Vetykloridi

Kiinteän DCL:n rakenne määritettynä DCL-jauheen neutronidiffraktion avulla 77 K:n lämpötilassa. DCl:ää käytettiin HCL:n sijasta, koska deuteriumydin on helpompi havaita kuin tavallinen vety-ydin. ”Äärettömät” DCl-ketjut on osoitettu katkoviivoilla.

Jähmettynyt HCl käy 98,4 K:n lämpötilassa faasitransition. Röntgensäteilyn diffraktio jähmettyneessä materiaalissa osoittaa, että materiaali siirtyy tällöin ortorombisesta kuutiolliseen kidejärjestelmään. Molemmissa rakenteissa klooriatomit muodostavat pintakeskeisen kuutiollisen hilan. Vetyatomeja kuitenkaan ei ole voitu paikantaa.[5] Spektroskooppisen ja dielektrisen datan analysointi ja DCl:n rakenteen määritys osoittavat, että kiinteässä tilassa HCl muodostaa ristiin kulkevia ketjuja samoin kuin vetyfluoridikin (HF).[6]

Infrapunasäteilyn (IR) absorptiospektri

Kloorin isotooppikoostumuksesta aiheutuva kaksinkertainen viiva infrapunaspektrissä

Vasemmanpuoleinen kuva osoittaa kaasumaisen vetykloridin infrapunaspektrin. Se koostuu joukosta teräviä absorptioviivoista, jotka ovat ryhmittyneet aaltoluvun 2 886 cm⁻¹ (aallonpituus ~3.47 µm) ympärille. Huoneenlämmössä lähes kaikki molekyylit ovat perusvärähdystilassa v = 0. Kun epäharmonisuus otetaan huomioon, värähdysenergia voidaan kirjoittaa muotoon:

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

Jos HCl-molekyyli viritetään tilasta v = 0 tilaan v = 1 odottaisi infrapuna-absorptiota esiintyvän aaltoluvun arvolla ν_o = ν_e + 2x_eν_e = 2880 cm⁻¹. Tätä absorpitota, joka vastaa Q-haaraa, ei kuitenkaan havaita, mikä johtuu siitä, että symmetria estää sen. Sen sijaan havaitaan kaksi signaalijoukkoa (P- ja R-haarat), mikä johtuu molekyylien samanaikaisesta pyörähdystilan muutoksista. Kvanttimekaanisten valintasääntöjen vuoksi vain tietyt pyörähdystransitiot ovat sallittuja. Näitä tiloja luonnehtivat pyörähdyskvanttiluvun arvot J = 0, 1, 2, 3, ... Valintasäännöt merkitsevät, että ΔJ voi saada vain arvot ±1.

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

Pyörähdysvakion B arvo on paljon pienempi kuin värähdysvakio ν_o, ja niinpä tarvitaankin paljon vähemmän energiaa molekyylin saattamiseen pyörimisliikkeeseen. Tyypillisillä molekyyleillä tämä on mikroaaltolueella. HCl-molekyylin värähdysenergia saa kuitenkin aikaan, että sillä on absorptiota infrapuna-alueella, mikä mahdollistaa spektrin, joka osittaa, että tämän molekyylin siirtymiset pyörimisestä värähtelyihin voidaan helposti havaita infrapunaspektrometrin avulla. Spektrometri voidaan tehdä jopa kvartsita, sillä HCl:n absorptioviivat ovat sillä aallonpituusalueella, jolla kvartsi on läpinäkyvää.

Luonnossa kloori koostuu kahdesta isotoopista, ³⁵Cl ja ³⁷Cl, suunnilleen suhteessa 3:1. Kun jousivakiot ovat lähes yhtä suuret, isotooppien toisistaan poikkeavat redusoidut massat saavat aikaan mitattavissa olevia eroja niiden pyörimisenergioiden välille, ja niinpä absorptioviivoja tarkemmin tutkittaessa havaitaan niiden koostuvan kahdesta vierekkäisestä viivasta, joiden voimakkuuksien suhde on sama 3:1.

Hyvin puhdasta vetykloridia saadaan antamalla kloorin ja vedyn reagoida keskenään:

Cl₂ + H₂ → 2 HCl

Koska tämä reaktio on eksoterminen, käytettyä laitetta sanotaan HCl-uuniksi tai HCl-polttimoksi. Saatu kaasumainen vetykloridi absorboidaan deionisoituun veteen, jolloin saadaan kemiallisesti puhdasta suolahappoa. Tällä reaktiolla saadaan hyvin puhdasta tuotetta muun muassa elintarviketeollisuuden tarpeisiin.

Vetykloridin teollinen tuotanto liittyy usein kiinteästi kloorattujen ja fluorattujen orgaanisten yhdisteiden kuten teflonin, freonin ja muiden CFC-yhdisteiden sekä kloorietikkahapon ja polyvinyylikloridin (PVC) valmistukseen. Usein tällöin saatu vetykloridi tai suolahappo käytetään hyväksi saman tehtaan muissa prosesseilla. Näissä kemiallisissa reaktioissa osa hiilivetyjen vetyatomeista korvataan klooriatomilla, jolloin vapautunut vetyatomi yhtyy toisen samasta kloorimolekyylistä vapautuneen klooriatomin kanssa vetykloridiksi. Fluoraus on reaktio, jossa kloori edelleen korvataan fluorilla, jolloin saadaan jälleen vetykloridia:

R−H + Cl₂ → R−Cl + HCl

R−Cl + HF → R−F + HCl

Näin saatu vetykloridi voidaan käyttää hyväksi joko suoraan tai liuottaa veteen, jolloin saadaan teknisen tai teollisen laadun suolahappoa.

Pieniä määriä vetykloridia laboratoriokäyttöön voidaan valmistaa HCl-generaattorilla dehydratoimalla suolahappoa joko rikkihapolla tai vedyttömällä kalsiumkloridilla. Vaihtoehtoisesti sitä voidaan valmistaa rikkihapon ja natriumkloridin välisellä reaktiolla:[8]

NaCl + H₂SO₄ → NaHSO₄ + HCl

Tämä reaktio tapahtuu huoneenlämpötilassa. Jos generaattoriin jää natriumkloridia ja se kuumennetaan yli 200 °C:n lämpötilaan, reaktio jatkuu edelleen:

NaCl + NaHSO₄ → HCl + Na₂SO₄

Jotta tällainen generaattori toimisi, lähtöaineiden on oltava kuivia.

Vetykloridia voidaan valmistaa myös hydrolysoimalla eräitä reaktiivisia kloridiyhdisteitä kuten fosforiklorideita, tionyylikloridia ja asyylikloridia. Esimerkiksi jos fosforipentakloridin (PCl₅) päälle tiputetaan vähitellen kylmää vettä, saadaan vetykloridia:

PCl₅ + H₂O → POCl₃ + 2 HCl