ХЛОР: ИСТОРИЯ, СВОЙСТВА, СТРУКТУРА, РИСКОВЕ, УПОТРЕБИ - ХИМИЯ - 2025

На хлора е химичен елемент, който е представен от символ Cl. Вторият от халогените, се намира под флуор, и е третият най-електроотрицателна елемент на всички. Името му произлиза от жълтеникаво зеления цвят, който е по-интензивен от флуорида.

Популярно е, че когато някой чуе името ви, първото нещо, за което се сещат, са избелващите продукти за дрехи и водата в басейни. Въпреки че хлорът действа ефективно в такива примери, не избелващото и дезинфекционното действие оказва не неговият газ, а неговите съединения (особено хипохлорит).

Кръгла колба с газообразен хлор вътре. Източник: Larenmclane

Горното изображение показва кръгла колба с хлорен газ. Плътността му е по-голяма от тази на въздуха, което обяснява защо остава в колбата и не избягва в атмосферата; както се случва с други по-леки газове, да кажем хелий или азот. В това състояние е изключително токсично вещество, тъй като произвежда солна киселина в белите дробове.

Ето защо елементарният или газообразен хлор няма много приложения, освен в някои синтези. Съединенията му, независимо дали са соли или хлорирани органични молекули, обхващат добър репертоар от употреби, надхвърляйки басейни и изключително бели дрехи.

По същия начин неговите атоми под формата на хлоридни аниони се намират в нашите тела, като регулират нивата на натрий, калций и калий, както и в стомашния сок. В противен случай приемът на натриев хлорид би бил още по-смъртоносен.

Хлорът се получава чрез електролиза на солев разтвор, богат на натриев хлорид, промишлен процес, при който се получават също натриев хидроксид и водород. И тъй като моретата са почти неизчерпаем източник на тази сол, потенциалните запаси на този елемент в хидросферата са много големи.

история

Първи подходи

Поради високата реактивност на хлорния газ, древните цивилизации никога не са подозирали за неговото съществуване. Съединенията му обаче са част от културата на човечеството от древни времена; историята му започва да се свързва с обикновената сол.

От друга страна, хлорът възниква от вулканични изригвания и когато някой разтваря злато в акварегия; Но нито един от тези първи подходи не беше достатъчен дори да формулира идеята, че споменатият жълто-зелен газ е елемент или съединение.

откритие

Откриването на хлор се приписва на шведския химик Карл Вилхелм Шеле, който през 1774 г. провежда реакцията между минерала пиролузит и солна киселина (наричана тогава муриатна киселина).

Шеел получава заслугата, тъй като е първият учен, който изучава свойствата на хлора; въпреки че преди това е бил признат (1630 г.) от Ян Баптист ван Хелмонт.

Експериментите, с които Шеле получи своите наблюдения, са интересни: той оценява избелващото действие на хлора върху червеникави и синкави венчелистчета на цветя, както и върху листата на растенията и насекомите, които умират моментално.

По същия начин той съобщава за високата си реактивна скорост на металите, задушаващата му миризма и нежелания ефект върху белите дробове и че когато се разтваря във вода, повишава киселинността си.

Кислородна киселина

Дотогава химиците смятали киселина за всяко съединение, което има кислород; така че погрешно смятали, че хлорът трябва да е газообразен оксид. Ето защо го нарекли „оксимуриатична киселина“ (оксид на муриатна киселина), име, измислено от известния френски химик Антоан Лавуазие.

Тогава през 1809 г. Джоузеф Луи Гей-Лусак и Луи Жак Тенард се опитват да намалят тази киселина с въглен; реакция, с която те получават метали от своите оксиди. По този начин те искаха да извлекат химическия елемент от предполагаемата оксимуратова киселина (която наричаха „дефластифициран въздух от муриатна киселина“.

Въпреки това Гей-Лусак и Тенард не успяха в експериментите си; но те бяха правилни, като разгледаха възможността споменатият жълтеникаво-зелен газ да е химичен елемент, а не съединение.

Разпознаването като елемент

Признаването на хлора като химичен елемент е благодарение на сър Хъмфри Дейви, който през 1810 г. провежда свои собствени експерименти с въглеродни електроди и стига до извода, че такъв оксид на муриевата киселина не съществува.

Освен това Дейви е измислил името „хлор“ за този елемент от гръцката дума „хлорос“, което означава жълтеникаво зелено.

Докато изследвали химичните свойства на хлора, много от съединенията му били открити като физиологичен разтвор в природата; следователно те го кръстиха като "халоген", което означава бив сол. Тогава терминът халоген се използва с останалите елементи от същата група (F, Br и I).

Майкъл Фарадей дори успява да втечни хлора в твърдо вещество, което поради замърсяване с вода образува хидрат Cl ₂ · H ₂ O.

Останалата част от историята на хлора е свързана с неговите дезинфекционни и избелващи свойства, до развитието на индустриалния процес на електролиза на солев разтвор за получаване на огромни количества хлор.

Физични и химични свойства

Външен вид

Това е плътен, непрозрачен жълтеникаво-зелен газ с дразнеща кисела миризма (супер-подобрена версия на търговския хлор) и е силно отровен.

Атомно число (Z)

17

Атомно тегло

35.45 ф.

Освен ако не е посочено друго, останалите свойства съответстват на количествата, измерени за молекулен хлор, С ^ ₂.

Точка на кипене

-34.04 ºC

Точка на топене

-101,5 ºC

плътност

-При нормални условия, 3,2 g / L

-Просто на точката на кипене, 1,5624 g / mL

Обърнете внимание, че течният хлор е приблизително пет пъти по-плътен от неговия газ. Също така плътността на неговите пари е 2,49 пъти по-голяма от тази на въздуха. Ето защо в първото изображение хлорът не е склонен да избяга от кръглата колба, тъй като е по-плътен от въздуха, той се намира на дъното. Тази характеристика го прави още по-опасен газ.

Топлина от синтез

6.406 kJ / mol

Топлина от изпаряване

20,41 kJ / mol

Моларен топлинен капацитет

33.95 Дж / (мол К)

Разтворимост във вода

1,46 g / 100 ml при 0 ° С

Парно налягане

7,67 атм при 25 ° С. Това налягане е сравнително ниско в сравнение с други газове.

Електроотрицателност

3.16 по скалата на Полинг.

Йонизационни енергии

-Първо: 1251,2 kJ / mol

-Втора: 2298 kJ / mol

-Трето: 3822 kJ / mol

Топлопроводимост

8,9 10 ^-3 W / (m K)

Изотопи

Хлорът се среща в природата главно като два изотопа: ³⁵ Cl, с изобилие от 76%, и ³⁷ Cl, с изобилие от 24%. По този начин атомното тегло (35,45 u) е средна стойност от атомните маси на тези два изотопа със съответните проценти на изобилие.

Всички радиоизотопи за хлор са изкуствени, сред които ³⁶ Cl се открояват като най-стабилни, с период на полуразпад от 300 000 години.

Окислителни числа

Хлорът може да има различни окислителни числа или състояния, когато е част от съединение. Като един от най-електроотрицателните атоми в периодичната таблица, той обикновено има отрицателни окислителни числа; освен когато попада в кислород или флуор, в чиито оксиди и флуориди, съответно, той трябва да "губи" електрони.

В техните окислителни числа се предполага наличието или присъствието на йони с една и съща величина на заряд. По този начин ние имаме: -1 (Cl ^-, известният хлориден анион), +1 (Cl ⁺), +2 (Cl ²⁺), +3 (Cl ³⁺), +4 (Cl ⁴⁺), +5 (Cl ⁵⁺), +6 (Cl ⁶⁺) и +7 (Cl ⁷⁺). От всички тях -1, +1, +3, +5 и +7 са най-често срещаните в хлорираните съединения.

Например, в ClF и ClF ₃ номера на окисление за хлор са 1 (Cl ⁺ F ^-) и три (С ³⁺ F ₃ ^-). В Cl ₂ О, това е една (С ₂ ⁺ O ²); докато в ClO ₂, Cl ₂ O ₃ и Cl ₂ O ₇ са +4 (Cl ⁴⁺ O ₂ ^2-), +3 (Cl ₂ ³⁺ O ₃ ^2-) и +7 (Cl ₂ ⁷⁺⁾ Или ₇ ^2-).

Във всички хлориди, от друга страна, хлорът има окислително число -1; както в случая на NaCl (Na ⁺ Cl ^-), където е валидно да се каже, че Cl ^- съществува предвид йонната природа на тази сол.

Структура и електронна конфигурация

Хлорна молекула

Диатомична хлорна молекула, представена с пространствен модел на пълнене. Източник: Benjah-bmm27 чрез Wikipedia.

Хлорните атоми в основното им състояние имат следната електронна конфигурация:

3s ² 3p ⁵

Следователно всеки от тях има седем валентни електрона. Освен ако не са претоварени с енергия, в пространството ще има отделни атоми Cl, сякаш са зелени мрамори. Естествената им тенденция обаче е да образуват ковалентни връзки помежду си, като по този начин завършват валентните си октети.

Обърнете внимание, че те се нуждаят само от един електрон, за да имат осем валентни електрона, така че те образуват единична проста връзка; това е, този, който се присъединява към две Cl атоми да създават Cl ₂ молекула (горен изображение), CI-CI. Ето защо хлорът в нормални и / или земни условия е молекулен газ; не едноатомни, както при благородните газове.

Междумолекулни взаимодействия

В Cl ₂ молекула е хомоядрени и неполярен, така че неговите междумолекулни взаимодействия са регулирани от Лондон разсейване сили и неговите молекулни маси. В газова фаза, разстоянието Cl ₂ -С ₂ е относително кратко в сравнение с други газове, които добавя към неговата маса, го прави газ три пъти по-плътен от въздуха.

Светлината може да възбужда и насърчава електронни преходи в молекулните орбитали на Cl ₂; впоследствие се появява характерният му жълтеникаво-зелен цвят. Този цвят се засилва в течно състояние, а след това частично изчезва, когато се втвърди.

Както капки температура (-34 ºC), CI на ₂ молекули губят кинетична енергия и Cl ₂ -С ₂ разстоянието намалява; следователно, те се слепват и определят течния хлор. Същото се случва, когато системата се охлажда дори повече (-101 ° С), сега с Cl ₂ молекули близо заедно, че те определят орторомбична кристална.

Фактът, че кристалите на хлора съществуват, е показателен, че техните дисперсивни сили са достатъчно насочени, за да създадат структурен модел; тоест молекулни слоеве на Cl ₂. Разделянето на тези слоеве е такова, че структурата им не се променя дори при налягане от 64 GPa, нито пък проявяват електрическа проводимост.

Къде да намеря и получавам

Хлоридни соли

Здрави кристали халит, по-известни като обикновена или трапезна сол. Източник: Родител Гери

Хлорът в газообразно състояние не може да бъде открит никъде на земната повърхност, тъй като е много реактивен и има тенденция да образува хлориди. Тези хлориди са добре разпръснати в земната кора и освен това, след като милиони години са измити от дъждовете, те обогатяват моретата и океаните.

От всички хлориди, NaCl на минерала халит (горно изображение) е най-разпространеният и изобилен; последвани от минералите силивин, KCl и карналит, MgCl ₂ · KCl · 6H ₂ O. Когато масите вода се изпаряват от действието на Слънцето, те оставят след себе си пустинни солени езера, от които NaCl може да бъде директно извлечен като суровина за производство на хлор.

Електролиза на саламура

NaCl се разтваря във вода за получаване на солев разтвор (26%), който се подлага на електролиза в хлоро-алкална клетка. В отделенията за анод и катод протичат две полуреакции:

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

2H ₂ O (л) + 2е ^- => 2ОН ^- (вод) + Н ₂ (г) (катод)

И глобалното уравнение за двете реакции е:

2NaCl (вод) + 2Н ₂ O (л) => 2NaOH (вод) + Н ₂ (г) + Cl ₂ (г)

Докато реакцията протича, Na ⁺ йоните, образувани на анода, мигрират в катодното отделение през пропусклива азбестова мембрана. Поради тази причина NaOH е от дясната страна на глобалното уравнение. Двете газове, Cl ₂ и Н ₂, се събират от анода и катода, съответно.

Изображението по-долу илюстрира това, което току-що беше написано:

Диаграма за производството на хлор чрез електролиза на солев разтвор. Източник: Jkwchui

Обърнете внимание, че концентрацията на саламурата до края намалява с 2% (преминават от 24 до 26%), което означава, че част от анионите Cl ^- оригинални молекули са станали Cl ₂. В крайна сметка индустриализацията на този процес осигурява метод за получаване на хлор, водород и натриев хидроксид.

Кисело разтваряне на пиролузит

Както бе споменато в раздела за историята, хлорният газ може да бъде получен чрез разтваряне на пиролузитни минерални проби с солна киселина. Следното химично уравнение показва продуктите, получени от реакцията:

МпО ₂ (а) + 4HCl (вод) => МпСЬ ₂ (вод) + 2Н ₂ O (л) + Cl ₂ (г)

сплави

Хлорните сплави не съществуват по две прости причини: газообразните им молекули не могат да бъдат хванати между метални кристали и те също са много реактивни, така че биха реагирали веднага с металите, за да произведат съответните си хлориди.

От друга страна, хлоридите също не са желателни, тъй като веднъж разтворени във вода, те оказват физиологичен ефект, който насърчава корозията в сплавите; и следователно металите се разтварят до образуване на метални хлориди. Процесът на корозия за всяка сплав е различен; някои са по-податливи от други.

Следователно хлорът изобщо не е добра добавка за сплавите; нито като Cl ₂ нито като Cl ^- (Cl и атоми би било твърде реактивен дори да съществува).

Рискове

Въпреки че разтворимостта на хлор във вода е ниска, достатъчно е да се произведе солна киселина във влажността на кожата и очите ни, което в крайна сметка корозира тъканите, причинявайки сериозно дразнене и дори загуба на зрението.

Още по-лошо е дишането на жълтеникаво зеленикавите му пари, тъй като веднъж в белите дробове той отново образува киселини и уврежда белодробната тъкан. С това човек изпитва болки в гърлото, кашлица и затруднено дишане поради течностите, образувани в белите дробове.

Ако има изтичане на хлор, вие сте в особено опасна ситуация: въздухът не може просто да „измие” изпаренията си; те остават там, докато реагират или се разпръснат бавно.

В допълнение към това, тя е силно окисляващо съединение, така че различни вещества могат да реагират експлозивно с него при най-малък контакт; точно като стоманена вата и алуминий. Ето защо там, където се съхранява хлор, трябва да се вземат всички необходими съображения, за да се избегнат рисковете от пожар.

По ирония на съдбата, докато хлорният газ е смъртоносен, неговият хлориден анион не е токсичен; Може да се консумира (умерено), не гори, нито реагира освен с флуор и други реагенти.

Приложения

синтез

Около 81% от произведения хлорен газ годишно се използва за синтеза на органични и неорганични хлориди. В зависимост от степента на Covalence на тези съединения, хлор могат да бъдат намерени само като Cl атома в хлорирани органични молекули (с C-Cl) връзки, или като Cl ^- йони в няколко хлоридни соли (NaCl, СаСЬ ₂, магнезиев хлорид ₂, и т.н.).

Всяко от тези съединения има свои собствени приложения. Например, хлороформ (СНСЬ ₃) и етил хлорид (CH ₃ CH ₂ Cl) са разтворители, които идват да се използва като инхалационни анестетици; дихлорометан (CH ₂ Cl ₂) и въглероден тетрахлорид (ССЦ ₄), от своя страна, са разтворители, широко използвани в органични лаборатории химия.

Когато тези хлорирани съединения са течни, през повечето време те се използват като разтворители за органични реакционни среди.

В други съединения присъствието на хлорни атоми представлява увеличаване на диполния момент, така че те да взаимодействат в по-голяма степен с полярна матрица; една, съставена от протеини, аминокиселини, нуклеинови киселини и др., биомолекули. Така хлорът също има роля в синтеза на лекарства, пестициди, инсектициди, фунгициди и др.

По отношение на неорганичните хлориди, те обикновено се използват като катализатори, суровина за получаване на метали чрез електролиза или източници на Cl ^- йони.

биологичен

Газовият или елементарен хлор няма никаква роля в рамките на живите същества, освен да унищожава тъканите им. Това обаче не означава, че неговите атоми не могат да бъдат намерени в тялото. Например, Cl ^- йони са много в изобилие в клетъчната и извънклетъчната среда и помагат най-вече за контролиране на нивата на Na ⁺ и Са2 ⁺ йони.

По същия начин солната киселина е част от стомашния сок, с който храната се усвоява в стомаха; техните Cl ^- йони, в компанията на Н ₃ О ⁺, определят рН близо до един от тези секрети.

Химическо оръжие

Плътността на хлорния газ го прави смъртоносна субстанция, когато се разлее или излее в затворени или открити пространства. Тъй като е по-плътен от въздуха, токът от него не носи лесно хлор, така че остава за дълго време, преди окончателно да се разпръсне.

В Първата световна война например този хлор се използва на бойни полета. След като бъде освободен, той ще се промъкне в окопите, за да задуши войниците и да ги изтласка на повърхността.

дезинфекционен

Басейните са хлорирани, за да се предотврати размножаването и разпространението на микроорганизми. Източник: Pixabay

Хлорираните разтвори, тези, при които хлорният газ е разтворен във вода и след това е направен алкален с буфер, имат отлични дезинфекционни свойства, както и инхибират гниенето на тъканите. Те са били използвани за дезинфекция на открити рани за елиминиране на патогенни бактерии.

Водата в басейните е прецизно хлорирана, за да елиминира бактериите, микробите и паразитите, които могат да се влагат в нея. Хлорният газ, използван за тази цел, обаче действието му е доста агресивно. Вместо това се използват разтвори на натриев хипохлорит (белина) или трихлороизоцианурова киселина (ТСА).

Споменатите по-горе показва, че не е Cl ₂, че проявява дезинфектиращо действие но HClO, хипохлорит киселина, която произвежда O радикали, които разрушават микроорганизми.

белина

Много подобен на дезинфекционното си действие, хлорът също избелва материали, тъй като оцветителите, отговорни за цветовете, се разграждат от HClO. По този начин неговите хлорирани разтвори са идеални за премахване на петна от бели дрехи или за избелване на хартиена каша.

Поливинил хлорид

Най-важното хлорно съединение от всички, което представлява около 19% от останалото производство на хлорен газ, е поливинилхлорид (PVC). Тази пластмаса има многобройни приложения. С него се правят водопроводи, дограми, стенни и подови настилки, електрическо окабеляване, IV чанти, палта и др.

Препратки

1. Шивър и Аткинс. (2008 г.). Неорганична химия. (Четвърто издание). Mc Graw Hill.
2. Wikipedia. (2019). Хлор. Възстановено от: en.wikipedia.org
3. Laura H. et al. (2018). Структура на твърд хлор при 1,45 GPaZeitschrift für Kristallographie. Кристални материали, том 234, брой 4, страници 277–280, ISSN (онлайн) 2196-7105, ISSN (печат) 2194-4946, DOI: doi.org/10.1515/zkri-2018-2145
4. Национален център за информация за биотехнологиите. (2019). Хлор. PubChem база данни. CID = 24526. Възстановени от: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov
5. Маркес Мигел. (SF). Хлор. Възстановено от: nautilus.fis.uc.pt
6. Американски съвет по химия. (2019). Хлорова химия: Въведение в хлора. Възстановен от: хлор.americanchemistry.com
7. Fong-Yuan Ma. (Nd). Корозивни ефекти на хлориди върху метали. Департамент по морско инженерство, Китайска република NTOU (Тайван).
8. Щата Ню Йорк. (2019). Фактите за хлора. Възстановени от: health.ny.gov
9. Д-р Дъг Стюарт. (2019). Факти на хлорния елемент. Chemicool. Възстановено от: chemicool.com