Хлор и его свойства

Хлор — элемент главной подгруппы седьмой группы в периодической системе Д. И. Менделеева. Химически активный неметалл. Относится к галогенам (именно к хлору Швейгер первоначально и отнёс это название, лишь потом оно стало общим для всей группы). Атомный номер — 17. Относительная атомная масса — 35, 5. обозначается символом Cl (лат. Chlorum). У атома на внешнем уровне имеется один неспаренный электрон, характерна валентность I. В возбуждённом состоянии число неспаренных электронов может увеличиваться, поэтому атомы могут проявлять валентность III, V, VII.

В нормальных условиях — ядовитый, легко сжижающийся газ желтовато-зелёного цвета, тяжелее воздуха в 2,5 раза, с резким запахом. Жидкий хлор обладает высоким коррозионным действием. По электропроводности жидкий хлор — один из сильных изоляторов, скорость звука в хлоре в 1,5 раза меньше, чем в воздухе. Молекула хлора двухатомная (формула Cl₂). Сравнительно мало растворим в воде.

В соединении с водородом (газообразный хлороводород) был впервые получен Джозефом Пристли в 1772 г. Хлор был получен в 1774 г. шведским химиком Карлом Вильгельмом Шееле, описавшим его выделение при взаимодействии пиролюзита с соляной кислотой в своём трактате о пиролюзите:

4HCl + MnO₂ MnCl₂ + Cl₂ ^+ 2H₂O₂

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 муриевую (соляную) кислоту. Бертолле и Лавуазье в рамках кислородной теории кислот обосновали, что новое вещество должно быть оксидом гипотетического элемента мурия. Однако попытки его выделения оставались безуспешными вплоть до работ Гемфри Дэви, которому электролизом удалось разложить поваренную соль на натрий и хлор, доказав элементарную природу последнего.

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 NaCl, сильвина KCl, сильвинита KCl · NaCl, бишофита MgCl₂ · 6Н₂О, 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). На долю хлора приходится 0,025% от общего числа атомов земной коры; кларковое число хлора — 0,017%. 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.

Химические методы получения хлора малоэффективны и затратны. На сегодняшний день имеют, в основном, историческое значение. Может быть получен при взаимодействии перманганата калия с соляной кислотой:

16 HCl + 2 KMnO₄ 2 MnCl₂ + 5Cl₂ ^ + 2 KCL + 8 H₂O.

Первоначально промышленный способ получения хлора основывался на методе Шееле, то есть реакции пиролюзита с соляной кислотой (см. выше).

В 1867 году Диконом был разработан метод получения хлора каталитическим окислением хлороводорода кислородом воздуха. Процесс Дикона в настоящее время используется при рекуперации хлора из хлороводорода, являющегося побочным продуктом при промышленном хлорировании органических соединений:

4 HCl + O₂ 2 H₂O + 2Cl₂ ^.

Сегодня хлор в промышленных масштабах получают вместе с гидроксидом натрия и водородом путём электролиза раствора поваренной соли, основные процессы которого можно представить суммарной формулой:

2 NaCl + 2 H₂O + 2e? 2 NaOH + Cl₂ ^ + H₂ ^.

Применяется три варианта электрохимического метода получения хлора. Два из них — электролиз с твердым катодом: диафрагменный и мембранный методы, третий — электролиз с жидким ртутным катодом (ртутный метод производства). Производимый хлор хранится в специальных «танках» или закачивается в стальные баллоны высокого давления. Баллоны с жидким хлором под давлением имеют специальную окраску — защитный цвет c зелёной полосой. Следует отметить, что при длительной эксплуатации баллонов с хлором в них накапливается чрезвычайно взрывчатый трихлорид азота, и поэтому время от времени баллоны с хлором должны проходить плановую промывку и очистку от хлорида азота.

Хлор применяют во многих отраслях промышленности, науки и бытовых нужд.

Из хлорсодержащих полимеров изготавливается оконный профиль. Основным компонентом отбеливателей является Лабарракова вода (гипохлорит натрия). 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.

Хлор — сырьё для производства 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.

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.

Наиболее распространённый способ обеззараживания питьевой воды; основан на способности свободного хлора и его соединений угнетать ферментные системы микроорганизмов катализирующие окислительно-восстановительные процессы. Для обеззараживания питьевой воды применяют: хлор, двуокись хлора, хлорамин и хлорную известь. СанПиН устанавливает следующие пределы (коридор) допустимого содержания свободного остаточного хлора в питьевой воде централизованного водоснабжения 0.3 — 0.5 мг/л. Ряд учёных и даже политиков в России критикуют саму концепцию хлорирования водопроводной воды. Альтернативой является озонирование. Материалы, из которых изготовлены водопроводные трубы, по-разному взаимодействуют с хлорированной водопроводной водой. В части долговечности при взаимодействии с хлорированной водой положительные результаты демонстрируют медные водопроводные трубы.

В пищевой промышленности хлор зарегистрирован в качестве пищевой добавки E925. В химическом производстве хлор применяют для соляной кислоты, хлорной извести, бертолетовой соли, хлоридов металлов, ядов, лекарств, удобрений. В — металлургии для производства чистых металлов: титана, олова, тантала, ниобия.

В ходе Первой Мировой войны использовался как боевое отравляющее вещество, а также для производства других боевых отравляющих веществ: иприта, фосгена, хлорацетона.