ХЛОР: ІСТОРІЯ, ВЛАСТИВОСТІ, СТРУКТУРА, РИЗИКИ, ВИКОРИСТАННЯ - ХІМІЯ - 2025

Хлору є хімічним елементом , який представлений символом Cl. Другий з атомів галогену, які розташовані нижче фтору, і є третім найбільш електронегативний елементом всіх. Його назва походить від його жовтувато-зеленого кольору, який є більш інтенсивним, ніж фтор.

Популярно, коли хтось чує ваше ім’я, перше, що вони думають, - це відбілюючі продукти для одягу та води у басейнах. Хоча хлор діє ефективно на таких прикладах, відбілюючу та дезінфікуючу дію робить не його газ, а його сполуки (особливо гіпохлорит).

Кругла колба з газоподібним хлором всередині. Джерело: Larenmclane

На верхньому зображенні зображена кругла колба з газом хлору. Його щільність більша, ніж у повітря, що пояснює, чому він залишається в колбі і не виходить в атмосферу; як це відбувається з іншими більш легкими газами, скажімо, гелієм або азотом. У такому стані це надзвичайно токсична речовина, оскільки виробляє соляну кислоту в легенях.

Ось чому елементарний або газоподібний хлор не має багатьох застосувань, крім деяких синтезів. Однак його сполуки, будь то солі або хлоровані органічні молекули, охоплюють хороший репертуар застосувань, виходячи за межі басейнів і надзвичайно білого одягу.

Так само його атоми у вигляді аніонів хлориду знаходяться всередині нашого організму, регулюючи рівень натрію, кальцію та калію, а також у шлунковому соку. В іншому випадку прийом хлориду натрію був би ще смертельним.

Хлор отримують шляхом електролізу розсолу, багатого хлоридом натрію, промисловим процесом, в якому також отримують гідроксид натрію та водень. А оскільки моря є майже невичерпним джерелом цієї солі, потенційні запаси цього елемента у гідросфері дуже великі.

Історія

Перші підходи

Через високу реакційну здатність газу хлору стародавні цивілізації ніколи не підозрювали про його існування. Однак його сполуки були частиною культури людства з давніх часів; його історія почала пов'язувати із звичайною сіллю.

З іншого боку, хлор виник при виверженнях вулканів і коли хтось розчиняв золото в акварегії; Але жодного з цих перших підходів було навіть недостатньо, щоб сформулювати думку про те, що зазначений жовтувато-зелений газ є елементом чи сполукою.

Відкриття

Відкриття хлору приписується шведському хіміку Карлу Вільгельму Шеле, який у 1774 р. Здійснив реакцію між мінеральним піролузитом та соляною кислотою (тоді її називали муріановою кислотою).

Шеель отримує заслугу, оскільки він був першим вченим, який вивчав властивості хлору; хоча він був раніше визнаний (1630 р.) Яном Баптистом ван Гельмоном.

Експерименти, за допомогою яких Шеель отримав свої спостереження, цікаві: він оцінив відбілюючу дію хлору на червонуваті та синюваті пелюстки квітів, а також на листках рослин та комах, які загинули миттєво.

Так само він повідомив про високу реакційну здатність металів, його задушливий запах і небажаний вплив на легені, а також, коли він був розчинений у воді, його кислотність зростала.

Оксимуратна кислота

До того часу хіміки вважали кислотою будь-яку сполуку, яка мала кисень; тому вони помилково подумали, що хлор повинен бути газоподібним оксидом. Саме так вони назвали його «оксимуріатичною кислотою» (оксид муріатної кислоти), ім'ям, придуманим відомим французьким хіміком Антуаном Лавуазьє.

Тоді, у 1809 р. Джозеф Луї Гей-Люссак та Луї Жак Тенар намагалися зменшити цю кислоту деревним вугіллям; реакція, з якою вони отримували метали зі своїх оксидів. Таким чином вони хотіли витягти хімічний елемент передбачуваної оксимуратової кислоти (яку вони назвали «повітрям, що знешкоджує муріанову кислоту».

Однак Гей-Люссак і Тенар провалилися в своїх експериментах; але вони були правильними, розглядаючи можливість того, що зазначений жовтувато-зелений газ повинен бути хімічним елементом, а не сполукою.

Визнання як елемент

Визнання хлору хімічним елементом було завдяки серу Хамфрі Деві, який у 1810 р. Провів власні експерименти з вуглецевими електродами і дійшов висновку, що такого оксиду муріатичної кислоти не існує.

Крім того, саме Деві ввів назву "хлор" для цього елемента від грецького слова "хлорос", що означає жовтувато-зелений колір.

Під час вивчення хімічних властивостей хлору було виявлено, що багато його сполук є сольовими в природі; отже, вони назвали його "галогеном", що означає, що раніше є сіль. Тоді термін галоген вживали з іншими елементами тієї ж групи (F, Br та I).

Майклу Фарадею навіть вдалося зріджити хлор у тверду речовину, яка через забруднення водою утворила гідрат Cl ₂ · H ₂ O.

Решта історії хлору пов'язана з його дезінфікуючими та відбілюючими властивостями, аж до розвитку промислового процесу електролізу розсолу для отримання величезної кількості хлору.

Фізичні та хімічні властивості

Зовнішність

Це щільний, непрозорий жовтувато-зелений газ з дратівливим гострим запахом (суперсильна версія комерційного хлору), а також надзвичайно отруйний.

Атомне число (Z)

17

Атомна вага

35.45 u.

Якщо не вказано інше, решта властивостей відповідають величинам, виміряним для молекулярного хлору, Cl ₂ .

Точка кипіння

-34,04 ° С

Точка плавлення

-101,5 ºC

Щільність

-У нормальних умовах, 3,2 г / л

-Просто в температурі кипіння, 1,5624 г / мл

Зверніть увагу, що рідкий хлор приблизно в п'ять разів щільніший за його газ. Також щільність його пари в 2,49 рази більша, ніж у повітря. Ось чому на першому зображенні хлор не має тенденції виходити з круглої колби, оскільки щільніше повітря перебуває внизу. Ця характеристика робить його ще більш небезпечним.

Тепло синтезу

6,406 кДж / моль

Тепло випаровування

20,41 кДж / моль

Молярна теплоємність

33,95 Дж / (моль К)

Розчинність у воді

1,46 г / 100 мл при 0 ° С

Тиск пари

7,67 атм при 25 ° С. Цей тиск порівняно низький порівняно з іншими газами.

Електронегативність

3.16 за шкалою Полінга.

Енергії іонізації

-По-перше: 1251,2 кДж / моль

-Друге: 2298 кДж / моль

-Третя: 3822 кДж / моль

Теплопровідність

8,9 10 ^-3 Вт / (м К)

Ізотопи

Хлор зустрічається в природі насамперед як два ізотопи: ³⁵ Cl, з достатністю 76%, і ³⁷ Cl, з достатністю 24%. Таким чином, атомна маса (35,45 у) - це середня маса атомних мас цих двох ізотопів з відповідними відсотками їх кількості.

Всі радіоізотопи хлору є штучними, серед яких ³⁶ Cl виділяється як найбільш стійкий з періодом напіввиведення 300 000 років.

Окислювальні числа

Хлор може мати різні кількості або стани окислення, коли він входить до складу сполуки. Будучи одним з найбільш електронегативних атомів періодичної таблиці, він зазвичай має негативні окислювальні числа; за винятком випадків, коли він стикається з киснем або фтором, в оксидах і фторі яких відповідно він повинен "втрачати" електрони.

У їх окислювальних числах передбачається існування або наявність іонів з однаковою величиною заряду. Таким чином, маємо: -1 (Cl ^- , відомий аніон хлориду), +1 (Cl ⁺ ), +2 (Cl ²⁺ ), +3 (Cl ³⁺ ), +4 (Cl ⁴⁺ ), +5 ( Cl ⁵⁺ ), +6 (Cl ⁶⁺ ) і +7 (Cl ⁷⁺ ). З усіх них -1, +1, +3, +5 і +7 є найбільш поширеними у хлорованих сполуках.

Наприклад, у ClF та ClF ₃ номери окислення хлору становлять +1 (Cl ⁺ F ^- ) та +3 (Cl ³⁺ F ₃ ^- ). У Cl ₂ O це +1 (Cl ₂ ⁺ O ^2- ); тоді як у ClO ₂ , Cl ₂ O ₃ і Cl ₂ O ₇ є +4 (Cl ⁴⁺ O ₂ ^2- ), +3 (Cl ₂ ³⁺ O ₃ ^2- ) і +7 (Cl ₂ ⁷⁺ Або ₇ ^2- ).

У всіх хлоридах, з іншого боку, хлор має окислювальне число -1; як у випадку з NaCl (Na ⁺ Cl ^- ), де справедливо сказати, що Cl ^- існує з урахуванням іонної природи цієї солі.

Структура та електронна конфігурація

Молекула хлору

Двоатомна молекула хлору представлена ​​просторовою моделлю наповнення. Джерело: Benjah-bmm27 через Wikipedia.

Атоми хлору в основному стані мають таку електронну конфігурацію:

3s ² 3p ⁵

Тому кожен з них має сім валентних електронів. Якщо вони не перевантажені енергією, у просторі будуть окремі атоми Cl, немовби вони були зеленим мармуром. Однак їх природна тенденція полягає у формуванні ковалентних зв’язків між ними, таким чином завершуючи свої валентні октети.

Зауважте, що їм потрібен лише один електрон, щоб мати вісім валентних електронів, тому вони утворюють єдиний простий зв’язок; це той, який з'єднує два атоми Cl для створення молекули Cl ₂ (верхнє зображення), Cl-Cl. Ось чому хлор у нормальних та / або земних умовах є молекулярним газом; не одноатомні, як з благородними газами.

Міжмолекулярні взаємодії

Молекула Cl ₂ є гомонуклеарною та неполярною, тому її міжмолекулярні взаємодії регулюються лондонськими силами розсіювання та її молекулярними масами. У газовій фазі відстань Cl ₂ -Cl ₂ порівняно коротка порівняно з іншими газами, що, додаючи до своєї маси, робить його газ втричі щільніше повітря.

Світло може збуджувати та сприяти електронним переходам у межах молекулярних орбіталей Cl ₂ ; отже, з’являється його характерний жовтувато-зелений колір. Цей колір посилюється в рідкому стані, а потім частково зникає при затвердінні.

У міру зниження температури (-34 ºC) молекули Cl ₂ втрачають кінетичну енергію і відстань Cl ₂ -Cl ₂ зменшується; тому ці злиття і в кінцевому підсумку визначають рідкий хлор. Те саме відбувається, коли система охолоджується ще більше (-101 ºC), тепер молекули Cl ₂ так близько зближуються, що вони визначають орторомбічний кристал.

Те, що існують кристали хлору, свідчить про те, що їх дисперсійні сили є достатньо спрямованими для створення структурної структури; тобто молекулярні шари Cl ₂ . Розмежування цих шарів таке, що їх структура не змінюється навіть під тиском 64 ГПа, а також не мають електричної провідності.

Де знайти та отримати

Хлоридні солі

Міцні кристали галіту, більш відомі як звичайна або столова сіль. Джерело: Батько Гері

Хлор у газоподібному стані не може бути знайдений ніде на поверхні Землі, оскільки він дуже реакційноздатний і має тенденцію до утворення хлоридів. Ці хлориди добре розсіюються по всій земній корі і, крім того, після того, як мільйони років змиваються дощами, вони збагачують моря і океани.

З усіх хлоридів найпоширеніший і найпоширеніший є NaCl мінерального галіту (верхнє зображення); з подальшими мінералами - сильвін, KCl і карналіт, MgCl ₂ · KCl · 6H ₂ O. Коли маса води випаровується дією Сонця, вони залишають після себе пустельні соляні озера, з яких NaCl можна безпосередньо витягти як сировину для отримання хлору.

Електроліз розсолу

NaCl розчиняється у воді для отримання розсолу (26%), який піддають електролізу в хлор-лужній клітині. У відділеннях анода та катода відбуваються дві напівреакції:

2Cl ^- (aq) => Cl ₂ (g) + 2e ^- (анод)

2H ₂ O (l) + 2e ^- => 2OH ^- (aq) + H ₂ (g) (Катод)

І глобальне рівняння для обох реакцій:

2NaCl (aq) + 2H ₂ O (l) => 2NaOH (aq) + H ₂ (g) + Cl ₂ (g)

У міру протікання реакції іони Na ^{+, що} утворюються на аноді, мігрують у катодне відділення через проникну азбестову мембрану. З цієї причини NaOH знаходиться в правій частині глобального рівняння. Обидва гази, Cl ₂ і H ₂ , збираються відповідно з анода і катода.

Зображення нижче ілюструє те, що було написано:

Схема отримання хлору електролізом розсолу. Джерело: Jkwchui

Зауважимо, що концентрація розсолу до кінця зменшується на 2% (проходять 24 - 26%), що означає, що частина аніонів Cl ^- вихідних молекул стала Cl ₂ . Зрештою, індустріалізація цього процесу забезпечила спосіб отримання хлору, водню та гідроксиду натрію.

Кислотне розчинення піролузиту

Як згадується в розділі історії, газ хлору може бути отриманий шляхом розчинення піролузитових зразків мінералів соляною кислотою. Наступне хімічне рівняння показує продукти, отримані в результаті реакції:

MnO ₂ (s) + 4HCl (aq) => MnCl ₂ (aq) + 2H ₂ O (l) + Cl ₂ (g)

Сплави

Хлорові сплави не існують з двох простих причин: їх газоподібні молекули не можуть бути захоплені між металевими кристалами, і вони також дуже реактивні, тому вони негайно реагуватимуть з металами з утворенням відповідних хлоридів.

З іншого боку, хлориди теж не бажані, оскільки, розчиняючись у воді, вони чинять сольовий ефект, що сприяє корозії у сплавах; і тому метали розчиняються, утворюючи хлориди металів. Процес корозії для кожного сплаву різний; деякі чутливіші, ніж інші.

Хлор, отже, зовсім не є хорошою добавкою для сплавів; ні як Cl _2, ні як Cl ^- (і атоми Cl були б занадто реактивними, щоб навіть існувати).

Ризики

Хоча розчинність хлору у воді низька, для вироблення соляної кислоти у волозі нашої шкіри та очей достатньо, що закінчується корозією тканин, викликаючи серйозне роздратування і навіть втрату зору.

Ще гірше дихає його жовтувато-зеленуватими парами, оскільки потрапивши в легені, він знову утворює кислоти і пошкоджує легеневу тканину. При цьому людина відчуває біль у горлі, кашель і утруднення дихання через рідини, що утворюється в легенях.

Якщо є витік хлору, ви потрапляєте в особливо небезпечну ситуацію: повітря не може просто «змітати» його пари; вони залишаються там, поки повільно не реагують або розсіюються.

На додаток до цього, це високоокислювальна сполука, тому різні речовини можуть реагувати з ним вибухонебезпечно при найменшому контакті; так само, як сталева вата та алюміній. Ось чому там, де зберігається хлор, слід дотримуватися всіх необхідних міркувань, щоб уникнути пожежних ризиків.

Як не дивно, хоча газ хлору смертоносний, його аніон хлориду не токсичний; Його можна вживати (помірно), він не горить, не реагує, окрім фтору та інших реагентів.

Програми

Синтез

Близько 81% хлорного газу, що утворюється щорічно, використовується для синтезу органічних та неорганічних хлоридів. Залежно від ступеня ковалентності цих сполук хлор можна знайти як прості атоми Cl у хлорованих органічних молекулах (з C-Cl зв'язками), або як іони Cl ^- у кількох хлоридних солях (NaCl, CaCl ₂ , MgCl ₂ , тощо).

Кожне з цих сполук має своє застосування. Наприклад, хлороформ (CHCl ₃ ) та етилхлорид (CH ₃ CH ₂ Cl) є розчинниками, які стали використовуватись як інгаляційні анестетики; дихлорметан (CH ₂ Cl ₂ ) і тетрахлорид вуглецю (CCl ₄ ), зі свого боку, є розчинниками, широко використовуваними в лабораторіях з органічної хімії.

Коли ці хлоровані сполуки є рідкими, більшість часу вони використовуються як розчинники для органічних реакційних середовищ.

В інших сполуках наявність атомів хлору являє собою збільшення дипольного моменту, щоб вони могли більшою мірою взаємодіяти з полярною матрицею; один складається з білків, амінокислот, нуклеїнових кислот тощо, біомолекул. Таким чином, хлор також має роль у синтезі наркотиків, пестицидів, інсектицидів, фунгіцидів тощо.

Що стосується неорганічних хлоридів, їх зазвичай використовують як каталізатори, сировину для одержання металів електролізом або джерела іонів Cl ^- .

Біологічні

Газоподібний або елементарний хлор не має ніякої ролі в живих істотах, крім руйнування їх тканин. Однак це не означає, що його атоми не можуть бути знайдені в організмі. Наприклад, іони Cl ^- дуже багаті в клітинному та позаклітинному середовищі, і в основному допомагають контролювати рівні іонів Na ⁺ та Са ²⁺ .

Так само соляна кислота є частиною шлункового соку, з яким їжа перетравлюється в шлунку; їх іони Cl ^- в компанії H ₃ O ⁺ визначають рН, близький до 1 цих секрецій.

Хімічна зброя

Густина газу хлору робить його смертельно небезпечною речовиною при розливі або виливанні в закриті або відкриті приміщення. Будучи щільніше повітря, струм його не легко переносить хлор, тому він залишається протягом значного часу, перш ніж остаточно розійдеться.

Наприклад, у Першій світовій війні цей хлор застосовували на полях битв. Після звільнення вона прокрадеться в окопи, щоб задихнутися солдатам і вимусити їх вилізти на поверхню.

Дезінфікуючий засіб

Басейни хлоруються для запобігання розмноженню та поширенню мікроорганізмів. Джерело: Pixabay.

Хлоровані розчини, ті, де газ хлору був розчинений у воді, а потім лужним буфером, мають чудові дезінфікуючі властивості, а також гальмують гниття тканин. Їх використовували для дезінфекції відкритих ран для усунення хвороботворних бактерій.

Вода для плавальних басейнів точно хлорується для усунення бактерій, мікробів та паразитів, які можуть у ній затаюватися. Для цього використовувався газ хлору, проте його дія досить агресивна. Натомість застосовують розчини гіпохлориту натрію (відбілювач) або таблетки трихлороізоціанурової кислоти (ТСА).

Вищезазначене показує, що дезінфікуючу дію робить не Cl ₂ , а гіпохлоритна кислота HClO, яка виробляє O-радикали, що руйнують мікроорганізми.

Відбілювач

Дуже схожий на свою дезінфікуючу дію, хлор також вибілює матеріали, оскільки барвники, що відповідають за кольори, деградують HClO. Таким чином, його хлоровані розчини ідеально підходять для видалення плям з білого одягу або для відбілювання паперової маси.

Полівініл хлорид

Найважливішою сполукою хлору з усіх, на яку припадає близько 19% від обсягу виробництва газу хлору, є полівінілхлорид (ПВХ). Цей пластик має багаторазове використання. З його допомогою виготовляють водопровідні труби, віконні рами, настінні та підлогові покриття, електропроводку, IV сумки, пальто тощо.

Список літератури

1. Шивер і Аткінс. (2008). Неорганічна хімія. (Четверте видання). Mc Graw Hill.
2. Вікіпедія. (2019). Хлор. Відновлено з: en.wikipedia.org
3. Laura H. та ін. (2018). Структура твердого хлору при 1,45 GPaZeitschrift für Kristallographie. Кристалічні матеріали, том 234, випуск 4, сторінки 277–280, ISSN (онлайн) 2196-7105, ISSN (друк) 2194-4946, DOI: doi.org/10.1515/zkri-2018-2145
4. Національний центр інформації про біотехнології. (2019). Хлор. PubChem База даних. CID = 24526. Відновлено з: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov
5. Маркес Мігель. (sf). Хлор. Відновлено з: nautilus.fis.uc.pt
6. Американська рада з хімії. (2019). Хлорова хімія: вступ до хлору. Відновлюється з сайту: хлор.americanchemistry.com
7. Фонг-Юань, Массачусетс. Корозійний вплив хлоридів на метали. Департамент морської техніки, Китайська Республіка НТОУ (Тайвань).
8. Штат Нью-Йорк. (2019). Факти про хлор. Відновлено: Health.ny.gov
9. Доктор Дуг Стюарт. (2019). Факти хлорного елемента. Хіміколь. Відновлено з: chemicool.com