ХЛОР: ИСТОРИЯ, СВОЙСТВА, СТРУКТУРА, РИСКИ, ПРИМЕНЕНИЕ - ХИМИЯ - 2026

Хлора является химическим элементом , который представлен символом Cl. Второй из атомов галогена, которые расположены ниже фтора, и является третьим наиболее электроотрицательным элементом всех. Его название происходит от его желтовато-зеленого цвета, который более интенсивен, чем фторид.

Обычно, когда кто-то слышит ваше имя, первое, о чем они думают, - это средства для отбеливания одежды и вода в бассейнах. Хотя в таких примерах хлор действительно действует эффективно, отбеливающее и дезинфицирующее действие оказывает не его газ, а его соединения (особенно гипохлорит).

Круглая колба с газообразным хлором внутри. Источник: Larenmclane

На верхнем изображении показана круглая колба с газообразным хлором. Его плотность больше, чем у воздуха, что объясняет, почему он остается в колбе и не улетает в атмосферу; как это происходит с другими более легкими газами, например с гелием или азотом. В этом состоянии это чрезвычайно токсичное вещество, так как в легких выделяется соляная кислота.

Вот почему элементарный или газообразный хлор не имеет многих применений, кроме некоторых синтезов. Однако его соединения, будь то соли или хлорированные органические молекулы, охватывают широкий спектр применений, выходя за рамки бассейнов и исключительно белой одежды.

Точно так же его атомы в форме хлорид-анионов находятся в нашем организме, регулируя уровни натрия, кальция и калия, а также в желудочном соке. В противном случае прием хлорида натрия был бы еще более смертельным.

Хлор получают путем электролиза рассола, богатого хлоридом натрия, - промышленного процесса, при котором также получают гидроксид натрия и водород. А поскольку моря - почти неисчерпаемый источник этой соли, потенциальные запасы этого элемента в гидросфере очень велики.

история

Первые подходы

Из-за высокой реакционной способности газообразного хлора древние цивилизации даже не подозревали о его существовании. Однако его соединения были частью культуры человечества с древних времен; его история началась с поваренной соли.

С другой стороны, хлор возник в результате извержений вулканов и растворения золота в царской водке; Но ни одного из этих первых подходов было недостаточно, чтобы сформулировать идею о том, что желтовато-зеленый газ был элементом или соединением.

открытие

Открытие хлора приписывают шведскому химику Карлу Вильгельму Шееле, который в 1774 году провел реакцию между минеральным пиролюзитом и соляной кислотой (которую тогда называли соляной кислотой).

Шееле заслуживает похвалы, поскольку он был первым ученым, изучившим свойства хлора; хотя ранее он был признан (1630 г.) Яном Баптистом ван Гельмонтом.

Интересны эксперименты, с помощью которых Шееле получил свои наблюдения: он оценил отбеливающее действие хлора на красноватые и голубоватые лепестки цветов, а также на листья растений и насекомых, которые мгновенно погибают.

Точно так же он сообщил о его высокой скорости реакции с металлами, его удушающем запахе и нежелательном воздействии на легкие, и что при растворении в воде его кислотность увеличивалась.

Оксимуратная кислота

К тому времени химики считали кислотой любое соединение, имеющее кислород; поэтому они ошибочно думали, что хлор должен быть газообразным оксидом. Так они назвали его «оксимуриатовой кислотой» (оксид соляной кислоты) - именем, придуманным известным французским химиком Антуаном Лавуазье.

Затем в 1809 году Жозеф Луи Гей-Люссак и Луи Жак Тенар попытались восстановить эту кислоту древесным углем; реакция, с которой они получали металлы из своих оксидов. Таким образом, они хотели извлечь химический элемент предполагаемой оксимуратной кислоты (которую они назвали «воздух, очищенный от соляной кислоты».

Однако Гей-Люссак и Тенар провалили свои эксперименты; но они были правы, рассматривая возможность того, что желтовато-зеленый газ должен быть химическим элементом, а не соединением.

Признание как элемент

Признание хлора химическим элементом произошло благодаря сэру Хамфри Дэви, который в 1810 году провел свои собственные эксперименты с угольными электродами и пришел к выводу, что такой оксид соляной кислоты не существует.

Более того, именно Дэви придумал название «хлор» для этого элемента от греческого слова «хлорос», что означает желтовато-зеленый.

Когда они изучали химические свойства хлора, было обнаружено, что многие из его соединений имеют солевой характер; поэтому они назвали его «галогеном», что означает солеобразователь. Затем термин галоген был использован с другими элементами той же группы (F, Br и I).

Майклу Фарадею даже удалось превратить хлор в твердое вещество, которое из-за загрязнения водой образовало гидрат Cl ₂ · H ₂ O.

Остальная часть истории хлора связана с его дезинфицирующими и отбеливающими свойствами, вплоть до развития промышленного процесса электролиза рассола для производства огромных количеств хлора.

Физические и химические свойства

Внешность

Это плотный, непрозрачный желтовато-зеленый газ с раздражающим едким запахом (суперсиленная версия промышленного хлора), а также чрезвычайно ядовитый.

Атомный номер (Z)

17

Атомный вес

35,45 шт.

Если не указано иное, остальные свойства соответствуют количествам, измеренным для молекулярного хлора, Cl ₂ .

Точка кипения

-34,04 ºC

Температура плавления

-101,5 ºC

плотность

-При нормальных условиях 3,2 г / л

-Просто при температуре кипения 1,5624 г / мл

Обратите внимание, что жидкий хлор примерно в пять раз плотнее своего газа. Кроме того, плотность его пара в 2,49 раза больше, чем у воздуха. Поэтому на первом изображении хлор не стремится ускользнуть из круглой колбы, поскольку, будучи более плотным, чем воздух, он расположен внизу. Эта характеристика делает его еще более опасным газом.

Теплота плавления

6,406 кДж / моль

Теплота испарения

20,41 кДж / моль

Молярная теплоемкость

33,95 Дж / (моль К)

Растворимость воды

1,46 г / 100 мл при 0 ºC

Давление газа

7,67 атм при 25 ° С. Это давление относительно низкое по сравнению с другими газами.

Электроотрицательность

3,16 по шкале Полинга.

Энергии ионизации

-Первый: 1251,2 кДж / моль

-Второй: 2298 кДж / моль

-Третий: 3822 кДж / моль

Теплопроводность

8,9 · 10 ^-3 Вт / (м · К)

Изотопы

Хлор встречается в природе в основном в виде двух изотопов: ³⁵ Cl с содержанием 76% и ³⁷ Cl с содержанием 24%. Таким образом, атомный вес (35,45 u) - это среднее значение атомных масс этих двух изотопов с их соответствующими процентными содержаниями.

Все радиоизотопы хлора являются искусственными, среди которых наиболее стабильным выделяется ³⁶ Cl с периодом полураспада 300 000 лет.

Числа окисления

Хлор может иметь различную степень окисления или степень окисления, когда он является частью соединения. Являясь одним из самых электроотрицательных атомов в периодической таблице, он обычно имеет отрицательную степень окисления; кроме случаев, когда он сталкивается с кислородом или фтором, в оксидах и фторидах которых, соответственно, он должен «терять» электроны.

В их степенях окисления предполагается наличие или присутствие ионов с одинаковой величиной заряда. Таким образом, мы имеем: -1 (Cl ^- , знаменитый хлорид-анион), +1 (Cl ⁺ ), +2 (Cl ²⁺ ), +3 (Cl ³⁺ ), +4 (Cl ⁴⁺ ), +5 ( Cl ⁵⁺ ), +6 (Cl ⁶⁺ ) и +7 (Cl ⁷⁺ ). Из всех них -1, +1, +3, +5 и +7 являются наиболее распространенными в хлорированных соединениях.

Например, в ClF и ClF ₃ степени окисления хлора равны +1 (Cl ⁺ F ^- ) и +3 (Cl ³⁺ F ₃ ^- ). В Cl ₂ O это +1 (Cl ₂ ⁺ O ^2- ); в то время как в ClO ₂ Cl ₂ O ₃ и Cl ₂ O ₇ равны +4 (Cl ⁴⁺ O ₂ ^2- ), +3 (Cl ₂ ³⁺ O ₃ ^2- ) и +7 (Cl ₂ ⁷⁺ Или ₇ ^2- ).

С другой стороны, во всех хлоридах хлор имеет степень окисления -1; как и в случае NaCl (Na ⁺ Cl ^- ), где можно сказать, что Cl ^- существует, учитывая ионную природу этой соли.

Структура и электронная конфигурация

Молекула хлора

Двухатомная молекула хлора представлена ​​моделью пространственного заполнения. Источник: Benjah-bmm27 через Википедию.

Атомы хлора в основном состоянии имеют следующую электронную конфигурацию:

3с ² 3п ⁵

Следовательно, каждый из них имеет семь валентных электронов. Если они не перегружены энергией, в космосе будут находиться отдельные атомы Cl, как если бы они были зелеными шариками. Однако их естественная тенденция - образовывать между собой ковалентные связи, завершая, таким образом, свои октеты валентности.

Обратите внимание, что им нужен только один электрон, чтобы иметь восемь валентных электронов, поэтому они образуют простую одинарную связь; это тот, который соединяет два атома Cl, чтобы создать молекулу Cl ₂ (верхнее изображение), Cl-Cl. Поэтому хлор в нормальных и / или земных условиях является молекулярным газом; не одноатомный, как с благородными газами.

Межмолекулярные взаимодействия

Молекула Cl ₂ является гомоядерной и аполярной, поэтому ее межмолекулярные взаимодействия регулируются силами лондонского рассеяния и ее молекулярными массами. В газовой фазе расстояние Cl ₂ -Cl ₂ относительно мало по сравнению с другими газами, что в сумме с его массой делает газ в три раза плотнее воздуха.

Свет может возбуждать и способствовать электронным переходам внутри молекулярных орбиталей Cl ₂ ; следовательно, появляется его характерный желтовато-зеленый цвет. Этот цвет усиливается в жидком состоянии, а затем частично исчезает при затвердевании.

При понижении температуры (-34 ºC) молекулы Cl ₂ теряют кинетическую энергию и расстояние Cl ₂ -Cl ₂ уменьшается; следовательно, они сливаются и в конечном итоге определяют жидкий хлор. То же самое происходит, когда система охлаждается еще больше (-101 ºC), теперь молекулы Cl ₂ находятся так близко друг к другу, что образуют ромбический кристалл.

Тот факт, что кристаллы хлора существуют, указывает на то, что их диспергирующие силы достаточно направлены, чтобы создать структурный узор; то есть молекулярные слои Cl ₂ . Разделение этих слоев таково, что их структура не изменяется даже под давлением 64 ГПа, и они не обладают электропроводностью.

Где найти и получить

Хлоридные соли

Прочные кристаллы галита, более известные как поваренная или поваренная соль. Источник: Родитель Жери

Хлор в газообразном состоянии невозможно найти где-либо на поверхности Земли, поскольку он очень реактивен и имеет тенденцию к образованию хлоридов. Эти хлориды хорошо рассредоточены по земной коре и, кроме того, после миллионов лет смывания дождями они обогащают моря и океаны.

Из всех хлоридов NaCl минерала галита (верхнее изображение) является наиболее распространенным и распространенным; за ними следуют минералы сильвин, KCl и карналит, MgCl ₂ · KCl · 6H ₂ O. Когда массы воды испаряются под действием Солнца, они оставляют после себя соленые озера в пустыне, из которых NaCl может быть непосредственно извлечен в качестве сырья. для производства хлора.

Электролиз рассола

NaCl растворяется в воде с образованием рассола (26%), который подвергается электролизу в хлорно-щелочной ячейке. В анодном и катодном отсеках протекают две полуреакции:

2Cl ^- (водн.) => Cl ₂ (г) + 2e ^- (анод)

2H ₂ O (l) + 2e ^- => 2OH ^- (водн.) + H ₂ (г) (катод)

И глобальное уравнение для обеих реакций:

2NaCl (водн.) + 2H ₂ O (l) => 2NaOH (водн.) + H ₂ (г) + Cl ₂ (г)

По мере протекания реакции ионы Na ⁺ , образующиеся на аноде, мигрируют в катодное отделение через проницаемую асбестовую мембрану. По этой причине NaOH находится в правой части глобального уравнения. Оба газа, Cl ₂ и H ₂ , собираются с анода и катода соответственно.

Изображение ниже иллюстрирует только что написанное:

Схема производства хлора электролизом рассола. Источник: Jkwchui

Обратите внимание, что концентрация рассола до конца уменьшается на 2% (переход от 24 до 26%), что означает, что часть анионов Cl ^- исходных молекул превратилась в Cl ₂ . В конце концов, индустриализация этого процесса позволила получить хлор, водород и гидроксид натрия.

Кислотное растворение пиролюзита

Как упоминалось в разделе «История», газообразный хлор может быть получен путем растворения минеральных образцов пиролюзита соляной кислотой. Следующее химическое уравнение показывает продукты, полученные в результате реакции:

MnO ₂ (т.) + 4HCl (водн.) => MnCl ₂ (водн.) + 2H ₂ O (л) + Cl ₂ (г)

сплавы

Сплавов хлора не существует по двум простым причинам: их газообразные молекулы не могут быть захвачены между металлическими кристаллами, и они также очень реакционны, поэтому они немедленно реагируют с металлами с образованием соответствующих хлоридов.

С другой стороны, хлориды также нежелательны, поскольку, будучи растворенными в воде, они оказывают солевой эффект, который способствует коррозии сплавов; и поэтому металлы растворяются с образованием хлоридов металлов. Процесс коррозии для каждого сплава разный; некоторые более восприимчивы, чем другие.

Поэтому хлор вообще не является хорошей добавкой к сплавам; ни как Cl _2, ни как Cl ^- (а атомы Cl будут слишком реакционноспособными, чтобы даже существовать).

риски

Хотя растворимость хлора в воде мала, этого достаточно для образования соляной кислоты во влаге нашей кожи и глаз, которая в конечном итоге разъедает ткани, вызывая серьезное раздражение и даже потерю зрения.

Еще хуже вдыхать его желтовато-зеленоватые пары, поскольку, попав в легкие, он снова генерирует кислоты и повреждает легочную ткань. При этом человек испытывает боль в горле, кашель и затрудненное дыхание из-за образовавшейся в легких жидкости.

Если происходит утечка хлора, вы попадаете в особо опасную ситуацию: воздух не может просто «унести» свои пары; они остаются там до тех пор, пока не начнут реагировать или медленно рассеются.

Кроме того, это сильно окисляющее соединение, поэтому различные вещества могут взрывоопасно реагировать с ним при малейшем контакте; прямо как стальная вата и алюминий. Вот почему там, где хранится хлор, необходимо принять все необходимые меры, чтобы избежать риска возгорания.

По иронии судьбы, хотя газообразный хлор смертоносен, его хлорид-анион не токсичен; Его можно употреблять (в умеренных количествах), он не горит и не вступает в реакцию, кроме как с фтором и другими реагентами.

Приложения

Синтез

Около 81% газообразного хлора, производимого ежегодно, используется для синтеза органических и неорганических хлоридов. В зависимости от степени ковалентности этих соединений хлор может быть обнаружен в виде простых атомов Cl в хлорированных органических молекулах (со связями C-Cl) или в виде ионов Cl ^- в нескольких солях хлорида (NaCl, CaCl ₂ , MgCl ₂ , и т.д.).

У каждого из этих соединений есть свои собственные применения. Например, хлороформ (CHCl ₃ ) и этилхлорид (CH ₃ CH ₂ Cl) представляют собой растворители, которые стали использоваться в качестве ингаляционных анестетиков; дихлорметан (CH ₂ Cl ₂ ) и четыреххлористый углерод (CCl ₄ ), в свою очередь, являются растворителями, широко используемыми в лабораториях органической химии.

Когда эти хлорированные соединения являются жидкими, большую часть времени они используются в качестве растворителей для органических реакционных сред.

В других соединениях присутствие атомов хлора означает увеличение дипольного момента, так что они могут в большей степени взаимодействовать с полярной матрицей; один состоит из белков, аминокислот, нуклеиновых кислот и т. д., биомолекул. Таким образом, хлор также играет роль в синтезе лекарств, пестицидов, инсектицидов, фунгицидов и т. Д.

Что касается неорганических хлоридов, они обычно используются в качестве катализаторов, сырья для получения металлов электролизом или источников ионов Cl ^- .

биологическая

Газообразный или элементарный хлор не играет никакой роли в живых существах, кроме как разрушать их ткани. Однако это не означает, что его атомы нельзя найти в организме. Например, ионы Cl ^- очень распространены в клеточной и внеклеточной среде и в основном помогают контролировать уровни ионов Na ⁺ и Ca ²⁺ .

Точно так же соляная кислота входит в состав желудочного сока, с которым пища переваривается в желудке; их ионы Cl ^{- вместе} с H ₃ O ⁺ определяют pH, близкий к 1 из этих выделений.

Химическое оружие

Плотность газообразного хлора делает его смертельно опасным при проливании или попадании в закрытые или открытые пространства. Будучи более плотным, чем воздух, его поток с трудом переносит хлор, поэтому он остается в течение значительного времени, прежде чем окончательно рассеется.

Например, во время Первой мировой войны этот хлор использовали на полях сражений. После выпуска он пробирался в траншеи, чтобы задушить солдат и заставить их всплыть.

дезинфицирующий

Бассейны хлорируются, чтобы предотвратить размножение и распространение микроорганизмов. Источник: Pixabay.

Хлорированные растворы, в которых газообразный хлор растворяют в воде, а затем подщелачивают с помощью буфера, обладают превосходными дезинфицирующими свойствами, а также препятствуют гниению тканей. Их использовали для дезинфекции открытых ран с целью уничтожения патогенных бактерий.

Вода в бассейне тщательно хлорируется для уничтожения бактерий, микробов и паразитов, которые могут в ней скапливаться. Раньше для этой цели использовался газообразный хлор, однако его действие довольно агрессивно. Вместо этого используются растворы гипохлорита натрия (отбеливатель) или таблетки трихлоризоциануровой кислоты (ТСА).

Изложенное выше показывает, что дезинфицирующее действие оказывает не Cl ₂ , а HClO, гипохлоритная кислота, которая производит радикалы O, уничтожающие микроорганизмы.

отбеливатель

Подобно своему дезинфицирующему действию, хлор также отбеливает материалы, потому что красители, ответственные за цвета, разрушаются HClO. Таким образом, его хлорированные растворы идеально подходят для удаления пятен с белой одежды или для отбеливания бумажной массы.

Поливинил хлорид

Самым важным соединением хлора из всех, на которое приходится около 19% оставшегося производства газообразного хлора, является поливинилхлорид (ПВХ). Этот пластик имеет множество применений. Из него изготавливаются водопроводные трубы, оконные рамы, настенные и напольные покрытия, электропроводка, внутривенные мешки, пальто и т. Д.

Ссылки

1. Шивер и Аткинс. (2008). Неорганическая химия . (Четвертое издание). Мак Гроу Хилл.
2. Wikipedia. (2019). Хлора. Получено с: en.wikipedia.org
3. Лаура Х. и др. (2018). Структура твердого хлора при 1,45 ГПа (Zeitschrift für Kristallographie). Кристаллические материалы, том 234, выпуск 4, страницы 277–280, ISSN (Online) 2196-7105, ISSN (Print) 2194-4946, DOI: doi.org/10.1515/zkri-2018-2145
4. Национальный центр биотехнологической информации. (2019). Хлора. База данных PubChem. CID = 24526. Получено с: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov
5. Маркес Мигель. (SF). Хлора. Получено с: nautilus.fis.uc.pt
6. Американский химический совет. (2019). Химия хлора: Введение в хлор. Получено с: chlorine.americanchemistry.com
7. Фонг-Юань Ма (без даты). Коррозионное действие хлоридов на металлы. Департамент морской инженерии, NTOU Республика Китай (Тайвань).
8. Штат Нью-Йорк. (2019). Факты о хлоре. Получено с: health.ny.gov
9. Доктор Дуг Стюарт. (2019). Факты об элементе хлора. Chemicool. Получено с: chemicool.com