Хлор

Хлор
← Сера | Аргон →
Периодическая система элементов +17Cl Файл:Electron shell +17 Chlorine.svg
Свойства атома
Название, символ, номер	, +17

Хлор (Cl) ((греч. χλωρός) — «зелёный») — 17-й элемент периодической системы элементов Д. И. Менделеева. Входит в группу галогенов (первоначально название «галоген» использовал немецкий химик Швейгер для хлора (дословно «галоген» переводится как солерод), но оно не прижилось, и впоследствии стало общим для VII группы элементов, в которую входит и хлор).

В природе встречаются 2 изотопа хлора ³⁵Cl и ³⁷Cl. В земной коре хлор самый распространенный из галогенов. Хлор очень активен – он непосредственно соединяется почти со всеми элементами периодической системы. Поэтому в природе он встречается только в виде соединений в составе минералов: галита NaCI, сильвинита KCl · NaCl, бишофита MgCl2 · 6H2O, карналлита KCl · MgCl2 · 6Н2O, каинита KCl · МgSO4 · 3Н2О. Самые большие запасы хлора содержатся в составе солей вод морей и океанов. На долю хлора приходится 0,025 % от общего числа атомов земной коры, а человеческий организм содержит 0,25 % ионов хлора по массе.

Простое вещество хлор — ядовитый желтовато-зеленый газ, с резким запахом, состоит из двух атомов Cl-Cl.

История хлора

Впервые хлор был получен в 1772 г. Шееле, описавшим его выделение при взаимодействии пиролюзита с соляной кислотой в своём трактате о пиролюзите

4Cl + MnO₂ = Cl₂ + MnCl₂ + 2H₂O

Шееле отметил запах хлора, схожий с запахом царской водки, его взаимодействие с золотом и киноварью, а также его отбеливающие свойства.

Однако Шееле, в соответствии с господствовавшей в химии того времени теории флогистона, предположил, что хлор представляет собой дефлогистированную соляную кислоту, то есть оксид соляной кислоты. Бертолле и Лавуазье предположили, что хлор является оксидом элемента мурия, однако попытки его выделения оставались безуспешными вплоть до работ Дэви, которому электролизом удалось разложить поваренную соль на натрий и хлор.

Физические свойства

При нормальных условиях - желто-зеленый газ, сжижается при температуре −34°С и затвердевает при — 101°С, при 1400° диссоциирует на атомы . Один литр газообразного хлора при нормальных условиях (температура 0°C и давление 760 мм ртутного столба) весит 3,214 г. Степень диссоциации Cl₂ +243 кДж = 2Cl. При 1000 К равна 2,07*10^-4 %; при 2500 К 0.909 %. Хлор хорошо растворяется в жидкостях:

• один обьем воды растворяет около двух объемов хлора, образующийся раствор называют «хлорной водой»,

• в ТiСl₄, SiCl₄, SnCl₄,

• в некоторых органических растворителях (особенно в гексане и четырёххлористом углероде).

В реестре CAS — номер 7782-50-5.

Сродство атома хлора к электрону 3,65 эВ, энергия ионизации 12,97 эВ.

По электропроводности жидкий хлор занимает место среди самых сильных изоляторов: он проводит ток почти в миллиард раз хуже, чем дистиллированная вода, и в 1022 раз хуже серебра.Скорость звука в хлоре примерно в полтора раза меньше, чем в воздухе.

Файл:Chlorine box.jpg

Хлор

Химические свойства

Чаще всего хлор проявляет валентность равную единице, т.е. имеет один неспаренный электрон на внешнем уровне по которому и происходит образование химической связи: Cl₊₁₇ 1S² 2S² 2p⁶ 3S² 3p⁵, за исключением высших кислородных соединений, в которых хлор может проявлять валентность III, IV, V и VII,

1. Химически хлор очень активен, он сильнейший окислитель:

Cl₂⁰ + H₂⁺S^2- = 2H⁺Cl^- + S⁰

но слабее чем фтор, который способен вытеснять его из соединений и образовывать с ним свои соединения при образовании которых хлор является восстановителем:

Cl₂ + 3F₂ (изб.) = 2ClF₃

Эти соединения весьма реакционноспособны, к примеру в атмосфере СlF₃ стеклянная вата самовоспламеняется.

2. Хлор непосредственно соединяется почти со всеми металлами (с некоторыми только в присутствии влаги или при нагревании):

Cl₂ + 2Na = 2NaCl (при н.у.);

3Cl₂ + 2Sb = 2SbCl₃ (при н.у.);

3Cl₂ + 2Fe = 2FeCl₃ (при нагревании).

• Царская водка: благодаря присутствию хлористого нитрозила и хлора способна растворять золото и платину с образованием хлораурат-иона при комнатной температуре:

3HCl + HNO₃ = Cl₂ + NOCl + 2H₂O

2NOCl = 2NO + Cl₂

с золотом: 2Au + 8HCl + 2HNO₃ = 2H[AuCl₄] + 2NO + 4H₂O

образование комплекса: 2Au⁰ + 8Cl^- = 2[AuCl₄]^-

с платиной: 3Pt + 18HCl + 4HNO₃ = 3H₂[PtCl₆] + 4NO + 8H₂O

3. C неметаллами (кроме углерода, азота, кислорода, инертных газов), образуя соответствующие хлориды:

• С водородом: Cl₂ + H₂ = 2HCl (при нагревании или на свету)происходит цепная реакция:

1) Cl₂ + hν = Cl^- + Cl^-

2) ...................... .Cl^- + H₂ = HCl + H⁺

3)..................................................H⁺ + Cl₂....

Смеси хлора с водородом, содержащие от 5,8 до 88,3 % Н₂, взрываются в присутствии катализатора (света) с образованием хлороводорода. Смесь хлора с водородом в небольших концентрациях, горит бесцветным или желто-зеленым пламенем с образованием хлористого водорода. Максимальная температура водородно-хлорного пламени 2200 °C.

• С фосфором 5Cl₂ + 2P = 2PCl₅ (при сжигании в избытке хлора фосфор сгорает бледно-желтым пламенем),

• Хлор вытесняет бром и иод из их соединений с водородом и металлами:

Cl₂ + 2HBr = Br₂ + 2HCl (в газовой фазе и в растворе);

Cl₂ + 2IF = I₂ + 2HCl (в газовой фазе и в растворе);

• С серой при нагревании дает S₂Сl₂, SСl₂ и другие S_nCl_m.

• Энергично реагирует с сурьмой с образованием SbCl_х,мышьяком, с образованием AsCl₃, c висмутом с образованием BiCl₃.

• С кислородом хлор образует оксиды в которых он проявляет степень окисления от +1 до +7: Cl₂O, ClO₂, Cl₂O₆, Cl₂O₇ они имеют резкий запах, термически и фотохимически нестабильны, склонны к взрывному распаду.

4. Хлор в воде дисмутирует, образуя хлорноватистую (а при нагревании хлорную) и соляную кислоты при этом часть атомов хлора оксиляется до степени окисления +1, а другая восстанавливается до -1:

Cl₂⁰ + H₂O = H⁺Cl^- +HOCl⁺.

5. При хлорировании водных растворов щелочей на холоду образуются гипохлориты и хлориды, все соли хлора называют галиты :

3Cl₂ + 6KOH = KClO₃ + 5KCl + 3H₂O

6. С кислотными оксидами: нагреванием оксида углерода с хлором в присутствии угля получают оружие массового поражения - фосген:

Cl₂ + CO = COCl₂

7. Хлорированием сухой гидроокиси кальция получают хлорную известь:

Cl₂ + Ca(OH)₂ = Cl-Ca-OCl + H₂O

8. При взаимодействии аммиака с хлором образуется трёххлористый азот:

4NH₃ + 3Cl₂ = NCl₃ + 3NH₄Cl

9. При хлорировании органических соединений:

• Хлор либо замещает водород:

в предельных углеводородах (в присутствии ультрафиолетового излучения): CH₄ + Cl₂ = CH₃Cl + HCl

в непредельных: CH₂=CH₂ + Cl₂ = CH₂=CHCl +HCl

• Либо присоединяется по кратным связям в непредельных углеводородах (реакция морковникова):

CH₂=CH₂ + Cl₂ = Cl-CH₂-CH₂-Cl

• Хлорирование органических соединений ароматического ряда протекает по ионному механизму в присутствии кислотного катализатора, например AlCl₃ или FeCl₃:

(1) Cl₂ + FeCl₃ = Сl^- + [FeCl₄]^-;

(2) C₆H₆ + Cl^- = C₆H₅Cl + Н⁺;

(3) [FeCl₄]^- + H⁺ = FeCl₃ + HCl.

Хлорные органические соединения ядовиты: хлорметан, гексахлоран, дихлорэтан.

Способы получения

Первоначально промышленный способ получения хлора основывался на методе Шееле, то есть реакции пиролюзита с соляной кислотой. В 1867 г. Диконом был разработан метод получения хлора каталитическим окислением хлороводорода кислородом воздуха. Процесс Дикона в настоящее время используется при рекуперации хлора из хлороводорода, являющегося побочным продуктом при промышленном хлорировании органических соединений.

В лаборатории хлор получают химическими способами:

Действием оксида марганца на соляную кислоту: MnO₂ +4HCl = MnCl₂ + Cl₂ +2H₂O

или перманганатом калия на соляную кислоту: 2KMnO₄ + 16HCl = 2KCl + 2MnCl₂ + 5Cl₂ +8H₂O

Промышленные способы получения:

В промышленном масштабе хлор получают электролизом растворов NaCI (с одновременным получением водорода и гидроксида натрия: 2NACl + 2H₂О = H₂↑ + Cl₂↑ + 2NaOH).

Электрохимические способы производства хлора

В настоящее время хлор вырабатывается тремя электрохимическими методами. Два из них электролиз с твердым катодом - диафрагменный и мембранный методы, третий — электролиз с жидким ртутным катодом (ртутный метод производства). В ряду электрохимических методов производства самым легким и удобным способом является электролиз с ртутным катодом, но этот метод наносит значительный вред окружающей среде в результате испарения и утечек металлической ртути.

Эффективность процесса производства рассчитывается не только по выходу хлора, но и по выходу гидроксида натрия и водорода получаемых при электролизе, при этом соотношение хлора и гидроксида натрия на выходе 100/110:

1.8NaCl + 0.5H₂O + 2.8Энергия (МВт) = 1.00Cl₂ + 1.10NaOH + 0.03H₂.

Технологическая схема электролиза с твердым катодом

Диафрагменный метод — Полость электролизера разделена пористой асбестовой перегородкой — диафрагмой — на катодное и анодное пространство, где соответственно размещены катод и анод электролизера. Поэтому такой электролизер часто называют диафрагменным, а метод получения — диафрагменным электролизом. В анодное пространство диафрагменного электролизера непрерывно поступает поток насыщенного анолита. В результате электрохимического процесса на аноде за счет разложения галита выделяется хлор, а на катоде за счет разложения воды — водород. При этом прикатодная зона обогащается гидроксидом натрия:

2CI^- — 2е = Сl₂⁰↑ H₂ 0 −2e1/2О₂ = H₂↑

Хлор и водород выводятся из электролизера раздельно, не смешиваясь и подаются на сжижение, либо в реактор для производства соляной кислоты.

Мембранный метод — аналогичен диафрагменному, но анодное и катодное пространства разделены катионообменной полимерной мембраной. Мембранный метод производства эффективнее, чем диафрагменный, но гораздо сложнее.

Технологическая схема ртутного электролиза.

Основной аппарат — электролитическая ванна, которая состоит из электролизера, разлагателя и ртутного насоса, объединенных между собой коммуникациями. В электролитической ванне под действием ртутного насоса циркулирует ртуть, проходя через электролизер и разлагатель. Катодом электролизера служит поток ртути. Аноды — графитовые или малоизнашивающиеся. Вместе с ртутью через электролизер непрерывно течет поток анолита — раствор галита. В результате электрохимического разложения галита на аноде образуются ионы Сl^- и выделяется хлор:

2CI^- — 2е = С1₂⁰↑

который отводится из электролизера, а на ртутном катоде образуется слабый раствор амальгамы натрия в ртути, так называемая амальгама, которая в дальнейшем участвует в образовании гидроксида натрия.

Производимый хлор в основном сразу используется в различных производствах, а так же после предварительной очистки и ожижения сохраняется в специальных «танках», или закачивается в стальные баллоны высокого давления. Баллоны с жидким хлором под давлением имеют специальную окраску — болотный цвет, и выпускной вентиль таких баллонов изготавливается из стали. Следует отметить что при длительной эксплуатации баллонов с хлором, в них накапливается чрезвычайно взрывчатый треххлористый азот, и поэтому время от времени баллоны с хлором должны проходить плановую промывку и очистку от хлорида азота.

Применение

Хлор применяют для следующих целей:

• В производство поливинилхлорида, пластикатов, синтетического каучука, из которых изготавливают: изоляцию для проводов, оконный профиль, упаковочные материалы, одежду и обувь, линолеум и граммпластинки, лаки, аппаратуру и пенопласты, игрушки, детали приборов, строительные материалы. Поливинилхлорид производят полимеризацией винилхлорида, который чаще всего получают, обрабатывая ацетилен хлористым водородом: HC ≡ CH + HCl → CH₂ = CHCl.

• Отбеливающие свойства хлора известны с давних времен, хотя не сам хлор "отбеливает", а атомарный кислород, который образуется при распаде хлорноватистой кислоты: CI₂ + H₂O → HCI + HCIO → 2HCI + O•. Этот способ отделивания тканей, бумаги, картона используется уже несколько веков.

• Прозводство хлорорганические инсектициды – веществ, убивающих вредных для посевов насекомых, но безопасные для растений. На получение средств защиты растений расходуется значительная часть производимого хлора. Один из самых важных инсектицидов – гексахлорциклогексан (часто называемый гексахлораном). Это вещество впервые синтезировано еще в 1825 г. Фарадеем, но практическое применение нашло только через 100 с лишним лет – в 30-х годах нашего столетия.

• В производстве отравляющих веществ массового поражения: иприт, фосген. Иприт был впервые использован как оружие массового поражения в 1915 году немецкими войсками в бельгийском городке Ипр, отсюда и название - иприт.

• Для обеззараживания воды - «хлорирования». Наиболее распространённый способ обеззараживания питьевой воды; основан на способности свободного хлора и его соединений угнетать ферментные системы микроорганизмов, катализирующие окислительно-восстановительные процессы. Для обеззараживания питьевой воды применяют хлор, двуокись хлора, хлорамин и хлорную известь.

• В химическом производстве: соляной кислоты, хлорной извести, бертолетовой соли,хлоридов металлов, ядов, лекарств.

• В металлургии для производства чистого титана, олова, тантала, ниобия.

• как индикатор в хлораргонных детекторах солнечных нейтрино .

Биологическая роль

Хлор относится к важнейшим биогенным элементам и входит в состав всех живых организмов.

У животных и человека, ионы хлора участвуют в поддержании осмотического равновесия, хлорид-ион имеет оптимальный радиус для проникновения через мембрану клеток. Именно этим объясняется его совместное участие с ионами натрия и калия в создании постоянного осмотического давления и регуляции водно-солевого обмена. Под воздействием ГАМК (нейромедиатор) ионы хлора оказывают тормозящий эффект на нейроны путем снижения потенциала действия. В желудке, ионы хлора создают благоприятную среду для действия протеолитических ферментов желудочного сока, и активизируют ряд ферментов. Хлорные каналы представлены во многих типах клеток, митохондриальных мембранах и скелетных мышцах. Эти каналы выполняют важные функции в регуляции объема жидкости, трансэпителиальном транспорте ионов и стабилизации мембранных потенциалов, участвуют в поддержании рН клеток. Хлор накапливается в висцеральной ткани, коже и скелетных мышцах. Всасывается хлор, в основном, в толстом кишечнике. Всасывание и экскреция хлора тесно связана с ионами натрия и бикарбонатами, в меньшей степени с минералокортикоидами и активностью Na+/K+-АТФ-азы. В клетках аккумулируется 10-15% всего хлора, из этого количества от 1/3 до 1/2 – в эритроцитах. Около 85% хлора находятся во внеклеточном пространстве. Хлор выводится из организма в основном с мочой (90-95%), калом (4-8%) и через кожу (до 2%). Экскреция хлора связана с ионами натрия и калия, и реципрокно, с HCO₃^- (кислотно-щелочной баланс).

Солерос

Человек потребляет 5-10 г NaCl в сутки. Минимальная потребность человека в хлоре составляет около 800 мг в сутки. Младенец получает необходимое количество хлора через молоко матери, в котором содержится 11 ммоль/л хлора. NaCl необходим для выработки в желудке соляной кислоты, которая способствует пищеварению и уничтожению болезнетворных бактерий. В настоящее время участие хлора в возникновении отдельных заболеваний у человека изучено недостаточно хорошо, главным образом из-за малого количества исследований. Достаточно сказать, что не разработаны даже рекомендации по норме суточного потребления хлора. Мышечная ткань человека содержит 0,20-0,52 % хлора, костная — 0,09 %; в крови — 2,89 г/л. В организме среднего человека (масса тела 70 кг) 95 г хлора. Ежедневно с пищей человек получает 3-6 г хлора, что с избытком покрывает потребность в этом элементе. В организме взрослого человека содержится около 100 г хлора (0,14% от массы тела).

Ионы хлора жизненно необходимы растениям. Хлор участвует в энергетическом обмене у растений, активируя окислительное фосфорилирование. Он необходим для образования кислорода в процессе фотосинтеза изолированными хлоропластамив, стимулирует вспомогательные процессы фотосинтеза , прежде всего те из них, которые связаны с аккумулированием энергии. Xлор положительно влияет на поглощение корнями кислорода, соединений калия, кальция, магния. Чрезмерная концентрация ионов хлора в растениях может иметь и отрицательную сторону, например, снижать содержание хлорофилла, уменьшать активность фотосинтеза , задерживать рост и развитие растений.

Но существуют растения, которые в процессе эволюции либо приспособились к засолению почв, либо в борьбе за пространство заняли пустующие солончаки на которых нет конкуренции. Растения произрастающие на засоленных почвах называются - галофиты, они накапливают хлориды в течении вегетационного сезона, а потом избавляются от излишков посредством листопада или выделяют хлориды на поверхность листьев и веток и получают двойную выгоду притеняя поверхнисти от солнечного света. В России галофиты произрастают на соляных куполах, выходах соляных отложений и засоленных понижениях вокруг соляных озер Баскунчак, Эльтон.

Среди микроорганизмов, так же известны галофилы - галобактерии - которые обитают в сильносоленых водах или почвах.

Особенности работы

Хлор — токсичный удушливый газ, при попадании в лёгкие вызывает ожог лёгочной ткани, удушье. Раздражающее действие на дыхательные пути оказывает при концентрации в воздухе около 0,006 мг/л. Хлор был одним из первых химических отравляющих веществ, использованных Германией в Первую мировую войну. При работе с хлором следует пользоваться защитной спецодеждой, противогазом, перчатками. На короткое время защитить органы дыхания от попадания в них хлора можно тряпичной повязкой, смоченной раствором сульфита натрия Na₂SO₃ или тиосульфата натрия Na₂S₂O₃. ПДК хлора в воздухе рабочих помещений 1 мг/м³, в воздухе населенных пунктов 0,03 мг/м³.

Литература

Б. С. Э.

Ссылки

• Хлор на Webelements
• Хлор в Популярной библиотеке химических элементов
• Euro Chlor
• Справка о состоянии «хлорной» отрасли химической промышленности России, Федеральная Aнтимонопольная Cлужба, 2004

См. также

• Категория:Соединения хлора
• Хлорид второго основания Рейзе
• Хлорид золота
• Хлорид первого основания Рейзе
• Хлорная вода
• Хлорная известь