8.13.4: Хімія хлору (Z = 17)

Last updated
Save as PDF

Page ID: 33434

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

Хлор є галогеном групи 17 і періоду 3. Він дуже реактивний і широко використовується для багатьох цілей, таких як дезінфікуючий засіб. Завдяки високій реактивності він зазвичай зустрічається в природі, пов'язаний з багатьма різними елементами.

Хлор, який схожий на фтор, але не настільки реактивний, був підготовлений Шилом наприкінці 1700-х років і показав, що він є елементом Деві в 1810 році. Це зеленувато-жовтий газ з неприємним запахом (виявити його можна поблизу погано збалансованих басейнів). Його назва походить від грецького слова chloros, що означає зеленувато-жовтий. У високій концентрації він досить токсичний і використовувався в Першій світовій війні як отруйний газ.

Властивості

Атомний номер	17
Атомна вага	35.457
Конфігурація електрона	[Na] 3s ² 3p ⁵
1-я енергія іонізації	1251 кДж/моль
Іонний радіус	181 вечора
Щільність (сухий газ)	3,2 г/л
Точка плавлення	-101° C
Точка кипіння	-34,05 °C
Питома теплоємність	0,23 г кал/г/° C
Теплота випаровування	68 г кал/г
Тепло плавлення	22 г кал/г
Критична температура	114°C
Стандартний електронний потенціал \(Cl_2 + 2e^- \rightarrow 2Cl^-\)	1 358 В

При кімнатній температурі чистий хлор являє собою жовто-зелений газ. Хлор легко знижується, що робить його хорошим окислювачем. Сам по собі він не горючий, але багато його реакції з різними сполуками є екзотермічними і виробляють тепло. Оскільки хлор настільки високореактивний, він міститься в природі в комбінованому стані з іншими елементами, такими як NaCl (звичайна сіль) або KCl (сильвіт). Утворює міцні іонні зв'язки з іонами металів.

Як фтор та інші члени сімейства галогенів, хлор має двоатомний характер, зустрічається як,\(Cl_2\) а не Cl. Він утворює -1 іони в іонних сполуках з більшістю металів. Мабуть, найвідомішим з'єднанням цього типу є хлорид натрію, звичайна кухонна сіль (NaCl).

Невеликі кількості хлору можуть бути отримані в лабораторії шляхом окислення\(HCl\) з\(MnO_2\). У промислових масштабах хлор отримують електролізом розсолів або навіть морської води. Гідроксид натрію (також користується великим попитом) є побічним продуктом процесу.

Крім іонних сполук, які хлор утворює з металами, він також утворює молекулярні сполуки з неметалами, такими як сірка і кисень. Існує чотири різних оксиду елемента. Хлористий водень (з якого ми отримуємо соляну кислоту) - важливий промисловий продукт.

Реакції з водою

Зазвичай реакції хлору з водою проходять в цілях дезінфекції. Хлор лише слабо розчинний у воді, причому його максимальна розчинність відбувається при 49° F. Після цього його розчинність зменшується до 212° F. При температурах нижче цього діапазону він утворює кристалічні гідрати (зазвичай\(Cl_2\)) і стає нерозчинним. Між цим діапазоном він зазвичай утворює хлорноватисту кислоту (\(HOCl\)). Це первинна реакція, яка використовується для знезараження води/стічних вод та відбілювання.

\[Cl_2+H_2O \rightarrow HOCl + HCl\]

При температурі кипіння води хлор розкладає воду

\[2Cl_2+2H_2O \rightarrow 4HCl + O_2\]

Реакції з киснем

Хоча хлор зазвичай має -1 ступінь окислення, він може мати ступені окислення +1, +3, +4 або +7 в певних сполуках, наприклад, коли він утворює оксокислоти з лужними металами

Стан окислення	З'єднання
+1	NaClO
+3	NaClO ₂
+5	NaClO ₃
+7	NaClO ₄

Реакції з воднем

Коли Н ₂ і Cl ₂ піддаються впливу сонячних променів або високих температур, вони швидко і бурхливо реагують спонтанною реакцією. В іншому випадку реакція протікає повільно.

\[H_2+Cl_2 \rightarrow 2HCl\]

HCl також може бути отриманий шляхом взаємодії хлору зі сполуками, що містять водень, такими як сірководень

Реакції з галогенами

Хлор, як і багато інших галогенів, може утворювати інтергалогенні сполуки (приклади включають BrCl, iCl, iCl ₂). Більш важкі елементи в одному з цих сполук виступає в якості центрального атома. Для хлору це відбувається, коли він обмежений фтором у CLF, ClF ₃ та ClF ₅

Реакції з металами

Хлор реагує з більшістю металів і утворює хлориди металів, причому більшість цих сполук розчиняються у воді. Приклади нерозчинних сполук включають\(AgCl\) і\(PbCl_2\). Газовий або рідкий хлор зазвичай не впливає на такі метали, як залізо, мідь, платина, срібло та сталь при температурах нижче 230° F Однак при високих температурах він швидко реагує з багатьма металами, особливо якщо метал знаходиться у формі, яка має високу площу поверхні (наприклад, при порошкоподібному або зроблені в дроти).

Приклад: Окислення заліза

Хлор може окислювати залізо

\[Cl_2+Fe \rightarrow FeCl_2\]

Половина реакцій:

\[Fe \rightarrow Fe^{+2} +2e^-\]

\[Cl_2+2e^- \rightarrow 2Cl^-\]

Ізотопи

\(\ce{^35}Cl\)і\(\ce{^37}Cl\) є двома природними, стабільними ізотопами хлору. \(\ce{^36}Cl\), радіоактивний ізотоп, виникає тільки в слідових кількостях в результаті космічних променів в атмосфері. Хлор зазвичай являє собою суміш 75%\(\ce{^35}Cl\) і 25%\(\ce{^37}Cl\). Крім цих ізотопів, інші ізотопи повинні бути штучно вироблені. Таблиця, що містить деякі поширені ізотопи, наведена нижче:

Ізотоп	Атомна маса	Період напіврозпаду
\(\ce{^35}Cl\)	32.986	2,8 секунди
\(\ce{^34}Cl\)	33.983	33 Хвилини
\(\ce{^35}Cl\)	34.979	Стабільний (\(\infty\))
\(\ce{^36}Cl\)	35.978	400 000 років
\(\ce{^37}Cl\)	35.976	Стабільний (\(\infty\))
\(\ce{^38}Cl\)	37.981	39 Хвилини

Виробництво та використання

Хлор - широко використовувана хімічна речовина з багатьма застосуваннями.

Водопідготовка

Хлор використовується при знезараженні (видаленні шкідливих мікроорганізмів) води і стічних вод. У Сполучених Штатах він використовується практично виключно. Хлор вперше був використаний для дезінфекції питної води в 1908 році, використовуючи гіпохлорит натрію (NaOCl):

\[NaOCl+ H_2O \rightarrow HOCl+NaOH\]

Після широкого використання гіпохлориту натрію для дезінфекції води захворювання, спричинені нечистою водою, значно зменшилися. У порівнянні з іншими методами, він ефективний при менших концентраціях і коштує недорого.

Полівінілхлорид (ПВХ)

Полівінілхлорид - це пластик, який широко виготовляється по всьому світу і відповідає за майже третину використання хлору у світі. Зазвичай його виготовляють, спочатку приймаючи EDC (дихлорид етилену), а потім перетворюючи його у вінілхлорид, основний блок для ПВХ. Відтоді мономери вінілхлориду з'єднуються між собою, утворюючи полімер. ПВХ стає податливим при високих температурах, що робить його гнучким і ідеальним для багатьох цілей від труб до одягу. Однак ПВХ токсичний. Перебуваючи в газоподібній формі та вдиханні, це може спричинити пошкодження легенів, кровообігу організму та нервової системи. Виробництво ПВХ має багато правил, що оточують його через багато шкідливих впливів, які сам пластик і проміжні продукти, що беруть участь, мають на навколишнє середовище та здоров'я людини.

Відбілювання паперу

Папір є одним з найбільш широко споживаних продуктів у світі. Однак перед тим, як деревина перетвориться на паперовий виріб, її необхідно перетворити в целюлозу (відокремлений волокнистий матеріал). Ця м'якоть має колір, який коливається від світлого до темно-коричневого. Хлор використовується для відбілювання м'якоті, щоб перетворити її в яскравий, білий колір, що робить її бажаною для споживачів. Процес зазвичай включає в себе ряд етапів, в залежності від характеру м'якоті.

Проблеми

1) Вирішити і збалансувати наступні рівняння

\(H_2S + Cl_2 + H_2O \rightarrow\)
\(Sb + Cl_2 +H_2O \rightarrow \)

2) Напишіть електронну конфігурацію для хлору.

3) Що таке молекулярна геометрія наступного? (Див. Теорія валентних зв'язків)

\(ClO_2\)
\(ClF_5\)

4) Які природні ізотопи хлору?

5) Коли хлор має ступінь окислення +5?

Відповіді

1) Вирішити і збалансувати наступні рівняння:

Н ₂ С+4Сл ₂ + 4Н ₂ 0 —> Н ₂ С0 ₄ + НСЛ
2Сб + 3Сл ₂ +Н ₂ 0 > 2СбКл ₃

2) Електронна конфігурація хлору становить: 1s ² 2s ² 2p ⁶ 3s ^{2 3s 2} 3p ⁵

3) Що таке молекулярна геометрія наступного?

\(ClO_2\)-Зігнутий або кутовий; ClO ₂ пов'язаний з двома лігандами, має одну одиноку пару і один непарний електрон.
\(ClF_5\)-Квадратна піраміда; ClO ₂ пов'язаний з п'ятьма лігандами і має одну самотню пару

4) Природні ізотопи хлору - хлор-35 та хлор-36. Хоча хлор-37 відбувається природним шляхом, він радіоактивний і нестабільний.

5) Хлор має ступінь окислення +5, коли він реагує з оксокислотами з лужними металами.

Посилання

Бра, хлор США: його виробництво, властивості та використання. Корпорація Рейнхольд, 1962.
Стрінгер, Рут і Пол Джонстон. Хлор і навколишнє середовище. Норвелл: Академічний Клювер, 2001.
Рейнольдс, Том D. Операції та процеси в інженерії навколишнього середовища. Брукс/Коул інженерний підрозділ, підрозділ Wadsworth Inc, 1982. 523-532
Девіс, Стенлі Н., Девейн Сесіл, Марек Зреда та Панкай Шарма. «Хлор-36 і проблема початкового значення». Гідрогеологічний журнал 6.1 (1998): 104-14. Пружинне посилання. Веб. 23 травня 2010 р. <www.springerlink.com/content/3205uburlwx2x48g/>
Pettrucci, Ralph H. Загальна хімія: принципи та сучасні програми. 9. Верхня річка Сідла: Пірсон Прентіс Холл, 2007

Дописувачі та атрибуція

Джуді Хася (Каліфорнійський університет, Девіс)