Хлор ( химический символ — Cl , от др.-греч. χλωρός — «изжелта-зелёный» , от лат. Chlorum ) — химический элемент 17-й группы (по устаревшей классификации — главной подгруппы седьмой группы, VIIA) третьего периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева , с атомным номером 17.

Простое вещество хлор (при нормальных условиях ) — ядовитый удушающий двухатомный газ (формула — Cl ₂ ) желтовато-зелёного цвета, тяжелее воздуха, с резким запахом и сладковатым, «металлическим» вкусом.

История открытия хлора

Соединение 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:

${\displaystyle {\mathsf {4HCl+MnO_{2}\rightarrow MnCl_{2}+Cl_{2}\uparrow +2H_{2}O}}}$

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 теорией 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 Г. Дэви , которому электролизом удалось разложить поваренную соль на натрий и хлор, доказав элементарную природу последнего.

В 1811 г. Дэви предложил для нового элемента название « хлорин » ( chlorine ). Спустя год Ж. Гей-Люссак «сократил» французское название до хлора ( chlore ), хотя в английском языке оно осталось прежним. В том же 1811 г. немецкий физик Иоганн Швейгер предложил для хлора название « галоген » (дословно солерод ), однако впоследствии этот термин закрепился за всей 17-й (VIIA) группой элементов, в которую входит и хлор .

В 1826 году атомная масса хлора была с высокой точностью определена шведским химиком Йёнсом Якобом Берцелиусом (отличается от современных данных не более чем на 0,1 %) .

Распространение в природе

В земной коре хлор — самый распространённый галоген. Хлор очень химически 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 MgCl ₂ ·6Н ₂ О, карналлита KCl·MgCl ₂ ·6Н ₂ O, каинита KCl·MgSO ₄ ·3Н ₂ О. 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.

Изотопный состав

В природе встречаются 2 стабильных изотопа хлора: с массовым числом 35 и 37. Доли их содержания соответственно равны 75,78 % и 24,22 % . Свойства стабильных и некоторых радиоактивных изотопов хлора перечислены в таблице (см. , :

Изотоп	Относительная масса, а. е. м.	Период полураспада	Тип распада	Ядерный спин
35 Cl	34,968852721	Стабилен	—	3/2
36 Cl	35,9683069	301 тыс. лет	β-распад в	2
37 Cl	36,96590262	Стабилен	—	3/2
38 Cl	37,9680106	37,2 минуты	β-распад в 38 Ar	2
39 Cl	38,968009	55,6 минуты	β-распад в 39 Ar	3/2
40 Cl	39,97042	1,38 минуты	β-распад в 40 Ar	2
41 Cl	40,9707	34 c	β-распад в 41 Ar
42 Cl	41,9732	46,8 c	β-распад в 42 Ar
43 Cl	42,9742	3,3 c	β-распад в 43 Ar

Некоторые изотопы хлора имеют удобные ядерно-физические характеристики (спин и период полураспада), позволяющие исследовать его методом ЯМР .

Физические и химические свойства

При нормальных условиях хлор — жёлто-зелёный газ с резким запахом. Некоторые его физические свойства представлены в таблице.

Свойство	Значение
Цвет (газ)	Жёлто-зелёный
Температура кипения	−34 °C
Температура плавления	−100 °C
Температура разложения (диссоциации на атомы)	~1400 °C
Плотность (газ, н.у. )	3,214 г/л
Сродство к электрону атома	3,65 эВ
Первая энергия ионизации	12,97 эВ
Теплоёмкость (298 К, газ)	34,94 Дж/(моль·K)
Критическая температура	144 °C
Критическое давление	76 атм
Стандартная энтальпия образования (298 К, газ)	0 кДж/моль
Стандартная энтропия образования (298 К, газ)	222,9 Дж/(моль·K)
Энтальпия плавления	6,406 кДж/моль
Энтальпия кипения	20,41 кДж/моль
Энергия гомолитического разрыва связи Х—Х	243 кДж/моль
Энергия гетеролитического разрыва связи Х—Х	1150 кДж/моль
Энергия ионизации	1255 кДж/моль
Энергия сродства к электрону	349 кДж/моль
Атомный радиус	0,073 нм
Электроотрицательность по Полингу	3,20
Электроотрицательность по Оллреду — Рохову	2,83
Устойчивые степени окисления	−1, 0, +1, +3, (+4), +5, (+6), +7

Газообразный хлор относительно легко сжижается. Конденсация происходит при давлении выше 0,8 МПа (8 атмосфер) при температуре 0 °C или при охлаждении до температуры −34 °C при нормальном атмосферном давлении. Жидкий хлор — жёлто-зелёная жидкость, обладающая очень высоким коррозионным действием (за счёт высокой концентрации молекул). Повышая давление, можно добиться существования жидкого хлора вплоть до температуры в +144 °C (критической температуры) при критическом давлении в 7,6 МПа (76 атмосфер).

При температуре ниже −101 °C жидкий хлор кристаллизуется в орторомбическую решётку с пространственной группой Cmca и параметрами a = 6,29 Å , b = 4,50 Å , c = 8,21 Å . Ниже 100 К орторомбическая модификация кристаллического хлора переходит в тетрагональную , имеющую пространственную группу P 4 ₂ / ncm и параметры решётки a = 8,56 Å и c = 6,12 Å .

Растворимость

Растворитель	Растворимость г/100 г
Бензол	Растворим
Вода (0 °C)	1,48
Вода (20 °C)	0,96
Вода (25 °C)	0,65
Вода (40 °C)	0,46
Вода (60 °C)	0,38
Вода (80 °C)	0,22
Тетрахлорметан (0 °C)	31,4
Тетрахлорметан (19 °C)	17,61
Тетрахлорметан (40 °C)	11
Хлороформ	Хорошо растворим
TiCl 4 , SiCl 4 , SnCl 4	Растворим

Степень диссоциации молекулы хлора Cl ₂ → 2Cl• при 1000 К равна 2,07⋅10 ⁻⁴ %, а при 2500 К — 0,909 %.

Порог восприятия запаха в воздухе равен 2—3 мг/м³.

По электропроводности жидкий хлор занимает место среди самых сильных диэлектриков (благодаря сильному сродству к электрону, что приводит к практически полному отсутствию свободных носителей заряда): он проводит ток почти в миллиард раз хуже, чем дистиллированная вода , и в 10 ²² раз хуже серебра . Скорость звука в газообразном хлоре примерно в полтора раза меньше, чем в воздухе.

Химические свойства

Строение электронной оболочки

На валентном уровне атома хлора содержится 1 неспаренный электрон : 1s ² 2s ² 2p ⁶ 3s ² 3p ⁵ , поэтому валентность , равная 1 для атома хлора, очень стабильна. За счёт присутствия в атоме хлора незанятой орбитали d -подуровня атом хлора может проявлять и другие степени окисления. Схема образования возбуждённых состояний атома:

Валентность	Возможные степени окисления	Электронное состояние валентного уровня	Пример соединений
I	+1, −1, 0	3s 2 3p 5	NaCl , NaClO , Cl 2
III	+3	3s 2 3p 4 3d 1	NaClO 2
V	+5	3s 2 3p 3 3d 2	KClO 3
VII	+7	3s 1 3p 3 3d 3	KClO 4

Также известны соединения хлора, в которых атом хлора формально проявляет валентности IV и VI, например, ClO ₂ и Cl ₂ O ₆ . Однако оксид хлора(IV) является стабильным радикалом , то есть имеет неспаренный электрон, а оксид хлора(VI) содержит два атома хлора, имеющих степени окисления +5 и +7.

Существуют более сложные теории строения молекул, например, теория молекулярных орбиталей или ab initio квантовохимические методы , которые позволяют более точно оценивать конфигурации атомов в молекулах и распределение зарядов в них без привлечения понятий валентности и степени окисления. Строение многих сложных химических соединений можно объяснить только с использованием современных квантовохимических методов, например кластерный хлорид технеция [(CH ₃ ) ₄ N] ₃ [Tc ₆ Cl ₁₄ ], в котором 6 из 14 атомов хлора формально двухвалентны, а степени окисления – дробные .

Кроме того, все приведенные выше химические закономерности справедливы для обычных условий, тогда как при сверхвысоких давлениях (например, в ядрах больших планет) хлор, согласно предположениям, сделанным на основе расчетных методов, может проявлять степень окисления –3, образуя с натрием соединение Na ₃ Cl .

Взаимодействие с металлами

Хлор непосредственно реагирует почти со всеми металлами (с некоторыми только в присутствии влаги или при нагревании):

${\displaystyle {\mathsf {2Na+Cl_{2}\rightarrow 2NaCl}}}$

${\displaystyle {\mathsf {2Sb+3Cl_{2}\rightarrow 2SbCl_{3}}}}$

${\displaystyle {\mathsf {2Fe+3Cl_{2}\rightarrow 2FeCl_{3}}}}$

Взаимодействие с неметаллами

C неметаллами (кроме углерода , азота , фтора , кислорода и инертных газов ) образует соответствующие хлориды .

${\displaystyle {\mathsf {5Cl_{2}+2P\rightarrow 2PCl_{5}}},}$

${\displaystyle {\mathsf {2S+Cl_{2}\rightarrow S_{2}Cl_{2}}}}$

${\displaystyle {\mathsf {S+Cl_{2}\rightarrow SCl_{2}}}.}$

На свету или при нагревании активно реагирует (иногда со взрывом) с водородом по радикально-цепному механизму. Смеси хлора с водородом, содержащие от 5,8 до 88,3 % водорода, взрываются при облучении с образованием хлороводорода . Смесь хлора с водородом в небольших концентрациях горит бесцветным или жёлто-зелёным пламенем. Максимальная температура водородно-хлорного пламени 2200 °C.

${\displaystyle {\mathsf {H_{2}+Cl_{2}\rightarrow 2HCl}}.}$

С кислородом хлор образует оксиды , в которых проявляет степень окисления от +1 до +7: Cl ₂ O , ClO ₂ , Cl ₂ O ₅ , Cl ₂ O ₇ . Они имеют резкий запах, термически и фотохимически нестабильны, склонны к взрывному распаду. Напрямую хлор с кислородом не реагирует.

При реакции с фтором образуется не хлорид, а фториды :

${\displaystyle {\mathsf {Cl_{2}+F_{2}\rightarrow 2ClF}},}$

${\displaystyle {\mathsf {Cl_{2}+3F_{2}\rightarrow 2ClF_{3}}},}$

${\displaystyle {\mathsf {Cl_{2}+5F_{2}\rightarrow 2ClF_{5}}}.}$

Известны фторид хлора(I) , фторид хлора(III) и фторид хлора(V) (ClF, ClF ₃ и ClF ₅ ), Могут быть синтезированы из элементов, степень окисления хлора меняется в зависимости от условий синтеза. Все они представляют собой при комнатной температуре бесцветные ядовитые тяжёлые газы с сильным раздражающим запахом. Сильные окислители, реагируют с водой и стеклом. Используются как фторирующие агенты.

Другие свойства

Хлор вытесняет бром и иод из их соединений с водородом и металлами:

${\displaystyle {\mathsf {Cl_{2}+2HBr\rightarrow Br_{2}+2HCl}}}$

${\displaystyle {\mathsf {Cl_{2}+2NaI\rightarrow I_{2}+2NaCl}}}$

При реакции с монооксидом углерода образуется фосген :

${\displaystyle {\mathsf {Cl_{2}+CO\rightarrow COCl_{2}}}}$

При растворении в воде или щелочах, хлор диспропорционирует , образуя хлорноватистую (а при нагревании хлорноватую ) и соляную кислоты , либо их соли:

${\displaystyle {\mathsf {Cl_{2}+H_{2}O\rightleftarrows HCl+HClO}}}$

${\displaystyle {\mathsf {Cl_{2}+2NaOH\rightarrow NaCl+NaClO+H_{2}O}}}$

${\displaystyle {\mathsf {3Cl_{2}+6NaOH\rightarrow 5NaCl+NaClO_{3}+3H_{2}O}}}$ (при нагревании)

Хлор взаимодействует с водой в присутствии солей кобальта ^{[ источник не указан 563 дня ]} :

${\displaystyle {\mathsf {2H_{2}O+2Cl_{2}}}\xrightarrow {h\nu ,\,{\textrm {CoCl}}_{2}} {\mathsf {4HCl\uparrow +O_{2}\uparrow }}}$

Хлорированием сухого гидроксида кальция получают хлорную известь :

${\displaystyle {\mathsf {Cl_{2}+Ca(OH)_{2}\rightarrow CaCl(OCl)+H_{2}O}}}$

Действием хлора на аммиак можно получить трихлорид азота :

${\displaystyle {\mathsf {4NH_{3}+3Cl_{2}\rightarrow NCl_{3}+3NH_{4}Cl}}}$

Окислительные свойства хлора

Хлор — очень сильный окислитель :

${\displaystyle {\mathsf {Cl_{2}+H_{2}S\rightarrow 2HCl\uparrow +S}}}$

Раствор хлора в воде используется для отбеливания тканей и бумаги.

Реакции с органическими веществами

С насыщенными соединениями :

${\displaystyle {\mathsf {CH_{3}{\text{-}}CH_{3}+Cl_{2}\rightarrow C_{2}H_{5}Cl+HCl}}}$

${\displaystyle {\mathsf {CH_{4}+Cl_{2}\rightarrow CH_{3}Cl+HCl}}}$ (получение хлороформа, реакция идет многоступенчато с образованием тетрахлорметана CCl ₄ )

Присоединяется к ненасыщенным соединениям по кратным связям:

${\displaystyle {\mathsf {CH_{2}{\text{=}}CH_{2}+Cl_{2}\rightarrow Cl{\text{-}}CH_{2}{\text{-}}CH_{2}{\text{-}}Cl}}}$

Ароматические соединения замещают атом водорода на хлор в присутствии катализаторов (например, AlCl ₃ или FeCl ₃ ):

${\displaystyle {\mathsf {C_{6}H_{6}+Cl_{2}\rightarrow C_{6}H_{5}Cl+HCl}}}$

Способы получения

Химические методы

Химические методы получения хлора малоэффективны и затратны. На сегодняшний день имеют в основном историческое значение.

Метод Шееле

Первоначально промышленный способ получения хлора основывался на методе Шееле , то есть реакции оксида марганца(IV) ( пиролюзита ) с соляной кислотой :

${\displaystyle {\mathsf {MnO_{2}+4HCl\rightarrow MnCl_{2}+Cl_{2}\uparrow +2H_{2}O}}}$

Метод Дикона

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.

${\displaystyle {\mathsf {4HCl+O_{2}\rightarrow 2H_{2}O+2Cl_{2}\uparrow }}}$

Современные лабораторные методы

Ввиду доступности хлора в лабораторной практике обычно используется сжиженный хлор в баллонах.

Хлор можно получить действием кислоты на гипохлорит натрия :

${\displaystyle {\mathsf {4NaClO+4CH_{3}COOH\rightarrow 4NaCH_{3}COO+2Cl_{2}\uparrow +O_{2}\uparrow +2H_{2}O}}}$

При этом также выделяется кислород. Если использовать соляную кислоту, то реакция выглядит по-другому:

${\displaystyle {\mathsf {NaClO+2HCl\rightarrow NaCl+Cl_{2}\uparrow +H_{2}O}}}$

Для получения хлора обычно используются процессы, основанные на окислении хлороводорода сильными окислителями (чаще всего диоксидом марганца или перманганатом калия , но также и хлоритом кальция , хроматом калия , дихроматом калия , диоксидом свинца , бертолетовой солью и т. п.) :

${\displaystyle {\mathsf {2KMnO_{4}+16HCl\rightarrow 2KCl+2MnCl_{2}+5Cl_{2}\uparrow +8H_{2}O}}}$

При невозможности использования баллонов и химических методов получения хлора могут быть использованы электрохимические — при помощи небольших электролизёров с обычным или для получения хлора.

Электрохимические методы

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

${\displaystyle {\mathsf {2NaCl+2H_{2}O+2e^{-}\rightarrow 2NaOH+Cl_{2}\uparrow +H_{2}\uparrow }}}$

На тонну выделяющегося хлора образуется 1,13 т гидроксида натрия . Поскольку хлор является одним из наиболее востребованных продуктов химической промышленности, расходы электроэнергии на его производство весьма заметны: в США для производства хлора используется около 2% всей генерируемой электроэнергии и 28% энергии, потребляемой электрохимическими промышленными установками .

Гораздо реже в промышленности используется электролиз раствора хлорида калия .

Применяется три варианта электрохимического метода получения хлора. Два из них — электролиз с твёрдым катодом: диафрагменный и мембранный методы. Третий — электролиз с жидким ртутным катодом (ртутный метод производства). Качество хлора, получаемого электрохимическими методами, отличается мало:

	Ртутный метод	Диафрагменный метод	Мембранный метод
Выход хлора, %	99	96	98,5
Электроэнергия ( кВт·ч ) на 1 т хлора	3150	3260	2520
Чистота хлора, %	99,2	98	99,3
Массовая доля O 2 в хлоре, %	0,1	1—2	0,3
Начало применения	XIX век	XIX век	1975 год

Диафрагменный метод

Наиболее простым из электрохимических методов получения хлора, в плане организации процесса и конструкционных материалов для электролизёра, является диафрагменный метод.

Раствор соли в диафрагменном электролизёре непрерывно подается в анодное пространство и протекает через, как правило, насаженную на стальную катодную сетку асбестовую диафрагму, в которую иногда добавляют небольшое количество полимерных волокон.

Насасывание диафрагмы производится путём прокачивания через электролизёр пульпы из асбестовых волокон, которые, застревая в сетке катода, образуют слой асбеста, играющий роль диафрагмы.

Во многих конструкциях электролизёров катод полностью погружен под слой анолита (электролита из анодного пространства), а выделяющийся на катодной сетке водород отводится из-под катода при помощи газоотводных труб, не проникая через диафрагму в анодное пространство благодаря противотоку.

Противоток — очень важная особенность устройства диафрагменного электролизёра. Именно благодаря противоточному потоку, направленному из анодного пространства в катодное через пористую диафрагму, становится возможным раздельное получение щёлоков и хлора. Противоточный поток рассчитывается так, чтобы противодействовать диффузии и миграции OH ^- ионов в анодное пространство. Если величина противотока недостаточна, тогда в анодном пространстве в больших количествах начинает образовываться гипохлорит -ион (ClO ^- ), который затем может окисляться на аноде до хлорат -иона ClO ₃ ^- . Образование хлорат-иона серьёзно снижает выход по току хлора и является основным побочным процессом в этом методе. Так же вредит и выделение кислорода, которое к тому же ведёт к разрушению анодов и, если они из углеродных материалов, попадания в хлор примесей фосгена .

Анод :

${\displaystyle {\mathsf {2Cl^{-}-2e^{-}\ {\xrightarrow {}}\ Cl_{2}\uparrow }}}$ — основной процесс

${\displaystyle {\mathsf {2H_{2}O-4e^{-}\ {\xrightarrow {}}\ O_{2}\uparrow +4H^{+}}}}$

${\displaystyle {\mathsf {12ClO^{-}+6H_{2}O-12e^{-}\ {\xrightarrow {}}\ 4ClO_{3}^{-}+8Cl^{-}+3O_{2}\uparrow +6H^{+}}}}$

Катод :

${\displaystyle {\mathsf {2H_{2}O+2e^{-}\ {\xrightarrow {}}\ H_{2}\uparrow +2OH^{-}}}}$ — основной процесс

${\displaystyle {\mathsf {ClO^{-}+H_{2}O+2e^{-}\ {\xrightarrow {}}\ Cl^{-}+2OH^{-}}}}$

${\displaystyle {\mathsf {ClO_{3}^{-}+3H_{2}O+6e^{-}\ {\xrightarrow {}}\ Cl^{-}+6OH^{-}}}}$

В качестве анода в диафрагменных электролизёрах может использоваться графитовый или угольный электроды. На сегодня их в основном заменили титановые аноды с окисно-рутениево-титановым покрытием (аноды ОРТА) или другие малорасходуемые.

Поваренная соль, сульфат натрия и другие примеси при повышении их концентрации в растворе выше их предела растворимости выпадают в осадок. Раствор едкой щёлочи декантируют от осадка и передают в качестве готового продукта на склад или продолжают стадию упаривания для получения твёрдого продукта, с последующим плавлением, чешуированием или грануляцией.

Обратную, то есть кристаллизовавшуюся в осадок поваренную соль возвращают назад в процесс, приготавливая из неё так называемый обратный рассол. От неё, во избежание накапливания примесей в растворах, перед приготовлением обратного рассола отделяют примеси.

Убыль анолита восполняют добавкой свежего рассола, получаемого подземным выщелачиванием соляных пластов галита , бишофита и других минералов, содержащих хлорид натрия, а также растворением их в специальных ёмкостях на месте производства. Свежий рассол перед смешиванием его с обратным рассолом очищают от механических взвесей и значительной части ионов кальция и магния.

Полученный хлор отделяется от паров воды, компримируется и подаётся либо на производство хлорсодержащих продуктов, либо на сжижение.

Благодаря относительной простоте и дешевизне диафрагменный метод получения хлора до сих пор широко используется в промышленности.

диафрагменного электролизёра.

Мембранный метод

Мембранный метод производства хлора наиболее энергоэффективен, однако сложен в организации и эксплуатации.

С точки зрения электрохимических процессов мембранный метод подобен диафрагменному, но анодное и катодное пространства полностью разделены непроницаемой для анионов катионообменной мембраной. Поэтому в мембранном электролизёре, в отличие от диафрагменного, не один поток, а два.

В анодное пространство поступает, как и в диафрагменном методе, поток раствора соли, а в катодное — деионизированная вода. Из анодного пространства вытекает поток обеднённого анолита, содержащего также примеси гипохлорит- и хлорат-ионов, и выходит хлор, а из катодного — щелока и водород, практически не содержащие примесей и близкие к товарной концентрации, что уменьшает затраты энергии на их упаривание и очистку.

Однако питающий раствор соли (как свежий, так и оборотный) и вода предварительно максимально очищаются от любых примесей. Такая тщательная очистка определяется высокой стоимостью полимерных катионообменных мембран и их уязвимостью для примесей в питающем растворе.

Кроме того, ограниченная геометрическая форма, а также низкая механическая прочность и термическая стойкость ионообменных мембран , во многом определяют сравнительно сложные конструкции установок мембранного электролиза. По той же причине мембранные установки требуют наиболее сложных систем автоматического контроля и управления.

мембранного электролизёра .

Ртутный метод с жидким катодом

В ряду электрохимических методов получения хлора ртутный метод позволяет получать самый чистый хлор.

ртутного электролизёра.

Установка для ртутного электролиза состоит из электролизёра, разлагателя амальгамы и ртутного насоса, объединённых между собой ртутепроводящими коммуникациями.

Катодом электролизёра служит поток ртути, прокачиваемой насосом. Аноды — графитовые , угольные или малоизнашивающиеся (ОРТА, ТДМА или другие). Вместе с ртутью через электролизёр непрерывно течёт поток питающего раствора поваренной соли.

На аноде происходит окисление ионов хлора из электролита и выделяется хлор:

${\displaystyle {\mathsf {2Cl^{-}-2e^{-}\ {\xrightarrow {}}\ Cl_{2}\uparrow }}}$ — основной процесс

${\displaystyle {\mathsf {2H_{2}O-2e^{-}\ {\xrightarrow {}}\ O_{2}\uparrow +4H^{+}}}}$

${\displaystyle {\mathsf {12ClO^{-}+6H_{2}O-12e^{-}\ {\xrightarrow {}}4ClO_{3}^{-}+8Cl^{-}+3O_{2}\uparrow +12H^{+}}}}$

Хлор и анолит отводятся из электролизёра. Анолит, выходящий из электролизёра, донасыщают свежим галитом, извлекают из него примеси, внесённые с ним, а также вымываемые из анодов и конструкционных материалов, и возвращают на электролиз. Перед донасыщением из анолита извлекают растворённый в нём хлор.

Растущие требования к экологической безопасности производств и дороговизна металлической ртути ведут к постепенному вытеснению ртутного метода методами получения хлора с твёрдым катодом.

Хранение хлора

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. 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.

Стандарты качества хлора

Согласно ГОСТ 6718-93 «Хлор жидкий. Технические условия» производятся следующие сорта хлора:

Наименование показателя ГОСТ 6718-93	Высший сорт	Первый сорт
Объёмная доля хлора, не менее, %	99,8	99,6
Массовая доля воды, не более, %	0,01	0,04
Массовая доля трёххлористого азота , не более, %	0,002	0,004
Массовая доля нелетучего остатка, не более, %	0,015	0,10

Применение

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

• В производстве поливинилхлорида , пластикатов, синтетического каучука, из которых изготавливают изоляцию для проводов, оконный профиль, , одежду и обувь, линолеум и грампластинки, лаки, аппаратуру и пенопласты , игрушки, детали приборов, строительные материалы. Поливинилхлорид производят полимеризацией винилхлорида , который сегодня чаще всего получают из этилена сбалансированным по хлору методом через промежуточный 1,2-дихлорэтан.
• Отбеливающие свойства хлора известны с давних времен. Хлор разрушает многие органические красители , делая их бесцветными, однако это происходит лишь в присутствии жидкой или газообразной воды , поскольку «отбеливает» не сам хлор, а атомарный кислород, который образуется при распаде хлорноватистой кислоты :

${\displaystyle {\mathsf {Cl_{2}+H_{2}O\rightarrow HCl+HOCl}}}$

${\displaystyle {\mathsf {HOCl\rightarrow HCl+O}}}$

Это старинный способ отбеливания тканей, бумаги, картона.

• Производство хлорорганических инсектицидов — веществ, убивающих вредных для посевов насекомых, но безопасных для растений. 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 XX столетия.
• Хлор использовался как боевое отравляющее вещество , а также для производства других боевых отравляющих веществ: иприта , фосгена .
• Для обеззараживания воды — « хлорирования ». 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 2.1.4.1074-01 устанавливает 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. Свободный хлор в водопроводной воде существенно сокращает срок службы трубопроводов на основе полиолефинов : полиэтиленовых труб различного вида, в том числе сшитого полиэтилена, больше известного как ПЕКС (PEX, PE-X). В США для контроля допуска трубопроводов из полимерных материалов к использованию в водопроводах с хлорированной водой вынуждены были принять 3 стандарта: ASTM F2023 применительно к трубам из сшитого полиэтилена (PEX) и горячей хлорированной воде, ASTM F2263 применительно к полиэтиленовым трубам всем и хлорированной воде и ASTM F2330 применительно к многослойным (металлополимерным) трубам и горячей хлорированной воде. В части долговечности при взаимодействии с хлорированной водой положительные результаты демонстрируют медные водопроводные трубы.
• В пищевой промышленности зарегистрирован в качестве пищевой добавки E925 .
• В химическом производстве соляной кислоты , хлорной извести, бертолетовой соли , хлоридов металлов , ядов, лекарств, удобрений.
• В металлургии для производства чистых металлов: титана, олова, тантала, ниобия.

Многие развитые страны стремятся ограничить использование хлора в быту, в том числе потому, что при сжигании хлорсодержащего мусора образуется значительное количество диоксинов .

Биологическая роль

Хлор относится к важнейшим биогенным элементам и входит в состав всех живых организмов в виде соединений.

У животных и человека ионы хлора участвуют в поддержании осмотического равновесия, хлорид-ион имеет оптимальный радиус для проникновения через мембрану клеток. Именно этим объясняется его совместное участие с ионами натрия и калия в создании постоянного осмотического давления и регуляции водно-солевого обмена. Под воздействием ГАМК ( нейромедиатор ) ионы хлора оказывают тормозящий эффект на нейроны путём снижения потенциала действия . В желудке ионы хлора создают благоприятную среду для действия протеолитических ферментов желудочного сока . Хлорные каналы представлены во многих типах клеток, митохондриальных мембранах и скелетных мышцах. Эти каналы выполняют важные функции в регуляции объёма жидкости, трансэпителиальном транспорте ионов и стабилизации мембранных потенциалов, участвуют в поддержании рН клеток. Хлор накапливается в висцеральной ткани, коже и скелетных мышцах. Всасывается хлор, в основном, в толстом кишечнике . Всасывание и экскреция хлора тесно связаны с ионами натрия и бикарбонатами, в меньшей степени с минералокортикоидами и активностью Na ⁺ /K ⁺ — АТФ-азы . В клетках аккумулируется 10—15 % всего хлора, из этого количества от 1/3 до 1/2 — в эритроцитах . Около 85 % хлора находятся во внеклеточном пространстве. Хлор выводится из организма в основном с мочой (90—95 %), калом (4—8 %) и через кожу (до 2 %). Экскреция хлора связана с ионами натрия и калия, и реципрокно (взаимно) с гидрокарбонат-ионами HCO ₃ ⁻ (кислотно-щелочной баланс).

Человек потребляет 5—10 г NaCl в сутки. Минимальная потребность человека в хлоре составляет около 800 мг в сутки. Младенец получает необходимое количество хлора через молоко матери, в котором содержится 11 ммоль/л хлора. NaCl необходим для выработки в желудке соляной кислоты, которая способствует пищеварению и уничтожению болезнетворных бактерий. В настоящее время участие хлора в возникновении отдельных заболеваний у человека изучено недостаточно хорошо, главным образом из-за малого количества исследований. Достаточно сказать, что не разработаны даже рекомендации по норме суточного потребления хлора. Мышечная ткань человека содержит 0,20—0,52 % хлора, костная — 0,09 %; в крови — 2,89 г/л. В организме среднего человека (масса тела 70 кг) 95 г хлора. Ежедневно с пищей человек получает 3—6 г хлора, что с избытком покрывает потребность в этом элементе.

Ионы хлора жизненно необходимы растениям. Хлор участвует в энергетическом обмене у растений, активируя окислительное фосфорилирование . Он необходим для образования кислорода в процессе фотосинтеза изолированными хлоропластами , стимулирует вспомогательные процессы фотосинтеза, прежде всего те из них, которые связаны с аккумулированием энергии. Хлор положительно влияет на поглощение корнями кислорода, соединений калия, кальция, магния. Чрезмерная концентрация ионов хлора в растениях может иметь и отрицательную сторону, например, снижать содержание хлорофилла , уменьшать активность фотосинтеза, задерживать рост и развитие растений .

Но существуют растения, которые в процессе эволюции либо приспособились к засолению почв, либо в борьбе за пространство заняли пустующие солончаки , на которых нет конкуренции. Растения, произрастающие на засоленных почвах, называются галофитами . Они накапливают хлориды в течение , а потом избавляются от излишков посредством листопада или выделяют хлориды на поверхность листьев и веток и получают двойную выгоду, притеняя поверхности от солнечного света.

Среди микроорганизмов также известны галофилы — галобактерии , — которые обитают в сильносоленых водах или почвах.

Токсичность

Хлор — токсичный удушающий газ, сильный ирритант , при попадании в лёгкие вызывает ожог лёгочной ткани (в результате образования в них хлорноватистой и соляной кислоты), удушье .

Раздражающее действие на дыхательные пути оказывает при концентрации в воздухе уже от 1 до 6 мг/м³ (что близко к хлора), при 12 мг/м³ переносится с трудом, концентрации больше 100 мг/м³ опасны для жизни ( смерть от остановки дыхания наступает через 5—25 минут, при высоких концентрациях — мгновенно) .

Предельно допустимая концентрация хлора в атмосферном воздухе следующие: среднесуточная — 0,03 мг/м³; максимально разовая — 0,1 мг/м³; в рабочих помещениях промышленного предприятия — 1 мг/м³.

При работе с хлором следует пользоваться защитной спецодеждой, противогазом, перчатками. На короткое время защитить органы дыхания от попадания в них хлора можно тряпичной повязкой, смоченной раствором сульфита натрия Na ₂ SO ₃ или тиосульфата натрия Na ₂ S ₂ O ₃ .

Хлор был одним из первых химических отравляющих веществ , использованных в Первую мировую войну , впервые применён Германией в 1915 году во время битвы при Ипре .

Комментарии

1. Указан диапазон значений атомной массы в связи с неоднородностью распространения изотопов в природе.

Примечания

Литература

• Некрасов Б. В. Основы общей химии, т. 3.  — М.: Химия, 1970;
• Якименко Л. М. Производство хлора, каустической соды и неорганических хлорпродуктов, М., 1974;
• Постановление Госгортехнадзора России от 05.06.2003 № 48 «Об утверждении Правил безопасности при производстве, хранении, транспортировании и применении хлора» ПБ от 05.06.2003 09-594-03;
• Федеральный закон от 21.07.1997 № 116-ФЗО промышленной безопасности опасных производственных объектов (с изменениями на 18 декабря 2006 года);
• Постановление Госгортехнадзора России от 18.10.2002 № 61-А «Об утверждении Общих правил промышленной безопасности для организаций, осуществляющих деятельность в области промышленной безопасности опасных производственных объектов » ПБ от 18.10.2002 № 03-517-02;
• Приказ Минздрава РФ от 28 марта 2003 г. № 126 «Об утверждении Перечня вредных производственных факторов, при воздействии которых в профилактических целях рекомендуется употребление молока или других равноценных пищевых продуктов»;
• Приказ МПР РФ от 2 декабря 2002 г. № 786 «Об утверждении федерального классификационного каталога отходов» (с изм. и доп. от 30 июля 2003 г.);
• Постановление Госкомтруда СССР от 25.10.1974 № 298/П-22 «Об утверждении списка производств, цехов, профессий и должностей с вредными условиями труда, работа в которых дает право на дополнительный отпуск и сокращенный рабочий день» (с изменениями на 29 мая 1991 года);
• Постановление Минтруда России от 22.07.1999 № 26 «Об утверждении типовых отраслевых норм бесплатной выдачи специальной одежды, специальной обуви и других средств индивидуальной защиты работникам химических производств»;
• Постановление Главного государственного санитарного врача РФ от 30.05.2003 № 116 «О введении в действие ГН 2.1.6.1339-03 „Ориентировочные безопасные уровни воздействия (ОБУВ) загрязняющих веществ в атмосферном воздухе населенных мест“» (с изменениями на 3 ноября 2005 года);
• ГОСТ 6718-93 Хлор жидкий. Технические условия.

Ссылки

• Де Лазари А. Н. // / А. Н. Де Лазари; Науч. ред. и коммент. М. В. Супотницкого . — М. : Вузовская книга, 2008. — 268 с. — 300 экз. — ISBN 978-5-9502-0314-5 .