Strona korzysta z plików cookies w celu realizacji usług i zgodnie z polityką plików cookies.
Możesz określić warunki przechowywania lub dostępu do plików cookies w Twojej przeglądarce.

Chlor

Wstęp

Chlor jest pierwiastkiem chemicznym o liczbie atomowej 17, położonym 17 (VIIA) grupie układu okresowego (grupa fluorowców, halogenów). Atomy fluorowców posiadają 7 elektronów walencyjnych tworzących w stanie podstawowym konfigurację s2p5. W konfiguracji tej brakuje tylko jednego elektronu do uzyskania oktetu odpowiadającego konfiguracji gazów szlachetnych, dlatego atomy tych pierwiastków wykazują tendencję do przyjęcia dodatkowego elektronu i przejścia w jon X-. Energie jonizacji fluorowców są wysokie w porównaniu z innymi pierwiastkami leżącymi w tych samych okresach układu okresowego. Fluorowce są bardzo aktywne chemicznie oraz należą do najsilniejszych środków utleniających.


Symbol Cl
Nazwa w jęz. angielskim chlorine
Nazwa w jęz. łacińskim chlorum
Stan skupienia gaz
Charakter chemiczny niemetal
Liczba atomowa 17
Masa atomowa [u] 35,453
Numer grupy, okres, blok energetyczny 17
(VIIA), 3, p
Wartościowość I, III, IV, V, VII
Konfiguracja elektronowa uproszczona [Ne] 3s23p5
Elektroujemność wg Paulinga 3,0
Temperatura topnienia [oC]
-102,4
Temperatura wrzenia [oC]
-34,0
Gęstość  [g/cm3] 0,003214

Odkrycie

Chlor otrzymał w 1774 r. Karl Schelle działając kwasem solnym na braunsztyn:

\(MnO_2 + 4HCl \rightarrow MnCl_2 + Cl_2 + 2H_2O\)

Schelle nie wiedział, że wydzielający się w wyniku reakcji żółtozielony gaz jest pierwiastkiem chemicznym lecz uwżał go tlenek pierwiastka zawartego w kwasie solnym. Wówczas nie wiedziano o istnieniu kwasów beztlenowych, uznawano pogląd Lavoisiera o obecności tlenu w każdej reszcie kwasowej. Dopiero w 1810 r. Humphry Davy uznał, że chlor jest pierwiastkiem, a kwas solny kwasem beztlenowym. Pogląd Davy'ego zapoczątkował jeden z największych sporów w historii chemii, ciągnący się aż do połowy XIX w., kiedy to stwierdzenie uznano za powszechne. W rzeczywistości dopiero prawo Moseleya pozwoliło ustalić, które substancje są naprawdę pierwiastkami.

Występowanie w przyrodzie

Chlor jest najbardziej rozpowszechnionym pierwiastkiem wśród fluorowców, jego zawartość w skorupie ziemskiej wynosi 0,14%. W stanie wolnym nie występuje, a najważniejszym jego związkiem jest chlorek sodu NaCl. Występuje on w wodzie morskiej, która zawiera również pewne ilości chlorków innych metali grup IA i IIA układu okresowego. NaCl tworzy również rozległe złoża, które powstały na skutek wysychania mórz. Do najważniejszych minerałów chloru zalicza się: halit NaCl, sylwin KCl, karnalit (KCl · MgCl2 · 6H2O), kainit (KCl · MgSO4 · 3H2O), biszofit (MgCl2 · 6H2O).

Otrzymywanie

Do celów laboratoryjnych chlor otrzymuje się działając stężonym solnym HCl na manganian potasu (VII) KMnO4 lub na ditlenek manganu MnO2:


\(2KMnO_4 + 16HCl \rightarrow 2KCl + 2MnCl_2 + 8H_2O + 5Cl_2↑\)

\(MnO_2 + 4HCl \rightarrow MnCl_2 + H_2O + Cl_2↑\)

Na skalę przemysłową chlor otrzymuje się stosując elktrolizę wodnych roztworów chlorku sodu NaCl lub stopionej soli. W przypadku zastosowania roztworu na anodzie otzrymuje się chlor, a na katodzie wodór, a w roztworze wodorotlenek sodu:

\(2NaCl + 2H_2O \xrightarrow{elektroliza} Cl_2 + 2 NaOH + H_2↑\)

W drugim przypadku na anodzie otrzymuje się chlor a na katodzie metaliczny sód:

\(2NaCl \xrightarrow{elektroliza} 2Na + Cl_2\)

Dawniej stosowano metodę Deacona i Weldona, które polegały na utlenianiu chlorowodoru.

Właściwości fizyczne i chemiczne

Chlor jest zielonożółtym gazem, o ostrym duszącym zapachu, rozpuszcza się w wodzie (w temp. 20oC w 1 obj, wody rozpuszcza się 2,26 obj. Cl2). Rozpuszczony w wodzie nosi nazwę wody chlorowej.

Chlor przyjmuje wartościowości: I, III, IV, V, VII, co odpowiada stopniom utlenienia -1, +1, +3, +4, +5, +7. Jest bardzo aktywny chemicznie, łączy się bezpośrednio z większością metali (nawet szlachetne) tworząc chlorki. W temp. pokojowej pod wpływem jasnego światła dziennego łączy się wybuchowo z wodorem tworząc chlorowodór HCl, którego roztwór wodny jest mocnym kwasem. Jest to przykład łańcuchowej reakcji fotochemicznej. Z tlenem chlor tworzy następujące tlenki: Cl2O (bezwodnik kwasy podchlorawego), ClO2, Cl2O6, Cl2O7 (bezwodnik kwasu nadchlorawego).

W wodzie reaguje powoli i powstaje chlorowodór i kwas podchlorawy (chlorowy (I)):

\(Cl_2 + H_2O \rightarrow HCl + HClO\)

Pod działaniem światła HClO ulega rozkładowi:

\(2HClO \rightarrow 2HCl + O_2\)

Węglowodory łatwo ulegają działaniu chloru, który łączy się zwartych w nim wodorem. Niektóre, np. terpentyna zapala się w atmosferze chloru dając chlorowodór i węgiel. Inne zachowują się w analogiczny sposób dopiero po podgrzaniu:
             
\(CH_4 + 2Cl_2 \rightarrow C + 4HCl\)

Zastosowanie

Chlor jest używany jako środek dezynfekcyjny do odkażania wody do picia oraz jako materiał wyjściowy do produkcji licznych związków nieorganicznych, np. podchlorynów (wapno chlorowane), chloranów, czterochlorku węgla, chloroformu. Stosowany jest także w niektórych syntezach związków organicznych. Znalazł zastosowanie również do bielenia w przemyśle włókienniczym i celulozowym.
Wodny roztwór chlorowodoru, czyli kwas solny jest jednym z najważniejszych kwasów nieorganicznych używanych w przemyśle chemicznym, spożywczym i laboratoriach. Kwas solny używany jest do produkcji chlorków, w metalurgii do trawienia blach, w przemyśle organicznym do trawienia celulozy, a także do produkcji barwników, środków lekarskich, garbarstwie. Wapno chlorowane jest środkiem wybielającym, a chloran potasowy stosowany jest pirotechnice oraz w produkcji zapałek, nadchloran magnezu jest środkiem osuszającym.

Izotopy

Chlor tworzy dwa izotopy: 35Cl (75,77%), 37Cl (24,23%). Ważniejsze izotopy promieniotwórcze to: 36Cl (T1/2= 3,1 · 105 lat), 38Cl (T1/2= 37,3 minut).

Związki chloru

Związki chloru z wodorem

Chlor z wodorem w obecności rozproszonego światła łączy się tworząc produkt gazowy (chlorowodór - gaz bezbarwny, o ostrej woni):

\(H_2+ Cl_2 \rightarrow 2HCl\)

W pełnym świetle dziennym reakcja ta zachodzi w sposób wybuchowy i może ulec przerwaniu. Czysty chlorowodór jest trwałym związkiem, w stanie suchym jest mało aktywny.  "Dymi" w powietrzu, a szczególnie w powietrzu wilgotnym, co wynika z szybkiego rozpuszczania się HCl w parze zawartej w powietrzu. Temperatura topnienia chlorowodoru wynosi -120,8oC, a wrzenia -84,9oC.

Chlorowodór do celów laboratoryjnych otrzymuje się działając na salmiak NH4Cl stężonym kwasem siarkowym (VI). W skali przemysłowej otrzymuje się go w wyniku reakcji w temp. pokojowej chlorku sodu NaCl ze stężonym kwasem siarkowym (VI):

\(NaCl + H_2SO_4 \rightarrow NaHSO_4 + HCl↑\)

W temp. podwyższonej reakcja postępuje dalej:

\(NaCl + NaHSO_4 \rightarrow Na_2SO_4 + HCl↑\)

W zakładach przemysłowych dysponujących nadmiarem chloru otrzymuje się chlorowodór z bezpośredniej syntezy pierwiastków (spalając wodór w chlorze).

Chlorowodór jest dobrze rozpuszczalny w wodzie, jego roztwór zwany jest kwasem chlorowodorowym lub solnym. Kwas solny jest jednym z najmocniejszych kwasów, w wodzie całkowicie dysocjuje na jony:

\(HCl \rightleftarrows H^+ Cl^-\)

Energicznie reaguje z metalami, tlenkami, wodorotlenkami tworząc sole - chlorki. Kwas cholorowodorowy jest łatwolotny, w wyniku jego ogrzewania wydziela się przede wszystkim chlorowodór. Ogrzewany stężony kwas traci nieco pary wodnej oraz dużo chlorowodoru aż do osiągnęcia stężenia 20,2% HCl. Dalsza destylacja nie daje żadnej zmiany stężenia. Dlatego kwas solny jest mieszaniną azeotropową, czyli destylującą w stałej temp. bez zmiany składy. Używany zwykle
stężony kwas solny zawiera ok. 38% HCl, co oznacza, że w 100g kwasu solnego stężonego jest 38 g chlorowodoru i 62 g wody. Stężony kwas solny przewozi się w balonach o pojemności 35-40 dm3 (40-50 kg kwasu). Do jego przewożenia stosuje się również cysterny stalowe, wewnątrz gumowane.


Proces techniczny otrzymywania kwasu solnego składa się z dwóch etapów: otrzymywania chlorowodoru i rozpuszczania go w wodzie. Proces pochłonięcia chlorowodoru przez wodę zachodzi w instalacji (ciecz i gaz płyną w przeciwnym kierunku). Taki sposób przeprowadzania procesu rozpuszczania, w którym jedna substancja płynie w aparacie w przeciwnym kierunku do drugiej nosi nazwę zasady przeciwprądu. Zasada ta umożliwia w przypadku rozpuszczania chlorowodoru w wodzie otrzymanie kwasu solnego o większym stężeniu niż bez stosowania przeciw prądu.

Związki chloru z tlenem

Chlor z tlenem tworzy następujące tlenki: Cl2O, ClO2, Cl2O6, Cl2O7. Tlenek chloru (I) (tlenek dichloru, tlenek dwuchloru) Cl2O jest żółtobrązowym nietrwałym gazem. Otrzymuje się go w wyniku przepuszczenia chloru nad tlenkiem rtęciowym:

\(2Cl_2 +2HgO \rightarrow HgCl_2 \cdot HgO + Cl_2O\)

Tlenek dichloru jako bezwodnik kwasu podchlorawego z alkaliami tworzy podchloryny:

\(Cl_2O + 2NaOH \rightarrow 2NaClO + H_2O\)

Tlenek chloru (IV) (dwutlenek chloru, ditlenek chloru) ClO2 jest to gaz barwy zielonkawożółtej, łatwo rozpuszcza się w wodzie. Jest to substancja o silnych właściwościach utleniających, ulega wybuchowemu rozkładowi nawet pod wpływem słabego ogrzania. Można go otrzymać działając chlorem na chloran srebra:

\(2AgClO_3 + Cl_2 \rightarrow 2AgCl + 2ClO_2 + O_2↑\)

Z roztworami alkaliów daje mieszaninę chlorynów i podchlorynów:

\(2ClO_2 + 2NaOH \rightarrow NaClO_2 + NaClO_3 + H_2O\)

Chlor w tlenku chloru (IV) pełni funkcję częsciowo reduktora a częściowo utleniacza.

Sześciotlenek dwuchloru (sześciotlenek chloru) Cl2O6 jest ciemnoczerwoną cieczą, powstającą w wyniku reakcji między ozonem i ClO2 w temp. 0oC. Wykazuje silnie właściwości redukujące, z alkaliami reagując daje chlorany i nadchlorany:

\(Cl_2O_6 + 2NaOH \rightarrow NaClO_3 + NaClO_4 + H_2O\)

Tlenek chloru (VII) (heotatlenek dichloru, siedmiotlenek chloru) Cl2O7 jest bezbarną cieczą, która powstaje w wyniku odwodnienia kwasu nadchlorowego HClO4 pięciotlenkiem fosforu P2O5 (reakcja odwracalna):

\(2HClO_4 \rightleftarrows Cl_2O_7 + H_2O\)

Tlenowe kwasy chloru

Kwas podchlorawy HClO, jest nietrwały można otrzymać w reakcji chloru z wodną zawiesiną tlenku rtęci (II):

\(2Cl_2 + 2HgO + H_2O \rightarrow HgO \cdot HgCl_2 + 2HClO\)

Podczas zagęszczenia roztworów kwas ulega rozkładowi, sole tych kwasów są trwalsze. Podchloryn sodu NaClO jest wytwarzany na skalę przemysłową na drodze elektrolizy chlorku sodowego. Na katodzie wydziela się wodorotlenek sodu, a na anodzie chlor. Jeżeli umożliwi się mieszanie cieczy katodowej i anodowej, chlor będzie reagował z wodorotlenkiem sodu dając podchloryn. Podchloryny w czasie ogrzewania ulegają reakcji dysproporcjonowania z wytworzeniem chloranów oraz chlorków.

Kwas chlorowy (kwas chlorowy V) HClO3 jest nieco trwalszy od pozostałych, jednak może istnieć tylko w roztworze wodnym. Najważniejsza jego sól to chloran potasu KClO3 zwany solą Bertholleta oraz kalichlorkiem. W zwykłej temp. jest związkiem trwałym, a po ogrzaniu (już poniżej 300oC) rozkłada się z wydzieleniem tlenu:

\(2KClO_3 \rightarrow 2KCl + 3O_2↑\)

Chloran potasu otrzymuje się na skalę przemysłową stosując elektrolizę gorącego KCl. W trakcie mieszania roztworu materiał katodowy KOH i anodowy Cl2 dają najpierw KClO, który rozkłada się na KCl i KClO3.

Kwas nadchlorowy (kwas chlorowy VII) HClO4 jest trwałym kwasem, jednym z najmocniejszych znanych kwasów. Jest silnym środkiem utleniającym. W temp. pokojowej w stanie czystym jest bezbarwną oleistą cieczą, silnie wybuchową w czasie ogrzewania w obecności śladowych ilości substancji organicznych. Kwas ten otrzymuje się w wyniku reakcji stężonego kwasu siarkowego (VI) z nadchloranami. Nadchlorany są zazwyczaj dobrze rozpuszczalne w wodzie z wyjątkiem nadchloranów potasu, rubidu, cezu, amonu.

Związki międzyhalogenowe

Fluorowce tworzą pomiędzy sobą związki o wzorze ogólnym AXn, gdzie n przyjmuje wartości 1, 2, 3, 5 lub 7. Chlor tworzy następujące związki: ClF, ClF3, BrCl, ICl, ICl3, które można otrzymać w wyniku bezpośredniej syntezy pierwiastków lub działania fluorowca o niższej liczbie atomowej na związki fluorowców o wyższej liczbie atomowej. Rodzaj związku zależy od warunków reakcji, np. chlor w równoobjętościowej mieszaninie z fluorem daje w temp. 200oC:

\(Cl_2 + F_2 \xrightarrow{200^o \: C} 2 ClF\)

Z mieszany z nadmiarem fluoru w temp. 300oC tworzy:

\(Cl_2 + 3F_2 \xrightarrow{300^o \: C} 2 ClF_3\)



-34,0

0.003214