CHLOR: HISTORIA, WŁAŚCIWOŚCI, STRUKTURA, ZAGROŻENIA, ZASTOSOWANIA - CHEMIA - 2024

Chlor jest pierwiastkiem, który jest reprezentowany przez symbol Cl. Drugi z fluorowców, jest położony niżej fluoru, jest trzecią elektroujemny elementem wszystkich. Jego nazwa wywodzi się od żółtawozielonego koloru, który jest bardziej intensywny niż fluor.

Powszechnie, gdy ktoś słyszy twoje imię, pierwszą rzeczą, o której przychodzi mu do głowy, są produkty do wybielania ubrań i woda w basenach. Chociaż chlor działa skutecznie w takich przykładach, to nie jego gaz, ale jego związki (zwłaszcza podchloryn) wywierają działanie wybielające i dezynfekujące.

Kolba okrągła z chlorem gazowym w środku. Źródło: Larenmclane

Górne zdjęcie przedstawia okrągłą kolbę z gazowym chlorem. Jego gęstość jest większa niż powietrza, co wyjaśnia, dlaczego pozostaje w kolbie i nie ucieka do atmosfery; jak to ma miejsce w przypadku innych lżejszych gazów, na przykład helu lub azotu. W tym stanie jest substancją niezwykle toksyczną, ponieważ w płucach wytwarza kwas solny.

Z tego powodu chlor elementarny lub gazowy nie ma wielu zastosowań poza niektórymi syntezami. Jednak jego związki, czy to sole, czy chlorowane cząsteczki organiczne, obejmują szeroki wachlarz zastosowań, wykraczając poza baseny i wyjątkowo białą odzież.

Podobnie jego atomy w postaci anionów chlorkowych znajdują się w naszym organizmie, regulując poziom sodu, wapnia i potasu, a także w soku żołądkowym. W przeciwnym razie spożycie chlorku sodu byłoby jeszcze bardziej śmiercionośne.

Chlor jest wytwarzany przez elektrolizę solanki bogatej w chlorek sodu, proces przemysłowy, w którym otrzymuje się również wodorotlenek sodu i wodór. A ponieważ morza są prawie niewyczerpanym źródłem tej soli, potencjalne rezerwy tego pierwiastka w hydrosferze są bardzo duże.

Historia

Pierwsze podejścia

Ze względu na wysoką reaktywność chloru gazowego starożytne cywilizacje nigdy nie podejrzewały jego istnienia. Jednak jego związki były częścią kultury ludzkości od czasów starożytnych; jego historia zaczęła się od soli kuchennej.

Z drugiej strony chlor powstał w wyniku erupcji wulkanów i kiedy ktoś rozpuścił złoto w wodzie królewskiej; Ale żadne z tych pierwszych podejść nie wystarczyło nawet do sformułowania idei, że wspomniany żółtawo-zielony gaz jest pierwiastkiem lub związkiem.

Odkrycie

Odkrycie chloru przypisuje się szwedzkiemu chemikowi Carlowi Wilhelmowi Scheele, który w 1774 r. Przeprowadził reakcję między mineralnym piroluzytem a kwasem solnym (zwanym wówczas kwasem muriatowym).

Scheele zyskuje uznanie, ponieważ był pierwszym naukowcem, który zbadał właściwości chloru; chociaż został wcześniej rozpoznany (1630) przez Jana Baptist van Helmont.

Ciekawe są eksperymenty, za pomocą których Scheele uzyskał swoje obserwacje: ocenił wybielające działanie chloru na czerwonawe i niebieskawe płatki kwiatów, a także na liściach roślin i owadów, które natychmiast obumarły.

Podobnie, poinformował o wysokim współczynniku reaktywności w stosunku do metali, duszącym zapachu i niepożądanym wpływie na płuca, a po rozpuszczeniu w wodzie jego kwasowość wzrosła.

Kwas oksymurowy

Do tego czasu chemicy rozważali kwas dla każdego związku, który zawierał tlen; więc błędnie myśleli, że chlor musi być gazowym tlenkiem. Tak nazwali go „kwasem oksymuriático” (tlenkiem kwasu muriatowego), nazwa wymyślona przez słynnego francuskiego chemika Antoine'a Lavoisiera.

Następnie w 1809 roku Joseph Louis Gay-Lussac i Louis Jacques Thénard próbowali zredukować ten kwas węglem drzewnym; reakcja, w której otrzymali metale z ich tlenków. W ten sposób chcieli wydobyć pierwiastek chemiczny z rzekomego kwasu oksymurowego (który nazwali „powietrze deflogstizowane kwasem muriatowym”.

Jednak eksperymenty Gay-Lussaca i Thénarda nie powiodły się; ale mieli rację rozważając możliwość, że wspomniany żółtawozielony gaz musi być pierwiastkiem chemicznym, a nie związkiem.

Uznanie jako element

Uznanie chloru za pierwiastek chemiczny zawdzięczamy Sir Humphry'emu Davy'emu, który w 1810 roku przeprowadził własne eksperymenty z elektrodami węglowymi i stwierdził, że taki tlenek kwasu solnego nie istnieje.

Co więcej, to Davy ukuł nazwę „chlor” dla tego pierwiastka z greckiego słowa „chloros”, które oznacza żółtawo-zielony.

Kiedy badali właściwości chemiczne chloru, odkryto, że wiele jego związków ma naturę zasoloną; dlatego nazwali go „halogenem”, co oznacza solniczkę. Następnie termin halogen został użyty z innymi pierwiastkami z tej samej grupy (F, Br i I).

Michaelowi Faradayowi udało się nawet skroplić chlor w substancję stałą, która w wyniku zanieczyszczenia wodą utworzyła hydrat Cl ₂ · H ₂ O.

Reszta historii chloru związana jest z jego właściwościami dezynfekującymi i wybielającymi, aż do rozwoju przemysłowego procesu elektrolizy solanki w celu produkcji ogromnych ilości chloru.

Fizyczne i chemiczne właściwości

Wygląd fizyczny

Jest to gęsty, nieprzejrzysty, żółtawo-zielony gaz o drażniącym, gryzącym zapachu (bardzo wzmocniona wersja dostępnego w handlu chloru), a także niezwykle trujący.

Liczba atomowa (Z)

17

Masa atomowa

35.45 u.

O ile nie wskazano inaczej, pozostałe właściwości odpowiadają wielkości mierzonych chloru cząsteczkowego, Cl ₂ .

Temperatura wrzenia

-34,04 ºC

Temperatura topnienia

-101,5 ° C

Gęstość

-W normalnych warunkach 3,2 g / l

-Tylko w temperaturze wrzenia, 1,5624 g / ml

Zwróć uwagę, że ciekły chlor jest około pięć razy gęstszy niż jego gaz. Ponadto gęstość jego oparów jest 2,49 razy większa niż powietrza. Dlatego na pierwszym zdjęciu chlor nie ma tendencji do ucieczki z kolby okrągłej, ponieważ jest gęstszy od powietrza, znajduje się na dnie. Ta cecha czyni go jeszcze bardziej niebezpiecznym gazem.

Ciepło topnienia

6,406 kJ / mol

Ciepło parowania

20,41 kJ / mol

Molowa pojemność cieplna

33,95 J / (mol K)

Rozpuszczalność w wodzie

1,46 g / 100 ml w 0 ºC

Ciśnienie pary

7,67 atm w 25 ° C To ciśnienie jest stosunkowo niskie w porównaniu z innymi gazami.

Elektroujemność

3.16 w skali Paulinga.

Energie jonizacji

-Pierwszy: 1251,2 kJ / mol

-Druga: 2298 kJ / mol

-Trzecie: 3822 kJ / mol

Przewodność cieplna

8,9 ^10-3 W / (m · K)

Izotopy

Chlor występuje w przyrodzie przede wszystkim w postaci dwóch izotopów: ³⁵ Cl, występujący w 76%, oraz ³⁷ Cl, występujący w 24%. Zatem masa atomowa (35,45 u) jest średnią mas atomowych tych dwóch izotopów, wraz z ich odpowiednimi procentami obfitości.

Wszystkie radioizotopy chloru są sztuczne, spośród których ³⁶ Cl wyróżnia się jako najbardziej stabilny, z okresem półtrwania 300 000 lat.

Liczby utleniania

Chlor może mieć różne stopnie lub stopnie utlenienia, gdy jest częścią związku. Będąc jednym z najbardziej elektroujemnych atomów w układzie okresowym, zwykle ma ujemne stopnie utlenienia; z wyjątkiem sytuacji, gdy napotka tlen lub fluor, w których odpowiednio tlenkach i fluorkach musi „stracić” elektrony.

W ich stopniach utlenienia zakłada się istnienie lub obecność jonów o tej samej wielkości ładunku. Mamy więc: -1 (Cl ^- , słynny anion chlorkowy), +1 (Cl ⁺ ), +2 (Cl ²⁺ ), +3 (Cl ³⁺ ), +4 (Cl ⁴⁺ ), +5 ( Cl ⁵⁺ ), +6 (Cl ⁶⁺ ) i +7 (Cl ^{7 +} ). Spośród nich -1, +1, +3, +5 i +7 są najczęściej spotykane w związkach chlorowanych.

Na przykład w ClF i ClF ₃ stopnie utlenienia chloru wynoszą +1 (Cl ⁺ F ^- ) i +3 (Cl ³⁺ F ₃ ^- ). W Cl ₂ O jest to +1 (Cl ₂ ⁺ O ^2- ); podczas gdy w ClO ₂ , Cl ₂ O ₃ i Cl ₂ O ₇ to +4 (Cl ⁴⁺ O ₂ ^2- ), +3 (Cl ₂ ³⁺ O ₃ ^2- ) i +7 (Cl ₂ ⁷⁺ Lub ₇ ^2- ).

Z drugiej strony, we wszystkich chlorkach stopień utlenienia chloru wynosi -1; jak w przypadku NaCl (Na ⁺ Cl ^- ), gdzie można powiedzieć, że Cl ^- istnieje, biorąc pod uwagę jonową naturę tej soli.

Struktura i konfiguracja elektroniczna

Cząsteczka chloru

Diatomowa cząsteczka chloru przedstawiona na przestrzennym modelu wypełnienia. Źródło: Benjah-bmm27 za pośrednictwem Wikipedii.

Atomy chloru w stanie podstawowym mają następującą konfigurację elektroniczną:

3 s ² 3 p ⁵

Dlatego każdy z nich ma siedem elektronów walencyjnych. O ile nie są przeładowane energią, w przestrzeni będą znajdować się pojedyncze atomy Cl, jakby były zielonymi kulkami. Jednak ich naturalną tendencją jest tworzenie między nimi wiązań kowalencyjnych, uzupełniając w ten sposób ich oktety walencyjne.

Zauważ, że potrzebują tylko jednego elektronu, aby mieć osiem elektronów walencyjnych, więc tworzą pojedyncze proste wiązanie; to jest ten, który łączy dwa atomy Cl, tworząc cząsteczkę Cl ₂ (górny obraz), Cl-Cl. Dlatego chlor w normalnych i / lub ziemskich warunkach jest gazem cząsteczkowym; nie jednoatomowy, jak w przypadku gazów szlachetnych.

Oddziaływania międzycząsteczkowe

Cząsteczka Cl ₂ jest homojądrzasta i niepolarna, więc jej intermolekularnymi interakcjami rządzą londyńskie siły rozpraszające i masy cząsteczkowe. W fazie gazowej odległość Cl ₂ -Cl ₂ jest stosunkowo niewielka w porównaniu z innymi gazami, co po dodaniu do jej masy sprawia, że ​​jest gazem trzykrotnie gęstszym od powietrza.

Światło może pobudzać i promować przejścia elektroniczne w obrębie orbitali molekularnych Cl ₂ ; w konsekwencji pojawia się jego charakterystyczny żółtozielony kolor. Kolor ten nasila się w stanie ciekłym, a następnie częściowo zanika, gdy zestala się.

Gdy temperatura spada (-34 ºC), cząsteczki Cl ₂ tracą energię kinetyczną, a odległość Cl ₂ -Cl ₂ maleje; dlatego te łączą się i ostatecznie określają ciekły chlor. To samo dzieje się, gdy system jest schładzany jeszcze bardziej (-101 ºC), teraz gdy cząsteczki Cl _{2 są} tak blisko siebie, że tworzą kryształ rombowy.

Fakt, że kryształy chloru istnieją, wskazuje, że ich siły dyspersyjne są dostatecznie ukierunkowane, aby stworzyć wzór strukturalny; to znaczy warstwy molekularne Cl ₂ . Separacja tych warstw jest taka, że ​​ich struktura nie zmienia się nawet pod ciśnieniem 64 GPa, ani nie wykazują one przewodnictwa elektrycznego.

Gdzie znaleźć i uzyskać

Sole chlorkowe

Solidne kryształy halitu, lepiej znane jako sól zwykła lub stołowa. Źródło: Parent Géry

Chlor w stanie gazowym nie występuje nigdzie na powierzchni Ziemi, ponieważ jest bardzo reaktywny i ma tendencję do tworzenia chlorków. Chlorki te są dobrze rozprowadzane w całej skorupie ziemskiej, a ponadto po milionach lat zmywania przez deszcze wzbogacają morza i oceany.

Ze wszystkich chlorków, NaCl mineralnego halitu (górna ilustracja) jest najbardziej powszechny i ​​występuje w dużych ilościach; następnie minerały silvin, KCl i karnalit, MgCl ₂ · KCl · 6H ₂ O. Kiedy masy wody wyparowują pod działaniem Słońca, pozostawiają po sobie pustynne słone jeziora, z których NaCl można bezpośrednio wydobyć jako surowiec do produkcji chloru.

Elektroliza solanki

NaCl rozpuszcza się w wodzie, tworząc solankę (26%), która jest poddawana elektrolizie w ogniwie chloro-alkalicznym. W przedziale anodowym i katodowym zachodzą dwie półreakcje:

2Cl ^- (aq) => Cl ₂ (g) + 2e ^- (anoda)

2H ₂ O (l) + 2e ^- => 2OH ^- (aq) + H ₂ (g) (katoda)

A globalne równanie dla obu reakcji to:

2NaCl (aq) + 2H ₂ O (l) => 2NaOH (aq) + H ₂ (g) + Cl ₂ (g)

W miarę postępu reakcji jony Na ⁺ utworzone na anodzie migrują do przedziału katodowego przez przepuszczalną membranę azbestową. Z tego powodu NaOH znajduje się po prawej stronie równania globalnego. Oba gazy, Cl ₂ i H ₂ , są zbierane odpowiednio z anody i katody.

Poniższy obrazek ilustruje to, co właśnie napisano:

Schemat produkcji chloru przez elektrolizę solanki. Źródło: Jkwchui

Należy zwrócić uwagę, że stężenie solanki do końca spada o 2% (przejście od 24 do 26%), co oznacza, że ​​część pierwotnych cząsteczek anionów Cl ^- cząsteczek stała się Cl ₂ . Ostatecznie uprzemysłowienie tego procesu dostarczyło metody produkcji chloru, wodoru i wodorotlenku sodu.

Kwaśne rozpuszczanie piroluzytu

Jak wspomniano w sekcji historii, gazowy chlor można wytwarzać rozpuszczając próbki minerału piroluzytu kwasem solnym. Poniższe równanie chemiczne przedstawia produkty otrzymane w wyniku reakcji:

MnO ₂ (s) + 4HCl (aq) => MnCl ₂ (aq) + 2H ₂ O (l) + Cl ₂ (g)

Stopy

Stopy chloru nie istnieją z dwóch prostych powodów: ich cząsteczki gazowe nie mogą zostać uwięzione między kryształami metali, a także są bardzo reaktywne, więc reagowałyby natychmiast z metalami, wytwarzając odpowiednie chlorki.

Z drugiej strony, chlorki również nie są pożądane, ponieważ po rozpuszczeniu w wodzie wywierają działanie soli, które sprzyja korozji stopów; i dlatego metale rozpuszczają się tworząc chlorki metali. Proces korozji dla każdego stopu jest inny; niektóre są bardziej podatne niż inne.

Dlatego chlor w ogóle nie jest dobrym dodatkiem do stopów; ani jako Cl _2, ani jako Cl ^- (i atomy Cl byłyby zbyt reaktywne, aby w ogóle istnieć).

Ryzyka

Chociaż rozpuszczalność chloru w wodzie jest niska, to wystarczy, że w wilgoci na naszej skórze i oczach wytworzy się kwas solny, który w efekcie doprowadzi do korozji tkanek, powodując poważne podrażnienia, a nawet utratę wzroku.

Jeszcze gorzej oddycha żółtawo-zielonkawymi oparami, ponieważ w płucach ponownie wytwarza kwasy i uszkadza tkankę płucną. Z tego powodu osoba doświadcza bólu gardła, kaszlu i trudności w oddychaniu z powodu płynów tworzących się w płucach.

W przypadku wycieku chloru znajdujesz się w szczególnie niebezpiecznej sytuacji: powietrze nie może po prostu „zmieść” jego oparów; pozostają tam, dopóki nie zareagują lub nie rozproszą się powoli.

Oprócz tego jest związkiem silnie utleniającym, więc różne substancje mogą z nim reagować wybuchowo przy najmniejszym kontakcie; podobnie jak wełna stalowa i aluminium. Dlatego w przypadku przechowywania chloru należy podjąć wszelkie niezbędne uwagi, aby uniknąć ryzyka pożaru.

Jak na ironię, chociaż gazowy chlor jest śmiertelny, jego anion chlorkowy nie jest toksyczny; Można go spożywać (z umiarem), nie pali się, nie reaguje z wyjątkiem fluoru i innych odczynników.

Aplikacje

Synteza

Około 81% produkowanego rocznie chloru gazowego jest wykorzystywane do syntezy organicznych i nieorganicznych chlorków. W zależności od stopnia kowalencyjności tych związków, chlor można znaleźć jako zwykłe atomy Cl w chlorowanych cząsteczkach organicznych (z wiązaniami C-Cl) lub jako jony Cl ^- w kilku solach chlorkowych (NaCl, CaCl ₂ , MgCl ₂ , itp.).

Każdy z tych związków ma swoje własne zastosowania. Na przykład, chloroform (CHCI ₃ ) i chlorek etylu (CH ₃ CH ₂ Cl) są rozpuszczalniki, które mają się do stosowania jako środki znieczulające do inhalacji; Z kolei dichlorometan (CH ₂ Cl ₂ ) i tetrachlorek węgla (CCl ₄ ) to rozpuszczalniki szeroko stosowane w laboratoriach chemii organicznej.

Gdy te chlorowane związki są ciekłe, przez większość czasu są używane jako rozpuszczalniki organicznych mediów reakcyjnych.

W innych związkach obecność atomów chloru oznacza wzrost momentu dipolowego, tak że mogą one oddziaływać w większym stopniu z macierzą polarną; jeden złożony z białek, aminokwasów, kwasów nukleinowych itp., biocząsteczek. Zatem chlor odgrywa również rolę w syntezie leków, pestycydów, insektycydów, fungicydów itp.

Jeśli chodzi o chlorki nieorganiczne, to są one zwykle używane jako katalizatory, surowiec do otrzymywania metali metodą elektrolizy lub źródła jonów Cl ^- .

Biologiczny

Chlor gazowy lub elementarny nie odgrywa żadnej roli w organizmach żywych poza niszczeniem ich tkanek. Nie oznacza to jednak, że jego atomów nie można znaleźć w organizmie. Na przykład jony Cl ^- są bardzo obfite w środowisku komórkowym i zewnątrzkomórkowym i głównie pomagają kontrolować poziom jonów Na ⁺ i Ca ²⁺ .

Podobnie kwas solny jest częścią soku żołądkowego, z którym pokarm jest trawiony w żołądku; ich jony Cl ^- w towarzystwie H ₃ O ⁺ określają pH zbliżone do 1 z tych wydzielin.

Broń chemiczna

Gęstość chloru gazowego sprawia, że ​​jest on śmiertelną substancją w przypadku rozlania lub wlania do zamkniętych lub otwartych przestrzeni. Ponieważ jest gęstszy od powietrza, jego prąd nie przenosi łatwo chloru, więc pozostaje on przez dłuższy czas, zanim ostatecznie się rozproszy.

Na przykład podczas I wojny światowej chlor ten był używany na polach bitew. Po uwolnieniu zakradał się do okopów, aby udusić żołnierzy i zmusić ich do wynurzenia.

Środek dezynfekujący

Baseny są chlorowane, aby zapobiec rozmnażaniu i rozprzestrzenianiu się mikroorganizmów. Źródło: Pixabay.

Roztwory chlorowane, czyli takie, w których gazowy chlor został rozpuszczony w wodzie, a następnie zalkalizowany buforem, mają doskonałe właściwości dezynfekujące, a także hamują gnicie tkanek. Stosowano je do dezynfekcji otwartych ran w celu wyeliminowania chorobotwórczych bakterii.

Woda w basenie jest precyzyjnie chlorowana, aby wyeliminować bakterie, drobnoustroje i pasożyty, które mogą się w niej gromadzić. Kiedyś stosowano do tego celu chlor gazowy, jednak jego działanie jest dość agresywne. Zamiast tego stosuje się roztwory podchlorynu sodu (wybielacz) lub tabletki kwasu trichloroizocyjanurowego (TCA).

Z powyższego wynika, że ​​to nie Cl ₂ działa dezynfekująco, ale HClO, kwas podchlorynowy, który wytwarza rodniki O niszczące mikroorganizmy.

Wybielacz

Chlor, podobnie jak jego działanie dezynfekujące, wybiela również materiały, ponieważ barwniki odpowiedzialne za kolory są degradowane przez HClO. Dlatego chlorowane roztwory są idealne do usuwania plam z białej odzieży lub do wybielania masy papierniczej.

Chlorek winylu

Najważniejszym związkiem chloru ze wszystkich, który stanowi około 19% pozostałej produkcji chloru gazowego, jest polichlorek winylu (PCW). Ten plastik ma wiele zastosowań. Dzięki niemu wykonuje się rury wodociągowe, ramy okienne, okładziny ścienne i podłogowe, przewody elektryczne, worki kroplówkowe, płaszcze itp.

Bibliografia

1. Shiver & Atkins. (2008). Chemia nieorganiczna. (Czwarta edycja). Mc Graw Hill.
2. Wikipedia. (2019). Chlor. Odzyskane z: en.wikipedia.org
3. Laura H. i in. (2018). Struktura stałego chloru przy 1,45 GPaZeitschrift für Kristallographie. Materiały krystaliczne, tom 234, wydanie 4, strony 277–280, ISSN (online) 2196-7105, ISSN (druk) 2194-4946, DOI: doi.org/10.1515/zkri-2018-2145
4. Narodowe Centrum Informacji Biotechnologicznej. (2019). Chlor. Baza danych PubChem. CID = 24526. Odzyskany z: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov
5. Marques Miguel. (sf). Chlor. Odzyskany z: nautilus.fis.uc.pt
6. Amerykańska Rada Chemii. (2019). Chemia chloru: Wprowadzenie do chloru. Odzyskany z: chlorine.americanchemistry.com
7. Fong-Yuan Ma. (Nd). Żrący wpływ chlorków na metale. Department of Marine Engineering, NTOU Republic of China (Tajwan).
8. Stan Nowy Jork. (2019). Fakty dotyczące chloru. Odzyskany z: health.ny.gov
9. Dr Doug Stewart. (2019). Fakty dotyczące pierwiastka chloru. Chemicool. Źródło: chemicool.com