Хлор

   Хлор (от греч. χλωρός — «зелёный») —химический элемент VII группы периодической системы Менде­леева, атомный номер 17, атомная масса 35,453. Обозначается символом Cl (лат. Chlorum). Химически активный неметалл. Входит в группу галогенов. Простое вещество хлор при нормальных условиях — ядовитый газ желтовато-зелёного цвета тяжелее воздуха, с резким запахом. Молекула хлора двухатомная (формула Cl2).

   Соединение с водородом — газообразный хлороводород — было впервые получено Джозефом Пристли в 1772 г. Xлор же был получен впервые в 1774 г. шведским химиком Карлом Вильгельмом Шееле взаимодействием соляной кислоты с пиролюзитом МnO2. Шееле отметил запах хлора, схожий с запахом царской водки, его способность взаимодействовать с золотом и киноварью, а также его отбеливающие свойства. Однако попытки выделения хлора оставались безуспешными вплоть до работ английского химика Гемфри Дэви, которому в 1810 году электролизом удалось разложить поваренную соль на натрий и хлор, доказав элементарную природу последнего и назвавшего его chlorine (от греческого chloros - жёлто-зе­лёный). В 1813 Ж.Л. Гей-Люссак пред­ложил для этого элемента название хлор.

   Подобно фтору, основная масса хлора поступила на земную поверхность из горячих недр Земли. Даже в настоящее время с вулканическими газами ежегодно выделяются миллионы тонн и НСl, и НF. Еще гораздо более значительным было такое выделение в минувшие эпохи.
   Первичная форма нахождения хлора на земной поверхности отвечает его чрезвычайному распылению. В результате работы воды, на протяжении многих миллионов лет разрушавшей горные породы и вымывавшей из них все растворимые составные части, соединения хлора скапливались в морях. Усыхания последних привело к образованию во многих местах земного шара мощных залежей NаСl, который и служит исходным сырьем для получения соединений хлора.
   Xлор встречается в природе только в виде соединений. Среднее содержание хлора в земной коре 1,7×10-2% по массе, в кислых изверженных поро­дах - гранитах 2,4×10-2, в основ­ных и ультраосновных 5×10-3. Основную роль в истории хлора в земной коре играет вод­ная миграция. В виде иона Cl- он содержится в Мировом океане (1,93%), под­земных рассолах и соляных озерах.
   Число собственных минералов (преимущественно природных хлоридов) 97, главный из них - галит NаCl, известный как поваренная соль. Изве­стны также крупные месторождения хлоридов калия и магния и смешанных хлоридов: сильвин КCl, сильвинит (Nа, К) Cl, карналлит КCl×МgCl2×6Н2О, каинит КCl×МgSO4×ЗН2О, бишофит МgCl2×6Н2О. В истории Земли большое значение имело поступление содержаще­гося в вулканических газах НCl в верхние ча­сти земной коры. В природе встречаются два изотопа хлора 35Cl и 37Cl.

   При нормальных условиях хлор — жёлто-зелёный газ с удушающим запахом. Xлор имеет tкип - 34,05 °С, tплав - 101 °С. Плотность газообразного хлора при нормальных условиях 3,214 г/л; насыщенного пара при 0 °С 12,21 г/л; жид­кого хлора при температуре кипения 1,557 г/см3; твёрдого хлора при -102 °С 1,9 г/см3. Давление насыщенных паров хлора при 0 °С 0,369; при 25 °С 0,772; при 100 °С 3,814 Мн/м2 или соответственно 3,69; 7,72; 38,14 кгс/см2. Те­плота плавления 90,3 кдж/кг (21,5 кал/г); теплота испарения 288 кдж/кг (68,8 кал/г); теплоёмкость газа при постоянном давле­нии 0,48 кдж/(кг×К) [0,11 кал/(г×°С)]. Xлор хорошо растворяется в ТiСl4, SiCl4, SnCl4 и некоторых органических растворителях (особенно в гексане и четырёххлористом углероде). Мо­лекула хлора двухатомна (Cl2). Степень термической диссоциации Cl2+243 кдж → 2Cl при 1000 К равна 2,07×10-4%, при 2500 К - 0.909%.
   Внешняя электронная конфигурация атома Сl Зs2 3р5. В соответствии с этим хлор в соединениях проявляет степени окис­ления -1, +1, +3, +4, +5, +6 и +7. Ковалентный радиус атома 0,99А, ионный радиус Сl- 1,82А, сродство атома хлора к электрону 3,65 эв, энергия ионизации 12,97 эв.
   Химически хлор очень активен, непосред­ственно соединяется почти со всеми металлами (с некоторыми только в присут­ствии влаги или при нагревании) и с неметаллами (кроме углерода, азота, кислорода, инертных газов), образуя соответствующие хлориды, вступает в реакцию со многими соединениями, замещает водород в предельных углеводородах и присоединяется к ненасыщенным соединениям. Хлор вытесняет бром и иод из их соединений с водородом и металлами; из соединений хлора с этими элементами он вытесняется фтором. Щелочные ме­таллы в присутствии следов влаги взаи­модействуют с хлором с воспламенением, большинство металлов реагирует с су­хим хлором только при нагревании. Сталь, а также некоторые металлы стойки в атмо­сфере сухого хлора в условиях невысоких температур, поэтому их используют для изго­товления аппаратуры и хранилищ для сухого хлора. Фосфор воспламеняется в ат­мосфере хлора, образуя РСl3, а при даль­нейшем хлорировании - РСl5; сера с хлором при нагревании дает S2Сl2, SСl2 и другие SnClm. Мышьяк, сурьма, висмут, стронций, теллур энергично взаимодействуют с хлором. Смесь хлора с водородом горит бесцветным или желто-зеленым пламенем с обра­зованием хлористого водорода (это цеп­ная реакция). Максимальная температура водородно-хлор­ного пламени 2200 °С. Смеси хлора с водородом, содержащие от 5,8 до 88,3% H2, взрывоопасны.
   С кислородом хлор образует окислы: Cl2O, ClO2, Cl2O6, Cl2O7, Cl2O8, а также гипохлориты (соли хлорноватистой кислоты), хло­риты, хлораты и перхлораты. Все кислородные соединения хлора образуют взрывоопасные смеси с легко окисляющимися веществами. Окислы хлора мало­стойки и могут самопроизвольно взры­ваться, гипохлориты при хранении мед­ленно разлагаются, хлораты и перхло­раты могут взрываться под влиянием инициаторов.
   Xлор в воде гидролизуется, образуя хлорноватистую и соляную кислоты: Сl2 + Н2О → НСlО + НСl. При хлорировании водных растворов щелочей на холоду образуются гипохлориты и хлориды: 2NаОН + Сl2 = NаСlO + NаСl + Н2О, а при нагревании - хлораты. Хлориро­ванием сухой гидроокиси кальция полу­чают хлорную известь. При взаимодействии аммиака с хлором образуется трёххлористый азот. При хлорировании органических соединений хлор либо замещает водород: R—Н + Сl2 = RСl + НСl, либо присоединяется по кратным связям:
>С=С< + Сl2 → СlС—ССl
образуя различные хлорсодержащие органические сое­динения.
   Xлор образует с другими галогенами межгалогенные соединения. Фториды СlF, СlF3, СlF5 очень реакционноспособны; например, в атмосфере СlF3 стеклянная вата самовоспламеняется. Известны со­единения хлора с кислородом к фтором - оксифториды хлора: СlО3F, СlО2F3, СlOF, СlОF3 и перхлорат фтора FСlO4.

    Xлор начали произво­дить в промышленности в 1785 взаимодействием соляной кислоты с двуокисью марганца или пиролюзитом. В 1867 английский химик Г. Дикон разработал способ получения хлора оки­слением НСl кислородом воздуха в присутствии катализатора. С конца 19 - начала 20 веков хлор получают электролизом водных растворов хлоридов щелочных ме­таллов. По этим методам в 70-х годах 20 века производится 90 - 95% хлора в мире. Не­большие количества хлора получаются попутно при производстве магния, кальция, натрия и лития электролизом расплавленных хло ридов. В 1975 году мировое производство хлора составляло около 23 млн. тонн.
   Применяются два основных метода электролиза водных растворов NаСl: 1) в электролизёрах с твёрдым катодом и пористой фильтрую­щей диафрагмой; 2) в электролизёрах с ртутным катодом. По обоим методам на графитовом или окисном титано-рутениевом аноде выделяется газообразный хлор. По первому методу на катоде выделяет­ся водород и образуется раствор NаОН и NаСl, из которого последующей перера­боткой выделяют товарную каустическую соду. По второму методу на катоде обра­зуется амальгама натрия, при её разло­жении чистой водой в отдельном аппа­рате получаются раствор NаОН, водород и чистая ртуть, которая вновь идёт в про­изводство. Оба метода дают на 1 тонну хлора 1,125 тонны NаОН.
   Электролиз с диафрагмой требует меньших капиталовложений для органи­зации производства хлора, дает более дешёвый NаОН. Метод с ртутным катодом позво­ляет получать очень чистый NаОН, но потери ртути приводят к загрязнению окружающей среды. В 1970 по методу с ртутным като­дом производилось 62,2% мировой вы­работки хлора, с твёрдым катодом 33,6% и прочими способами 4,3%. После 1970 начали применять электролиз с твёрдым катодом и ионообменной мембраной, позволяю­щий получать чистый NаОН без использо­вания ртути.
   Для получения хлора в небольших количествах в лабораториях обычно используются реакции, основанные на окислении хлороводорода сильными окислителями, обычно используется диоксид марганца или перманганат калия:
2KMnO4 + 16HCl → 2KCl + 2MnCl2 + 5Cl2 ↑ + 8H2O

   Одной из важных отраслей химической промышленности является хлорная промышленность. Основные количества хлора перерабаты­ваются на месте его производства в хлорсодер жащие соединения. Хранят и перевозят хлор в жидком виде в баллонах, бочках, железнодорожных цистернах или в специально обору­дованных судах.
   Основным потребителями хлора являются органическая технология (получение хлорсодержащих органических соединений) и целлюлозно-бумажная промышленность (отбелка). Значительно меньше потребляется хлор в производстве неорганических соединений, санитарные нужды, хлорирование воды  и других областях. Xлор применяется также для хлорирова­ния некоторых руд с целью извлечения титана, ниобия, циркония и других. Интересно недавно предложенное использование хлора для обработки металлов: под его действием с достаточно нагретой (инфракрасным излучением) поверхности все шероховатости удаляются в форме летучих хлоридов. Такой метод химической шлифовки особенно применим к изделиям сложного профиля. Было показано также, что струя хлора легко прорезает достаточно нагретые листы из жаростойких сплавов.
   Хлор использовался как химическое вещество в военном деле, а также для производства других боевых отравляющих веществ: иприта и фосгена.

   Xлор - один из биогенных элементов, постоянный ком­понент тканей растений и животных. Содержание хлора в растениях (много хлора в галофитах) - от тысячных долей про­цента до целых процентов, у животных - десятые и сотые доли процента. Суточная потребность в этом химическом элементе организма человека покрывается за счёт пищевых продуктов. С пищей хлор поступает обыч­но в избытке в виде хлорида натрия и хлорида калия. Особенно богаты хлором хлеб, мясные и молочные продукты. В организме животных хлор - основное осмо­тически активное вещество плазмы крови, лимфы, спинномозговой жидкости и некоторых тканей. Играет роль в водно-со­левом обмене, способствуя удержанию тканями воды. Регуляция кислотно-ще­лочного равновесия в тканях осуществля­ется наряду с другими процессами путём изменения в распределении хлора между кровью и другими тканями, хлор участвует в энергетическом обмене у растений, активируя как окислительное фосфорилирование, так и фотофосфорилирование. Xлор положи­тельно влияет на поглощение корнями кислорода. Xлор необходим для образо­вания кислорода в процессе фотосинтеза изолированными хлоропластами. В состав большинства питательных сред для искусственного культивирования растений хлор не входит. Возможно, для развития растений достаточны весьма малые концентрации хлора.

   Отравления хлором возможны в химической, целлюлозно-бумажной, текстильной, фармацевтичой промышленности. Xлор раздражает слизистые оболочки глаз и дыхательных путей. К первич­ным воспалительным изменениям обыч­но присоединяется вторичная инфекция. Острое отравление развивается почти немедленно. При вдыхании средних и низких концентраций хлора отмечаются стеснение и боль в груди, сухой кашель, учащён­ное дыхание, резь в глазах, слезотечение, повышение содержания лейкоцитов в крови, температуры тела и т. п. Возможны бронхопневмония, токсический отёк лёгких, депрессивные состояния, судороги. В лёгких случаях выздоровление насту­пает через 3 - 7 суток. Как отдалённые последствия наблюдаются катары верх­них дыхательных путей, рецидивирующий броихит, пневмосклероз; возможна активизация туберкулёза лёг­ких. При длительном вдыхании небольших концентраций хлора наблюдаются аналогич­ные, но медленно развивающиеся фор­мы заболевания. Профилактика отравле­ний: герметизация производств, оборудования, эффективная вентиляция, при необходимости использование противо­газа. Предельно допустимая концентра­ция хлора в воздухе производств, помеще­ний 1 мг/м3. Производство хлора, хлорной изве­сти и других хлорсодержащих соединений относится к производствам с вредными усло­виями труда.

Нравится

Тридцатая школа

Материалы по теме