8.13.4: Хімія хлору (Z = 17)
- Page ID
- 33434
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)