كيمياء حمض الهيبوكلوروز

الكيمياء 

حمض هيبوكلوروس 

اسم IUPAC : حمض هيبوكلوروس، حمض هيبوكلوريك، هيدروكسي كلورين. 
أسماء اخرى : هيبوكلوريت الهيدروجين، هيدروكسيد الكلور، المياه المُحللة كهربائياً، المياه المؤكسدة كهربائياً، المياه المُنشطة كهربائياً 
رقم CAS : 7790-92-3
الكتلة المولية : 52.46 g/mol
الصيغة الجزيئية : HOCl
المظهر : محلول مائي عديم اللون 
الذوبان في الماء : قابل للذوبان 
الحموضة : 7.53

التحليل الكهربائي 

في الكيمياء والتصنيع، التحليل الكهربائي هو التقنية التي تستخدم تيار مُباشر (DC) لتحفيز تفاعل كيميائي غير نلقائي. التحليل الكهربائي هام تُجارياً كمرحلة في فصل العناصر من مصادره الطبيعية. يُمكن استخدام التحليل الكهربائي لكلوريد الصوديوم (NACL) والماء (H2O) لتصنيع حمض هيدروكلوروس. تم شرح تقنية التحليل الكهربائي لأول مرة بواسطة مايكل فاراداي عندما قام بتطوير قوانين التحليل الكهربائي في ثلاثينيات القرن التاسع عشر. إن توصيل تيار كهربائي بين قطبين في محلول ملحي ينتج عنه غاز الكلور. هيبوكلوريت الصوديوم (المُبيض أو NACL)، حمض هيبوكلوروس، هيدروكسيد الصوديوم، غاز الهيدروجين، الأوزون، وآثار اخرى من المؤكسدات. 

تتمثل العملية الرئيسية للتحليل الكهربي في تبادل الذرات والأيونات عن طريق إزالة أو إضافة الإلكترونات من الدائرة الخارجية. يتم تطبيق جهد كهربائي عبر زوج من الأقطاب الكهربائية المغمورة في الإلكتروليت. يجذب كل قطب كهربائي الأيونات من الشحنة المُعاكسة. تتحرك الأيونات ذات الشحنة الموجبة (كاتيونات) نحو مصدر الإلكترونات؛ الكاثود (سلبي). تتحرك الأيونات سالب الشحنة (الأنيونات) نحو مُستخلص الإلكترونات (القطب الموجب). في الكيمياء، يُطلق على خسارة الإلكترونات اسم الأكسدة، في حين يُسمى اكتساب الإلكترون الإختزال. 

على سبيل المثال، فإن الخطوة الأولى في تصنيع حمض هيدروكلوروس هي التحليل الكهربي للماء المالح بهدف فصل الهيدروجين والكلور، ويكون كلاهما في صفة غازية. تتصاعد الأبخرة المُنتجة من المحلول ويتم جمعها. 

2 NaCl(s) + 2 H20(l) → 2 NaOH(aq) + H2(g) + Cl2(g)

تكنولوجيا الخلايا الغشائية 

يتكون غشاء تبادل الأيونات من بوليمر يسمح فقط بعبور الأيونات الموجبة. هذا يعني أن أيونات الصوديوم فقط هي التي ستعبر من محلول كلورايد الصوديوم عبر الغشاء، ولن يُسمح بمرور أيونات الكلورايد. تكمن الفائدة في هذا أن محلول هيدروكسايد الصوديوم الذي سيتكون في الجزء الأيمن لن يتلوث بأي جزئ من محلول كلورايد الصوديوم. يجب أن يكون محلول كلورايد الصوديوم المُزمع استخدامه نقياً. إذا احتوى على أي أيونات معدنية، فقد تعبر من خلال الغشاء وتُلوث محلول هيدروكسايد الصوديوم. 

يتكون الهيدروجين عند القطب السالب :
2H+(aq) + 2e- → H2(g)

يتكون هيدروكسايد الصوديوم عند القطب السالب :
Na+(aq) + OH-(aq) → NaOH(aq)

يتكون الكلور عند القطب الموجب :
2Cl-(aq) - 2e- → Cl2(g)

يكون مُلوثاً بالقليل من الأكسجين الناتج عن التفاعل :
4OH-(aq) - 4e- → 2H2O(l) + O2(g)

ينتج إضافة الكلور إلى الماء تكون حمض هيدروكلوريك (HCL) وحمض هيدروكلوروس (HOCI) :
Cl2(g) + H2O ⇌ HOCl(aq) + HCl(aq)
Cl2(g) + 4 OH− ⇌ 2 ClO-(aq) + 2 H2O(l) + 2 e−
Cl2(g) + 2 e− ⇌ 2 Cl-(aq)

يتحكم الأس الهيدروجيني ودرجة الحموضة في مقدار المُكون الذي يحتوي على الكلور الحر في المحلول المائي. وعند أس هيدروجيني 5-6، يكون المُكون الذي يحتوي على الكلور حمض هيبوكلوروس (HOCI) نقي بنسبة 100%. ومع انخفاض الأس الهيدروجيني نحو 5، يبدأ بالتحول إلى غاز الكلور CI2. وفوق الأس الهيدروجيني 6، يبدأ بالتحول إلى أيون هايبوكلوريت. 

حمض هيبوكلوروس هو حمض ضعيف (pKa 7.5)، ما يعني أنه يتحلل إلى أيونات هيدروجين وهيبوكلوريت كما هو موضح في المُعادلة: : HOCl ⇌ H+ + OCl-

وبين الأس الهيدروجيني 6.5 و8.5، يكون التحلل غير مُكتمل، ويحتوي المحلول على كلٍ من HOCI و OCI-. وعندما يكون الرقم الهيدروجيني أقل من 6.5، لا يحدث أي تحلل لـHOCI، ولكن يحدث تحلل كامل لـOCI- عندما يزيد الأس الهيدروجيني عن 8.5. 

ونظراً لكون تأثير حمض هيبوكلوروس في مُقاومة الجراثيم أكبر بكثير من تأثير OCI-، يوصى بإضافة الكلور في وسط حمضي.. يتمتع حمض هيبوكلوروس (HOCI) بتأثير أكبر في مُقاومة الجراثيم مُقارنةً بأيون هيبوكلوريت (OCI-). يتحدد تكوين المحلول من حمض هيبوكلوروس أو أيون هيبوكلوريت وفقاً للأس الهيدروجيني، كما هو موضح أعلاه.. 

ونظراً لهيمنة حمض هيبوكلوروس في الأس الهيدروجيني المُنخفض، فإن إضافة الكلور في وسط حمضي يُضفي على المحلول خصائص أقوى في مُكافحة الجراثيم. وفي الأس الهيدروجيني الأعلى، يُهيمن أيون الهيبوكلوريت (OCI-)، والذي يُقلل من التأثير المُطهر للمحلول. 

تعطيل البكتيريا 

الكلور مُطهر قوي للغاية عندما يتعلق الأمر بتعطيل البكتيريا تم إجراء دراسة في أربعينيات القرن العشرين حول مستويات تعطيل البكثيريا على مدار الوقت على بكتيريا إي.كولاي، الزائفة ازنجارية، سالمونيلا تايفي، وشيغيلا ديزنتيريا.  (Butterfield et al., 1943). خلصت الدراسة إلى أن حمض هيبوكلوروس أكثر كفاءةً من أيون هيبوكلوريت في تعطيل تلك البكتيريا. تم تأكيد تلك النتيجة بواسطة العديد من الباحثين، والتي خلصت جميعها إلى أن حمض هيبوكلوروس أكثر كفاءة 70 إلى 80 مرة مُقارنة بأيون هيبوكلوريت في تعطيل البكتيريا.  (Culp/Wesner/Culp, 1986). منذ عام 1986، تم نشر مئات الأبحاث التي تؤكد أفضلية HOCI على OCI-. (قاعدة بيانات الأبحاث ).

يتلخص التحدي الأكبر في إنتاج حمض هيبوكلوروس في وسط ذو أس هيدروجيني قريب من المُحايد بدلاً من غاز الكلور أو أيون هيبوكلوريت، وإتمام تلك العملية بشكل مُستقر. حمض هيبوكلوروس هو حمض مُتبدل الاستقرار، فهو يُحاول دائماً العودة إلى ماء مالح أو هيبوكلوريت. 

تكنولوجيا الخلية الوحيدة 

واحدة من أبرز التطورات كانت في تطوير تكنولوجيا الخلية الوحيدة، حيث يتم تكوين يتار واحد من الكلور الحر دون إنتاج هيدروكسايد الصوديوم (NaOH). أدت هذه التقنية إلى تطوير محاليل من حمض هيبوكلوروس أكثر استقراراً، والتي تسمح بدرجة أعلى من التحكم في الأس الهيدروجيني. يتغير الأس الهيدروجيني للماء وفقاً لمصدره حول العالم. تغيير الأس الهيدروجيني للمحلول الملحي يسمح بدرجة أكبر من التحكم عند إنتاج محاليل ذات كلور حر بين الأس الهيدروجيني 5 و7 والذي يُهيمن عليه حمض هيبوكلوروس. 

تفاعل القطب الموجب :
2Cl-(l) → Cl2(g) + 2e-

تفاعل القطب السالب :
2H2O(l) + 2e- → H2(g) + 2OH- (aq)

إنتاج كلور حر :
Cl2 (g) + H2O → HOCl + HCl
Cl2 (g) + 2OH-(aq) → OCl- (aq) + Cl-(aq) + H2O(l)