produire du HCl.

Le chlorure d'hydrogène est produit en combinant le chlore et l'hydrogène :

Cl2 + H2 → 2 HCl

Comme la réaction est exothermique, l'installation est appelée four à HCl ou brûleur à HCl. Le gaz de chlorure d'hydrogène obtenu est absorbé dans de l'eau désionisée, ce qui donne de l'acide chlorhydrique chimiquement pur. Cette réaction peut donner un produit très pur, par exemple pour une utilisation dans l'industrie alimentaire.
Marché industriel

L'acide chlorhydrique est produit en solutions jusqu'à 38% HCl (qualité concentrée). Des concentrations plus élevées, jusqu'à un peu plus de 40%, sont chimiquement possibles, mais le taux d'évaporation est alors si élevé que le stockage et la manipulation nécessitent des précautions supplémentaires, comme la pressurisation et le refroidissement. La qualité industrielle en vrac est donc de 30 à 35 %, optimisée pour équilibrer l'efficacité du transport et la perte de produit par évaporation. Aux États-Unis, les solutions entre 20% et 32% sont vendues sous le nom d'acide muriatique. Les solutions à usage domestique aux États-Unis, principalement pour le nettoyage, sont généralement de 10 à 12 %, avec de fortes recommandations de dilution avant utilisation. Au Royaume-Uni, où il est vendu sous le nom de "Spirits of Salt" pour le nettoyage domestique, la puissance est la même que celle de la qualité industrielle américaine. Dans d'autres pays, comme l'Italie, l'acide chlorhydrique destiné au nettoyage domestique ou industriel est vendu sous le nom d'"Acido Muriatico", et sa concentration varie de 5 à 32 %.

Les principaux producteurs mondiaux sont Dow Chemical, avec 2 millions de tonnes par an (Mt/an), calculées sous forme de gaz HCl, Georgia Gulf Corporation, Tosoh Corporation, Akzo Nobel et Tessenderlo, avec 0,5 à 1,5 Mt/an chacun. La production mondiale totale, exprimée en HCl à des fins de comparaison, est estimée à 20 Mt/an, dont 3 Mt/an proviennent de la synthèse directe, le reste étant des produits secondaires issus de synthèses organiques et similaires. La plus grande partie de l'acide chlorhydrique est consommée de manière captive par le producteur. La taille du marché mondial ouvert est estimée à 5 millions de tonnes par an.

Applications

L'acide chlorhydrique est un acide inorganique fort qui est utilisé dans de nombreux processus industriels tels que le raffinage des métaux. L'application détermine souvent la qualité requise du produit. Le chlorure d'hydrogène, et non l'acide chlorhydrique, est plus largement utilisé en chimie organique industrielle, par exemple pour le chlorure de vinyle et le dichloroéthane.

Décapage de l'acier

L'une des applications les plus importantes de l'acide chlorhydrique est le décapage de l'acier, pour éliminer la rouille ou le tartre d'oxyde de fer du fer ou de l'acier avant un traitement ultérieur, tel que l'extrusion, le laminage, la galvanisation et d'autres techniques. Le HCl de qualité technique à une concentration typique de 18 % est l'agent de décapage le plus couramment utilisé pour le décapage des catégories d'acier au carbone.

Fe3O4 + Fe + 8 HCl → 4 FeCl2 + 4 H2O

L'acide usé a longtemps été réutilisé sous forme de solutions de chlorure de fer(II) (également connu sous le nom de chlorure ferreux), mais les niveaux élevés de métaux lourds dans la liqueur de décapage ont diminué cette pratique.

L'industrie du décapage de l'acier a mis au point des procédés de régénération de l'acide chlorhydrique, tels que le grillage par pulvérisation ou le procédé de régénération du HCl en lit fluidisé, qui permettent de récupérer le HCl de la liqueur de décapage usée. Le procédé de régénération le plus courant est le procédé de pyrohydrolyse, qui applique la formule suivante :

4 FeCl2 + 4 H2O + O2 → 8 HCl + 2 Fe2O3.

La récupération de l'acide usé permet d'établir une boucle acide fermée. L'oxyde de fer(III) sous-produit du processus de régénération est précieux, utilisé dans diverses industries secondaires.

Production de composés inorganiques

Tout comme pour le décapage, l'acide chlorhydrique est utilisé pour dissoudre de nombreux métaux, oxydes métalliques et carbonates métalliques. La conversion est souvent représentée par des équations simplifiées :

Zn + 2 HCl → ZnCl2 + H2
NiO + 2 HCl → NiCl2 + H2O
CaCO3 + 2 HCl → CaCl2 + CO2 + H2O

Ces procédés sont utilisés pour produire des chlorures métalliques destinés à l'analyse ou à une production ultérieure.

Contrôle du pH et neutralisation

L'acide chlorhydrique peut être utilisé pour réguler l'acidité (pH) des solutions.

HO- + HCl → H2O + Cl-

Dans l'industrie exigeant la pureté (alimentaire, pharmaceutique, eau potable), l'acide chlorhydrique de haute qualité est utilisé pour contrôler le pH des flux d'eau de traitement. Dans les industries moins exigeantes, l'acide chlorhydrique de qualité technique suffit pour neutraliser les flux de déchets et contrôler le pH des piscines.
Régénération des échangeurs d'ions

L'acide chlorhydrique de haute qualité est utilisé pour la régénération des résines échangeuses d'ions. L'échange de cations est largement utilisé pour éliminer les ions tels que Na+ et Ca2+ des solutions aqueuses, produisant ainsi de l'eau déminéralisée. L'acide est utilisé pour rincer les cations des résines. Le Na+ est remplacé par H+ et le Ca2+ par 2 H+.

Les échangeurs d'ions et l'eau déminéralisée sont utilisés dans toutes les industries chimiques, la production d'eau potable et de nombreuses industries alimentaires.

Utilisation en laboratoire

Parmi les acides minéraux forts courants en chimie, l'acide chlorhydrique est l'acide monoprotique le moins susceptible de subir une réaction d'oxydoréduction gênante. C'est l'un des acides forts les moins dangereux à manipuler ; malgré son acidité, il contient l'ion chlorure non réactif et non toxique. Les solutions d'acide chlorhydrique de force moyenne sont assez stables au stockage et conservent leur concentration au fil du temps. Ces caractéristiques, ainsi que le fait qu'il soit disponible sous forme de réactif pur, font de l'acide chlorhydrique un excellent réactif acidifiant. Il est également peu coûteux.

L'acide chlorhydrique est l'acide préféré dans le titrage pour déterminer la quantité de bases. Les titrants acides forts donnent des résultats plus précis en raison d'un point final plus distinct. L'acide chlorhydrique azéotropique, ou "à ébullition constante" (environ 20,2 %), peut être utilisé comme étalon primaire en analyse quantitative, bien que sa concentration exacte dépende de la pression atmosphérique au moment de sa préparation.

Autres

L'acide chlorhydrique est utilisé pour un grand nombre d'applications à petite échelle, comme le traitement du cuir, le nettoyage ménager et la construction de bâtiments. La production de pétrole peut être stimulée en injectant de l'acide chlorhydrique dans la formation rocheuse d'un puits de pétrole, ce qui dissout une partie de la roche et crée une structure à larges pores. L'acidification des puits de pétrole est un procédé courant dans l'industrie de la production pétrolière en mer du Nord.

L'acide chlorhydrique a été utilisé pour dissoudre le carbonate de calcium, par exemple pour détartrer les bouilloires et nettoyer le mortier des briques. Lorsqu'il est utilisé sur les maçonneries, la réaction avec le mortier ne se poursuit que jusqu'à ce que l'acide ait été entièrement transformé, produisant du chlorure de calcium, du dioxyde de carbone et de l'eau :

CaCO3 + 2 HCl → CaCl2 + CO2 + H2O

De nombreuses réactions chimiques impliquant l'acide chlorhydrique sont appliquées dans la production d'aliments, d'ingrédients alimentaires et d'additifs alimentaires. Parmi les produits typiques, citons l'aspartame, le fructose, l'acide citrique, la lysine, les protéines végétales hydrolysées comme exhausteur de goût et la production de gélatine. L'acide chlorhydrique de qualité alimentaire (extra-pur) peut être appliqué lorsque cela est nécessaire pour le produit final.

Présence dans les organismes vivants

L'acide gastrique est l'une des principales sécrétions de l'estomac. Il se compose principalement d'acide chlorhydrique et acidifie le contenu de l'estomac jusqu'à un pH de 1 à 2. Les ions chlorure (Cl-) et hydrogène (H+) sont sécrétés séparément dans la région du fond de l'estomac, en haut de l'estomac, par les cellules pariétales de la muqueuse gastrique, dans un réseau sécrétoire appelé canalicules, avant de pénétrer dans la lumière de l'estomac.

L'acide gastrique agit comme une barrière contre les micro-organismes pour prévenir les infections et est important pour la digestion des aliments. Son faible pH dénature les protéines et les rend ainsi susceptibles d'être dégradées par des enzymes digestives telles que la pepsine. Le faible pH active également le précurseur d'enzyme pepsinogène en l'enzyme active pepsine par autoclivage. Après avoir quitté l'estomac, l'acide chlorhydrique du chyme est neutralisé dans le duodénum par le bicarbonate.

L'estomac lui-même est protégé de l'acide fort par la sécrétion d'une épaisse couche de mucus et par le tamponnement induit par la sécrétine avec du bicarbonate de sodium. Des brûlures d'estomac ou des ulcères gastriques peuvent se développer lorsque ces mécanismes sont défaillants. Les médicaments de la classe des antihistaminiques et des inhibiteurs de la pompe à protons peuvent inhiber la production d'acide dans l'estomac, et les antiacides sont utilisés pour neutraliser l'excès d'acide existant.

Sécurité

Une étiquette en forme de losange avec les lettres 8 et "corrosif", indiquant que les gouttes d'un liquide corrodent les matériaux et les mains humaines. Provoque de graves brûlures de la peau et des lésions oculaires. Peut provoquer une irritation des voies respiratoires.

Étant un acide fort, l'acide chlorhydrique est corrosif pour les tissus vivants et pour de nombreux matériaux, mais pas pour le caoutchouc. En général, des gants de protection en caoutchouc et des équipements de protection connexes sont utilisés lors de la manipulation de solutions concentrées.

Fraction massique Classification Liste des phrases H

10% ≤ C < 25% Provoque une irritation de la peau, Provoque une irritation grave des yeux, H315, H319.
C ≥ 10% Peut provoquer une irritation respiratoire H335
C ≥ 25% Provoque des brûlures cutanées graves et des lésions oculaires H314.

Statut juridique

L'acide chlorhydrique a été inscrit sur la liste des précurseurs du tableau II de la Convention des Nations unies de 1988 contre le trafic illicite de stupéfiants et de substances psychotropes en raison de son utilisation dans la production d'héroïne, de cocaïne et de méthamphétamine.