Приложение 7.
Информационные материалы к проекту «Хлор»
Хлор
Хлор (от греч.
χλωρός — «зелёный») — элемент
главной подгруппы седьмой группы, третьего периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным
номером 17. Обозначается символом Cl (лат. Chlorum). Химически активный неметалл.
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).
Простое
вещество хлор при нормальных
условиях — ядовитый
газ желтовато-зелёного
цвета, с резким
запахом. Молекула хлора двухатомная (формула Cl2).
История открытия хлора
Впервые хлор был получен
в 1772 г. Шееле, описавшим его выделение при взаимодействии пиролюзита
с соляной
кислотой в своём трактате о пиролюзите:
4HCl
+ MnO2 = Cl2 + MnCl2 + 2H2O
Шееле отметил запах
хлора, схожий с запахом царской
водки, его способность взаимодействовать 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.
Распространение в природе
В природе встречаются
два изотопа
хлора 35Cl и 37Cl. В земной коре хлор самый
распространённый галоген. 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, сильвина
KCl, сильвинита
KCl · NaCl, бишофита
MgCl2 · 6H2O, карналлита
KCl · MgCl2 · 6Н2O, каинита
KCl · MgSO4 · 3Н2О. Самые большие запасы хлора содержатся
в составе солей вод морей и океанов (содержание в морской
воде 19 г/л[3]). На долю
хлора приходится 0,025 % от общего числа
атомов земной
коры, кларковое число хлора — 0,017 %, а человеческий
организм содержит 0,25 % ионов хлора по массе. В организме человека и
животных хлор содержится в основном в межклеточных жидкостях (в том числе в
крови) и играет важную роль в регуляции осмотических процессов, а также в
процессах, связанных с работой нервных клеток.
Физические и физико-химические свойства
При нормальных
условиях хлор — жёлто-зелёный газ с удушающим запахом.
Некоторые его физические свойства представлены в таблице.
Газообразный хлор
относительно легко сжижается. Начиная с давления в 0,8 МПа (8 атмосфер), хлор
будет жидким уже при комнатной температуре. При охлаждении до температуры в -34
°C хлор тоже станет жидким при нормальном атмосферном давлении. Жидкий хлор -
жёлто-зелёная жидкость, обладающая очень высоким коррозионным действием (за
счёт высокой концентрации молекул). Повышая давление, можно добиться
существование жидкого хлора вплоть до температуры в +144
°C (критической температуры) при критическом давлении в 7,6 МПа.
При температуре ниже -101
°C жидкий хлор кристаллизуется в орторомбическую решётку с пространственной группой Cmca и параметрами a=6,29 Å
b=4,50 Å, c=8,21 Å [6]. Ниже 100 К
орторомбическая модификация кристаллического хлора переходит в тетрагональную, имеющую пространственную группу P42/ncm
и параметры решётки a=8,56 Å и c=6,12 Å [6].
Растворимость
Растворитель
|
Растворимость
г/100 г[7]
|
Бензол
|
Растворим
|
Вода (0 °C)
|
1,48
|
Вода (20 °C)
|
0,96
|
Вода (25 °C)
|
0,65
|
Вода (40 °C)
|
0,46
|
Вода (60 °C)
|
0,38
|
Вода (80 °C)
|
0,22
|
Тетрахлорметан
(0 °C)
|
31,4
|
Тетрахлорметан (19 °C)
|
17,61
|
Тетрахлорметан (40 °C)
|
11
|
Хлороформ
|
Хорошо растворим
|
TiCl4,
SiCl4, SnCl4
|
Растворим
|
Степень
диссоциации молекулы хлора Cl2 →
2Cl. При 1000 К равна 2,07×10−4%, а при 2500 К 0,909 %.
Порог восприятия запаха
в воздухе равен 0,003 (мг/л).
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.
Химические свойства
Взаимодействие с металлами
Хлор непосредственно
реагирует почти со всеми металлами
(с некоторыми только в присутствии влаги или при нагревании):
Cl2
+ 2Na → 2NaCl
3Cl2
+ 2Sb → 2SbCl3
3Cl2
+ 2Fe → 2FeCl3
Взаимодействие с неметаллами
C неметаллами
(кроме углерода,
азота, кислорода
и инертных
газов), образует соответствующие хлориды.
На свету или при
нагревании активно реагирует
(иногда со взрывом) с водородом
по радикальному
механизму. Смеси хлора с водородом, содержащие от 5,8 до 88,3 % водорода,
взрываются при облучении с образованием хлороводорода.
Смесь хлора с водородом в небольших концентрациях горит бесцветным или
желто-зелёным пламенем. Максимальная температура
водородно-хлорного пламени 2200 °C.:
Cl2
+ H2 → 2HCl
5Cl2
+ 2P → 2PCl5
2S
+ Cl2 → S2Cl2
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.
При реакции с фтором, образуется не
хлорид, а фторид:
Cl2
+ 3F2 (изб.) → 2ClF3
Другие свойства
Хлор вытесняет бром и иод из их соединений с
водородом и металлами:
Cl2
+ 2HBr → Br2 + 2HCl
Cl2
+ 2NaI → I2 + 2NaCl
При реакции с монооксидом
углерода образуется фосген:
Cl2
+ CO → COCl2
При растворении в воде
или щелочах, хлор дисмутирует,
образуя хлорноватистую (а при нагревании хлорную)
и соляную
кислоты, либо их соли:
Cl2
+ H2O → HCl + HClO
3Cl2
+ 6NaOH → 5NaCl + NaClO3 + 3H2O
Хлорированием сухого гидроксида
кальция получают хлорную
известь:
Cl2
+ Ca(OH)2 → CaCl(OCl) + H2O
Действие хлора на аммиак
можно получить трёххлористый азот:
4NH3
+ 3Cl2 → NCl3 + 3NH4Cl
Окислительные свойства хлора
Хлор очень сильный окислитель.
Cl2
+ H2S → 2HCl + S
Реакции с органическими веществами
С насыщенными
соединениями:
CH3-CH3
+ Cl2 → C2H5Cl + HCl
Присоединяется к
ненасыщенным соединениям по кратным связям:
CH2=CH2
+ Cl2 → Cl-CH2-CH2-Cl
Ароматические соединения
замещают атом водорода на хлор в присутствии катализаторов (например, AlCl3
или FeCl3):
C6H6
+ Cl2 → C6H5Cl + HCl
Способы получения
Промышленные методы
Сегодня хлор в
промышленных масштабах получают вместе с гидроксидом
натрия и водородом
путём электролиза
раствора поваренной
соли:
2NaCl
+ 2H2О → H2↑ + Cl2↑ + 2NaOH
Анод: 2Cl− —
2е− → Cl20↑
Катод: 2H2O
+ 2e− → H2↑ + 2OH−
Лабораторные методы
В лабораториях для
получения хлора обычно используют процессы, основанные на окислении
хлороводорода сильными окислителями (например, оксидом
марганца (IV), перманганатом
калия, дихроматом
калия):
2KMnO4
+ 16HCl → 2KCl + 2MnCl2 + 5Cl2↑ +8H2O
K2Cr2O7
+ 14HCl → 3Cl2 + 2KCl + 2CrCl3 + 7H2O
Хранение хлора
Производимый хлор
хранится в специальных «танках» или закачивается в стальные баллоны высокого
давления. Баллоны с жидким хлором под давлением имеют специальную
окраску — болотный цвет. 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 во многих
отраслях промышленности, науки и бытовых нужд:
- В производстве поливинилхлорида,
пластикатов, синтетического каучука, из которых изготавливают: изоляцию
для проводов, оконный профиль, упаковочные материалы, одежду и обувь, линолеум и
грампластинки, лаки, аппаратуру и пенопласты,
игрушки, детали приборов, строительные материалы. Поливинилхлорид
производят полимеризацией винилхлорида, который сегодня чаще всего
получают из этилена сбалансированным по хлору методом через промежуточный
1,2-дихлорэтан.
- Отбеливающие
свойства хлора известны с давних времен, хотя не сам хлор «отбеливает», а
атомарный кислород, который образуется при распаде хлорноватистой кислоты:
Cl2 + H2O → HCl + HClO → 2HCl + O•. Этот способ
отбеливания тканей, бумаги, картона используется уже несколько веков.
- Производство
хлорорганических инсектицидов — 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 ещё в 1825 г. Фарадеем, но практическое применение нашло только через 100 с лишним лет — в 30-х
годах ХХ столетия.
- Использовался как
боевое отравляющее вещество, а также для
производства других боевых отравляющих веществ: иприт,
фосген.
- Для
обеззараживания воды — «хлорирования». В пищевой промышленности зарегистрирован в
качестве пищевой добавки E925.
- В химическом
производстве соляной кислоты, хлорной извести, бертолетовой соли, хлоридов
металлов, ядов, лекарств, удобрений.
- В металлургии для
производства чистых металлов: титана, олова, тантала, ниобия.
- Как индикатор
солнечных нейтрино
в хлор-аргонных детекторах.
Многие развитые страны
стремятся ограничить использование хлора в быту, в том числе потому, что при сжигании
хлорсодержащего мусора образуется значительное количество диоксинов.
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
путём снижения потенциала
действия. В желудке
ионы хлора создают благоприятную среду для действия протеолитических ферментов
желудочного
сока. Хлорные каналы представлены во многих типах клеток, митохондриальных
мембранах
и скелетных мышцах. Эти каналы выполняют важные функции в регуляции объёма
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 связаны 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).
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.
Ионы хлора жизненно
необходимы растениям. Хлор участвует в энергетическом обмене у растений,
активируя окислительное фосфорилирование.
Он необходим для образования кислорода в процессе фотосинтеза
изолированными хлоропластами,
стимулирует вспомогательные процессы фотосинтеза, прежде всего те из них,
которые связаны с аккумулированием энергии. Хлор 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 течение вегетационного сезона, а потом избавляются от
излишков посредством листопада
или выделяют хлориды на поверхность листьев и веток и получают двойную выгоду
притеняя поверхности от солнечного света.
Среди микроорганизмов,
так же известны галофилы — галобактерии —
которые обитают в сильносоленых водах или почвах.
Особенности работы и меры предосторожности
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 (т.е. в два раза выше порога
восприятия запаха хлора). 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
атмосферном воздухе следующие: среднесуточная — 0,03 мг/м³; максимально
разовая — 0,1 мг/м³; в рабочих помещениях промышленного предприятия —
1 мг/м³.
Оставьте свой комментарий
Авторизуйтесь, чтобы задавать вопросы.